Так обнаружилось, и это Беккерель доказал последовательными опытами, что уран и его соединение непрерывно излучают без ослабления лучи, действующие на фотографическую пластинку и, как показал Беккерель, способные также разряжать электроскоп, т. е. создавать ионизацию. Открытие это вызвало сенсацию.
Особенно поражала способность урана излучать спонтанно, без всякого внешнего воздействия. Рамзай рассказывает, что когда осенью 1896 году он вместе с лордом Кельвином (В. Томсоном) и Д. Стоксом посетил лабораторию Беккереля, то «эти знаменитые физики недоумевали, откуда мог бы взяться неисчерпаемый запас энергии в солях урана. Лорд Кельвин склонялся к предположению, что уран служит своего рода западней, которая улавливает ничем другим не обнаруживаемую лучистую энергию, доходящую до нас через пространство, и превращает ее в такую форму, в виде которой она делается способной производить химические действия».
Первое в мире сообщение о существовании радиоактивности было сделано Анри Беккерелем на заседании Парижской академии наук 24 февраля 1896 года Открытие явления радиоактивности Беккерелем можно отнести к числу наиболее выдающихся открытий современной науки. Именно благодаря ему человек смог значительно углубить свои познания в области структуры и свойств материи, понять закономерности многих процессов во Вселенной, решить проблему овладения ядерной энергией. Учение о радиоактивности оказало колоссальное влияние на развитие науки, причем за сравнительно небольшой промежуток времени.
Изучая свойства новых лучей, Беккерель попытался объяснить их природу. Однако он не мог прийти к четким выводам и долгое время придерживался ошибочной точки зрения, согласно которой радиоактивность, возможно, является формой длительной фосфоресценции.
Вскоре в исследование нового явления включились другие ученые, и, прежде всего, супруги Пьер и Мария Кюри.
Молодая польская исследовательница Мария Склодовская (1867–1934), проявив выдающиеся способности и огромное трудолюбие, в 1894 году получает два диплома лиценциата — по физике и математике — в знаменитой Сорбонне, Парижском университете. Поначалу она берет тему для исследования у профессора Г. Липпмана, и начинает изучать магнитные свойства закаленной стали. Разработка темы приводит ее в Парижскую школу индустриальной физики и химии. Там она знакомится с Пьером Кюри (1859–1906) и продолжает эксперименты в его лаборатории. В июле 1895 года Пьер и Мария стали супругами. После рождения дочери в сентябре 1897 года Мария Склодовская-Кюри решает приступить к работе над докторской диссертацией. Важно было четко сформулировать задачу исследования. В это время она и узнает об открытии Беккереля.
Мария Кюри начала свои исследования с терпеливого изучения большого числа химических элементов: не являются ли некоторые из них, подобно урану, источниками «лучей Беккереля»?
Исследование радиоактивности урановых соединений привело ее к выводу, что радиоактивность является свойством, принадлежащим атомам урана, независимо от того, входят ли они в химическое соединение или нет. При этом она «измеряла напряженность урановых лучей, пользуясь их свойством сообщать воздуху электропроводность». Этим ионизационным методом она и убедилась в атомной природе явления.
«Тогда я занялась изысканиями, не существует ли других элементов, обладающих тем же свойством, и с этой целью изучила все известные в то время элементы, как в чистом виде, так и в соединениях. Я нашла, что среди этих лучей только соединения тория испускают лучи, подобные лучам урана».
Опыты Марии Склодовской-Кюри по изучению руд показали, что некоторые урановые и ториевые руды обладают «аномальной» радиоактивностью: их радиоактивность оказалась гораздо сильнее того, что можно было ожидать от урана и тория. «Тогда я выдвинула гипотезу, — писала Мария Склодовская-Кюри, — что минералы с ураном и торием содержат небольшое количество вещества, гораздо более радиоактивного, чем уран и торий; это вещество не могло принадлежать к известным элементам, потому все они уже были исследованы; это должен был быть новый химический элемент».
Понимая важность проверки этой гипотезы, Пьер Кюри оставил свои исследования кристаллов и присоединился к работе, задуманной Марией. Для своих опытов они выбрали урановую смолку, добывавшуюся в городе Сент-Иоахимстале в Богемии.
Несмотря на трудности, исследования продвигались успешно. Хотя зарплаты Пьера Кюри с трудом хватало для покрытия разнообразных расходов, они все же решили взять помощника для проведения химических исследований. Им стал молодой Жак Бемон. Главные усилия ученых были направлены на выделение радия из отходов урановой смолки, так как было показано, что его легче отделить. Четыре года ушло на эту трудную работу, проводившуюся в неблагоприятных условиях и потребовавшую массы труда и сил. В результате Марии и Пьеру удалось получить из 8 тонн отходов иоахимстальской урановой смолки первый в мире дециграмм радия, оценившийся тогда в 75 800 золотых франков (15 600 долларов).
Напряженный труд принес щедрые результаты. 18 июля 1898 года Пьер и Мария Кюри на заседании Парижской Академии наук выступили с сообщением «О новом радиоактивном веществе, содержащемся в смоляной обманке». Ученые заявили: «Вещество, которое мы извлекли из смоляной обманки, содержит металл, еще не описанный и являющийся соседом висмута по своим аналитическим свойствам. Если существование нового металла подтвердится, мы предлагаем назвать его полонием, по имени родины одного из нас».
В этой работе впервые изучаемое явление названо радиоактивностью, а лучи — радиоактивными. Активность нового элемента — полония — оказалась в 400 раз выше активности урана.
В результате химического анализа из урановой смолки удалось также выделить элемент барий, который обладал относительно сильной радиоактивностью. При выделении хлорида бария из водного раствора в кристаллическом виде радиоактивность переходила из маточного раствора в кристаллы. Спектральный анализ этих кристаллов показал наличие новой линии, «которая, по-видимому, не принадлежит ни одному из известных элементов».
26 декабря 1898 года появляется следующая статья супругов Кюри и Ж. Бемона- «Об одном новом, сильно радиоактивном веществе, содержащемся в смоляной руде» Авторы сообщили, что им удалось выделить из урановых отходов вещество, содержащее некоторый новый элемент, сообщающий ему свойство радиоактивности и очень близкий по своим химическим свойствам к барию. Новый элемент они предложили назвать радием. Активность выделенного хлорида радия в 900 раз превышала активность урана.
Открытием полония и радия начинается новый этап в истории радиоактивности. В конце января 1899 года Склодовская-Кюри высказала предположение о сущности радиоактивного излучения, о его материальном характере. Она полагала, что радиоактивность может оказаться свойством, присущим лишь тяжелым элементам.
В том же году А. Дебьерн, проверяя гипотезу Марии Кюри о наличии в урановой смолке других радиоактивных элементов кроме радия и полония, сделал очередное открытие: из смолки можно выделить высокорадиоактивное вещество, отделяющееся при фракционировании с редкоземельными элементами и титаном. Химические свойства нового вещества отличались от свойств радия и полония, а его активность в 100 000 раз превышала активность урана. В 1900 году А. Дебьерн сообщил о выделении этого нового радиоактивного элемента, названного актинием. Таким образом, к началу XX века было известно пять радиоактивных веществ: уран, торий, полоний, радий, актиний.
Мария и Пьер Кюри не были единственными учеными, изучавшими явление радиоактивности. Анри Беккерель продолжал исследования урана в Париже. Г. Шмидт в Германии одновременно с Кюри обнаружил радиоактивность тория. В 1899 году немецкие ученые С. Мейер, Э. Швейдлер и независимо от них Ф. Гизель продемонстрировали отклонение «лучей Беккереля» в магнитном поле. В Германии же Ю. Эльстер и Г. Гейтель в 1899 году сообщили о первом наблюдаемом случае химической неотделимости радиоэлементов и подтвердили атомарный характер радиоактивности. В Англии новое явление стало центром внимания в лабораториях У. Крукса и У. Рамзая. Изучали радиоактивность и в других научных центрах Европы.
В 1906 году Пьер Кюри погиб в результате несчастного случая. Мария Кюри, оправившись от этого потрясения, продолжала работать над изучением явления радиоактивности, которая скоро стала одной из важнейших областей современной науки и привлекла внимание многих талантливых исследователей.
КВАНТЫ
Ученые долго пытались найти формулу, которая точно и в полном согласии с экспериментом описывала бы спектр излучения черного тела.
Экспериментаторы давно установили, что спектр черного тела напоминает остроконечный холм или горб верблюда. Вершина горба, где излучение максимально, находится при определенной длине волны, значение которой зависит от температуры, причем влево — в направлении коротких длин волн и вправо — в длинноволновую сторону интенсивность излучения резко убывает.
В 1892 году русский физик Голицын в своей диссертации «Исследования по математической физике» рассматривал проблему лучистой энергии. В этой работе Голицын приходит к результату, который можно сформулировать следующего закона:
Абсолютная температура обусловливается совокупностью всех электрических смещений, и именно четвертая степень абсолютной температуры прямо пропорциональна сумме квадратов всех электрических смещений.
Таким образом, он близко подошел к идеям будущей квантовой теории — фотонному газу Эйнштейна. И немудрено, что его мысли не были поняты современниками.
В девяностые годы девятнадцатого века Вильгельм Вин (1864–1927) получает формулу, которая хорошо согласовывалась с опытом в области коротких волн, но не годилась в длинноволновой части спектра.
В 1900 году Джон Уильям Релей (1842–1919) сделал попытку применить к излучению закон о равномерном распределении энергии по степеням свободы. Об этой попытке Вин рассказывает так:
«Лорд Релей первый подошел к этому вопросу с совершенно иной стороны: он попытался применить к вопросу о лучеиспускании один весьма общий закон статистической механики, а именно закон о равномерном распределении энергии между степенями свободы системы, находящейся в состоянии статистического равновесия…
Излучение, находящееся в пустом пространстве, также можно представить так, что оно будет обладать определенным числом степеней свободы. Дело в том, что когда волны отражаются от стен туда и обратно, то возникают системы стоячих волн, помещающихся в промежутках между двумя стенками… Отдельные возможные стоячие волны представляют и здесь соответствующие элементы происходящих явлений и соответствуют степеням свободы. Если каждой степени свободы сообщить приходящееся на ее долю количество энергии, то получится закон излучения Релея, согласно которому испускание лучистой энергии определенной длины волны прямо пропорционально абсолютной температуре и обратно пропорционально четвертой степени длины волны. Закон этот согласуется с данными опыта как раз там, где рассмотренный выше закон перестаёт быть справедливым, и поэтому его сначала считали законом с ограниченною справедливостью».
Таким образом, были две формулы: одна для коротковолновой части спектра (формула Вина), другая для длинноволновой (формула Релея). Задача состояла в том, чтобы состыковать их.
«Ультрафиолетовой катастрофой» назвали исследователи расхождение теории излучения с экспериментом. Расхождение, которое никак не удавалось устранить. Логичные и обоснованные математические расчеты неизменно приводили к формулам, выводы из которых совершенно расходились с экспериментом. Из этих формул следовало, что раскаленная печь должна с течением времени отдавать все больше тепла в окружающее пространство и яркость ее свечения должна все больше возрастать!
Современник «ультрафиолетовой катастрофы», физик Лоренц грустно заметил: «Уравнения классической физики оказались неспособными объяснить, почему угасающая печь не испускает желтых лучей наряду с излучением больших длин волн…»
«Сшить» эти формулы Вина и Релея и вывести формулу, совершенно точно описывающую спектр излучения черного тела, удалось Максу Планку.
Немецкий физик Макс Карл Эрнст Людвиг Планк (1858–1947) родился в прусском городе Киле, в семье профессора гражданского права. В 1867 году семья переехала в Мюнхен, и там Планк поступил в Королевскую Максимилиановскую классическую гимназию, где превосходный преподаватель математики впервые пробудил в нем интерес к естественным и точным наукам. По окончании гимназии в 1874 году, в течение трех лет Планк изучал математику и физику в Мюнхенском и год — в Берлинском университетах.
В бытность свою в Берлине Планк приобрел более широкий взгляд на физику благодаря публикациям выдающихся физиков Германа фон Гельмгольца и Густава Кирхгофа, а также статьям Рудольфа Клаузиуса. Знакомство с их трудами способствовало тому, что научные интересы Планка надолго сосредоточивались на термодинамике — области физики, в которой на основе небольшого числа фундаментальных законов изучаются явления теплоты, механической энергии и преобразования энергии.
Ученую степень доктора Планк получил в 1879 году, защитив в Мюнхенском университете диссертацию «О втором законе механической теории тепла». В 1885 году он стал адъюнкт-профессором Кильского университета.
Работы Планка по термодинамике и ее приложениям к физической химии и электрохимии снискали ему международное признание. В 1888 году он стал адъюнкт-профессором Берлинского университета и директором Института теоретической физики.
За это же время Планк опубликовал ряд работ по термодинамике физико-химических процессов. Особую известность получила созданная им теория химического равновесия разведенных растворов. В 1897 году вышло первое издание его лекций по термодинамике. К тому времени Планк был уже ординарным профессором Берлинского университета и членом Прусской Академии наук.
С 1896 года Планк заинтересовался измерениями, производившимися в Государственном физико-техническом институте в Берлине, а также проблемами теплового излучения тел. Проводя свои исследования, Планк обратил внимание на новые физические закономерности. Он установил на основе эксперимента закон теплового излучения нагретого тела. При этом он столкнулся с тем, что излучение имеет прерывный характер. Планк смог обосновать свой закон лишь с помощью замечательного предположения, что энергия колебания атомов не произвольная, а может принимать лишь ряд вполне определенных значений. Планк установил, что свет с частотой колебания должен испускаться и поглощаться порциями, причем энергия каждой такой порции равна частоте колебания умноженной на специальную константу, получившую название постоянной Планка.
Вот как пишет об этом сам Планк:
«Именно в ту пору все выдающиеся физики обратились, как с экспериментальной, так и теоретической стороны, к проблеме распределения энергии в нормальном спектре. Однако ее они искали в направлении представления интенсивности излучения в ее зависимости от температуры, тогда как я подозревал более глубокую связь в зависимости энтропии от энергии. Так как значение энтропии тогда еще не нашло подобающего ему признания, то я нисколько не волновался за используемый мною метод и мог свободно и основательно проводить свои расчеты, не опасаясь вмешательства или опережения с чьей-либо стороны.
Так как для необратимости обмена энергии между осциллятором и возбужденным им излучением имеет особое значение вторая производная его энтропии по его энергии, то я вычислил значение этой величины для случая, стоявшего тогда в центре всех интересов винов-ского распределения энергии, и нашел замечательный результат, что для этого случая обратная величина такого значения, которую я здесь обозначил К, пропорциональна энергии. Эта связь так ошеломляюще проста, что я долгое время признавал ее совершенно общей и трудился над ее теоретическим обоснованием. Однако шаткость такого понимания скоро обнаружилась перед результатами новых измерений. Именно, в то время как для малых значений энергии, или для коротких волн, закон Вина отлично подтвердился также и впоследствии, для больших значений энергии, или для больших волн, установили сперва Люммер и Прингсгейм заметное отклонение, а проведенные Рубенсом и Ф.Курлбаумом совершенные измерения с плавиковым шпатом и калийной солью обнаружили совершенно иное, однако опять-таки простое отношение, что величина К пропорциональна не энергии, а квадрату энергии при переходе к большим значениям энергии и длин волн.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68