Открытие радиоактивности
В 1895 г. Рентген открыл лучи Рентгена. Это было замечательное научное достижение и газеты писали о нём взахлёб - это ж можно увидеть кости скелета у живого человека или струны рояля не подымая крышки! Недаром Рентгену первому была присуждена Нобелевская премия по физике. Анри Беккерель, подогретый общим ажиотажем, задался вопросом: а не могут ли тела, самопроизвольно светящиеся в темноте, кроме световых лучей испускать и другие, невидимые. С этой целью он провёл ряд экспериментов с фосфоресцирующими объектами и нашёл-таки невидимое излучение, которое засвечивало фотопластинки. Его испускали соли урана (и чистый уран тоже). И это были не лучи Рентгена, а что-то иное. Так же, как Колумб отправился искать короткий путь в Индию, а открыл Америку, так и Беккерель в поисках новых источников лучей Рентгена открыл совершенно новый мир физических явлений - в 1896 г. была открыта радиоактивность. Открытие радиоактивности было непосредственно связано с открытием Рентгена. Более того, некоторое время думали, что это один и тот же вид излучения. Конец 19 в. вообще был богат на открытие различного рода не известных до того “излучений”. В 1880-е английский физик Джозеф Джон Томсон приступил к изучению элементарных носителей отрицательного заряда, в 1891 ирландский физик Джордж Джонстон Стони (1826-1911) назвал эти частицы электронами. Наконец, в декабре Вильгельм Конрад Рентген сообщил об открытии нового вида лучей, которые он назвал Х-лучами. До сих пор в большинстве стран они так и называются, но в Германии и России принято называть лучи рентгеновскими. Эти лучи возникают, когда быстро летящие в вакууме электроны (катодные лучи) сталкиваются с препятствием.
Было известно, что при попадании катодных лучей на стекло, оно испускает видимый свет - зеленую люминесценцию. Рентген обнаружил, что одновременно от зеленого пятна на стекле исходят какие-то другие невидимые лучи. Это произошло случайно: то в темной комнате светился находящийся неподалеку экран, покрытый веществом, который дает яркую желто-зеленую люминесценцию под действием ультрафиолетовых, а также катодных лучей. Но катодные лучи на экран не попадали, и более того, когда прибор был закрыт черной бумагой, экран продолжал светиться. Вскоре Рентген обнаружил, что излучение проходит через многие непрозрачные вещества, вызывает почернение фотопластинки, завернутой в черную бумагу или даже помещенной в металлический футляр. Лучи проходили через очень толстую книгу, через еловую доску толщиной 3 см, через алюминиевую пластину толщиной 1,5 см... Рентген понял возможности своего открытия: “Если держать руку между разрядной трубкой и экраном, - писал он, - то видны темные тени костей на фоне более светлых очертаний руки”. Это было первое в истории рентгеноскопическое исследование. Открытие Рентгена мгновенно облетело весь мир и поразило не только специалистов. В канун 1896 в книжном магазине одного немецкого города была выставлена фотография кисти руки. На ней были видны кости живого человека, а на одном из пальцев - обручальное кольцо. Это была снятая в рентгеновских лучах фотография кисти жены Рентгена.
Открытие электрона
А в следующем, 1897 г. Д. Д. Томсон (лучше произносить по-английски: Джи-Джи Томсон) открыл электрон. Мало кому известный до того времени Д.Д. Томсон был, тем не менее, директором Кавендишевской лаборатории при Кембриджском университете - учреждении, где великие открытия совершались чаще, чем где-либо ещё на планете. Первым Директором Кавендишевской лаборатории был Джеймс Максвелл, вторым - лорд Рэлей, третьим - Д.Д. Томсон. Он занимался катодными лучами.Можно ли пропустить электрический ток через вакуум? Возьмём стеклянную капсулу, впаяем в неё электроды, выкачаем воздух и подключим электроды к мощной батарее. В капсуле (которую далее будем уже называть электронно-лучевой трубкой) появится свечение.
Светится в данном случае разреженный газ. Если в трубке создать более глубокий вакуум, то около отрицательно заряженного электрода (катода) появится зеленоватое свечение. Металлический предмет, помещённый между катодом и стеклом, даст тень (экранированный им участок стекла светиться не будет). Итак, нечто вылетает из отрицательно заряженного электрода (катода), попадает на стеклянную стенку и заставляет её светиться. Назовём это нечто катодными лучами. Может быть, это волны эфира, а может - частицы вещества, «чистого электричества». Та же неопределенность во времена ранних работ Томсона с катодными лучами существует и для лучей Рентгена. Томсону удаётся отклонить катодные лучи в электрическом и магнитном полях. Значит, перед нами не волны эфира, а частицы. Сила отклоняющая частицы в магнитном поле, есть функция, определяемая тремя параметрами - скоростью частиц, их зарядом и массой. Сила отклонения в магнитном поле - функция от тех же трёх параметров. Зная эти силы, получаем систему из двух уравнений с тремя неизвестными. Понятно, что полностью решить их невозможно, но Томсону удаётся вычислить скорость частиц и отношение массы к заряду, m/q.
Пропускаем через раствор или расплав определённое количество электричества q и получаем на электроде определённую массу вещества m, - в электролизной ванне тоже движутся заряженные частицы вещества, их принято называть ионами. Хотя ион - такая же ненаблюдаемая сущность, как и атом, для него есть по крайней мере одна физическая характеристика - отношение массы к заряду.
Однако m/q даже самого лёгкого элемента, водорода, в 2 000 раз больше, чем у частиц катодных лучей. Что же перед нами: ион водорода (или ещё какого-либо элемента) с аномально большим зарядом, или «стандартный» по заряду ион «чистого электричества» с аномально малой массой.
Лучше выбрать последний вариант - во-первых, m/q частиц катодных лучей не зависит от материала катода (Томсон это проверил), т.е. это не есть мельчайшие кусочки катода; во-вторых масса заряженного тела и того же тела, с которого заряд «стёк», не меняется, точнее, разница не может быть измерена лабораторными весами - и для объяснения этого феномена сверхлёгкие частицы «чистого электричества» весьма подходят. Название для гипотетических частиц «чистого электричества» предложили ещё в 1891 г. - «электрон».
Томсон пошёл дальше второго варианта - он решил, что электроны - это кусочки атома, такой штучки, от которой нельзя отрезать кусочек по определению.
Теория радиоактивности Резерфорда-Содди
В 1898 г. супруги Кюри открывают радий, а Резерфорду удаётся расщепить радиоактивные лучи Беккереля. Самое удивительное в явлении радиоактивности - постоянное выделение энергии. Самое непонятное - откуда она возникает? Радий - исключительно радиоактивный элемент. Чуть позже Пьер Кюри подсчитал, что радий выделяет за час около 80 кал. энергии. С одной стороны, эмпириокритики с удовлетворением констатируют, что рухнул ещё один фундаментальный закон природы - закон сохранения энергии. С другой стороны, ежели каждый час грамм радия выделяет 80 кал. … много-много, сколько угодно много часов… а если всю эту энергию вытащить из него разом - вот это будет плюх! Русский символист А. Белый писал в стихах «И мир взорвётся атомною бомбой!». Физики тщетно пытались объяснить, что атомная бомба невозможна, никакими физическими действиями - нагреванием, давлением, электротоком и т. д. нельзя изменить равномерность истечения энергии из радия. Во-вторых, все вопросы, связанные со строением атомов, долгое время будут решаться через радий. Тот, кто владеет радием, владеет ключами к внутреннему миру атомов. Но ключ оказался у Эрнста Резерфорда. Он, во-первых, был исключительно силён и крепок физически, во-вторых, вышел из самого дальнего уголка Британской империи - деревеньки Пунгареху в Новой Зеландии, а в-третьих, сам был университетом (в том числе и нашим, советским); последнее следует понимать так: он создал международную школу атомной физики.
Сам же Резерфорд являлся учеником Дж. Дж. Томсона - самым блестящим. В 1898 г. Резерфорд является аспирантом Томсона. В сильном магнитном и электрическом поле Резерфорд разделяет истекающий из радиоактивного препарата «луч Беккереля» на поток положительно заряженных частиц - б-излучение и поток отрицательных частиц - в-излучение. в-частицы оказались электронами Томсона, а массивные б-частицы были чем-то совершенно новым. После окончания аспирантуры молодой доктор философии Резерфорд едет преподавать в Канаду, в Мак-Гилльский университет, куда в это же время судьба занесла другого выпускника Кэмбриджского университета - химика Ф. Содди. Молодой профессор-физик и лаборант-химик объединили свои усилия в работе над торием. Торий - тоже радиоактивный элемент, но активность его очень слабая, ниже активности урана, не говоря уже о радии. Молодым учёным удалось выделить из препаратов тория вещество под названием «торий-Х», впоследствии оказавшееся изотопом радия. Это было серьёзное открытие, не несущее, однако, ничего необычайного: радий и полоний тоже были выделены как примесь урана.
Очищенный от тория-Х препарат тория терял свою радиоактивность. Неожиданностью оказалось другое: лишённый тория-Х «чистый» торий через некоторое время опять содержал примесь тория-Х. И тогда было произнесено запретное слово: «Трансмутация!». Трансмутация - это алхимический термин, означающий превращение одного элемента в другой. В 1903 г. Резерфорд и Содди опубликовали серию статей, в которых они изложили теорию радиоактивности. С последующими дополнениями она может быть изложена так: радиоактивность есть акт, сопровождающий превращение одного элемента в другой. В процессе радиоактивного распада атомов выделяется огромное количество энергии. в процессе превращения атомов одного элемента в другой выделяются б- или в-частицы. В результате в-распада появляется элемент, следующий за исходным в таблице Менделеева, при б-распаде возникает элемент, стоящий на две клетки левее исходного. каждый радиоактивный элемент характеризуется своим, строго постоянным временем полураспада. Например, для урана это 4,5 млрд. лет, для тория - 14 млрд. лет, изотопа радия, выделенного Кюри - 1 600 лет. За создание теории радиоактивности и открытие явления трансмутации Резерфорду была присуждена нобелевская премия по химии (1908; несмотря на выдающиеся открытия, Резерфорд, член всех академий мира, так и не стал нобелевским лауреатом по физике; Содди получил Нобелевскую премию по химии в 1921 г. за достижения в исследовании изотопов).
Теория броуновского движения как доказательство атомной структуры вещества
В 1828 г. ботаник Броун (правильнее - Браун), рассматривая под микроскопом пыльцу сосны, заметил, что зёрнышки пыльцы подрагивают и перемещаются. И не только пыльца - все мелкие предметы, взвешенные в воде или газе (например, частички, составляющие дым) находятся в непрерывном движении. В 1905 г. Эйнштейн дал физическую теорию этого движения. Согласно кинетической теории газов, молекулы газа находятся в непрерывном движении и постоянно сталкиваются друг с другом. Некоторые молекулы в данный момент времени движутся быстрее, некоторые - медленнее, но средняя скорость при данной температуре и давлении не меняется. Формулу распределения молекул по скоростям вывел Максвелл, она так и называется - распределение Максвелла. Если взять какой-либо диапазон скоростей, например от 0 до 5 000 м/сек и разбить его на несколько интервалов, скажем, на 10, то с помощью распределения Максвелла можно рассчитать, какой процент молекул будет иметь скорость от 0 до 500 м/сек, какой - от 500 до 1000 и т.д.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14
