2. Начало новой физики

    Открытию Резерфорда предшествовали неожиданные и удивительные результаты экспериментов, полученные в конце XIX – начале XX веков, затрагивающие фундаментальные основы физики. Теория относительности Эйнштейна потребовала кардинального пересмотра представления о пространстве и времени. Возникла проблемы с описанием физической природы излучения и вещества, описания строения атома, явления радиоактивности. Законы классической механики и классической электродинамики оказались не в состоянии описать свойства атомов, молекул, атомных ядер. Возникла новая физика — квантовая физика.

    Э.Резерфорд, 1936 г.: «В результате проведенных в течение столетий усердных работ химики преуспели в разделении и очистке подавляющего большинства элементов, и возникло представление о том, что атомы данного типа вещества все сделаны по одному образцу. Атомы были неизменяемы и неразрушаемы, и такими они должны были оставаться навечно или до тех пор, пока будет существовать наука химия. И хотя от старого представления об атоме, как о твердом «биллиардном шаре», в конце прошлого столетия полностью отказались, химики все еще были уверены, что с точки зрения имеющихся в их распоряжении методов атомы неизменны и определенно неразрушаемы. Случалось, что кто-нибудь воображал, что превратил один тип атома в другой, но всегда можно было доказать, что он ошибся.
    Тогда же было развито замечательное обобщение, известное как периодический закон, на основе которого свойства элементов связывались с их положением в ряду по атомным весам. Наиболее мыслящие из химиков инстинктивно чувствовали, что этот закон соответствует представлению о том, что все атомы либо схожи по своей структуре, либо каким-то образом все сделаны из более элементарного материала. Но эти представления были очень смутны, и истинное значение периодического закона было понято лишь через 10 или 15 лет».

    Конец XIX столетия был богат неожиданными открытиями, которые изменили существовавшее представление о строении вещества. В конце 1895 г., экспериментируя с излучением, возникающим вблизи анода разрядной трубки, Рентген обнаружил, что излучение, которое он назвал X-лучами, свободно проходит сквозь непрозрачные для света предметы. В настоящее время более употребительный термин обнаруженного излучения – рентгеновское излучение. Большая проникающая способность рентгеновского излучения объясняется их короткой длиной волны. Видимый свет имеет длину волны (8 – 4)·10^–5 см, в то время как длина волны рентгеновского излучения 3·10^–7 – 10^–8 см. Открытие рентгеновского излучения имело большой общественный резонанс. Всем хотелось увидеть чудо – собственные кости или увидеть предмет за непроницаемой для обычного света перегородкой.
    В 1896 г. А.Беккерель обнаружил, что соли урана тоже испускают излучение, которое чем-то было похоже на рентгеновское излучение – оно также проходило через непрозрачные предметы и слабо поглощалось в веществе. Но в отличие от рентгеновского излучения для его получения не нужен был источник высокого напряжения. Соли урана излучали непрерывно, самопроизвольно. На излучение солей урана не влияли никакие внешние воздействия. Излучение урана было вначале названо лучами Беккереля.
    В 1897 г. Дж. Томсон, изучая излучение различных газов, заполняющих разрядную, трубку, показал, что независимо от состава газа, заполняющего разрядную трубку, в результате разряда образуются одинаковые мельчайшие частицы, которые имеют отрицательный электрический заряд. Частица была названа электроном. Электрон имеет массу примерно в 2000 раз меньше, чем масса самого легкого атома водорода. 1897 год стал годом рождения новой элементарной частицы – электрона.
    Томсон считал, что отрицательно заряженные корпускулы катодных лучей являются первичными частицами, из которых состоит вся материя.

    Дж. Томсон, 1898 г.: «Катодные лучи представляют собой новое состояние материи, состояние, в котором делимость материи идёт много дальше, чем в случае обычного газообразного состояния; состояние, в котором вся материя, т.е. материя, полученная от различных источников, таких как водород, кислород и углерод, одного и того же рода, эта материя представляет собой то вещество, из которого построены все химические элементы».

Обнаружение в составе атома электронов, которые можно было отделить от атома, разрушило существовавшее в течение 2,5 тысяч лет со времен Демокрита представление об элементарном и неделимом атоме.

    Изучением природы лучей Беккереля, их отличием от рентгеновского излучения, активно занимались многие физики. Резерфорд, воздействуя на излучение урана магнитным полем, исследуя поглощение излучения в фольгах различной толщины, в 1899 г. установил, что оно состоит из двух типов частиц. Короткопробежные положительно заряженные частицы он назвал α-частицами. Отрицательно заряженные частицы, которые имели больший пробег в веществе, были названы им β-частицами.
    Нейтральное γ-излучение урана было открыто в 1900 г. П. Виллардом. Обнаруженная способность излучения урановых солей ионизировать воздух была использована для определения источников излучения Беккереля. Вскоре было обнаружено, что соединения тория также самопроизвольно испускают лучи Беккереля.

    Э. Резерфорд, 1908 г.: «Вскоре после того, как Беккерель открыл фотографическим методом излучательную способность урана, он показал, что урановое излучение, как и рентгеновские лучи, обладает свойством разряжать наэлектризованное тело. При подробном исследовании этого свойства я, изучая зависимость скорости разряда от числа слоёв тонкой алюминиевой фольги помещенных над поверхностью слоя окиси урана, пришёл к выводу о наличии двух видов излучения. Вывод в то время были сформулированы следующим образом.
    «Эти эксперименты показывают, что урановое излучение имеет сложный состав и что существует, по крайней мере, два вида излучения: одно, легко поглощающееся, которое мы будем для удобства называть α излучением, и другое, обладающее большей проникающей способностью, называемое β-излучением». После того как были открыты другие радиоактивные вещества оказалось, что их излучения аналогичны α- и β лучам урана, а когда Вийяр обнаружил ещё более проникающее излучение радия, оно получило называние γ-излучения. Эти названия вскоре стали общеприняты, как удобные обозначения трёх различных видов излучения, испускаемых ураном, радием, торием и актинием. На первых порах α-лучам, вследствие их незначительной проникающей способности, не придавали большого значения, главное внимание было направлено на более проникающие β-лучи. После появления активных препаратов радия Гизель в 1899 г. показал, что β-лучи, испускаемые этими препаратами, легко отклоняются в магнитном поле в том же направлении, что и поток катодных лучей., несущих отрицательный заряд; следовательно, β-лучи представляют собой также поток отрицательно заряженных частиц. Доказательство тождественности β-частиц и электронов, образующих катодные лучи, завершил в 1900 г. Беккерель, который показал, что β-частицы, испускаемые радием, имеют почти такую же малую массу, как электроны, и что они испускаются со скоростью сравнимой со скоростью света».

    По предложению М. Кюри, вещества, испускающие лучи Беккереля, стали называть радиоактивными. А само явление – радиоактивностью. Считалось, что радиоактивность – атомное свойство. П. Кюри обнаружил, что радиоактивные вещества имеют температуру выше окружающей среды. Испускание радиоактивного излучения веществом приводит к его нагреванию.
    Изучая радиоактивность урана, М. Кюри обнаружила, что химически чистый уран имеет гораздо меньшую радиоактивность, чем соли урана. Оказалось, что соли урана содержат два новых неизвестных ранее химических элемента, которые также обладают свойством радиоактивности. Это были полоний Po и радий Ra. Содержание этих химических элементов в радиоактивных минералах составляло 10^–7 от содержания урана.

В физике появился новый термин – активность радиоактивного источника. В качестве единиц активности источника были выбраны Кюри и Беккерель:

1 Беккерель = 1 распад/с,

1 Кюри = 3,7·10¹⁰ распад/с.

Активность 1 Кюри соответствует распаду 1 грамма радия вместе с продуктами его распада.

    Исследуя радиоактивность урана, тория, радия, Резерфорд показал, что радиоактивные вещества, испуская α-частицы, превращаются в другие химические вещества, отличающиеся от исходных по своим физическим и химическим свойствам. Так, при распаде радия образовывался радиоактивный газ – эманация радия (радон Rn), который также испускал α частицы. Однако радиоактивность радона Rn полностью пропадала в течение нескольких часов. Это противоречило всем случаям неизменной радиоактивности, которая наблюдалась до этого. Оказалось, что радиоактивность вещества может уменьшаться и совсем исчезать. Очень скоро стало ясно, что уменьшение радиоактивности различных веществ происходит с разной скоростью. Число частиц, испускаемых радиоактивным веществом, уменьшается со временем экспоненциально. Для описания этого свойства радиоактивного вещества была введена новая характеристика – период полураспада.

Период полураспада – время, в течение которого количество радиоактивного вещества уменьшается в 2 раза. Период полураспада разных радиоактивных веществ изменяется в очень широких пределах от 10^–17 с до 10²² лет.

    Изучая распад радия, Резерфорд доказал, что α-частицы – это атомы гелия, у которых оторвано два электрона. Для этого он собрал образующиеся в результате распада эманации радия α-частицы в разрядной трубке и показал, что при разряде в трубке видны спектральные линии гелия. Так было доказано, что α-частицы – это ионизированные атомы гелия.

В результате экспериментов, выполненных Резерфордом, было впервые показано, что одни химические элементы могут спонтанно превращаться в другие химические элементы.

    Химический элемент радий Ra превращался в химические элементы радон Rn и гелий He. Эти результаты коренным образом изменили существовавшие до Резерфорда взгляды на неизменную природу химических элементов.

    Э.Резерфорд: «На основании полученных в настоящее время данных можно сделать вывод, что начало последовательности химических превращений, протекающих в радиоактивных телах, обусловлено испусканием α-лучей, т.е. вырыванием из атома тяжелой заряженной массы. Остающаяся часть нестабильна и претерпевает дальнейшие химические изменения, которые в свою очередь сопровождаются испусканием α-лучей … Хорошо известный элемент радий происходит от урана и является пятым продуктом в ряду его превращений».

    Ф.Содди сформулировал закон радиоактивного смещения, согласно которому при излучении α-частицы один химический элемент превращается в другой, расположенный на два места ниже в Периодической таблице, а β^- излучение вызывает смещение химического элемента на одно место выше. На основе закона смещения была получена последовательность распада многих радиоактивных элементов. Например, цепочка последовательных распадов ²³⁸U:

    γ-Излучение непосредственно не связано с превращением элементов. Оно возникает, если в результате α- и β-распада образуется возбужденное ядро, которое после испускания γ-кванта, переходит в более низко­расположенное по энергии состояние. Этот процесс аналогичен испусканию излучения атомом.
    Первые экспериментальные данные о существовании изотопов были получены в 1910 г. при изучении продуктов распада радиоактивных ядер. Было обнаружено, что существует несколько различных веществ, которые имеют одинаковые химические свойства, но различаются атомной массой и характеристиками радиоактивного распада. По предложению Ф. Содди такие вещества были названы изотопами.

Фотоэффект

hν = U + Ee hν − энергия фотона, U − работа выхода, Ee − кинетическая энергия электрона.

Альберт Эйнштейн (1897 – 1955)

    А. Ф. Иоффе: «Для физиков же, и в особенности для физиков моего поколения — современни­ков Эйнштейна, незабываемо появление Эйнштейна на арене науки. В 1905 г. в «Анналах физики» появилось три статьи, положившие начало трём наиболее актуальным направлениям физики XX века. Это были: теория броуновского движения, фотонная теория света и теория относитель­ности. Автор их − неизвестный до тех пор чиновник патентного бюро в Берне Эйнштейн. He приходится тратить много слов на теорию относительности − её историю знает каждый физик. Переход от преобразований Лорентца и от гипотезы Лорентца–Фицжеральда к частной теории относительности Эйнштейна, законы сложения скоростей, проблема одновременности, знаменитое соотношение между массой т и запасом энергии тела E:

E = mc²,

где с − скорость света, которая становится предельной скоростью распространения энергетических процессов, — все это вошло в кровь и плоть современной физики.
    Известно так же как за частной теорией последовало в 1911 г. обобщение её на ускоренное движение, а в 1915 г. общая теория относительности, включившая теорию тяготения и связь геометрии с наличием массы.
    Эйнштейн поставил перед собою дальнейшую задачу — единую теорию поля, сочетающую электромагнитное поле с тяготением. Одна за другой следовали попытки создать единую теорию, но все они одна за другой оказывались несостоятельными и отвергались критикой».

Нобелевская премия по физике
1921 г. А. Эйнштейн
За вклад в теоретическую физику и, в особенности, за открытие закона фотоэлектрического эффекта.

1900 г. М. Планк выдвинул гипотезу квантов и сформулировал закон излучения черного тела

Энергия кванта E = hν, ν − частота излучения. Спектральная плотность излучения черного тела, нагретого до температуры T ћ = h/2π = 1.05·10-34 Дж·сек = 6.58·10-22 МэВ·сек

Макс Планк (1858 – 1947)

    Л. Д. Ландау: «В чем заключалась суть того преобразования физики, которое сделал Макс Планк в своей знаменитой классической работе в 1900 г.? Она заключалась в том, что с совершенно новой точки зрения рассматривался вопрос о взаимодействии между излучением, т.е. электромагнитными волнами, и веществом. Вещество в то время представляли обычно в виде совокупности совершающих колебания зарядов, иначе говоря, в виде системы осцилляторов. Планк решительно изменил обычную трактовку характера взаимодействия осцилляторов с электромагнитным полем. Именно он пришёл к выводу, что вопреки классической электродинамике, согласно которой всякий осциллятор, как и всякое другое тело, излучает электромагнитные волны непрерывно, необходимо допустить, что излучение электромагнитных волн происходит скачками, порциями, которые Планк назвал знаменитым теперь термином — квантами. Величина одного кванта равна некоторой постоянной h, умноженной на частоту ν колебаний осцилляторов. При помощи этого с современной точки зрения сугубо кустарного допущения Планк сумел получить правильную формулу для черного излучения – формулу, которая осталась без всяких изменений до сегодняшнего дня».

Нобелевская премия по физике
1918 г. М. Планк
За открытие кванта энергии.

1897 г. Открытие электрона 1904 г. Модель атома

Джозеф Джон Томсон (1856 – 1940)

    Э. Резерфорд, 1936 г.: «Это было в 1897 г., когда из экспериментов, проведенных в основном нашим руководителем Дж. Дж. Томсоном, вытекало, что так называемые катодные лучи Крукса состоят из потока частиц очень малой массы, движущихся с очень большой скоростью. Я полагаю, что мы вправе приписать преимущественную роль в этом открытии Дж. Дж. Томсону, поскольку он был первым, кто отклонил эти частицы как в электрическом, так и в магнитном полях, и первым понял, что электрон должен быть составной частью всех атомов, а также придумал методы определения числа электронов в aтоме»

    Дж. Томсон, 1898 г.: «Я считаю, что атом состоит из большого числа… корпускул [т.е. электронов]… В нормальном атоме это собрание корпускул образует систему, которая электрически нейтральна. Хотя отдельные корпускулы ведут себя подобно отрицательным ионам, однако, когда они собраны в нейтральном атоме, отрицательный эффект уравновешивается чем-то, что заставляет пространство, в котором находятся корпускулы, действовать так, как если бы оно обладало зарядом положительного электричества, равным по величине сумме отрицательных зарядов корпускул».

    Дж. Томсон, 1904 г.: «Мы предполагаем, что атом состоит из некоторого числа [отрицательных корпускул, движущихся внутри сферы с однородной положительной электризацией… Корпускулы располагаются по ряду концентрических оболочек. Постепенное изменение свойств, которое имеет место при перемещении вдоль горизонтальных рядов [периодической] системы элементов, иллюстрируется свойствами, которыми обладают эти группы корпускул».

1895 г. В. Рентген открыл X-лучи, позже названные его именем – рентгеновские лучи

Изучая катодные лучи, В. Рентген открыл новый вид излучения – X-лучи и описал их свойства. Многие материалы оказались прозрачными для X-лучей. X-лучи не отклоняются в электрическом и магнитном полях. Тела, наэлектризованные положительно или отрицательно, разряжаются под действием X-лучей. X-лучи вызывают почернение фотографических пластинок. Многие вещества флюоресцируют под действием X-лучей. Длины волн рентгеновского излучения λ~3·10-8 ÷10-7 см, что гораздо меньше длин волн видимого света λ = (4÷8)·10-5 см.

Вильгельм Рентген (1845 – 1923)

1896 г. А. Беккерель. Открытие радиоактивности

Анри Беккерель (1852 – 1908)

    А. Беккерель дважды в начале 1896 г. выступал на заседании Парижской академии наук с сообщением об открытии им нового явления — радиоактивности. 24 февраля 1896 г. А. Беккерель сообщил о методе регистрации радиоактивности. 2 марта 1896 г. А. Беккерель впервые сообщил, что открытое им явление принципиально отличается от искусственной фосфоресценции, вызываемой облучением некоторых кристаллов под действием солнечного света.

Из выступлений А.Беккереля на заседании Парижской академии наук.
    Заседание 24 февраля 1896 г.
    «Фотографическую бромосеребряную пластинку Люмьера обертывают двумя листками очень плотной черной бумаги… Сверху накладывают какое-нибудь фосфоресцирующее вещество (бисульфат урана и калия), а затем всё это выставляют на несколько часов на солнце. При проявлении фотопластинки на черном фоне появляется силуэт фосфоресцирующего вещества».
Заседание 2 марта 1896 г.
    «Я особенно настаиваю на следующем факте, кажущемся мне весьма многозначительным… Те же кристаллы, содержащиеся в темноте, в условиях когда возникновение радиации под действием солнечного света исключается, дают, тем не менее, фотографические отпечатки. В среду
26-го и в четверг 27 февраля 1896 г. солнце появлялось лишь с большими перерывами. Я отложил совсем подготовленные опыты и, не трогая кристаллов соли урана, установил кассеты в ящике стола в темноте. В следующие дни солнце не появлялось вовсе, но, проявив пластинки 1 марта, я обнаружил на них совершенно отчетливые контуры».

    М. Кюри: «Анри Беккерель производил опыты с солями урана, так как некоторые из них обладают свойством флуоресцировать [H. Becquerel, Comptes Rendus, 1896]. Он получил фотографические оттиски сквозь черную бумагу при помощи флуоресцирующего двойного сульфата уранила и калия. Дальнейшие опыты показали, однако, что наблюдаемое явление никак не связано с флуоресценцией. Оказалось, что освещение соли не является необходимым условием и что на фотографические пластинки действуют и уран и все его, как флуоресцирующие, так и нефлуоресцирующие, соединения, причем наиболее сильно действует металлический уран. Беккерель обнаружил затем, что соединения урана, в течение нескольких лет находившиеся в полной темноте, продолжают действовать на фотографические пластинки сквозь черную бумагу. Тогда он пришел к заключению, что уран и его соединения испускают особые урановые лучи. Эти лучи обладают способностью проходить сквозь тонкие металлические экраны. Проходя через газы, урановые лучи ионизируют их и делают их проводниками электричества. Излучение урана самопроизвольно и постоянно, оно не зависит от таких внешних условий, как освещение и температура.
    Лучи тория. Исследования, произведенные одновременно В. Шмидтом и Марией Кюри, показали, что соединения тория испускают лучи, подобные урановым. Такие лучи часто называют лучами Беккереля. Вещества, испускающие лучи Беккереля, назвали радиоактивными, а новое свойство вещества, обнаруженное по этому лучеиспусканию, — радиоактивностью (Мария Кюри). Элементы, обладающие этим свойством, называются радиоэлементами».

1898 г. М. Кюри-Склодовская, П. Кюри. Открытие радиоактивности элементов полония Po (Z=84) и радия Ra (Z=88)

    М. и П. Кюри: «Исследования соединений урана и тория показали... что свойство испускать лучи, которые делают воздух проводящим и действуют на фото­графические пластинки, является специфическим свойством урана и тория, обнаруживающимся во всех соединениях этих металлов, причем это свойство слабее, когда доля активного металла в соединении меньше: Физическое состояние вещества, по-видимому, не имеет существенного значения... Следовательно, очень вероятно, что некоторые минералы, более активные, чем уран и торий, содержат вещество, более активное, чем эти металлы... Мы попытались изолировать это вещество в урановой смолке, и эксперименты подтвердили предыдущее заключение... Урановая смолка была примерно в 2,5 раза активнее [по производимой ею ионизации], чем уран... Она была подвергнута дей­ствию кислот, и полученный раствор был обработан сернистым водородом. Уран и торий остались в растворе, [однако] осажденный сульфид содер­жал очень активное вещество вместе со свинцом, висмутом, медью, мышьяком и сурьмой…
    При проведении таких операций получаются все более и более активные продукты. Наконец, мы получили вещество, активность которого оказалась в 400 раз больше активности урана... Поэтому мы думаем, что веще­ство, которое мы выделили из урановой смолки, содержит неизвестный до сих пор металл... Если существование этого нового металла подтвердится, мы предлагаем назвать его полонием в честь родины одного из нас (Мария Кюри)».

Мария Кюри-Склодовская (1867—1934) и Пьер Кюри (1859— 1906)

    В ходе дальнейших исследований супруги Кюри нашли, что урановая смолка содержит «второе сильно радиоактивное вещество, совершенно отличное от полония по своим химическим свойствам. Это новое радиоактивное вещество... имеет все химические свойства бария.
    Растворяя осадок в воде, вновь осаждая его в спирте и повторяя эту процедуру несколько раз, удалось, наконец, получить продукт с актив­ностью, превосходящей в 900 раз активность урана. Полученные результаты объяснялись присутствием нового элемента, который был назван радием. Так как наиболее активный продукт все еще содержал большую долю бария, был сделан совершенно правильный вывод, что «радиоактивность радия должна быть огромной» по сравнению с радиоактивностью урана.

М. Лауэ «История физики»

α-Частицы — ионизованные атомы ⁴He

1 – разрядная трубка, 2 – радиоактивные источники Th, Ra, 3 – трубка для накопления α-частиц

   Работа Резерфорда в Канаде ознаменовалась целым рядом крупнейших открытий. Во-первых, им была открыта эманация тория. Вместе с Резерфордом там же работал в то время молодой химик Содди, и с ним Резерфорд начал изучать химический характер элементов, получаемых от радиоактивного распада, так как было очень важно установить наряду с физическими и химические особенности радиоактивного процесса. В то время радиоактивность еще не была понята, и Резерфорд вместе с Содди были первыми, кто доказал, что это есть спонтанный переход одних элементов в другие, называемый теперь радиоактивным распадом. При этом испускаются либо α-лучи, состоящие из быстро летящих атомов гелия с положительным зарядом, либо β-лучи — быстро летящие электроны. На основании этого Резерфорд предполагал, что эманация тория есть элемент, отличный от самого тория. Вместе с Содди он по диффузии определил атомный вес эманации и показал, что она соответствует благородному газу. Теория радиоактивного распада, выдвинутая Резерфордом и Содди в 1903 г., произвела революцию.

П.Л. Капица. «Воспоминания о профессоре Э. Резерфорде»

    Уже в 1897 г. Э. Резерфорд различал по проникающей способности два вида радиоактивного излучения: легче поглощаемые α-лучи и более проникающие β-лучи. В то время как последние, благодаря их легкой отклоняемости в электрическом и магнитном полях, были вскоре отождествлены с электронами, над природой первых Резерфорду пришлось потрудиться более долгое время. Но в 1903 г. он нашел, наконец, посредством опытов с отклонением этих лучей, что отношение их заряда к массе по знаку и величине соответствует дважды ионизованным атомам гелия. Вильям Рамзай (1852—1916) и Фр. Содди установили в 1904 г. поразительное появление гелия в соединениях радия; единственным объяснением могло быть возникновение гелия из радия. Резерфорд и Т. Ройдс подтвердили в 1909 г. идентичность α-частиц и ионов гелия, так как они обнаружили в собранных нейтрализованных α-частицах характерную желтую линию спектра гелия. Так было доказано возникновение элемента ге­лия из других элементов. В то же самое время постепенно установили, что за небольшими исключениями радиоактивное тело посылает либо α-лучи, либо β-лучи; обнаруженное в 1900 г. Паулем Виллардом неотклоняемое γ-излучение может быть связано с обоими.

Нобелевская премия по химии
1908 г. - Э. Резерфорд
За исследования по превращению элементов и за химические исследования радиоактивных веществ.