70927-1 (История физики: строение материи)

История физики: строение материи

Горяев М.А.

К середине 19 века атомно-молекулярная теория строения вещества заняла уже достаточно прочные позиции, и продолжались работы по более глубокому проникновению в микромир. Во второй половине 19 века после появления хороших вакуумных насосов при исследовании электрического разряда в газах были обнаружены катодные лучи, которые вызывали флуоресценцию стекла газоразрядной трубки. Английский ученый Уильям Крукс (1832-1919), который проводил работы в своей частной лаборатории в Лондоне, установил, что они имеют материальную природу и отклоняются в магнитном поле. Он выдвинул гипотезу, что это четвертое "ультрагазообразное" состояние материи. В 1895 г. в споре со сторонниками волновой природы катодных лучей французским физиком Жаном Батистом Перреном (1870-1942) было показано, что это отрицательные электрические заряды. В 1897 г. Томсон экспериментально с использованием воздействия электрического и магнитного поля подтвердил материальную природу новых частиц - электронов и определил для них отношение заряда к массе и скорость.

Томсон Джозеф Джон (18.12.1856-30.08.1940) - английский физик, член Лондонского королевского общества (1884, 1916-20 - президент), многих академий наук, в частности АН СССР (1925), медали Франклина, Фарадея, Хьюза, Копли и др. Родился в Четхем Хилле в семье книготорговца. Окончил Манчестерский (1876 - инженер) и Кембриджский (1880 - бакалавр математики) университеты. В 1884-1919 - профессор Кембриджского университета и директор Кавендишской лаборатории, в 1905-18 - также профессор Королевского института, с 1918 возглавил Тринити колледж в Кембридже.

Работы по проблемам прохождения электрического тока в газах, катодных и рентгеновских лучей, атомной физики. При исследовании катодных лучей открыл первую элементарную частицу - электрон (Нобелевская премия, 1906). В 1897 выдвинул гипотезу о внутриатомных электронах. Обнаружил в 1899 электроны в фототоке и при термоэлектронной эмиссии. Разработал теорию движения электрона в электрическом и магнитном полях. Объяснил происхождение сплошного спектра рентгеновских лучей.

В 1903 предложил одну из первых моделей атома, в 1904 ввел представление о разделении электронов в атоме на группы, различная конфигурация которых определяет периодичность химических элементов. В 1907 предложил принцип масс-спектрометрии, разработал в 1911 метод парабол для определения относительных масс частиц, получил первые экспериментальные данные о существовании изотопов. В классической теории рассеяния определил эффективное сечение для рассеяния света свободными электронами (формула Томсона). Является одним из основоположников электронной теории металлов. Создал большую интернациональную школу физиков-экспериментаторов.

С помощью изобретенной в 1897 г. английским физиком Чарльзом Томсоном Рисом Вильсоном (1869-1959) камеры (Нобелевская премия по физике, 1927) Томсону удалось установить отдельно и заряд, и массу электрона. После 1900 г. в физике уже стало окончательно общепринятым, что электричество имеет дискретную структуру и единица отрицательного электричества - электрон.

В 1895 г. Рентген открыл при исследовании катодных лучей новый вид излучения - Х-лучи, которые обладают рядом замечательных свойств: поразительная проникающая способность, способность вызывать флуоресценцию и фотохимическое действие.

Рентген Вильгельм Конрад (27.03.1845-10.02.1923) - немецкий физик, член-корреспондент Берлинской АН (1896), медаль Румфорда. Родился в Леннепе в семье коммерсанта. Окончил Федеральный технологический институт в Цюрихе (1868), доктор философии (1869, Цюрихский университет). Работал с А.Кундтом в 1869-71 в Цюрихе, в 1871-72 в Вюрцбургском, в 1872-75 в Страсбургском университетах. В 1875-76 - профессор физики Сельскохозяйственной академии в Гогенхейме, 1876-79 - профессор Страсбургского университета. В 1879-88 - профессор университета в Гиссене и директор Физического института, в 1888-1900 - профессор Вюрцбургского университета (с 1894 - ректор), в 1900-20 - профессор Мюнхенского университета и директор Физического института.

Работы в области электромагнетизма, физики кристаллов, оптики, молекулярной физики. Открыл рентгеновские лучи и исследовал их свойства (способность отражаться, поглощаться, ионизировать воздух и т.д.), предложил правильную конструкцию трубки для их получения, сделал первые фотоснимки с применением этих лучей (первая Нобелевская премия по физике, 1901). Открыл в 1885 магнитное поле диэлектрика, движущегося в электрическом поле (рентгенов ток), исследовал свойства жидкостей, газов, кристаллов, открыл взаимосвязь электрических и оптических явлений в кристаллах.

Учениками Рентгена были М.Вин, А.Ф.Иоффе, П.Прингсгейм и др. Его именем названа единица экспозиционной дозы радиоактивного излечения - рентген.

Открытие рентгеновских лучей имело важное значение как для последующих научных исследований, так и для использования в медицине и промышленности.

С самого начала возник спор о природе рентгеновского излучения. В 1912 г. немецкий физик Макс фон Лауэ (1879-1959) провел блестящий эксперимент по дифракции таких лучей на кристаллической решетке (Нобелевская премия по физике, 1914). Из этого эксперимента были сделаны два важных вывода: подтверждалась волновая природа Х-лучей и появилась возможность определить их длину волны, а, зная длину волны, можно было получать данные о структуре кристалла.

Открытие Рентгена дало толчок другому открытию - радиоактивности. Беккерель занимался фосфоресценцией и после опытов Рентгена задался вопросом: не могут ли Х-лучи испускаться фосфоресцирующими телами после длительного облучения солнечным светом.

Беккерель Антуан Анри (15.12.1852-25.08.1908) - французский физик, член Парижской (1889, 1908 - президент) и ряда других академий наук. Родился в Париже в семье известного физика А.Э.Беккереля. Окончил Политехническую школу в Париже (1874), ученая степень по техническим наукам в Высшей школе мостов и дорог (1877). С 1876 - лектор, с1895 - профессор в Политехнической школе, (с 1892 - заведующий кафедрой в Музее естественной истории и Консерватории искусств и ремесел).

Основные работы в области оптики (магнитооптика, фосфоресценция, инфракрасные спектры) и радиоактивности. За открытие явления естественной радиоактивности в 1903 удостоен Нобелевской премии. Пропуская -частицы через пересекающиеся электрическое и магнитное поля, первый измерил удельный заряд этих частиц и установил их схожесть с катодными лучами (1900). В 1901 независимо от П.Кюри обнаружил физиологическое действие радиоактивного излучения и его способность ионизировать газ.

Проводя опыты по фосфоресценции солей урана, Беккерель обнаружил засветку фотопластинки, отделенной от соли черной бумагой. В 1896 г. случайно обнаружилось, что засветка появляется и в темноте, т.е. без возбуждения фосфоресценции. Было также обнаружено, что подобные явления наблюдаются и на других, не фосфоресцирующих солях урана.

В 1897 г. к этим исследованиям подключились Склодовская-Кюри со своим мужем Пьером: ими была открыта радиоактивность тория, а также найдены новые более радиоактивные вещества - полоний и радий.

Склодовская-Кюри Мария (07.11.1867-04.07.1934) - польский и французский физик и химик, член многих академий наук и научных обществ, иностранный член АН СССР (1926), медали Бертело, Дэви, Крессона. Родилась в Варшаве в семье преподавателя физики в гимназии. Окончила Парижский университет (лиценциат по физике - 1893, по математике - 1894, степень доктора - 1903). С 1895 работала в лаборатории П.Кюри в Школе физики и химии (Париж), в 1900-06 - преподаватель физики в Севрской нормальной школе. С 1906 - профессор и заведующая кафедрой Парижского университета, с 1914 - также директор Института радия.

Работы в области радиоактивности. В 1897 начала исследование радиоактивности солей урана и установила, что это свойство атомов урана. В 1898 независимо от Г.Шмидта доказала радиоактивность тория. Заметила повышенную радиоактивность некоторых минералов, содержащих уран и торий. В результате кропотливой работы по разработанному супругами Кюри методу обогащения урановой смолки были открыты в 1898 полоний и радий, а в 1899 - наведенная радиоактивность. В 1911 вместе с французским химиком А.Дебьерном получила металлический радий, определила его атомный вес и место в периодической таблице химических элементов. В 1903 за исследование радиоактивности удостоена Нобелевской премии по физике, а в 1911 за получение металлического радия - Нобелевской премии по химии.

Ввела термин "радиоактивность", разработала основы количественных методов радиоактивных измерений, первая использовала радиоактивность в медицине. В годы первой мировой войны организовала 220 передвижных и стационарных установок для рентгено- и радиологического обслуживания госпиталей Франции. Умерла от лейкемии.

В честь Марии и Пьера Кюри названы 96 химический элемент - кюрий и единица радиоактивности - кюри.

Кюри Пьер (15.05.1859-19.041906) - французский физик, член Парижской АН (1905), медаль Дэви, Маттеучи. Родился в Париже в семье врача. Окончил Парижский университет (бакалавр - 1876, лиценциат по физике - 1878), где в 1878-83 работал ассистентом. В 1883-1904 - руководитель лаборатории в Школе физики и химии, с 1904 - профессор Парижского университета. Трагически погиб в результате несчастного случая.

Работы в области физики кристаллов, магнетизма, радиоактивности. В 1880 вместе с братом минералогом Ж.Кюри открыл прямой и обратный пьезоэлектрические эффекты, используя который они сконструировали высокочувствительный прибор для измерения малых зарядов и слабых токов. В 1884-85 развил теорию образования кристаллов и исследовал законы симметрии, ввел понятие поверхностной энергии граней и сформулировал общий принцип роста кристаллов, предложил принцип определения симметрии кристалла, находящегося под каким-либо воздействием (принцип Кюри).

Установил в 1895 независимость магнитной восприимчивости диамагнетиков от температуры и ее обратно пропорциональную зависимость от температуры для парамагнетиков (закон Кюри). Открыл для железа существование температуры, выше которой оно теряет ферромагнитные свойства (точка Кюри) и скачкообразно меняются удельная электропроводность и теплоемкость.

С 1897 вместе с женой М.Склодовской-Кюри сосредотачивается на исследовании радиоактивности, и делают ряд выдающихся открытий: новые радиоактивные элементы (полоний и радий), наведенную радиоактивность (Нобелевская премия, 1903). В 1901 обнаружил биологическое действие радиоактивного излучения, в 1903 открыл количественный закон снижения радиоактивности, введя период полураспада, и показал его независимость от внешних условий, что позволило ему предложить метод определения абсолютного возраста земных пород. В 1903 вместе с А.Лабордом обнаружил самопроизвольное выделение тепла солями радия, что свидетельствовало о наличии большой атомной энергии. Организовал промышленную добычу радия на основе разработанной технологии обогащения урановой руды.

Начались широкие исследования свойств новых излучений. В 1899 г. было показано, что в их составе есть два вида излучения, которые Розерфорд назвал - и -излучениями.

Резерфорд Эрнест (30.08.1871-19.10.1937) - английский физик, член Лондонского королевского общества (1903, 1925-30 - президент), всех академий наук, иностранный член АН СССР (1925). Родился в Спринг-Броуве (Новая Зеландия) в многодетной (12 детей) семье строительного рабочего. Окончил Кентербери-колледж в Крайстчерче (1894). В 1895-98 работал в Кавендишской лаборатории у Дж.Дж.Томсона, в 1898-1907 - профессор Макгиллского университета в Монреале, в 1907-19 - профессор Манчестерского университета и директор физической лаборатории. С 1919 - профессор Кембриджского университета и директор Кавендишской лаборатории.

Исследования в области радиоактивности и ядерной физики. Своими фундаментальными открытиями заложил основы учения о радиоактивности и теории строения атома. В 1899 открыл - и -лучи, в 1900 - эманацию тория. Вместе с Ф.Содди в 1902-03 разработал теорию радиоактивного распада и установил закон радиоактивных превращений. В 1903 доказал, что -лучи состоят из положительно заряженных частиц. Предсказал существование трансурановых элементов. За исследования по превращению элементов и химии радиоактивных веществ Резерфорду присуждена Нобелевская премия по химии (1908).

В 1908 вместе с Г.Гейгером сконструировал прибор для регистрации заряженных частиц (счетчик Гейгера) и с его помощью окончательно доказал, что -частицы - дважды ионизованные атомы гелия. Обнаружил и установил закон рассеяния -частиц атомами различных элементов, что привело его к открытию в атоме положительно заряженного ядра и созданию новой планетарной модели атома (модель атома Резерфорда).

Совместно с Э.Адриаде доказал идентичность рентгеновских спектров изотопов, подтвердив равенство их порядковых номеров в периодической таблице, наблюдал дифракцию -лучей на кристалле, доказав их электромагнитную природу. Выдвинул идею об искусственном превращении ядер, в 1919 осуществил первую искусственную ядерную реакцию, заложив основы ядерной физики, открыл протон. В 1920 предсказал существование нейтрона и дейтрона. С М.Олифантом экспериментально доказал справедливость взаимосвязи массы и энергии в ядерных реакциях (1933), в 1934 осуществил реакцию синтеза дейтронов с образованием трития.

Создал большую школу физиков: Г.Гейгер, О.Ган, Г.Мозли, Дж.Чадвик, Н.Бор, П.Блэккет, П.Л.Капица, Дж.Кокрофт, Ю.Б.Харитон, А.И.Лейпунский и др.

Через три года Поль Вийяр (1860-1934) показал, что есть и третья компонента - -лучи. При исследовании -лучей было обнаружено, что e/m зависит от скорости частиц, и это натолкнуло немецкого физика Вальтера Кауфмана (1871-1947) на мысль, что масса электрона в соответствии с выдвинутой немецким физиком Максом Абрагамом (1875-1922) гипотезой имеет отчасти электромагнитное происхождение, т.е. возник вопрос о дуализме частица - волна.

В 1887-88 г.г. Герц, шведский физико-химик Сванте Август Аррениус (1859-1927), Риги установили влияние ультрафиолетового света на электрический разряд, а немецкий физик Вильгельм Людвиг Франц Галльвакс (1859-1922) показал, что при освещении электрода создаются электрические заряды. Так был открыт фотоэлектрический эффект. С 1888 г. исследованием фотоэффекта занимался Столетов и сформулировал основные законы этого явления.