Билет 12. 1. В те моменты, когда мы обращаемся к начальному этапу возникновения отечественной науки, на память приходят имена А
1. В те моменты, когда мы обращаемся к начальному этапу возникновения отечественной науки, на память приходят имена А. Г. Столетова и Н. А. Умова, П. Н. Лебедева и, разумеется, А. Ф. Иоффе – выдающегося физика-экспериментатора первой половины ХХ века, талантливого воспитателя научных кадров, создателя крупнейшей научной физической школы в СССР.
В эпоху становления квантовых представлений учёный с большим мастерством истинного экспериментатора доказывает квантовую природу фотоэффекта и дискретность электрического заряда. Экспериментальное доказательство существования электрона и наличие у него элементарного электрического заряда А. Ф. Иоффе осуществляет в 1913 году в опытах по фотоэффекту, которые проводит в своей лаборатории при Санкт-Петербургском политехническом институте.
Опираясь на уже установленные факты существования «свободного электричества, отрицательного знака его и универсальности его удельного заряда», А. Ф. Иоффе совершенствует методику Р. Милликена: «В пространство между горизонтальными пластинками конденсатора вводятся мелкие металлические частицы. Они освещаются слабо сходящимся пучком света вольтовой дуги и наблюдаются в слабо увеличенный микроскоп, поставленный перпендикулярно к освещающему пучку… Если частичка заряжена, то в однородном электрическом поле конденсатора к силе тяжести присоединяется электрическая сила, изменяющая скорость движения частички».
На основании проведённого экспериментального исследования А. Ф. Иоффе отмечает, что « металлы под влиянием света теряют отрицательный заряд не непрерывно, а скачками, отделёнными друг от друга значительными промежутками времени. Величины зарядов, теряемых одной и той же частичкой, точно равны между собой, и только в нескольких случаях наблюдается в короткое время потеря двух элементарных зарядов». Подведя предварительные итоги проведённого эксперимента и учитывая результаты, ранее полученные Р. Милликеном, А. Ф. Иоффе приходит к заключению: «опытное доказательство существования электрона можно считать законченным».
2. Природа рентгеновского излучения оставалась невыясненной до 1906 года, когда была открыта его поляризация. Позже, в 1912 году немецкому физику Максу Лауэ удалось обнаружить дифракцию рентгеновского излучения. Схема опыта Лауэ приведена на рисунке. Пучок рентгеновского излучения, пройдя сквозь монокристалл К, попадал на экран Э. на экране наблюдалась картина, изображённая на рисунке 281, которая получила название лауэграммы. Лауэграмма напоминает дифракционную картину, которая наблюдалась при прохождении света сквозь две скрещенные (расположенные параллельно друг другу, но так, чтобы их щели были взаимно перпендикулярны) дифракционные решётки.
Образование лауэграммы можно представить следующим образом. Монокристалл представляет для рентгеновских лучей своеобразную дифракционную решётку. Узлы кристаллической решётки служат преградами, а междуузлия прозрачны. Рентгеновское излучение дифрагирует на кристаллической решётке и образует дифракционные максимумы и минимумы. Таким образом, было установлено, что рентгеновское излучение имеет волновую природу. Открытие поляризации рентгеновского излучения указывало на то, что рентгеновское излучение представляет собой поперечные волны. Исследование других свойств этого излучения подтвердило, что оно имеет электромагнитную природу. Рентгеновские лучи оказались электромагнитным излучением, подобным видимому участку спектра (световому), но со значительно меньшей длиной волны. Изучение дифракционных картин позволило измерить длину волны рентгеновского излучения. Оказалось, что она охватывает интервал от 10-12 до 8∙10-8 м.
3. Первую по-настоящему научную работу по магнетизму и электричеству написал в 1600 году Вильям Гильберт, лейб-медик королевы Елизаветы. Заслуги Гильберта действительно велики. Самой значительной из них явилось то, что он впервые в истории за 11 лет до Френсиса Бекона, считавшегося родоначальником «индуктивного» метода в науке, провозгласил опыт критерием истины и все положения проверял в процессе специально поставленных экспериментов.
В течение 18 лет он на собственные деньги ставит бесчисленное количество опытов, которые описал в книге «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле. Новая физиология, доказанная множеством аргументов и опытов». Всё время, которое оставалось после «основной работы», он посвящал опытам по электричеству и магнетизму, само слово «электрика» введено в науку В.Гильбертом, «Электрические тела – те, которые притягивают таким же образом, как янтарь», писал Гильберт. Он проделывает несметное количество экспериментов, в процессе которых приходит к нескольким чрезвычайно важным выводам. Один из них – притяжение магнита и янтаря имеет разную природу. Другими словами, Гильберту удалось разделить электрические и магнитные явления на два класса, которые с тех пор стали исследоваться отдельно. Величие идей Гильберта и его заслугу перед своим временем нам сейчас даже трудно вообразить.
4. В то бурное время, когда в европейских городах сжигались сотни «ведьм» и «колдунов», учёные Англии, Франции, Голландии, Германии были увлечены физикой, математикой, фортификацией и другими точными науками.
Используя вещества, открытые Гильбертом, которые способны притягивать, как и янтарь, мелкие пылинки, десятипудовый любознательный бургомистр немецкого города Магдебурга Отто фон Герике, родившийся в 1602 году, изготовил странную машину: шар из серы, приводимый во вращение. Если шар при вращении придерживать ладонями, на нём скапливается электрический заряд. С помощью шара можно делать много занятных экспериментов с наэлектризованными предметами.
Один из опытов наиболее известен: Герике, поражённый, наблюдает пушинку, притягивающуюся к его носу, а затем отлетающую от него, затем снова притягивающуюся и т.д. Эксперимент забавен, но и чрезвычайно, принципиально важен: раньше считалось, что лёгкие тела могут только притягиваться наэлектризованными предметами – это даже считалось основным различием электрических и магнитных явлений – ведь известно, что магниты отталкиваются одноимёнными полюсами. Другое интересное открытие – электрическая сила обнаружила способность распространяться по «льняной нитке на один локоть» (сравните это первое наблюдение с современными сверхмощными линиями передач!). Ещё одно открытие – Герике слышал при разряде своих шаров слабый треск и иногда наблюдал слабое свечение.
Один из ярких случаев произошёл в 1745 году в Лейдене. Богач Кюнеус, ученик Питера Ван Мушенбрека, использовал машину Герике для того, чтобы «зарядить электричеством» воду в стеклянной колбе, которую держал в ладонях. Зарядка осуществлялась при помощи цепочки, подсоединённой к машине. Цепочка спускалась через горлышко колбы в воду. Когда, по мнению Кюнеуса, зарядка была окончена, он решил убрать цепочку – вынуть её рукой из сосуда. И тут он получил такой удар, что чуть не скончался.
Используя открытие Герике, идеи Гильберта и его многочисленные эксперименты и открытия, учёные продолжили исследования уже разделённых электрических и магнитных явлений. Продолжили, чтобы через двести лет их снова воссоединить, но уже на новой основе.
5. Лейденский профессор Мушенбрек, который оспаривает честь открытия лейденской банки у своего студента, немецкого учёного Клейста, доложившего в 1745 году Берлинской академии наук о своих опытах с «медицинской банкой», пишет о своих ощущениях при проведении опытов так: «Хочу сообщить вам новый и страшный опыт, который никак не советую повторять. Я делал некоторые исследования над электрической силой и для этой цели повесил на двух шнурах из голубого шёлка железный ствол, получавший, через сообщение, электричество от стеклянного шара, который приводился в быстрое вращение и натирался прикосновением рук.
На другом конце свободно висела медная проволока, конец которой был погружён в круглый стеклянный сосуд, отчасти наполненный водой, который я держал в правой руке, другой же рукой я пробовал извлечь искры из наэлектризованного ствола. Вдруг моя правая рука была поражена с такой силой, что всё тело содрогнулось, как от удара молнии. Сосуд, хотя и из тонкого стекла, обыкновенно сотрясением этим не разбивается, но рука и всё тело поражаются столь страшным образом, что и сказать не могу, одним словом, я думал, что пришёл конец…», «…ради французской короны я не согласился бы ещё раз подвергнуться столь жуткому сотрясению».
Выяснилось, что в сосудах того типа, о котором пишет Мушенбрек, электричество может накапливаться в весьма значительных количествах. Так была открыта прославленная впоследствии «лейденская банка» - простейший конденсатор.
Новость о лейденской банке с быстротой электрического удара начала распространяться по Европе и не слишком просвещённой тогда Америке.
Семьсот парижских монахов, взявшись за руки, провели лейденский эксперимент. В тот момент, когда первый монах прикоснулся к головке банки, все семьсот монахов, сведённые одной судорогой, вскрикнули с ужасом.
Сто восемьдесят королевских мушкетёров провели подобный опыт перед королём в Версале.
Лейденская банка стала непременным атрибутом электрических исследований.
С её помощью получали крупные электрические искры – иной раз до нескольких сантиметров.
Рано или поздно, но должен был появиться человек, которому в этих опытах суждено было увидеть больше, чем другим, который «отнял молнию у небес и власть у тирнов» - Бенджамен Франклин. Эпоху статического электричества пора было закрывать.
6. Опыты Дж. Дж. Томсона были сильным, но не решающим доводом в пользу существования электрона. Не приходится доказывать, сколь важен был для физика эксперимент, в котором наличие элементарного заряда электричества было доказано с такой степенью наглядности, что все сомнения были тут же отброшены в сторону. Такой опыт поставлен в 1909 году американским физиком Робертом Милликеном.
Идея этого замечательного опыта основывается на простом факте. Так же, как стеклянная палочка, потёртая мехом, приобретает электрические свойства, так ведут себя и другие тела. Это явление называется электризацией трением. А не будут ли электризоваться капельки масла, которые мы будем впрыскивать в какую-либо камеру, - ведь, проходя через горлышко пульверизатора, масло будет подвергаться трению.
Чтобы убедиться в этом, надо приготовить очень несложную установку: направить струю масляных брызг в пространство между горизонтально расположенными обкладками конденсатора и приспособить микроскоп, который позволял бы следить за движением капель. Пока электрическое поле не подано, капельки, естественно, будут падать вниз под действием силы тяжести. Капельки лёгкие, поэтому сила тяжести почти немедленно уравновесится силой сопротивления воздуха, и они будут падать равномерно. Но как только на пластины накладывается напряжение, картина меняется. Движение капли становится либо ускоренным, либо замедленным, в зависимости от направления электрического поля. Милликен выбрал такое направление поля, которое заставляло капельку двигаться медленно. Постепенно увеличивая поле, ему удавалось, так сказать, подвесить каплю в воздухе. Целыми часами наблюдал исследователь за одной каплей. С помощью поля он мог управлять её движением и останавливать по желанию.
Что же можно вычислить с помощью такого опыта? Все величины, входящие в уравнение движения, известны, кроме заряда капли. Если всю установку поместить около рентгеновской трубки, то заряженные капли будут притягивать к себе ионы противоположного знака, которые образовались из-за ионизации воздуха рентгеновскими лучами. Как только ион прилипнет к капле, изменится её заряд, капля изменит скорость, которую сразу же найдут по измерениям. Не спуская глаз с одной капли, наблюдатель измерял разности скоростей до и после включения рентгеновской трубки, а затем вычислял значение заряда.
Проделав свои опыты для капель масла, воды, ртути и глицерина, меняя знаки заряда капель, Милликен вычислил сотни значений заряда q, и все они оказались кратными одной и той же величине. Результаты опытов не оставили сомнения в том, что электрический заряд встречается в природе дискретными порциями. Однако, строго говоря, это не доказывает непосредственно существование электрона как частицы. Но гипотезы опережают факты, и электрон получил признание ещё до того, как его «увидели».