История науки
..pdf
ми состояниями. Система может пребывать в таком состоянии, по крайней мере, в течение некоторого времени, не излучая. Излучение имеет место только при полном переходе из одного стационарного состояния в другое и представляет собой всегда ряд простых гармонических волн. В этой теории частота излучения, испускаемого при таком процессе, не определяется непосредственно движени ем электронов в атоме подобно тому, как это имеет место в классической элект родинамике. Вместо этого частота просто связана с общим количеством энер гии, излученным во время перехода: произведение частоты v на постоянную Планка h равно разности значений Е ' и Е " энергии атома в обеих стадиях ин тересующего нас процесса, так что /iv = Е ' — £"».
Таким образом, постулаты Бора противоречат классическим представле ниям по нескольким статьям. Согласно классической механике энергия дви жущихся электронов может быть любой — Бор квантует энергию. Бор до пускает возможность ускоренного движения электрона без излучения элек тромагнитных волн — это противоречит электродинамике Максвелла. И наконец, особенно радикальным следствием из теории Бора оказалась не зависимость частоты излучения от частоты периодического движения элек трона, что также в корне противоречит классической электродинамике.
Свою теорию Бор успешно применил к строению атома водорода — про стейшего атома. Но построить количественную теорию для следующего за водородом атома гелия ему не удавалось. Теория Бора была внутренне про тиворечива. С одной стороны, Бор стоял на классических позициях меха ники и электростатики, с другой стороны, он использовал квантовые пред ставления, не согласующиеся с классическими.
И все же постулаты Бора оказались правильными. Они стали следствием квантовой механики, тогда только зарождавшейся. За создание первой кванто вой модели атома Бору была присуждена Нобелевская премия по физике за 1922 г. Любопытно, что текст своей нобелевской лекции Бор забыл взяггь с собой, и ему пришлось импровизировать на церемонии вручения. Вообще, забывчивость едва не стоила Бору жизни. Во время Второй мировой войны в 1943 г. Бор был приглашен в Англию. Во время перелета произошел такой случай. За Бором был прислан военный самолет — маленький бомбардировщик. Для пассажира было возможно только одно место в самолете — бомбовый отсек. Бора облачили в ко стюм пилота, на него надели парашют и вручили ракетницу для подачи сигнала в случае, если придется совершить экстренную посадку. Полет проходил на боль шой высоте. Бор забыл включить кислородный прибор и потерял сознание. В полете предпринять что — либо было невозможно, но Бор, к счастью, остался жив. При посадке в Шотландии он очнулся. Однако вскоре пришло сообщение, что сбит самолет, на котором летел его сын. Бор вновь пережил страшные ми нуты, но, к счастью для него, оказалось, что в последний момент сына Н. Бора с кем-то поменяли, и он вскоре прибыл в Шотландию.
После войны Бор вернулся в Данию. Бор имел тесные контакты с рос сийскими учеными. В 1924 г. он был избран членом-корреспондентом Рос сийской Академии наук, трижды Бор посещал СССР, последний раз в 1961г. Скончался внезапно, у себя дома во время приема гостей.
2.4. Радиоактивность. Строение ядра. Элементарные частицы.
Явление радиоактивности было открыто в 1896 году Анри Беккерелем (1852— 1908) благодаря счастливому случаю. Беккерель исследовал явление фосфорес ценции — свечения веществ, предварительно облученных солнечным светом. Явлением фосфоресценции обладают, в частности, соли урана, с которыми эк спериментировал Беккерель. Узнав об опытах Рентгена, в которых наблюда лось свечение стеклянной трубки — флюоресценция, Беккерель решил уста новить связь между этими явлениями, то есть не могут ли рентгеновские лучи испускаться солями урана после облучения солнечным светом. Для ответа на этот вопрос Беккерель поместил на несколько часов крупинки соли урана, предварительно облученные солнечным светом, на фотопластинку, завернутую в плотную черную бумагу. После проявления фотопластинки оказалось, что на ней хорошо видны отпечатки крупинок. Результат говорил как будто бы в пользу рабочей гипотезы — облученные крупинки соли урана излучают рент геновские лучи. Опыты были продолжены, и однажды, в конце февраля 1896 года, опыт выполнить не удалось из-за пасмурной погоды. Вся заготовка для опыта была убрана и заперта в стол. Эта заготовка включала завернутую в плот ную черную бумагу фотопластинку, на ней располагался медный крест в рам ке из черной ткани, поверх креста была положена алюминиевая пластинка, сверху которой находились крупинки соли урана. Два дня спустя, проявив на всякий случай пластинку, Беккерель обнаружил на ней отпечаток креста. Это означало, что соли урана самопроизвольно создавали какое-то излучение. Бек керель продолжил исследования и обнаружил, что излучение солей урана раз ряжает электроскоп, то есть ионизирует воздух. Испробовав различные хими ческие соединения урана, Беккерель установил, что интенсивность неведомо го излучения зависит только от количественного содержания урана в препара те и не зависит, в какое соединение он входит. Следовательно, открытая спо собность к излучению является свойством, присущим атомам урана. Вскоре в 1898 году Мария Склодовская-Кюри (1867—1934) во Франции обнаружила по добное излучение тория. Систематические исследования минералов позволи ли Марии Склодовской-Кюри и ее мужу Пьеру Кюри найти более активный эле мент, названный в честь родины Марии Склодовской-Кюри Польши полони ем. Супруги ввели для обозначения свойства испускать «лучи Беккереля» тер мин «радиоактивность». Позже ими был найден еще более радиоактивный эле мент, названный радием (то есть лучистым).
После открытия ряда радиоактивных элементов началось исследование физической природы и свойств радиоактивного излучения. К этим иссле дованиям подключился Э. Резерфорд, начинавший свою работу в Кавендишской лаборатории у Д.Д.Томсона, и ряд других крупнейших физиков. Опытным путем было установлено, что радиоактивное излучение имеет сложный состав. Резерфорд писал в 1899 году:
«Эти опыты показывают, что излучение урана является сложным и состоит, по край ней мере, из двух различных видов: одно, очень быстро поглощаемое, назовем для удобства a -излучением; другое, более проникающее, назовем р-излучением».
ства. Это новое вещество, однако, само также неустойчиво и испытывает превращение с испусканием характерного радиоактивного излучения.
Таким образом, точно установлено, что атомы некоторых элементов подвер жены спонтанному распаду, сопровождающемуся излучением энергии в коли чествах, огромных по сравнению с энергией, освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях».
Если активность первых открытых радиоактивных элементов казалась неизменной, то некоторые позднее открытые элементы изменяли свою ак тивность. Так, например, активность радона убывает в два раза уже через 1 минуту. Выяснилось, что активность всех радиоактивных элементов убыва ет, но в разной степени. Убывание активности стали характеризовать пери одом полураспада — временем уменьшения активности вдвое. Если исход ное число радиоактивных атомов ровно N0, то оставшееся в результате рас пада число активных атомов будет
N = N02-'/г,
где Т — период полураспада, / — время.
Период полураспада урана составляет 4,5 млрд, лет, поэтому в обозри мом промежутке времени активность урана кажется неизменной. Период полураспада радона равен 1600 лет, то есть радон активнее урана. Существу ют элементы с полураспадом в микросекунды.
После открытия существования атомного ядра стало ясно, что превращение претерпевает именно атомное ядро, так как в оболочке вообще нет а-частиц.
Превращение ядер подчиняется закону, сформулированному Содци: при излучении а-лучей (ядер атомов гелия) образуется новый элемент, стоящий в периодической таблице на две клетки левее, то есть ядро теряет положи тельный заряд, равный двум элементарным зарядам, а масса ядра убывает на четыре атомных единицы массы. Символически это записывается так:
Mz x
где Х и У— условные обозначения химических элементов, заряд ядра запи сывается индексом снизу, атомная масса — индексом сверху.
При испускании р-лучей образуется новый элемент, стоящий в перио дической системе на одну клетку правее, то есть заряд ядра увеличивается на единицу, а масса остается почти неизменной:
MY + °е- z A ^ z+i1 т -\с
Здесь запись _°е обозначает электрон с пренебрежимо малой массой. Содди удалось показать, что одну и ту же клетку периодической системы
могут занимать элементы, обладающие разной массой, но с одинаковым за рядом ядра и одинаковыми свойствами. Он назвал их изотопами (греч. iso «одинаковый», tope — «место»). В исследовании изотопов выдающихся ре
числом нейтронов, и, следовательно, с разным массовым числом. Протоны и нейтроны стали называть в целом нуклонами.
Нейтроны оказались более удобным инструментом для расщепления атомных ядер, чем а-частицы. Это объясняется их электрической нейтраль ностью и, следовательно, отсутствием кулоновского отталкивания при при ближении к положительно заряженному ядру. Более того, при приближе нии к ядру возникает сила притяжения, то есть вместо барьера нейтрон встречает «потенциальную яму».
Но тогда как же а-частицы покидают ядро при радиоактивном распаде? Ответ на этот вопрос дал молодой советский физик Георгий Антонович Га мов (1904—1968), создавший теорию а-распада на основе квантовых пред ставлений.
Нуклоны в ядре удерживаются ядерными силами, природа которых до сих пор не выяснена, но установлено, что сумма масс, составляющих ядро нук лонов, больше, чем масса покоя ядра. Существует, как говорят, дефект масс:
AM = zm |
р |
+ Nm |
п |
— М , |
|
|
я7 |
где z — число протонов, т — масса протона, N — число нейтронов, тп — масса нейтрона, Мя — масса ядра. Для гелия масса ядра на 0,75% меньше масс двух протонов и двух нейтронов. Можно подсчитать, что для одного моля гелия AM = 0,03 г. Уменьшение массы при образовании ядра из нук лонов означает, что освобождается энергия Е, по теории Эйнштейна явля ющаяся эквивалентом массы:
Е = А М с\
Практическое использование ядерной энергии стало возможным благо даря испусканию нейтронов в процессе деления. Поглощенные ядром ней троны при определенных условиях вызывают цепную реакцию деления с выделением огромной энергии, поскольку масса покоя ядра урана больше сумм масс покоя осколков, на которые делится ядро. Для осуществления ядерных реакций деления используется изотоп урана и плутоний 2ЦРи, делящиеся под воздействием медленных нейтронов.
В отличие от реакций деления, термоядерные реакции являются реак циями синтеза. Масса покоя ядра гелия меньше суммы масс покоя двух ядер тяжелого изотопа водорода. При слиянии ядер образуется дефект масс и высвобождается соответствующая энергия. Такие реакции возможны толь ко при очень высоких температурах, отсюда их название — термоядерные. Но если реакции деления удалось сделать управляемыми, и на их основе ра ботают атомные энергетические установки, в том числе электростанции, то термоядерная реакция пока неуправляема и реализована лишь при взрывах водородных (термоядерных) бомб.
Итак, неделимость атома была опровергнута. Частицы, входящие в со став атома, стали называть элементарными. Первой из них стал электрон, затем протон, нейтрон.