Новые открытия и идеи конца XIX века

Проблема взаимодействия света с веществом, к которой относится " распространение света в веществе, с точки зрения максвелловской электродинамики, является частным случаем более общей проблемы взаимодействия поля с веществом. В максвелловской электродинамике это взаимодействие учитывается электрическими характеристиками среды: ее диэлектрической и магнитной проницаемостью и проводимостью. Обобщая уравнения Максвелла на случай, когда эти коэффициенты меняются скачком на заданной поверхности, Г. А. Лорентц в 1875 г. получил из электромагнитной теории света формулы Френеля и тем самым вывел из теории Максвелла законы отражения и преломления света. Но для построения теории дисперсии, т. е. зависимости показателя преломления от частоты, теория Максвелла нуждалась в дополнении. Это дополнение и было сделано тем же Лорентцем, объединившим теорию поля с представлением о заряженных частичках (ионах), образующих материю. Так возникла электронная теория. Объединяя атомистические представления о веществе с теорией поля, Лорентц уже в 1878 г. дал формулу, связывающую показатель преломления неполярного диэлектрика с плотностью диэлектрика. Этот закон, восходящий к теории диэлектриков Клаузиуса-Моссоти, был выведен также в 1880 г. датским физиком Людвигом Лоренцем и называется законом Лорентца-Лоренца.

В 1879 г. Холл установил факт возникновения под действием магнитного поля поперечной разности потенциалов в плоском проводнике, по которому идет ток (эффект Холла). Через пять лет Г. Лорентц дал истолкование этого эффекта с точки зрения электронной теории, объяснив его действием магнитного поля на движущиеся заряды (сила Лорентца). Лорентц связал этот эффект с эффектом Фарадея, показав, что в последнем случае сила Лорентца ускоряет ионы, движущиеся по кругу в одном направлении, и замедляет ионы, движущиеся в противоположном направлении, что и вызывает оптическую активность среды. Наконец, Лорентц исследовал распространение света в движущихся средах (1895 г.). В том же 1895 г. голландский физик П. Зееман обнаружил влияние магнитного поля на излучение натрия. Усовершенствовав установку, он в 1897 г. уточнил наблюдение и нашел расщепление спектральных линий в магнитном поле (эффект Зеемана). Лорентц дал электронную теорию этого явления.

Таким образом, к 1897 г. электронная теория уже насчитывала в своем активе ряд крупных успехов: теория дисперсии, объяснение эффекта Холла и магнитооптических эффектов (эффектов Фарадея и Зеемана). Однако эти достижения были получены до открытия электрона. История этого открытия в общих чертах сводится к следующему.

Идеи об атомном строении электричества высказывались Фарадеем В. Вебером и Максвеллом. Но Максвелл считал эту идею временной, подлежащей в дальнейшем развитии физики замене полевыми представлениями. В 1874 г. мысль об атомарном заряде электричества вновь была со всей определенностью высказана ирландским физиком Стонеем. Стоней дал и приблизительную оценку на основе законов электролиза атомарного заряда электричества, названного им "электроном". В 1881 г. аналогичная идея была высказана Гельмгольцем в его знаменитой фарадеевской речи: "Если мы допускаем,- говорил Гельмгольц,- существование химических атомов, то мы принуждены заключить отсюда (т. е. из законов электролиза Фарадея.- П. К.), что также и электричество, как положительное, так и отрицательное, разделяется на определенные количества, которые играют роль атомов электричества". Дальнейшее развитие электроники связывается с изучением электрического разряда в газах. В 1869 г. Гитторф, наблюдая разряд при давлении ниже 0,1 мм рт. ст. обнаружил катодные лучи, вызывающие сильную люминесценцию стенок трубки и смещающиеся под действием магнитного поля.

Через десять лет после открытия Гитторфа В. Крукс пришел к выводу, что катодные лучи представляют особое "лучистое состояние" материи, и сформулировал основные свойства этого состояния, "к которому применима корпускулярная теория света", т. е. катодные лучи представляют поток корпускул, распространяющихся из катода прямолинейно, образующих геометрическую тень от непрозрачных предметов, создающих механическое давление ("мельничка" Крукса) и отклоняющихся магнитным .полем.

Джозеф Джон Томсон

Но Герц (1883 г.), а затем его ассистент Ленард (1893 г.) показали, что катодные лучи могут проходить через тонкую алюминиевую фольгу. Из этого они сделали вывод, что катодные лучи являются не потоком корпускул, а своеобразным волновым процессом К тому же вопрос об электрическом отклонении этих лучей не был решен однозначно. Первые определенные указания на электрический заряд катодных лучей были получены французским физиком Ж. Перреном. Наконец английский физик Дж. Дж. Томсон (1856-1940) разработал методику исследования катодных пучков с помощью электрических и магнитных полей и в 1897 г. со всей определенностью показал, что они являются отрицательно заряженными частичками с удельным зарядом ^e/_m, по крайней мере в 1000 раз превышающим удельный заряд водородного иона. "Следовательно,- заключил Томсон,- если е - тот же самый заряд электричества, какой несет атом водорода, то m - масса частиц катодных лучей - должна быть не более чем одна тысячная массы атома водорода - наименьшей известной до того массы". Это чрезвычайно важное и ошеломляющее заключение следовало проверить всесторонне, что и было сделано Томсоном.

Одним из первых методов проверки, предпринятой Томсоном, было исследование заряда, снимаемого с поверхности металлов при ее освещении. Явление это широко известное теперь под названием фотоэффекта, было открыто в 1887 г. Герцем при его опытах с электромагнитными волнами. Фотоэлектрические действия при высоких напряжениях исследовал также Гальвакс и другие. В 1888 г. обстоятельные исследования фотоэлектрического эффекта при сравнительно низких напряжениях провел А. Г. Столетов Его установка, являвшаяся прообразом современного вакуумного фотоэлемента, и классические опыты в настоящее время описываются в учебниках Столетов установил униполярность эффекта, неодинаковую чувствительность установки к различным длинам волн, установил наличие тока насыщения в фотоэлементе, пропорциональность силы фототока освещенности и наметил программу дальнейшего исследования явления. Д. Д. Томсон, исследуя природу явления, установил, что отделяющиеся от катода под действием света частицы обладают тем же удельным зарядом, что и частицы, образующие катодные лучи (1899 г.). Тот же результат получил в 1900 г. Ленард.

Вильгельм Конрад Рентген

Основываясь на конденсирующем действии ионов, образующих в атмосфере насыщенного пара капельки тумана, Д. Д. Томсон в 1898 г. начал эксперименты по непосредственному определению заряда газовых ионов. Его измерения дали значение порядка 6,5*10^-10 электростатических единиц, т. е. того же порядка, что и заряд водородного иона. "Это не оставило сомнения в том,- пишет Томсон,- что большое значение обусловлено уменьшением массы, а не увеличением заряда". Так была открыта первая "заатомная" частица материи - электрон. Лорентцева теория эффекта Зеемана давала возможность определения удельного заряда частиц, ответственных за излучение. Этот удельный заряд совпал с томсоновским значением. Электроны оказались структурными элементами атомов, испускающими вследствие внутриатомных движений электромагнитные волны. На очередь встал вопрос о строении атома, и тем же Д. Д. Томсоном была предложена первая модель излучающего атома.

Анри Беккерель

Изучение разряда в газах ознаменовалось не только открытием электрона. В декабре 1895 г. немецкий физик В. К. Рентген (1845-1923) открыл рентгеновские лучи. Открытие это имело огромное значение для последующего развития физики. Оно, в частности, явилось толчком для исследований французского физика А. Беккереля (1852-1908), приведших последнего к открытию радиоактивности, с которого начинается история ядерной физики. В 1896 г. Беккерель открыл радиоактивность урана. Термин "радиоактивность" был предложен М. Склодовской-Кюри (1867-1934), показавшей, что радиоактивное излучение представляет внутриатомный процесс и что свойством излучать радиоактивные лучи, кроме урана, обладает также торий (к тому же выводу пришел независимо от Кюри Э. Шмидт). В 1898 г. Мария Кюри вместе со своим мужем Пьером Кюри (1859-1906) открыли новые, сильно активные элементы - полоний и радий. Началась эпоха физики атома.

Мария Склодовекая-Кюри

Открытие электрона, открытие радиоактивности дополнились к самому концу XIX в. возникновением гипотезы квант. Как уже говорилось выше, эта гипотеза возникла из термодинамики излучения. В 1859 г. Г. Кирхгоф установил, что отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности есть универсальная функция длины волны и температуры. Эта функция, не зависящая от природы тела, представляет собой испускательную способность абсолютно черного тела. В 1884 г. Больцман, используя идею о световом давлении и применив к излучению законы термодинамики, доказал, что интегральная излучательная способность черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры. Но вид подынтегральной универсальной функции длины волны и температуры при этом оставался совершенно неопределенным. Можно было сказать, что интеграл от этой функции по всевозможным длинам волн от 0 до ∞ должен сходиться и давать закон Больцмана.

Пьер Кюри

В 1887-1890 гг. вид этой функции попытался раскрыть русский физик В. А. Михельсон (1860-1927), применивший законы классической статистики к излучающим атомам. Найденная им функция имела максимум для определенной длины волны. Этот максимум с повышением температуры смещался в сторону коротких волн по закону λ_m²Т = const, что, как оказалось позже, неверно. Но путь был открыт, и за проблему излучения взялся В. Вин (1864-1928), который сделал вид функции более определенным (длина волны и температура входят в ее аргумент в виде произведения) и нашел, что закон смещения максимума определяется соотношением λ_mТ = const Этот знаменитый закон Вина, найденный им в 1893 г., прекрасно оправдывался на опыте и стимулировал как самого Вина, так и других физиков к дальнейшим поискам. Вину в 1896 г. удалось, следуя примеру Михельсона и используя статистику Максвелла, найти вид функции, которая хорошо совпадала с опытными данными в области коротких волн, но расходилась с этими данными в области длинных волн. В 1900 г. Рэлей попытался применить теорему Больцмана о равномерном распределении энергии по степеням свободы. Но найденный им закон, довольно хорошо согласующийся с опытом в области длинных волн, приводил к расходящемуся интегралу для полного излучения и нелепому выводу, что вся энергия нагретого тела излучается в форме коротковолнового излучения (так называемая ультрафиолетовая катастрофа).

Владимир Александрович Михельсон

М. Планк (1858-1947) с помощью термодинамических методов и законов электродинамики нашел 19 октября 1900 г. формулу, синтезирующую формулы Вина и Рэлея. Но, как писал сам Планк, его формула была "только счастливо угаданным законом, имеющим лишь формальное значение". Попытки Планка установить ее физический смысл привели его 14 декабря 1900 г. к поразительной гипотезе: энергия излучения испускается и поглощается излучающими центрами (осцилляторами) прерывными порциями - квантами. Величина кванта энергии, по Планку, равна hν, где h - знаменитая постоянная Планка. Идея прерывности вошла в оптику, вступив сразу в резкий конфликт с установившимися в ней волновыми представлениями. Но она покончила со всеми "неувязками" в теории излучения. Закон Планка хорошо оправдывается во всех частях спектра, приводит к закону Вина и закону Больцмана, связывая постоянные этих законов с постоянной Планка и постоянной Больцмана (введенной впервые тем же Планком). Таким образом, измеряя энергию излучения абсолютно черного тела (такие измерения были произведены Люммером и Прингсгеймом) и смещение максимума с повышением температуры излучающего тела, можно было определить как постоянную Планка, так и постоянную Больцмана. Атомистика получала новое экспериментальное обоснование. Следует отметить, что закон Планка, при всей его исключительности и неожиданности для физики того времени, был открыт в итоге развития электромагнитной теории света, термодинамики и статистической физики. Без успехов в этих областях теоретической физики нельзя было бы и подступиться к проблеме излучения абсолютно черного тела. Новая физика рождалась на прочном фундаменте классической физики.

Макс Планк