Страница 89 из 120
Придание электромагнитному полю квантовой структуры было смелым и дальновидным действием Эйнштейна. Противоречие между квантовой структурой и волновой природой света, введение понятия фотонов, представляющих собой, как уже говорилось, кванты электромагнитного поля, нейтральные элементарные частицы, создание фотонной теории света было важным шагом, хотя и получило разъяснение только в 1928 г.
В области статистической физики, кроме создания теории броуновского движения, о чем уже говорилось, Эйнштейн совместно с известным индийским физиком Шатьендранатом Бозе, разработал квантовую статистику для частиц с целым спином[315], получившую название статистики Бозе — Эйнштейна. Заметим, что для частиц с полуцелым спином имеется квантовая статистика Ферми-Дирака.
В 1917 г. Эйнштейн предсказал существование ранее неизвестного эффекта — вынужденного испускания. Этот эффект, позднее обнаруженный, определил возможность создания лазеров.
Строение вещества
Квантовая теория
Первые попытки представить себе, как устроено вещество (какова его структура, из каких «кирпичиков» оно состоит), отделены от нашего времени многими столетиями. Сейчас трудно сказать, кто первый произнес слово «атом»; возможно, это был древнегреческий мыслитель Демокрит, живший в V–IV вв. до н. э.
Как начало современной науки относят к XV–XVII вв., так началом атомной физики — науки, в задачи которой входит изучение строения и «жизни» атомов, — считают конец XIX — начало XX в.
Очень давно было установлено, что атомы очень малы, что невозможно их увидеть даже в любой самый сильный микроскоп. Однако посредством опыта английского физика Чарльза Вильсона (1869–1959) в 1912 г. было установлено, что в среде пересыщенного водяного пара вдоль движения заряженной частицы в результате конденсации пара возникает след (трек), состоящий из мелких капелек жидкости. Так можно было убедиться в существовании атомов. В настоящее время созданы специальные весьма совершенные устройства (пузырьковые камеры), позволяющие фиксировать следы микрочастиц.
Сначала считали, что атом представляет собой индивидуальную частицу вещества, свойства которой являются необъяснимыми. В 1869 г. великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907) открыл периодический закон химических элементов, согласно которому с увеличением атомной массы элементов их химические и физические свойства периодически повторяются. Менделеевым была составлена периодическая система элементов, которой в дальнейшем было присвоено его имя.
Рис. 42. Фотоэлектрический эффект.
Атомная физика как самостоятельная наука возникла на основе открытия электрона и радиоактивного излучения. Электрон — отрицательно заряженная микрочастица с массой всего лишь около 9·10–28 г, один из основных структурных элементов вещества, — был открыт известным английским физиком Джозефом Джоном Томсоном (1856–1940), членом (с 1884 г.) и президентом (1915–1920 гг.) Лондонского королевского общества, иностранным почетным членом Академии наук СССР. Оказалось, что так называемые катодные лучи, испускаемые катодом и проходящие через сильно разреженные газы, представляют собой поток электронов. Изучение катодных лучей привело к выводу, что электроны входят в состав всех атомов. На рис. 42 показан простейший опыт по фотоэлектрическому эффекту: свет, падающий на пластинку, вызывает испускание электронов, пластинка заряжается, что видно по разошедшимся листочкам электроскопа.
Рис. 43. Модель атома Дж. Дж. Томсона.
Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, было нетрудно заключить, что атом должен иметь в своем составе и положительно заряженные частицы.
В 1896 г. французским физиком Антуаном Анри Беккерелем (1852–1908) впервые была обнаружена радиоактивность (от лат. radio — испускаю лучи и activus — действенный) солей урана. Явление радиоактивности, окончательно опровергнувшее представление о неделимости (о непревращаемости) атома, заключается в самопроизвольном превращении неустойчивых ядер атомов (о ядрах атомов будет сказано через несколько строк) и ядра других элементов (других атомов), происходящем в результате ядерных излучений. Оказалось также (это было чрезвычайно важно для медицины), что лучи, открытые Беккерелем, могли проникать в глубь вещества и поэтому являлись средством получения фотографий, например, внутренних органов человека.
Вопросы радиоактивности различных элементов изучались французскими физиками Пьером Кюри (1859–1906) и его супругой, Марией Склодовской-Кюри (1867–1934). Ими были открыты (1898 г.) новые элементы — полоний и радий. Было установлено, что радиоактивное излучение может быть двух видов: либо ядро радиоактивного элемента испускает α-частицу (ядро атома гелия с положительным зарядом 2е), либо β-частицу (электрон с отрицательным зарядом — е). В обоих случаях атом радиоактивного элемента превращается в атом другого элемента, например в атом свинца или висмута (это зависит как от исходного радиоактивного вещества, так и от вида радиоактивного излучения).
Следует еще раз отметить, какое огромное значение для развития науки (а также для практики) имело открытие радиоактивности. Вспомним, что один из величайших химиков за всю историю науки — Лавуазье установил во второй половине XVIII в. закон неизменности элементов, опроверг стремления и надежды алхимиков получать одни химические элементы (прежде всего, конечно, золото) из других. И вдруг оказалось, что в результате радиоактивного излучения некоторые элементы превращаются — да еще самопроизвольно — в другие. Это ли не научная сенсация?
Конечно, с течением времени, кстати довольно короткого, явление радиоактивности и превращение одних (радиоактивных) элементов в другие (например, нерадиоактивные) нашло свое объяснение.
В исследованиях радиоактивности большое значение имели совместные работы знаменитого английского физика Эрнеста Резерфорда (1871–1937) и известного английского химика Фредерика Содди (1877–1956), проведенные в 1899–1907 гг. В качестве исходных радиоактивных элементов ими использовались уран, торий и актиний. Были обнаружены так называемые изотопы, т. е. разновидности одного и того же химического элемента, имеющие одинаковые химические свойства и занимающие одно и то же место в периодической системе элементов Менделеева, но отличающиеся массой атомов.
Одна из первых моделей атома была предложена в 1903 г., уже знакомым нам Дж. Дж. Томсоном. Его модель (рис. 43) представляла собой положительно заряженную сферу с вкрапленными в нее отрицательно заряженными электронами. Сохранение электроном определенного места в сфере есть результат, по Дж. Дж. Томсону, равновесия между положительным распределенным зарядом сферы и отрицательными зарядами электронов.
Но модель атома Дж. Дж. Томсона просуществовала сравнительно недолго. Опыты, начатые в 1907 г. Э. Резерфордом и его помощниками, в том числе немецким физиком Хансом Гейгером (1882–1945), дали результаты, которые не могли быть объяснены с помощью модели Дж. Дж. Томсона.
Прежде чем рассказывать об этих интереснейших опытах, скажем несколько слов о жизни и деятельности Эрнеста Резерфорда, так много сделавшего для развития атомной физики. Резерфорд, член Лондонского королевского общества, почетный член Академии наук СССР, родился в 1871 г. в Новой Зеландии, в семье мелкого фермера, четвертым из 12 детей. Окончил Новозеландский университет (г. Крайстчерч). 13 1894 г. переехал в Англию и был принят в Кавендишскую лабораторию Кембриджского университета, где начал вести исследования под руководством Дж. Дж. Томсона. Большую часть жизни (с некоторыми перерывами во время работы в Монреальском и Манчестерском университетах) Резерфорд провел в Кембридже, будучи с 1919 г. директором Кавеидишской лаборатории. Он воспитал большое число высококвалифицированных физиков.
315
Под спином (от англ, spin — вращение) понимается собственный момент количества движения микрочастицы, имеющей квантовую природу и не связанный с движением частицы-как целого