Вопрос 17

ВОЗНИКНОВ АТОМНОЙ И ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

Истоки экспериментальной ядерной физики лежат в изуче­нии прохождения тока через газы. Ф.Э.А.Ленард, У.Крукс и др. создали технику и методику этих исследований, разработали специальные газовые трубки, сцинтилляционные счетчики и пр. (XIX в.).Изучая эффекты, сопровождающие протекание тока через разреженный газ в такой трубке, Вильгельм Конрад Рентген открыл Х-лучи. Закрыв трубку чехлом и погасив свет в комнате, Рентген не выключил индуктор. Он увидел, что люминесцентный экран, помещенный рядом с трубкой, продолжает светиться. Следовательно, трубка являлась источником излучения, которое проникает через чехол и заставляет светиться люминесцентный экран. Рентген, подробно исследовав это излучение, выяснил, что Х-лучи не являются катодными лучами. Они имеют высокую проникающую способность, не несут заряда, не отклоняются в электрическом и магнитном полях.Открытие Рентгена явилось первым шагом на пути возникновения атомной физики. Лауреат Нобелевской премии 1901г.Антуан Анри Беккерель — физик и исследователь люминесценции заметил, что уран самопроизволь­но испускает лучи, засвечивающие фотопластинку, завернутую в светонепроницаемую бумагу. В 1903 г. - Нобелевский лауреат.Джозеф Джон Томсон решил загадку катодных лучей. Важнейшим делом Дж. Дж. Томсона стало открытие элементарного заряда — электрона. Исследуя отклонения катодных лучей в магнитном поле, ученый понял, что они представляют собой поток заряженных частиц (корпускул). Он установил, что масса этих частиц в 1837 раз меньше массы атома водорода, и измерил величину ее заряда. За исследование прохождения тока через газы, приведшее к открытию электрона, ему в 1906 г. была присуждена Нобелевская премия. Сам термин «электрон» принад­лежит Дж. Стонею (1826—1911).Дж. Дж. Томсон, а также независимо от него У. Томсон предложили модель атома, представляющую собой положительно заряженную сферу, внутри которой рас­положены отрицательно заряженные частицы. Эта модель использовалась до тех пор, пока не появилась планетарная модель Резерфорда. Ясно было, что атом не является недели­мой частицей, но может быть разло­жен на составные части, что обусловливает один из вновь открытых эффектов — радиоактивность.Пьер Кюри и Ма­рия Склодовская-Кюри открыли полоний и радий, исследовали их свойства. Пьер Кюри — лауреат Нобелевской премии 1903 г., погиб в результате несчастного случая. Мария Склодовская-Кюри — лауреат Нобелевской премии по физике 1903 г. и по химии 1911 г., умерла от лучевой болезни. Ее дочь Ирен Кюри и зять Фредерик Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность (Нобелевская премия по химии 1935 г.).Эрнест Резерфорд родился в Новой Зеландии, учился там же, затем Резерфорд был принят в Кавендишскую лабораторию. Резерфорд опубликовал экспериментальные и статьи, в которых заложены основы современной теории радиоактивности и строения атома. Самые известные работы были выполнены Резерфордом совместно с Фредериком Содди, которые разработали теорию радиоактивного распада и сформулировали знаменитый закон радиоактивных превращений. К тому времени Резерфордом уже были открыты альфа- и бета-лучи, а затем — исследована природа альфа-излучения.На основании открытого закона Э. Резерфорд и Ф. Содди сделали вывод о существовании новых радиоактивных элементов, которые могут быть иденти­фицированы по характеру радиоактивности. В своей статье они констатировали, что «энергия, скрытая в атоме, много больше энергии, освобождающейся при любых химических превращениях». Его исследования альфа-частиц и их взаимодействия с веществом привели к открытию атомного ядра. В 1908 г. Резерфорду была присуждена Нобелевская премия по химии.Э. Резерфорд открыл искусственное превращение элементов. При непосредственном участии Резерфорда были сделаны решающие открытия в атом­ной и ядерной физике. Сам Резерфорд предсказал существование нейтрона, открытого затем Дж.Чэдвиком, Ф.Астон открыл стабильные изотопы, а Дж.Д.Кокрофт и Э. Т. С.Уолтон расщепили литии протонами, ускоренными с помощью созданного ими первого в мире ускорителя заряженных частиц.Одним из главных достижений Резерфорда было открытие атомного ядра. Ис­следования его с другими учеными привели к поразительному факту: достаточно большая доля а-частиц рассеивается на большие углы. Это было столь же невероятно, как если бы пуля отскакивала от листа па­пиросной бумаги. Объяснение здесь могло быть только одно: в атоме существует рассеиватель — центральное ядро. Это и есть планетарная модель атома. Дальнейшие исследования подтвердили предположения Э. Ре­зерфорда, что заряд ядра совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. Тогда же Ф. Содди и К. Фаянс установили правило смещения при радиоактивном распаде, а Содди к тому же ввел понятие об изотопах. Разрешил противоречие с классической электродинамикой еще один из творцов новой физи­ки — Нильс Бор, окончивший Копенгаген­ский университет. Стажировался в Кавендишской лаборатории, работал в Манчестере у Резерфорда. Их сотрудни­чество было длительным и тесным. Главной задачей ученые счита­ли теоретическое обоснование планетарной модели атома. Бор за основу принимает планетарный атом Резерфорда. Многие свойства этого атома ему уже хорошо извест­ны, вместе с тем остаются не объясненными две особенности:• устойчивость атома, несовместимая с классической электро­динамикой;

• происхождение спектров.Нильс Бор выдвинул ряд постулатов:Испускание(поглощение) электромагнитного излучения ато­мом происходит только при переходе электрона между стационар­ными орбитами.2. Обычные законы механики действуют при нахождении элект­рона на орбитах и не действуют при переходах между ними.3. Излучение монохроматично и определяется выражением E = hv.4. Если орбита круговая, то момент импульса вращающегося элек­трона кратен h/2n.5. Стационарное состояние определяется из условия того, что момент импульса каждого электрона относительно центра масс был бы равен h/2n.Постулаты Бора соответствуют квантовым представлениям, которые развивали М. Планк, А. Эйнштейн и др. и позволяют объединить квантовые пред­ставления в единое направление - «квантовую механику».В последующих работах Бор дополнил свою теорию принципом соответствия, позволяющим сделать выводы об интенсивности и поляриза­ции спектральных линий. За создание квантовой механики в 1922 г. Н.Бор был удостоен Нобелевской премии.Арнольд Зоммерфельд развил теорию Бора, рассмотрев движение электрона по эллип­тическим орбитам и обобщив правила квантования. Зоммер­фельд дал также теорию тонкой структуры спектральных линий, введя релятивистское изменение массы со скоростью, которая является ос­новной в квантовой элект­родинамике. Теория ато­ма после этого стала называться теорией Бора—Зоммерфельда. Была создана квантовая теория эффекта Зеемана и эффекта Штарка, т.е. расщепления спектральных линий в маг­нитном и электрическом полях. Нильс Бор развернул широкую картину будущего развития атомной теории. Главной задачей он считал квантовомеханическое обоснование периодической си­стемы элементов Менделеева. Теория Бора вызвала к жизни ряд экспериментальных работ, подтверждающих теорию. Это касается в первую очередь рентге­новского излучения. Макс Лауэ установил его вол­новой характер, затем было доказано существование интерференции рентгеновских лучей. Л.Брэгг и русский ученый Георгий Вульф получили формулу, позволяющую из­мерить длину волны рентгеновских лучей ( формула Вульфа — Брэгга). Непосредственное экспериментальное подтверждение модель атома Бора получила в опытах Дж. Франка и Густава Герца. Ясно, что электроны могут сталкиваться с атомами газа упруго и неуп­руго. В первом случае они не теряют энергии. Во втором — энер­гия электрона передается атому, который при этом возбуждается, или ионизируется. Порции энергии, затрачиваемые на воз­буждение атомов, могут быть рассчитаны. Франк и Герц в 1925 г. были удостоены Нобелевской премии.Дж. Ю. Уленбек и С.А.Гаудсмит ввели понятие «спина электрона», а В.Паули - принцип, согласно которому на энергетическом уровне могут находиться только два электрона с противоположно направленными спинами (принцип Паули).После открытия В.Гейзенбергом принципа неопределен­ности, ограничивающего применение к микрообъектам класси­ческих понятий и представлений, Н. Бор выдвинул принцип дополнительности, в котором определяется возможность проведения измерений в квантовой механике и влияние прибора на состояние квантово-механической системы. Наряду с квантовой механикой Бор много работал и в ядерной физике. Он был автором модели промежуточного (составного) ядра, капельной модели ядра и теории деления атом­ного ядра.Дальнейшее развитие квантовой механики связано с именами Вернера Гейзенберга, Эрвина Шредингера, Макса Борна, Луи де Бройля, Вольфганга Паули, Поля Дирака и др. Основной зада­чей ученых была разработка математиче­ского аппарата квантовой науки. Главный шаг в этом направлении был сделан Л. де Бройлем, который распространил идею А. Эйнштейна о корпускулярно-волновой природе света на вещество. Это означает, что движение частиц можно сопоставить с распространением вол­ны (волны де Бройля). Первый вариант квантовой механики — матричная квантовая механика — был разработан В.Гейзенбергом. Э.Шредингер разработал теорию дви­жения частиц — волновую механику, в основу которой положил уравнение Шредингера. Для описания состояния микрообъекта он ввел волновую функцию. В том же году Шредингер доказал эквивалентность волновой ме­ханики и матричной механики В.Гейзенберга.В.Паули разработал один из важнейших принципов квантовой механики (принцип Паули), согласно которому час­тицы с полуцелыми спинами не могут одновременно находить­ся в одном и том же состоянии. Этот принцип сыграл основопо­лагающую роль в квантовой физике твердого тела. Работы Поля Дирака в квантовой механике завершили ее создание и во многом наметили пути развития квантовой физики на долгие годы вперед. Еще и сейчас большое число идей Дирака находятся в процессе разработки и экспериментального подтвер­ждения. Создатели квантовой механики были удостоены Нобелев­ских премий за 1929 г. (Л. де Бройль), 1932 (В.Гейзенберг), 1933 (Э.Шредингер и П.Дирак), 1945 (В.Паули), 1954 г. (М.Борн).

Биографии крупнейших ученых Вильгельм Конрад Рентген — выдающийся немец­кий физик. Родился в городе Леннепе (Германия), учился в Цюрихе в той Политехнической школе. Работал в Цюрихе, а затем в Страсбургском университете. Затем — профессура в Гессене и Вюрцбурге, а затем в Мюнхенском университете.Главное открытие, прославившее К. Рентгена, — Х-лучи (рентгеновские лучи). Рентген быстро провел исчерпывающее ис­следование их свойств: способности отражаться, поглощаться, ионизировать воздух, проходить через человеческие ткани и т.д. Ученый разработал конструкции специальных трубок, которые используются и сейчас и называ­ются рентгеновскими.

Джозеф Джон Томсон — выдающийся английский физик, родился в Манчестере, учился в Тринити-колледже и был его главой, а затем стал директором Кавендишской лабора­тории. Он полагал, что отсутст­вие настоящей заинтересованности — главная причина неудач. Ученый обу­чал даже рабочих. Главное открытие — открытие электрона (Нобелевская премия по физике (1906)). Он стоял у истоков новой физики, будучи, как это ни странно, сторон­ником эфира.Антуан Анри Беккерель - французский физик, первооткрыватель радиоактивности. Изучая действие со­лей урана на фотопластинку, открыл неизвестное ранее излуче­ние, присущее самой урановой соли и не имевшее ничего общего с люминесцирующим излучением. Удо­стоен Нобелевской премии в 1903 г.Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри - французские физики, исследователи радио­активности, они открыли новые элементы — ра­дий и полоний, установили биологическое действие излучения, ввели понятие «период полураспада». В 1903 г. супруги Кюри получили Нобелевскую премию по физике. М. Склодовская-Кюри сумела получить металлический радий. Это исследование принесло ей Нобелевскую премию по химии. Арнольд Иоганн Вильгельм Зоммерфельд - не­мецкий физик-теоретик, родился в Кенигсберге, окончил Кёнигсбергский университет, долгое время работал в Мюнхенском уни­верситете. Научные работы ученого посвящены квантовой теории атома, спектроскопии, квантовой теории металлов, математиче­ской физике, разработал квантовую теорию эл­липтических орбит атомов (теория Бора—Зоммерфельда), ввел ра­диальное и азимутальное квантовые числа, а совместно с П.Дебаем — магнитное квантовое число. Макс Феликс Теодор фон Лауэ - немецкий фи­зик-теоретик, окончил Берлинский университет, работал в раз­личных университетах Германии.

Научные работы относятся к кристаллохимии, сверхпроводи­мости, кристаллофизике, квантовой теории и др. Известен как разработчик теории дифракции рентгеновских лучей, что устано­вило их электромагнитный характер и нашло широкое применение в виде рентгеноструктурного анализа. Открытие было отмечено присуждением М.Лауэ Нобелевской премии в 1914 г.Георгий Викторович Вульф - советский кристаллограф, родился в Нежине, окончил Вар­шавский университет, работал в Мо­сковском университете. Основные работы ученого посвящены кристаллофизике, рентгеновским лучам и минералогии. Неза­висимо от Л. Брэгга вывел условия интерференционного отраже­ния рентгеновских лучей от кристаллов (формула Вульфа—Брэг­га). Первым в России начал проводить рентгеноструктурные исследования.

Вернер Карл Гейзенберг - немецкий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Ро­дился в Вюрцбурге, окончил Мюнхенский и Гёттингенский университеты. Работал в ряде университетов Германии. Создал матричную квантовую механику. Наряду с этим он работал в области квантовой электродинамики, релятивистской квантовой теории поля, физики космических лучей, теории элементарных частиц и даже философии. Является одним из ав­торов ряда выдающихся работ, по­священных идее обменного взаимо­действия, теории ферромагнетизма, протонно-нейтронной модели ядра. Эрвин Шредингер — австрийский физик-тео­ретик, один из создателей кванто­вой механики. Родился в Вене, окон­чил Венский университет, занимал профессорские должности в целом ряде университетов Европы. Главные работы ученого сосредоточены в об­ласти квантовой механики, статисти­ческой физики, общей теории относительности. Шредингер вывел фундаментальное уравнение квантовой механики (Ур-ие Шредингера). Ученый также был автором теории возмуще­ний — важнейшего инструмента при­ближенных вычислений в современ­ной физике. Э. Шредингер был очень разносторонним человеком и имел много интересов.Поль Адриен Морис Дирак - крупней­ший английский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Родился в Бристоле, окончил Бристольский и Кемб­риджский университеты, был профессором Кембриджского университета. Главные открытия были сделаны уче­ным в квантовой механике: разработал математический аппарат квантовой механики — теорию преобразова­ний, предложил метод вторичного квантования. П.Дирак первым применил принципы квантовой механики к электромагнитному полю. Он — автор релятивистской квантовой механики, гармо­нично объединяющей релятивистские представления понятий кванты» и «спин», которые ранее считали абсолютно независи­мыми понятиями. Теория позволила предсказать наличие в при­роде античастиц, которые затем были обнаружены экспериментально. П.Дирак постулировал эффект поляриза­ции вакуума.

Другие работы Дирака посвящены квантовой статистике (ста­тистике Ферми—Дирака), квантовой электродинамике, теории гравитации и ряду проблем, которые можно назвать ультрасовре­менными. Научное творчество П.Дирака — своеобразный мост между физикой XX и XXI в.