Открытие естественной радиоактивности
В январе 1896 г. на заседании Парижской Академии, Анри Пуанкаре сделал сообщение об открытии новых (рентгеновских) лучей, и высказал предположение о том, что рентгеновское излучение связано с флюоресценцией. Эта гипотеза весьма заинтересовала присутствовавшего на этом заседании Анри Беккереля, поскольку его отец и дед в свое время занимались теорией флюоресценцией.
В своих опытах Беккерель решил использовать соединения урана из коллекции минералов своего отца. Обернув фотопластинку черной бумагой, он положил на нее металлическую пластинку необычной формы, покрытую слоем урановой соли, и выставил на несколько часов на яркий солнечный свет. После проявления пластинки на ней было отчетливо виден образ металлической фигуры. Повторные опыты Беккереля дали аналогичный результат, и в феврале 1896 г. он доложил Академии о результатах опытов. Гипотеза Пуанкаре полностью подтверждалась, но Беккерель решил провести серию контрольных экспериментов. Он приготовил новую пластинку, но по причине пасмурной погоды опыты пришлось отложить. Затем Беккерель решил проявить пластинки, пролежавшие несколько дней в темном шкафу, и обнаружил четкие силуэты образцов минералов, лежавших на непрозрачных защитных экранах пластинок, из чего следовало, что соединения урана без предварительной экспозиции испускают невидимые лучи, действовавшие на фотопластинку через непрозрачный экран. Так, в силу случайных обстоятельств, состоялось открытие естественной радиоактивности, которое привело к пересмотру классических представлений о структуре микромира.
В том же году было сделано другое важное открытие. В лаборатории Кавендиша в Кембридже Джозеф Джон Томсон доказал корпускулярную природу так называемых «катодных лучей». Эти мельчайшие частицы вещества Томсон называл корпускулами, однако в научном лексиконе они стали именоваться электронами.[64] Было очевидно, что электроны являются составными частями атомов всех веществ. Томсон построил электромагнитную модель атома, предположив, что отрицательно заряженные корпускулы (электроны) располагаются определенным образом внутри положительно заряженной сферы[65]
Сообщение Беккереля об ионизирующей способности урановых лучей появилось почти одновременно с публикацией результатов опытов Д. Томсона и Э. Резерфорда, об аналогичном свойстве рентгеновских лучей, что позволяло предположить общую природу этих явлений.
Квантовая теория
Изучение рентгеновских лучей и радиоактивности, а также открытие первой элементарной частицы — электрона, открыли новые перспективы изучения атомарных структур. В 1899 г. Эрнест Резерфорд опубликовал результаты новых опытов с радиоактивными веществами, которые свидетельствовали о том, что излучение урана и тория состоит из нескольких пупков частиц с различными свойствами (α-, β- γ- лучи). Это указывало на сложный характер радиоактивного излучения. Уже в следующем, 1900 году, изучая эффекты теплового излучения, Макс Планк открыл его дискретные (и, следовательно, корпускулярные) свойства.
«Тепловое излучение знакомо людям с незапамятных времен. Греясь на солнце или у огня, человек наслаждался теплом, испускаемым солнечными лучами или лучами очага. Но вот на вопрос, почему натопленная печь греет, оказалось не так-то легко ответить. Существование «тепловых лучей» предположил в XVIII в. химик Шееле (1742—1786), но опыты с тепловыми лучами проводили еще флорентийские академики, доказавшие, что «холод» от глыбы льда охлаждает шарик термоскопа, помещенного в фокусе вогнутого зеркала. Опыты с отражением тепловых лучей вогнутыми зеркалами («зеркала Пикте») проводил в XVIII в. Пикте (1752-1825), а Прево (1751—1839) в 1791 г. установил закон подвижного теплового равновесия. В. Гершель открыл невидимые «тепловые лучи» за красной частью видимого спектра».[66]
В1859 г. Густав Кирхгоф открыл закон теплового излучения (ныне носящий его имя) «абсолютно черного тела». Спустя двадцать лет Жозеф Стефан (1835-1893) на основании количественных измерений сделал вывод, что суммарная энергия всех длин волн, излучаемых черным телом, пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела, причем коэффициент пропорциональности является универсальной константой.
В 1884 г., ученик Стефана Людвиг Больцман, применив к излучению принципы термодинамики и исходя из гипотезы существования «светового давления» вывел закон Стефана теоретическими методами, показав, тем самым, возможность объединения принципов термодинамики и электромагнитной теории света.
Макс Планк рассматривал модель черного тела, представлявшую собой совокупность электромагнитных осцилляторов, каждый из которых излучал или поглощал электромагнитную энергию определенной частоты. Исходя из гипотезы «естественного излучения», Планк привел эту систему в соответствие с необратимостью термодинамических процессов, несмотря на то, что излучение описывается обратимыми уравнениями электродинамики. В мае1899 г. Планку удалось найти соотношение между объемной плотностью излучения и средней энергией осциллятора, которое стало основой квантовой теории.
Дальнейшее развитие квантовой теории связано с ее расширенной интерпретацией Альбертом Эйнштейном статье «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света» (1905 г). А. Эйнштейн первым обратил внимание антиномичность представлений о структуре материи и структуре света:
«Согласно теории Максвелла, во всех электромагнитных, а значит, и световых явлениях энергию следует считать величиной, непрерывно распределенной в пространстве, тогда как энергия весомого тела, по современным физическим представлениям, складывается из энергий атомов и электронов. Энергия весомого тела не может быть раздроблена на сколь угодно большое число произвольно малых частей, тогда как энергия пучка света, испущенного точечным источником, по максвелловской (или вообще по любой волновой) теории света, непрерывно распределяется по все возрастающему объему».[67]
Эйнштейн полагал, что построение теории света, оперирующей непрерывными пространственными функциями, войдет в противоречие с опытом, когда ее будут применять к явлениям возникновения и превращения света, явления «черного излучения», фотолюминесценции, фотоэффекта и другие, связанные с возникновением и превращением света, лучше объясняются предположением, что энергия света распределяется по пространству дискретно
Подтверждение принципа инвариантности скорости света, исследования естественной радиоактивности и рентгеновского излучения, квантовая теория теплового и электромагнитного излучения — эти открытия на рубеже XIX–XX века привели к научной революции, радикально изменившей классические представления о порядке мироустройства. Атомы оказались делимыми на части, масса тел — изменчивой, пространство и время — относительными, в процессах, прежде считавшихся непрерывными, была обнаружена дискретность.
Лекция 12