Глава 5. Прогресс атомной и ядерной физики и квантовой механики в первой половине

ПРОГРЕСС АТОМНОЙ И ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ И КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ В ПЕРВОЙ ПОЛОВИНЕ

ХХ ВЕКА

Открытие структуры атома и ядра

Гениальные догадки учёных Древней Греции – основателей атомистической теории – философа Левкиппа и его ученика Демокрита (460- 370 до н.э.) о том, что материя состоит из отдельных частиц – атомов (гр. atomos – неделимый), непрерывно движущихся в пространстве и взаимодействующих друг с другом полностью подтвердилась к концу ХІХ века.

Мало известна мысль, высказанная Д.И. Менделеевым в конце 1894 года о том, что атомы можно представить себе как бесконечно малую Солнечную систему, находящуюся в непрерывном движении.

Зарождение истории исследования атомной энергии связывают с открытием Анри Беккерелем в 1896 году явления радиоактивности, которое положило начало новому разделу физики, а именно ядерной физики.

Важную роль в изучении строения атома, структуры вещества сыграли Х-лучи, открытые годом ранее немецким физиком Рентгеном и получившие впоследствии название рентгеновских лучей или рентгеновского излучения.

Нужно отметить, что открытые Беккерелем излучения, вначале называли по его имени «беккерелевыми» или урновыми, они были по своим свойствам аналогичны рентгеновским.

Термин «радиоктивность» введён в науку в 1898 году Марией Складовской Кюри. Изучая испускаемые ураном «беккерелевы» лучи супруги Кюри открыли два новых элемента – полоний, названный в честь Польши - родины М. Кюри, и радий (от слова radius – луч). Излучающие беккерелевы лучи элементы были названы радиоэлементами. Тогда же М. Кюри было установлено, что природа рентгеновских и радиоактивных лучей различна.

Если рентгеновское излучение возникает только при электрическом разряде, происходящем в сильно разреженном газе, то излучения солей урана, открытые Беккерелем, испускаются непрерывно и сопровождаются потерей массы исходного вещества и постоянным убыванием энергии радиоактивных веществ.

Позже будет установлено, что рентгеновское излучение связано с процессами, происходящими в электронной оболочке атома, когда электрон (при переходе возбуждённого атома в первоначальное состояние) перемещается с внешней орбиты на внутреннюю, ближайшую к ядру, отдавая избыток энергии в виде характеристического рентгеновского излучения. Существует и тормозное рентгеновское излучение, связанное с искривлением траектории, движущегося с большой скоростью постороннего электрона в электрическом поле ядра.

Радиоактивные же излучения испускаются только ядрами радиоактивных элементов при изменении их состояния.

Вскоре учёными было установлено, что радиоактивное излучение состоит из трёх видов лучей. Каждый из них получил своё название: альфа, бета, гамма. Альфа-лучи это поток тяжёлых положительно заряженных частиц – ядер атомов гелия. Бета-лучи оказались потоком отрицательно заряженных лёгких частиц – электронов ядерного происхождения. А наиболее проникающие гамма-лучи - это электромагнитное излучение подобное рентгеновскому в начальной части спектра излучения и с ещё более короткой длиной волны в дальнейшей части спектра.

В 1897 году профессор Кембриджского университета и директор Кавендишской лаборатории Джозеф Джон Томсон открыл первую элементарную частицу, которая входит во все атомы стабильного вещества вселенной – электрон. Он изучил его свойства, измерил массу и заряд и разработал первую модель атома в виде положительно заряженной сферы с вкраплёнными в неё электронами с суммарным отрицательным зарядом равным положительному заряду сферы. Томсон – лауреат Нобелевской премии, является основателем большой физической школы, из которой вышли Резерфорд, Вильсон, Ланжевен и др.

Основателем новой науки – ядерной физики считается Эрнст Резерфорд. Им открыто атомное ядро, α- и β-лучи, протон, осуществлены под действием бомбардировки ядрами гелия первые искусственные превращения одного химического элемента в другой, предсказано существование нейтрона, дейтрона и трансурановых элементов. Лауреат Нобелевской премии Э. Резерфорд (1871-1937) является единственным учёным, который был членом всех академий мира, в том числе с 1925 г. – членом АН СССР. В Кавендишской лаборатории, директором которой он был с 1919 года, проводили самостоятельные исследования выдающиеся советские учёные: П.Л. Капица, А.И. Лейпунский, Ю.Б. Харитон.

Работы физиков-теоретиков - основателя квантовой теории Макса Планка (ввёл в 1900 г. универсальную постоянную – квант действия или квант энергии), Нильса Бора (показавшего в работе 1913 года «О строении атомов и молекул» дискретность возможных значений энергии электрона в атоме), Альберта Эйнштейна (создавшего к 1914 году общую теорию относительности), Луи де Бройля (выдвинувшего в 1923 г. идею связи движения материальной частицы с волновым процессом), Эрвина Шредингера (получившего к 1926 году уравнение для волновой функции, описывающее движение электрона в атоме), Вернера Гейзенберга (рассчитавшего в 1927 году соотношение неопределённостей, на основе которого Бор доказал необходимость вероятностного описания микромира), Поля Дирака (получившего в 1928 году уравнение движения для электронов, движущихся с произвольными скоростями, что положило начало релятивисткой квантовой механике), Энрико Ферми (создавшему в 1933-1934 годах количественную теорию бета-распада) привели к пониманию структуры атома и ядра и процессов взаимодействия между основными элементарными частицами атома – электроном, протоном и нейтроном (открытым в 1932 г. Джеймсом Чедвиком).

Исследования по радиоактивности в России начали проводиться сразу после открытия этого явления Беккерелем во Франции.

Учёные И.И. Боргман и А.П. Афанасьев исследовали в 1900 году радиоактивные излучения целебных грязей. В.К. Лебединский и И.А. Леонтьев в 1902-3 гг. одними из первых определили природу гамма-лучей. Н.А. Орлов исследовал действия радия на различные материалы.

Такого рода работы велись в Петербургском университете, Медицинской академии, в университетах Новороссийска, Харькова и других городов. Важные результаты были получены В.А. Бородовским, Г.Н. Антоновым, который несколько лет работал в лаборатории Кавендиша (Кембридж). Л.С. Коловрат-Червинский, в течение 5 лет работал в лаборатории М. Кюри в Париже. Составленные им «Таблицы констант радиоактивных веществ» использовались в лабораториях Резерфорда и других учёных.

В 1910 году были созданы радиологические лаборатории в Одессе, затем Томске. После 1917 года был создан радиевый институт под руководством В.И. Вернадского, а впоследствии В.Г. Хлопина.

Между учёными разных стран осуществлялось тесное сотрудничество. Россию, а затем Советский Союз неоднократно посещали М. Кюри, Резерфорд, Нильс Бор и другие учёные-физики.

В свою очередь, в лабораториях западных учёных стажировались и проводили самостоятельные исследования, русские учёные. Так А.Ф. Иоффе несколько лет проводил исследования в лаборатории Бора. Когда в 1948 году директор Физико-технического института академик Иоффе нам, первокурсникам физико-мехнического факультета Ленинградского Политехнического института, как декан факультета читал единственную вводную лекцию, то большая физическая аудитория была переполнена преподавателями и старшекурсниками.

Таким образом, уже в первой трети ХХ века работы химиков и физиков, теоретиков и экспериментаторов, вплотную приблизили науку об атоме к проблеме высвобождения ядерной энергии атома.

Дата добавления: 2015-10-16