Открытие катодных и рентгеновских лучей

Еще в XVIII в. Б. Франклин высказал предположение о том, что «атомы электричества» меньше атомов тел, в которые они могут проникать. Далее, из исследований М. Фарадея о прохождении электричества через жидкости следовало, что «атомы электричества» имеют дробный заряд и что кроме обычных нейтральных электрических атомов существуют «странные атомы», ионы(в переводе с греческого — идущий). Это атомы имеют избыток или недостаток одного или нескольких электронов. Изучение прохождения электричества через газы привело к открытию катодных лучей. Катодная трубка — это стеклянная, запаянная с двух концов трубка, в которую впаяны две металлические пластинки, соединенные с полюсами источника постоянного тока (катод — с отрицательным полюсом, анод — с положительным полюсом). В 1859 г. немецкий физик Плюккер (1801 — 1868) обнаружил, что при прохождении электрического тока в сильно разряженном пространстве трубки (откачен воздух) с поверхности катода выходят лучи, которые заставляют светиться те части стенок трубки, на которые они падают.

Английский физик У. Крукс (1832—1919) дал следующее объяснение этому явлению: эти частицы отрицательно заряжены и движутся с огромной скоростью,

и они входят в состав атомов, из которых состоят химические элементы. Из его гипотезы выходило, что атом есть составное физическое образование. Многие считали тогда эту гипотезу ложной. Катодные лучи оказались интересным объектом. Исследование их привело к открытию электрона и рентгеновских

лучей. Помещение катодных лучей в магнитном поле вело к искривлению их

пути. Направление, в котором шло искривление их пути, говорило, что они заряжены отрицательно. Другим же явлением, связанным с катодными лучами, было свечение лучей зеленого света, которые исходили из тех мест стеклянной трубки, на которые катодные лучи падали. Если на пути этого

«зеленого свечения» поставить препятствие, то они давали изображение этого препятствия на бумаге, покрытой чувствительной световой эмульсией.

В 1895 г. немецкий физик В. Рентген (1845—1923) чисто случайно открыл это явление, назвав их лучами X.

Открытие электрона.Термин «электрон»был предложен ирландским физиком Д. Стонеем в 1891 г.

В буквальном переводе с греческого языка на русский электрон означает янтарный.Развивая идеи М. Фарадея, Дж. Стоней предложил рассматривать катодные лучи как поток электронов (отрицательно заряженных частиц с одинаковой порцией заряда). Открытие электрона связано с именем английского физика Дж. Дж. Томсона. Для открытия электрона он использовал зависимость ускорения частицы от ее заряда и массы (а = е/т, где а — ускорение, е — заряд частицы, т — масса частицы). Величина ускорения частиц катодных лучей, помещенных в электрическое или магнитное поле, зависит от отношения е/т в электрическом поле, а в магнитном поле еще от их скорости. Комбинируя воздействия на катодные лучи электрического и магнитного полей, Томсон получил два уравнения, решение которых убеждало, что катодные лучи — это поток частиц одинакового заряда и одинаковой массы, движущейся с достаточно высокой скоростью, зависящей от разности потенциалов между катодом и анодом трубки. В дальнейшем Томсон измерил соотношение е/т применительно к частицам, выходящим из металла при освещении его ультрафиолетовым светом. Оказалось, что эти частицы также являются электронами. В начале ХХ в. американский физик Р. Милликен измерил электрический заряд электрона. Заряд электрона равен — 1, масса покоя - 9,109534 • 10-31 кг.

Дж. Дж. Томсону принадлежит первая эвристическая модель атома, которая получила название «изюминки в тесте»: атом — это сфера с плотной однородной положительной электронизацией, в которую встроены отрицательные электроны. Модель не отвечала наблюдаемым фактам: атомы устойчивы, электрически нейтральны, заряд электронов отрицательный, а общая сфера атома, по Томсону, является положительной. Следовательно, возникает вопрос: каким образом атом как система может существовать? В 1904 г. Дж. Дж. Томсон предположил, что электроны вращаются в атоме, но, каков механизм этого вращения в атоме, оставалось непонятным. В дальнейшем Дж. Дж. Томсон не занимался этой проблемой.

Этой проблемой увлекся молодой физик 3. Резерфорд (1871—1937). Он поступил

в докторантуру Дж. Дж. Томсона в 1895 г. за год до открытия случайным образом французскими физиком А. Беккерелем радиоактивности. Э. Резерфорд сразу же заинтересовался этим необычным для классической физики явлением.

Открытие радиоактивности.В 1898 г. Мария Склодовская-Кюри (1867—

1934) и ее муж Пьер Кюри (1859—1906) обнаружили, что уран в результате излучения превращается таинственным образом в другие химические элементы (полоний и радий). Радий по-латыни означает испускающий лучи, полоний назван

в память о родине Марии Склодовской-Кюри — Польше.

Термин «радиоактивность»был введен в научный язык Марией Склодовской-Кюри в 1899 г. В магнитном поле эти лучи расщеплялись на два излучения. В 1903 г. Э.Резерфорд дал им название: α- и β-излучение.

Пьера и Марию Кюри особо заинтересовал радий, который в миллион раз оказался активнее, чем уран. Воздействие излучения, исходящего из радия, на раковые клетки показало замедление их роста, поэтому выделение радия в чистом виде привлекло внимание не только физиков, но и медиков и биологов. В 1912 г.

во Франции был создан институт Радия, который стал развивать одно из

направлений в науке — радиобиологию. Э. Резерфорд и его сотрудник Фредерик Содди (1877—1956) тщательно изучили процесс излучения радия и пришли к неожиданным выводам.

Радиоактивность связана с превращением одних химических элементов в другие естественным путем. В атоме сосредоточена огромная энергия. Радиоактивностьне зависит от состояния окружающей среды. Радий(Ra) за

счет внутреннего энергетического ресурса превращался в газ радон (Rn). Это превращение сопровождалось α-излучением. В науке появилась новая химическая формула, выражающая этот процесс, которой не было раньше: Ra - Rn + He (α). Раньше считалось, чтобы получить новое вещество, необходимо внешнее воздействие: соединение, разложение, нагревание и т. д. В то же время излучение радия было постоянным, практически без потери его массы и независимо от состояния окружающей среды.

Э. Резерфорд предположил, что если облучать вещество таким тонким инструментом, как поток α-частиц, ядрами гелия (размер ядра атома равен приблизительно 10-13 см),то можно выяснить строение атома любого вещества. Он проделал эксперимент, который позволили ему высказать фразу: «Я знаю, как устроен атом». Металлическая пластинка из бериллия облучалась потоком α-частиц. Приблизительно одна из 3000 α-частиц отскакивала при этом от металлической пластинки, как бы сталкиваясь с положительно заряженной частью атома, поскольку α-частицы имеют положительный заряд.

Тонкие вычисления при объяснении этого эксперимента позволили Э. Резерфорду предложить «планетарную модель атома»: в центре атома расположена положительно заряженная область - ядро, вокруг которого вращаются электроны, как по орбитам вокруг Солнца вращаются планеты. Однако было не ясно, как электрон удерживается в атоме. Н. Бор (1885—1961), который работал в лаборатории Э. Резерфорда в начале прошлого века, был первым из тех, кто предложил объяснение этого явления. Для этой цели он использовал ряд известных к тому времени идей: гипотезу М. Планка, фотонную теорию света А. Эйнштейна и результаты спектрального анализа атома водорода.

Гипотеза М. Планка

М. Планк, изучая проблему теплового излучения, выдвинул в 1900 г. гипотезу, согласно которой механизм «траты» энергии в природе осуществляется минимальными порциями в минимальные единицы времени. Иначе говоря, в природе установлен как бы порционный порядок перехода энергии из одного вида

в другой. Из анализа кривых излучения абсолютно черного тела, вид которых был установлен эмпирически, М. Планк получил формулу: W = hf где W — энергия излучения, f — частота излучения, h — постоянная Планка. Постоянная Планка(часто используют вместо величины h более дробную величину ћ = h/2π; где π — постоянная величина, характеризующая отношение длины окружности к ее диаметру, равна 3,14159) — это универсальная постоянная, выражающая минимальную порцию квант энергии при всех видах физического взаимодействия энергии в виде вещества, полей, излучения и вакуума. Постоянная Планка представляет масштаб дробности для всех квантов — действия (энергии). Например, при нагревании тела оно меняет свой цвет. Каждому цвету соответствуют определенные кванты излучения, которые не могут быть меньше величины h (постоянной Планка), равной приблизительно 6,6261176 · 10--34 Дж · с.

М. Планк рассматривал квант энергии лишь как удачную гипотезу для

объяснения данных наблюдения динамики теплового излучения. Однако Н. Бор придал этому понятию определенный физический смысл: в атоме

энергетического положения (уровня) электрона происходит путем излучения или

приобретения им квант энергии. Но это было уже в начале второго десятилетия

ХХ в., когда Н. Бор сформулировал свои знаменитые постулаты.

В 1905 г. А. Эйнштейн перешел от гипотезы о квантах М. Планка к теории квантов света, т. е. фотонной теории света.Он утверждал, что свет как электронно-магнитные волны имеет двойственную природу: в одних случаях ведет себя как волна, в других — как частица. Когда свет ведет себя как волна, тогда он подчиняется законам Дж. Максвелла, а когда он ведет себя (обнаруживает себя) как частица, то его. целесообразно рассматривать как газообразное тело, состоящее из частиц, фотонов, квантов света. Термин «фотон»придуман в 1926 г. Дж. Н. Льюисом (физик, химик). В конце XIX в. были созданы методы спектрального анализа. В частности, была известна математическая формула И. Бальмера (учитель математики). В этой формуле было выражено отношение между длинами волн зеленого, красного, синего и других цветов спектра атома водорода. Когда Н. Бор проанализировал формулу И. Бальмера, он, как потом писал, понял, что в атоме управляет, господствует энергия квантов.

Действительно, в этой формуле была представлена последовательность чередования переменных целых числовых значений, из которых вычиталась некоторая постоянная величина, типа постоянной Планка.