Помоги проекту - поделись книгой:
Имея на руках такие аргументы, Томсон предложил модель атома, о которой мы уже говорили, — пудинговую модель. Он также хотел объяснить массу атома, отталкиваясь исключительно от электронов. Но по отдельности электроны обладают малой массой, это заставляло думать, что в атоме содержится чрезвычайно много электронов. Гипотезу отвергли, когда было установлено, что количество электронов в атоме должно совпадать с порядковым номером элемента в периодической системе. В модели Томсона не учитывалось слишком многое.
Осуществленный именно в этот момент эксперимент Резерфорда, который был описан в предыдущей главе, произвел эффект разорвавшейся бомбы. Новозеландский химик и физик попал в яблочко атомного ядра, навсегда изменив наше представление об атоме.
Строение атома, каким его обозначил Резерфорд, напоминало Солнечную систему в миниатюре. Ядро, занимающее центральное положение, было как звезда, а электроны, как планеты, вращались вокруг него. Концепция Резерфорда стала своеобразным каркасом, который на базовом уровне объясняет строение атомов. Но, как и всякое выдающееся научное открытие, это дало больше вопросов, чем ответов. В каком порядке располагаются электроны вокруг ядра? Из чего состоит ядро? Было и одно самое существенное неизвестное.
Сэр Артур Эддингтон (1882-1944), британский астрофизик
Согласно этой модели электрон вращается вокруг ядра, ввиду противоположного знака его заряда. Но по законам классической термодинамики, вращаясь, электрон должен испускать излучение и, соответственно, терять энергию. Это означает, что рано или поздно электрон должен упасть на ядро. Это стало бы катастрофой и разрушило бы всю окружающую нас реальность. Но материя стабильна, таким образом какой-то из известных законов или модель пребывает в явном противоречии. Проще всего было усомниться в предложенной модели атома, а не в принятых научным сообществом теориях, например в электромагнетизме. Однако имелись неоспоримые доказательства того, что модель Резерфорда верна. Согласно ей стабильность атома невозможна, но именно это мы и наблюдаем. Представляя свое открытие Королевскому обществу в 1911 году, он не скрывал собственного удивления подобному положению вещей. Для того чтобы объяснить строение атома, требовались новые законы, так как законы, управляющие объектами макроскопического мира, по видимости, здесь были неприменимы.
Эрнест Резерфорд, 1908 год.
Британский физик Джозеф Джон Томсон, руководитель Резерфорда в Кавеидишской лаборатории, первооткрыватель электрона, поставивший эксперимент с потоком частим (электронов) катодных лучей.
Немецкий физик Ханс Вильгельм Гейгер (слева) и Эрнест Резерфорд.
ГЛАВА 2
Альфа, бета и гамма
Вместе с Беккерелем и Марией Кюри Резерфорд разделяет славу открывателей природы радиоактивности. Ученый пришел к выводу, что это явление состоит из комплекса излучений, различающихся по электрическому заряду и способности проникновения в материю: заряд альфа-частицы положительный, а проникающая способность слабая; бета-частицы обладают гораздо большей проникающей способностью и отрицательным зарядом. Резерфорд также внес значительный вклад в обнаружение гамма-излучения.
Когда в 1895 году Резерфорд прибыл в Соединенное Королевство с далеких островов, он еще не знал о радиоактивности. Но спустя несколько лет стал одним из самых значительных исследователей в этой сфере.
Несмотря на то что в его распоряжении была стипендия имени Всемирной выставки 1851 года, проезд на корабле Резерфорду пришлось оплатить самостоятельно. Путешествие длилось два месяца, тогда же он начал писать письма своей невесте Мэри Ньютон. Переписка продолжалась в течение нескольких лет разлуки и теперь это ценный источник информации обо всех превратностях судьбы, с которыми молодой ученый столкнулся в этот поворотный для него период.
Резерфорд избрал работу в команде Джозефа Джона Томсона, директора Кавендишской лаборатории. Фортуна снова улыбнулась Резерфорду, так как в том же году было отменено постановление, запрещавшее поступать в аспирантуру Кембриджа тем, кто в нем не обучался. Так Резерфорд стал первым чужеземным аспирантом Кембриджа. И это было сопряжено с дополнительными сложностями в ходе его адаптации, поскольку другие студенты и преподаватели не признавали его своим.
Вначале Эрнест продолжал свою работу над приемником электромагнитных сигналов, основываясь на имевшемся у него опыте, который так впечатлил преподавателей и студентов в Новой Зеландии. Резерфорд полностью сконструировал аппарат, включая батарейки. Его руководитель Дж. Дж. Томсон, а также другие исследователи университета, с интересом ждали результатов от нового студента. В автобиографии Дж. Дж. Томсон так описывал первые шаги Резерфорда в университете:
Несмотря на то что изобретение было многообещающим и могло служить практическим целям (что сулило также неплохой доход), эти исследования отошли на второй план, как только Резерфорд начал изучать рентгеновские лучи.
Гульельмо Маркони, около 1937 года.
Резерфорд считал, что квантовая революция началась в 1896 году, когда Анри Беккерель открыл радиоактивность. Это открытие было сделано совершенно неожиданно, так как физика XIX века не предполагала, что внутри материи может заключаться такое количество энергии. Однако чтобы понять контекст событий, нужно перенестись на год назад, когда Вильгельм Конрад Рентген обнаружил икс-лучи.
Рентген был профессором Вюрцбургского университета (Германия) и изучал проникающую способность катодных лучей, точнее, хотел выяснить, могут ли они пронизывать алюминий. В ходе опыта он выключил лучи и поместил черный картон, закрывая трубку, чтобы лучи не исчезли. После подключения трубки катодных лучей он случайно заметил, что экран, находившийся вдалеке от флуоресцентного материала, начал блестеть. Вспышки прекращались при отключении тока от трубки. Очевидно, что из трубки испускались лучи отличной от катодных природы, так как катодные лучи картон должен был поглощать.
Рентгеновские лучи входят в электромагнитный спектр. Вместе с гамма-лучами они обладают наибольшей энергией в спектре: у них самая высокая частота и наименьшая длина волны.
Конрад Рентген обнаружил, что новые лучи обладали особой характеристикой: они могли проходить сквозь твердые тела. Он назвал их икс-лучами, так как ничего не знал об их происхождении; сегодня они известны как "рентгеновские", по имени их открывателя. Тогда Рентген решил сделать с помощью икс-лучей изображение, ставшее впоследствии одним из самых известных в истории: снимок левой руки своей жены (на которой можно увидеть кольцо). Фотография обошла все лаборатории Европы и вызвала большой резонанс как в научном мире, так и в обществе в целом. Ученым было важно узнать природу, происхождение и характеристики лучей. Также не остались незамеченными многообещающие возможности их применения, особенно в сфере медицины.
Одним из ученых, кого восхитило открытие рентгеновских лучей, был Антуан-Анри Беккерель, в 1892 году занимавший должность директора парижского Музея естественной истории. Беккерель происходил из семьи ученых, работавших в этом музее, а поскольку его отец был экспертом по флуоресцентным минералам, в коллекции их было предостаточно. Рентген высказал предположение, что икс-лучи могли быть связаны с флуоресценцией, так что Беккерель занимал наилучшую позицию для изучения этой гипотезы. На самом деле догадка была ошибочной, но она привела к знаковому открытию.
Внимание Беккереля привлекла интенсивность флуоресценции минерала, состоящего из солей урана (это был сульфат уранила-дикалия, в то время он использовался для окраски керамики и стекла). Для урана флуоресценция характерна в естественном состоянии, поэтому избранный материал идеально подходил для исследований. В 1886 году Беккерель поместил соль урана на фотопластинку (стекло, покрытое слоем светочувствительного материала), завернутую в черную бумагу. При воздействии солнечных лучей на минерал возникала флуоресценция. Черная бумага препятствовала попаданию солнечных лучей на фотопластинку, то есть если бы на пластинке и остался какой-либо след, то только рентгеновские лучи.
Антуан-Анри Беккерель
После нескольких часов воздействия солнечных лучей минерал стал флуоресцентным. Беккерель проявил фотопластинку и, к своему удовлетворению, как и ожидал, обнаружил образ минерала запечатленным на ней. Его гипотеза полностью подтвердилась. Через неделю ученый захотел повторить эксперимент, но было облачно, и уран и фотопластинку пришлось убрать в ящик стола. Этот на первый взгляд совершенно незначительный момент стал ключом к великому открытию.
Через несколько дней Беккерель достал пластинку и минерал и с удивлением обнаружил, что контур минерала вновь отпечатался на ней. Минерал находился в ящике в полной темноте, поэтому отпечаток не мог быть связан с флуоресценцией. Ученый провел еще несколько опытов, чтобы убедиться, что это неслучайно: он выяснял, не может ли уран сохранять флуоресцентные свойства дольше, чем было принято считать, но в конце концов был вынужден признать, что первоначальная гипотеза потерпела крах. Беккерель все так же был убежден, что на пластинке отпечатались рентгеновские лучи, но природа их, должно быть, иная. Результат открытия был представлен на заседании Парижской академии наук в 1896 году, но никто не придал ему большого значения.
В действительности, не отдавая себе в этом отчета, Бекке- рель открыл радиоактивность. Если для получения рентгеновских лучей нужно было высокое напряжение, происхождение лучей Беккереля было неизвестно, и данная неизвестность привлекла многих исследователей.
Облученные коротковолновым ультрафиолетовым (УФ) излучением, урановый шар слева — флуоресцентный, кальцит — фосфоресцентный.
Когда появилось известие об открытии рентгеновских лучей, Томсон принял решение немедленно приступить к их изучению и предложил своему ассистенту помочь ему в этом деле. В мае 1896 года Резерфорд написал будущей жене о новом направлении исследований:
В 1896 году Резерфорд и Томсон представили научному сообществу данные о том, что рентгеновские лучи ионизировали газы, то есть газ оказывался лучшим проводником электричества при рентгеновском облучении. Это свойство, которое начали использовать для идентификации рентгеновских лучей, было характерно и для других видов излучения, поэтому предположили, что рентгеновские лучи могли оказаться одним из видов электромагнитного излучения. Немецкий физик Макс фон Лауэ (1879-1960) смог подтвердить эту гипотезу спустя два десятилетия.
Томсон отдавал все силы исследованиям катодных лучей, и его работу венчало открытие: катодные лучи оказались отрицательно заряженными частицами, поток которых возникал из атомов. Сразу после этого открытия Томсон предложил свою модель атома.
Пока Томсон изучал атом, Резерфорд исследовал ионизацию газов другими видами излучения, в том числе ультрафиолетовым. Также он решил заняться и рентгеновскими лучами, сразу после того как пришли новости об их открытии. Но не одного его привлекло открытие Беккереля. В Париже супружеская чета Кюри также очень заинтересовалась им. Резерфорд и Кюри разделяли одни и те же научные интересы, что привело их не только к сотрудничеству, но и к соперничеству.
Студенты Кавендишской лаборатории, 1898 год. В центре первого ряда (со скрещенными руками) Дж. Дж. Томсон; во втором ряду четвертый слева — Резерфорд.
Первая радиография Рентгена, на которой мы видим руку его жены Берты.
Немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген.
Мария Склодовская (1867-1934) родилась в Варшаве. Чтобы поступить в университет (в Польше женщинам учиться не дозволялось), ей пришлось эмигрировать во Францию, где она стала первой женщиной, получившей степень доктора физики в Сорбонне. Выйдя замуж за ученого, Пьера Кюри, она взяла его фамилию.
Раздумывая над темой диссертации, Мария остановила свой выбор на излучении урана, открытого Беккерелем. В качестве детектора лучей тот использовал фотопластинки, что было удобно, однако не позволяло количественно измерить интенсивность радиации.
Мария Кюри, 1920 год.
Поделиться книгой: