Рентгеновские лучи и радиоактивность

Эпоха атомной физики была подготовлена фундаментальными открытиями конца XIX в: открытием Рентгена (1895 г.), открытием радиоактивности (1896 г.) и открытием электрона (1897 г.). Из этих открытий вытекала мысль о строении атома, а вместе с тем и задача изучения этого строения. Следует, однако, указать, что идея о сложной структуре атома возникла значительно раньше этих открытий. Еще в 1815 г. Уильям Праут (1785-1850 гг.) выдвинул гипотезу, что все атомы состоят из атомов водорода. Однако точные определения атомных весов показали, что они не являются целыми кратными от веса атома водорода, и гипотеза была оставлена. Но мысль о сложном строении атомов вновь возникла после открытия в 1869 г. Дмитрием Ивановичем Менделеевым периодической системы элементов.

Насколько это открытие стимулировало возникновение гипотез о строении атома, можно видеть на примере замечательного русского ученого-революционера Николая Александровича Морозова (1854-1946). Находясь с 1881 г. в одиночном заключении сначала в Петропавловской, а затем в Шлиссельбургской крепости, он много размышлял над периодическим законом и, основываясь на найденной им аналогии между свойствами химических элементов и некоторых органических соединений, приходит к мысли о структуре атомов. Разрабатывая эту мысль, он приходит к выводу о существовании новой нулевой группы элементов, о наличии заряженных субатомных частиц (их Морозов называл катодием и анодием) и о возможности распада и превращения атомов. Когда Морозов стал получать литературу, он убедился, что нулевая группа элементов действительно открыта, что открыты электрон и радиоактивный распад. Им была написана книга "Периодическая система строения вещества", изданная только в 1907 г., после освобождения Морозова из заключения. Замечательные догадки и предвидения Морозова свидетельствовали о том, что закон Менделеева действительно отражает глубокие свойства материи. Сам Менделеев, опираясь на свое открытие, с большей точностью предсказал существование не открытых еще элементов и описал их свойства. Эти элементы действительно были открыты. В 1875 г. был открыт галлий, занявший в таблице место, указанное ему Менделеевым (№ 31), в 1879 г. был открыт элемент скандий (№ 21) и в 1886 г.- германий (№ 32). Энгельс сравнивал предсказания Менделеева с предсказанием Леверье, теоретически открывшего новую планету Нептун. Однако открыть структуру атома средствами химии было невозможно; это хорошо понимал Менделеев, подчеркивавший, что в химическом отношении атомы являются неделимыми индивидуумами. Строение атомов открыла физика, она же раскрыла смысл периодического закона.

Проникновение в мир атомных явлений началось с исследования излучений. К световым излучениям, в том числе ультрафиолетовому и инфракрасному, физики конца XIX в. прибавили новые виды лучей:

1. Катодные лучи (Гитторф, 1869 г; Крукс, 1879 г.).
2. Каналовые лучи (Гольдштейн, 1886 г.).
3. Рентгеновские лучи (Рентген, 1895 г.).
4. Радиоактивные лучи (Беккерель, 1896 г.).

Природа катодных лучей была установлена Ж. Перреном (1895 г.) и Д. Д. Томсоном (1897 г.). Последний разработал метод измерения ^e/_m путем изменения отклонений пучка в электрическом и магнитном полях. Э. Вихерт в 1899 г. измерял отдельно скорость лучей и их удельный заряд. М. Склодовская-Кюри показала, что радиоактивные вещества испускают отрицательно заряженные частицы. А. Беккерель в 1900 г. измерил по методу Томсона ^e/_m для этих лучей и показал, что они тождественны с быстро движущимися катодными лучами. Как уже говорилось, Кауфман обнаружил для этих быстрых лучей зависимость массы от скорости.

Труднее оказалось получить отклонение в магнитном и электрическом полях для каналовых лучей. Впервые это удалось Вину в 1898 г., показавшему, что каналовые лучи заряжены положительно и несут массу порядка атомных масс. В 1907 г. Д. Д. Томсон разработал знаменитый "метод парабол" для исследования удельного заряда ^e/_m каналовых лучей. Из этого метода выросла в дальнейшем масс-спектроскопия.

Природа рентгеновских лучей оставалась загадочной, отклонения их в электрическом и магнитном полях не удалось получить, но также не удалось получить и волновых явлений: преломления, интерференции, дифракции, поляризации. В 1897 г. Лармор нашел выражение энергии, излучаемой ускоренно движущимся зарядом. Стоке и Вихерт высказали гипотезу о том, что рентгеновское излучение представляет собой электромагнитный апериодический импульс, возникающий при ударе и торможении электронов. Эту теорию развивал Д. Д. Томсон, применивший ее к явлениям рассеяния и поглощения рентгеновских лучей в веществе. Хага и Винд в 1899 г. наблюдали фотографическим путем прохождение рентгеновских лучей через треугольную щель, сходящуюся до нуля от ширины при основании 0,01 мм. По мере уменьшения ширины щели наблюдалось расширение полосы почернения. А. Зоммерфельд (1900 г.) объяснял это дифракцией рентгеновских лучей. В 1904 и 1905 гг. Баркла, используя картину поля излучения ускоренного электронного пучка, обнаружил поляризацию рентгеновского пучка, рассеянного угольной пластинкой.

Опыт Хага и Винда с клинообразной щелью был повторен с улучшенной фотометрической методикой Вальтером и Полем. На основании этих измерений А. Зоммерфельд оценил в 1912 г. ширину рентгеновского импульса в 4*10^-9 см.

Макс Лауэ

Но в том же, 1912 г. было дано окончательное доказательство волновой природы рентгеновских лучей. Немецкий физик М. Лауэ предложил воспользоваться в качестве дифракционной решетки для рентгеновских лучей кристаллом. Опыты, проведенные его сотрудниками В. Фридрихом и П. Книппингом с кристаллом цинковой обманки, дали ясную дифракционную картину. В 1913 г. независимо друг от друга английские физики отец и сын Брэгги и русский физик Ю. В. Вульф (1863-1925) предложили новый метод рентгеновской спектроскопии, основанный на отражении монохроматического рентгеновского пучка от поверхностей кристалла. Этот же метод оказался чрезвычайно удобным и для анализа структуры кристаллов (рентгеноструктурный анализ). Спектроскопические измерения рентгеновских лучей показали, что, кроме сплошного спектра торможения, имеется линейчатое характеристическое излучение. Сплошной спектр имеет коротковолновую границу. С повышением напряжения в трубке длина волны, соответствующая этой границе, уменьшается. Наличие коротковолновой границы и закон ее изменения с напряжением не могли быть объяснены классической теорией излучения и, как оказалось, давали новое подтверждение гипотезы квант. Измеряя эту границу, Вагнер в 1920 г. определил постоянную Планка h.

Георгий (Юрий) Викторович Вульф

Характеристическое излучение было открыто Баркла (1908 г.) еще до опытов Лауэ из измерений поглощения рентгеновских лучей. Баркла открыл два рода характеристического излучения: более проникающее ("жесткое") К-излучение и менее проникающее ("мягкое") L-излучение. В 1913 г. английский физик Мозл и установил связь между длинами волн К-излучения различных элементов и атомным номером этих элементов в менделеевской таблице (закон Мозли).

Таким образом, к 1913 г. была не только установлена волновая природа рентгеновских лучей, но и выяснена их связь со строением атома. На эту связь указывал закон Мозли, а также более ранее (1907 г.)соотношение Д. Д. Томсона, установившего еще на основании классической теории излучения, что отношение коэффициента поглощения, обусловленного рассеянием рентгеновских лучей, к плотности данного вещества пропорционально отношению числа электронов в атоме к атомному весу. В установлении первых закономерностей атомной физики изучение рентгеновских лучей сыграло важную роль.

Однако решающую роль в возникновении и развитии атомной физики сыграла радиоактивность. Открытая вначале Беккерелем как странное свойство урана и его соединений, она после открытия Марией Склодовской-Кюри аналогичной способности у тория стала рассматриваться как некоторое особое свойство атомных частиц, получившее по предложению Кюри название радиоактивность (1898 г.). Вскоре М. Кюри и ее муж Пьер Кюри открыли новые, до того неизвестные в природе, химические неизвестные в природе, химические элементы обладающие сильной радиоактивностью. Это были полонии и радий (1898 г.). В следующем, 1899 г. Дебьерн открыл радиоактивный элемент актиний. В 1900 г. супруги Кюри доказывают, что в составе радиоактивных лучей есть отрицательно заряженные частицы. А. Беккерель измеряет удельный заряд ^e/_m этих частиц и показывает, что они тождественны с электронами.

В том же году Э. Резерфорд (1871-1937) совместно с Ф. Содди подтверждают факт радиоактивного превращения урана в новое вещество, названное Круксом ураном-Х. В 1903 г. они установили аналогичное явление для тория и открыли количественный закон радиоактивного распада. Еще в 1899 г. Эльстер и Гейтель показали, что число испускаемых радиоактивным веществом частиц уменьшается по экспоненциальному закону. Этот закон был истолкован в 1905 г. Э. Швейдлером (1373-1948) как статистический закон. Резерфорд впервые разделил радиоактивное излучение на α- и β-излучения в 1900 г. Поль Виллард открыл γ-лучи В том же, 1903 г., в котором Резерфорд и Содди открыли закон радиоактивного распада, Резерфорд добился отклонения α-лучей в магнитном поле, доказал, что α-частицы несут положительный заряд и в соответствии с их удельным зарядом могут быть либо молекулой водорода, заряженной одним электрическим зарядом положительного электричества, либо атомом гелия с двойным зарядом, либо половиной атома гелия с одинарным зарядом. Рамзай и Содди в 1904 г. обнаружили, что в радиоактивных соединениях имеются следы гелия, а в 1909 г. Резерфорд и Ройдс прямым наблюдением доказали, что в результате α-распада образуется гелии.

Эрнст Резерфорд

В том же, 1903 г. П. Кюри и А. Лаборд установили замечательный факт непрерывного выделения теплоты радием в количестве примерно 100 калорий в час на один грамм радия. Так впервые было установлено существование новых источников энергии. В 1908 г. Резерфорд и Гейгер показали, что энергия радия выделяется в виде кинетической энергии испускаемых им α-частиц. Эта энергия, согласно высказанной Резерфордом и Содди гипотезе радиоактивного распада, является внутриатомной энергией.

В 1907 г. немецкий химик О. Г а н открыл мезоторий. Марквальд и Содди показали в 1910 г., что этот элемент тождествен по своим свойствам с радием. О. Ган и Л. Мейтнер установили, что подобная идентичность в свойствах различных химических радиоактивных элементов не единична, и Содди в том же году установил окончательно факт изотопии среди химических элементов. "Химическая однородность,- писал Содди,- больше не является гарантией того, что данный элемент не есть смесь нескольких элементов разных атомных весов или что любой атомный вес не есть некоторое среднее число".

В 1912 г. Д. Д. Томсон подтвердил эту идею, доказав методом парабол существование двух изотопов неона.

В 1903 г. Крукс изобрел простой прибор для наблюдения α-частиц - спинтарископ. Наряду с ионизационной камерой и фотопластинкой этот прибор получил широкое применение в экспериментальных исследованиях радиоактивных процессов.

Мария и Пьер Кюри в своей лаборатории

В 1906 г. Резерфорд открыл рассеяние α-частиц при прохождении их через вещество. Гейгер в 1909-1910 гг. систематически исследовал это явление с помощью спинтарископа и нашел, что наивероятнейший угол рассеяния сильно зависит от атомного веса рассеивающего вещества, а также от скорости α-частиц. Кроме того, он вместе с Марсденом обнаружил существование аномально больших углов рассеяния. Для α-частиц, испускаемых радием, при рассеянии в платине получается в среднем одна из 8000 частиц, отклоненная на угол больше 90°. Резерфорд в 1911 г. показал, что этот результат может быть объяснен, если предположить, что атом обладает положительно заряженным ядром, создающим интенсивное электрическое поле, воздействующее на α-частицу, когда она проходит вблизи ядра. Он нашел формулу, связывающую угол рассеяния со скоростью частицы, ее "прицельным расстоянием" от ядра и зарядом ядра. Заряд ядра оказался равным номеру элемента в менделеевской таблице. В том же, 1911 г. Баркла, проверяя формулу Д. Д. Томсона для рассеяния рентгеновских лучей, показал, что число электронов в оболочке легких ядер равно половине их атомного веса. В 1913 г, Ван-ден-Брек высказал гипотезу, что номер элемента равен числу электронов в атоме и половине атомного веса. Вторая половина гипотезы имеет место только приближенно для легких ядер, физическое же значение номера в менделеевской таблице подтвердилось и законом Мозли.

Факты радиоактивности более чем какие-либо другие факты физики свидетельствовали о сложной структуре ядра. К 1905 г. идея о планетарном строении атома уже высказывалась многими физиками (В. Вин, Нага-ока), однако эта модель находилась в противоречии с электродинамикой. Д. Д. Томсон разработал статическую модель, предложенную У. Томсоном в 1902 г., согласно которой атом представляет собой положительно заряженную сферу, внутри которой плавают электроны. Но опыты по рассеянию α-частиц противоречили этой модели, и Резерфорд окончательно остановился на ядерной планетарной модели. Используя идеи Планка о кванте действия и модель Резерфорда, Нильс Бор (1885-1962) разработал планетарную теорию атома.

Нильс Бор

К этой модели, к мысли о применении к ней идеи квантования Бор был подведен всем развитием атомной физики. А именно, была экспериментально обоснована планетарная модель атома в 1911 г. и в том же году Планк по-новому сформулировал квантование осциллятора. Вместе с тем все развитие химии говорило о необычайной устойчивости атома, находившейся в резком противоречии с неустойчивым по законам электродинамики орбитальным движением электрона. Спектральные закономерности определенно говорили о наличии в атоме дискретных свойств. Связывая воедино все эти факты, Бор пришел к гениальной идее существования в атоме квантовых устойчивых энергетических уровней (стационарные орбиты). Излучение и поглощение энергии такой системой по другому постулату Бора должно происходить путем испускания и поглощения кванта. Эта идея привела его к теоретическому истолкованию спектральных серий водорода и к вычислению константы Ридберга, входящей в формулу спектральных серий.

Идея Бора о существовании в атоме устойчивых энергетических уровней была подтверждена экспериментально в том же, 1913 г. опытами Джемса Франка и Густава Герца, которые показали, что атомы паров ртути поглощают при столкновении с электронами только определенные количества энергии.

Другой успех теории Бора - истолкование серии Пикеринга. Бор показал, что эта серия принадлежит ионизированному атому гелия. Незначительное расхождение теоретического результата привело Бора к мысли о необходимости учитывать движение ядра. Проделанные вычисления привели к блестящему совпадению теории с экспериментом.

Развивая далее теорию Бора, А. Зоммерфельд рассматривал эллиптические орбиты и новое азимутальное квантовое число. Он показал, что одному и тому же энергетическому уровню может соответствовать несколько орбит, отличающихся величиной малой полуоси (вырождение). Если учесть релятивистскую зависимость массы электрона от скорости, то вырождение снимается, в результате чего спектральная линия расщепляется на близкие компоненты ("тонкая структура"). Зоммерфельду с помощью идеи пространственного квантования и введения нового магнитного числа удалось объяснить нормальный эффект Зеемана (1916). В этом же году Шварцшильд (1873-1916) и Эйнштейн истолковали эффект расщепления спектральных линий в электрическом поле (эффект Штарка). Все это укрепляло атомную теорию, подводило под нее надежный экспериментальный фундамент. Физика вторгалась в мир атома.

Число и масса атомов, скорость их движения, величина элементарного заряда, величина кванта действия - все эти характеристики атомного мира оказались доступными экспериментальному исследованию вопреки предсказаниям энергетиков и позитивистов. Постоянная Планка и постоянная Больцмана входят в формулу излучения Планка. Если вывести из этой формулы законы Стефана-Больцмана и Вина, то величины атомного мира оказываются связанными с постоянными законов Стефана-Больцмана и Вина, так что, измеряя эти последние, можно определить k и h. Многочисленные экспериментальные проверки закона Планка, в особенности Рубенса, Люммера, Прингсгейма и Пашена, уже в начале XX в. дали значения постоянных Планка и Больцмана.

Другим методом определения постоянной Больцмана, а следовательно, и числа Авогадро были методы, основанные на флюктуационных явлениях, в первую очередь на явлениях броуновского движения. Как уже указывалось выше, в 1905 г. теорию броуновского движения дал А. Эйнштейн. Им была найдена зависимость между средним квадратом перемещения частицы за данный интервал времени и величиной этого интервала. Средний квадрат перемещения оказывается пропорциональным времени наблюдения, причем в коэффициент пропорциональности входит постоянная k Больцмана. Теория движения броуновских частиц была дана также М. Смолуховским (1872-1917) в 1906 г. и П. Ланжевеном в 1908 г.

Исследованиями броуновского движения в эмульсиях занимался французский физик Жан Перрен, проверивший правильность закона Эйнштейна и определивший из своих наблюдений число Авогадро (1908 г.). В 1909 г. Де-Бройль, изучая броуновское движение в газах, подтвердил закон Эйнштейна и определил число Авогадро. Тщательные наблюдения флюктуационных явлений производил в 1913 г. Сведберг. Все эти наблюдения были теснейшим образом связаны с измерениями абсолютного заряда электрона. Американский физик Р. Милликен (1868-1953) разработал в 1909 г. метод измерения этой величины с помощью конденсатора и доказал, что величина заряда может изменяться на целое кратное заряда электрона. Ввиду возражений, которые встретил этот вывод со стороны австрийских физиков во главе с Эренгафтом, утверждавшим, что он наблюдал заряды, меньшие заряда электрона ("субэлектроны"), как сам Милликен, так и другие физики предприняли новые измерения по методу Эренгафта - Милликена. Особенно важные улучшения методики эксперимента были сделаны русским физиком А. Ф. Иоффе (1913 г.). А. Ф. Иоффе заменил капельки масла, заряжаемые в методе Милликена, пылинками цинка. Это давало два важных преимущества: во-первых, цинк не испарялся, как масло, и масса пылинки оставалась постоянной на протяжении всего длительного эксперимента; во-вторых, цинк обладает большой фотоэлектрической чувствительностью. Измерения Иоффе не только подтвердили вывод об атомном строении электрического заряда, но и показали, что фотоэлектрический эффект носит статистический характер, никакого "времени накопления" кванта энергии не существует: облучаемая пылинка может длительно не заряжаться и потом внезапно терять электрон, поглощая квант.

Новый метод определения атомных констант дали радиоактивные явления. Уже спинтарископ давал возможность подсчета α-частиц, а измеряя их суммарный заряд можно было определить величину заряда отдельной частицы. В 1912 г. атомная физика обогатилась важнейшими приборами, позволяющими наблюдать отдельные частицы: счетчик Гейгера и камера Вильсона. Эти приборы оказали неоценимые услуги атомной физике.

Наконец, важным методом определения атомных констант являются спектроскопические измерения. После того как Нильс Бор в 1913 г. нашел связь между постоянной Ридберга, фигурирующей в выражении спектральных серий, и атомными величинами (постоянной Планка, зарядом и массой электрона), появилась возможность определения атомных констант из спектроскопических данных. Внесенная в дальнейшем Бором поправка на собственное движение ядра дала в руки экспериментаторов методы точного сравнения атомных масс. К 1917 г. Милликен в своей книге "Электрон" мог уже привести сводку экспериментальных данных атомной физики, полученных различными способами и находящихся в хорошем согласии друг с другом. Еще раньше Перрен, сопоставляя данные о числе Авогадро, полученные различными методами, писал: "Нельзя не удивляться, видя, как согласуются между собой результаты исследования столь различных явлений. Если мы вспомним, что одна и та же величина получается в результате варьирования условий и явлений, к которым прилагаются эти методы - мы придем к заключению, что реальность молекул имеет вероятность, близкую к достоверности". Милликен же заключает свою книгу словами: "Атомный и электронный миры открылись глазам физиков с чарующей определенностью и стройностью..."