Открытие внешнего фотоэффекта

Исследуя электромагнитные колебания в разомкнутых цепях с целью экспериментальной проверки факта существования электромагнитных волн, Генрих Герц в 1887 году обнаружил явление, получившее впоследствии название внешнего фотоэлектрического эффекта.

Открытие было сделано случайно, благодаря несовершенству используемого Герцем метода детектирования колебаний. Генерируемые в контуре резонатора электромагнитные колебания сопровождались очень слабым разрядом в искровом промежутке, поэтому Герц для облегчения визуальных наблюдений поместил резонатор в темный футляр. Это привело к неожиданному результату: оказалось, что в темноте искровой разряд происходит слабее, чем в отсутствие экранирующего футляра. Последовательно удаляя стенки футляра, Герц обнаружил, что ослабляющее действие на искровой разряд оказывает стенка, экранирующая резонатор от вибратора. Исследуя это явление более тщательно, Герц установил, что причиной, стимулирующей искровой разряд резонатора, является ультрафиолетовое свечение искрового разряда вибратора. Результаты своих наблюдений Герц изложил в статье «О влиянии ультрафиолетового света на электрический разряд».

Новое явление привлекло внимание физиков. В 1888 году Гальвакс и Риги исследовали внешний фотоэффект. В частности, Гальвакс показал, что металлическая пластинка при облучении ультрафиолетовым излучением заряжается положительно. Риги удалось наблюдать внешний фотоэффект на диэлектриках (эбонит, сера). Именно Риги ввел в обиход термин «фотоэлемент».

Особой тщательностью отличались исследования внешнего фотоэффекта, выполненные в 1888 – 90 гг. Столетовым, который использовал установку, явившуюся прототипом современных фотоэлементов. Два металлических диска (электрода) – один, изготовленный из металлической сетки, а другой сплошной – соединялись с полюсами гальванической батареи через гальванометр. Перед сетчатым диском помещалась дуговая лампа, свет которой, проходя сквозь сетку, падал на сплошной электрод. Столетов впервые четко указал на униполярность «актиноэлектрического эффекта» (так он называл фотоэффект), то есть на принципиальную осуществимость эффекта лишь в случае падения света на электрод, подключенный к отрицательному полюсу гальванической батареи. Рассмотрев вопрос об инерционности фототока, Столетов отметил, что время запаздывания фототока по отношению к моменту освещения фотокатода ничтожно, и оценил его в 0,001 с.

Столетов нашел также, что зависимость фототока от напряжения не является линейной: «Ток приблизительно пропорционален электродвижущей силе лишь при наименьших величинах этой последней, а затем, по мере ее возрастания, хотя и растет также, но все медленнее». В экспериментах 1890 года Столетов окончательно убедился в независимости фототока насыщения от разности потенциалов. Главным результатом исследований Столетова явился первый закон внешнего фотоэффекта: сила тока насыщения для данного фотокатода прямо пропорциональна интенсивности падающего излучения.

В 1890 году Столетов не мог до конца раскрыть подлинную сущность фотоэффекта: выбивание электронов фотонами с поверхности фотокатода. Но, проявив незаурядную интуицию, он писал: «Лучи вольтовой дуги, падая на поверхность отрицательно заряженного тела, уносят с него заряд».

Хотя в первой половине XIX века позиции атомистической гипотезы были уже весьма прочны, однако единственным средством наблюдать взаимодействия атомов и определять их индивидуальные свойства оставались химические реакции. Именно в рамках химической атомистики родилась гипотеза Проута о строении атомов всех элементов из атомов водорода. Химия выработала учение об элементе, определила атомные веса различных атомов, установила характерные свойства различных элементов.

В 1859 году произошло важное событие в оптике. Немецкие ученые, физик Кирхгоф и химик Бунзен, совместно разработали метод спектрального анализа, основанный на том, что каждому элементу присущ свой, отличный от остальных спектр испускания. Спектральный анализ явился для химии и физики новым, исключительно эффективным инструментом исследования. Сами Кирхгоф и Бунзен методом спектрального анализа открыли два новых элемента – цезий (1860) и рубидий (1861). В 1861 году английский химик и физик Уильям Крукс открыл спектроскопическим методом таллий. Спустя два года был открыт индий.

В 1860 году Кирхгоф открыл обращение спектров, показав, что излучаемым линиям в спектрах испускания соответствуют темные фраунгоферовы линии в спектрах поглощения. Применительно к солнечному спектру это означало, что фраунгоферовы линии в нем возникают в результате поглощения солнечного света элементами, входящими в состав солнечной атмосферы. Поэтому Кирхгоф предположил, что Солнце состоит из раскаленной жидкой массы, окруженной атмосферой пара.

Интересна история открытия гелия. 18 августа 1868 года произошло солнечное затмение, интерес к которому был обусловлен тем, что впервые после открытия спектрального анализа этот метод надеялись применить для изучения солнечной короны. Спектры, полученные экспедициями под руководством французского астронома Жансена и английского ученого Локьера, показали, что вокруг Солнца существует оболочка из раскаленных газов, названная Локьером хромосферой, состоящая главным образом из водорода. Об этом свидетельствовали хорошо знакомые физикам по земным экспериментам спектральные линии водорода. Однако Жансен и Локьер обнаружили в спектре солнечной короны ярко-желтую линию, не наблюдавшуюся в спектрах ни одного из известных в то время химических элементов. Локьер предположил, что эта линия испускается элементом, встречающимся только на Солнце. Спустя три года так и не найденный на Земле элемент назвали гелием (от греческого «гелиос» – Солнце). Гелий на Земле был обнаружен лишь в 1895 году, когда в английском журнале «Nature» с недельным интервалом появились две статьи с одинаковым названием «Земной гелий». Автором одной из них был известный английский химик Уильям Рамзей, открывший к тому времени химический элемент аргон, автором другой – Уильям Крукс.

Рамзей изучал газы, выделяющиеся из уранового минерала клевеита под действием азотной и серной кислот. Выделившийся газ был запаян в стеклянную трубку, в которую были введены тонкие платиновые электроды. При осуществлении электрического газового разряда в трубке газ начинал светиться, и Рамзей мог исследовать его спектр. Среди спектральных линий, принадлежащих аргону, выделялась ярко-желтая линия гипотетического гелия. Трубка с газом была отослана Круксу с просьбой провести более детальный анализ. Крукс подтвердил: в трубке действительно содержался гелий. Вскоре гелий обнаружили в ряде других минералов и горных пород, чаще всего в тех, в которых, как и в клевеите, присутствовали уран и торий.

 

К 1869 году было известно 63 химических элемента. На повестку дня вставал вопрос об их классификации. Этот год ознаменовался созданием периодической системы. Это осуществил русский ученый-химик Менделеев, который обратил внимание, что элементы, расположенные в порядке возрастания атомных весов, проявляют периодичность химических свойств. Расположив элементы в таблицу таким образом, чтобы элементы со сходными химическими свойствами составляли столбцы, он и пришел к своей периодической системе. 17 февраля 1869 года Менделеев разослал некоторым коллегам – химикам краткое сообщение под названием «Опыт системы элементов».

Однако не все клетки в таблице Менделеева оказались заполнены известными в то время элементами. Будучи уверенным в справедливости предложенной им системы, Менделеев сделал вывод о существовании неоткрытых пока элементов: «Должно ожидать открытия еще многих неизвестных простых тел, например, сходных с Al и Si элементов». Продолжая совершенствовать свою систему, Менделеев указал недостающие в таблице элементы, которым он присвоил условные названия: экабор, экаалюминий и экасилиций. «Экабор», 21-ый элемент периодической системы, был открыт в 1879 году шведским химиком Нильсеном и получил название «скандий». «Экаалюминий», 31-ый элемент, был открыт в 1875 году французским химиком Лекоком де Буабодраном и назван «галлием». Наконец, 32-ой элемент «экасилиций» был открыт в 1886 году немецким химиком Винклером под названием «германий».

Разработка богатейшего содержания периодической системы заняла многие годы. Было открыто свыше сорока новых элементов, и все они оказались органично включенными в систему Менделеева. Глубинный же смысл периодической системы был окончательно раскрыт в XX веке после создания квантовой механики.

 

Почти до самого конца ХIХ века физики считали, что наблюдаемые спектроскопистами спектральные серии линий поглощения или испускания в спектрах различных газов не отражают физической структуры атома и являются лишь причудливой игрой природы.

В 1885 году Иоганн Бальмер установил, что длины волн четырех наиболее интенсивных линий, лежащих в оптической области спектра водорода и обозначаемых символами , могут быть точно описаны эмпирической формулой

, (15.1)

 

где n = 3, 4, 5, 6, а В – эмпирическая константа, равная 3645,6×10^{-8 см. Позже Иоганн Ридберг переписал формулу Бальмера в виде:}

 

, (15.2)

 

где R» 109678 см^-1 – постоянная Ридберга.

Впоследствии было показано, что все известные серии атомарного водорода можно описать одной общей формулой:

 

, (15.3)

 

где m – целое число, определяющее данную серию, а n принимает значения m + 1, m + 2, m + 3 и т.д. Наконец, Ридберг и Ритц, обобщая результаты исследований спектров, пришли к выводу, что волновые числа любых линий в спектрах атомов различных элементов могут быть представлены формулой:

. (15.4)

 

Величины T (n) получили название спектральных термов. Таким образом, любому сочетанию двух термов T (m) и T (n) соответствует определенная линия в спектре. Это положение получило название комбинационного принципа Ритца.

Однако и комбинационный принцип Ритца и обобщенная формула Бальмера (15.3) оставались лишь эмпирическими соотношениями. Для их обоснования требовалось построить новую теорию – теорию строения атома.

 

После открытия в 1859 году Плюккером катодных лучей во многих физических лабораториях мира проводились работы по их изучению. Подобными экспериментами занимался в конце 1895 года и немецкий физик-экспериментатор Рентген. Однажды, окончив опыт, он закрыл трубку Крукса футляром из черного картона и выключил освещение, забыв отключить питание трубки. Тут же он заметил свечение находящегося вблизи трубки экрана, покрытого флюоресцирующим веществом. Заинтересованный этим явлением, Рентген начал экспериментировать с экраном. В своем первом сообщении «О новом роде лучей» (28 декабря 1895 года) он описывал, как экран, покрытый с одной стороны флюоресцирующим составом, «при приближении к трубке, закрытой достаточно плотно прилегающим к ней чехлом из тонкого черного картона, при каждом разряде вспыхивает ярким светом: начинает флюоресцировать». Рентген пришел к выводу, что «черный картон, непрозрачный ни для видимых и ультрафиолетовых лучей Солнца, ни для лучей электрической дуги, пронизывается каким-то агентом, вызывающим энергичную флюоресценцию». Открытому излучению Рентген присвоил краткое название «Х-лучи». Он обнаружил, что эти лучи практически без ослабления проходят через бумагу, дерево, эбонит, тонкие слои металла, но сильно задерживаются свинцом. В этом же сообщении Рентген описывал, что «если держать между разрядной трубкой и экраном руку, то видны темные тени костей в слабых очертаниях тени самой руки». Это было первое описание рентгеноскопического исследования человеческого тела.

Уже в первых опытах Рентген установил, что Х-лучи возбуждаются катодными лучами в стеклянных стенках разрядной трубки, не несут электрического заряда и не отклоняются магнитным полем. Он также показал, что Х-лучи возбуждаются при торможении катодных лучей не только в стекле, но и в металле.

Рентген отмечал, что по своим химическим и люминесцентным действиям они сходны с ультрафиолетовыми лучами. Поэтому он высказал предположение, что Х-лучи могут быть продольными волнами в эфире. Однако ему не удалось обнаружить волновые свойства Х-лучей. Все попытки обнаружить их волновые свойства, например, наблюдать их дифракцию, были безуспешными до тех пор, пока немецкий физик Макс фон Лауэ не высказал идею использовать кристаллы как дифракционные решетки для рентгеновских лучей. В 1912 году эта идея получила экспериментальное воплощение в опытах Фридриха и Книппинга.

В 1901 году Рентгену за открытие Х-лучей была присуждена первая в истории физики Нобелевская премия.

 

Открытие рентгеновских лучей способствовало исследованиям электропроводности газов и изучению катодных лучей. Заинтересовался открытием Рентгена и английский ученый, директор Кавендишской лаборатории Джозеф Джон Томсон. Открытие Х-лучей обострило интерес Томсона к газовому разряду. Результатом коллективной работы, в которой под руководством Томсона участвовали его молодые сотрудники (и среди них – Эрнст Резерфорд), явилась классическая монография «Прохождение электричества через газы», первое издание которой увидело свет в 1903 году. В ходе этих исследований был открыт электрон.

«Исследования, которые привели к открытию электрона, – вспоминал потом Томсон, – начались с попыток объяснения расхождения поведения катодных лучей под действием магнитных и электрических сил». В то время как отклоняющее действие магнитного поля на катодные лучи было зафиксировано многими исследователями, в отношении действия электрического поля существовали разногласия. Некоторые физики наблюдали отклоняющее действие электрического поля на катодные лучи; однако другие исследователи отрицали это.

Томсон показал, что это расхождение обусловлено несовершенством техники откачки газа из вакуумных трубок. В результате остатки ионизированного газа нейтрализовали влияние внешнего электрического поля. Томсон усовершенствовал технику откачки и получил заметные отклонения пучка катодных лучей электрическим полем.

Далее Томсон и Резерфорд установили, что под действием облучения рентгеновскими лучами электропроводность газа сильно повышается, сохраняя это свойство некоторое время после облучения. Однако газ, подвергнутый облучению рентгеновскими лучами и пропущенный затем через ватный фильтр, немедленно терял приобретенное свойство. Этот факт подтверждал предположение, что носителями электричества в газах являются заряженные частицы, образующиеся под действием рентгеновского излучения.

Томсон предпринял попытку изучить природу этих частиц и определить их заряд и массу. Для этого Томсон решил изучить свойства катодных лучей, которые, как он считал, также являлись потоком заряженных частиц. С целью измерения отношения заряда к массе частиц катодных лучей Томсон использовал два метода.

Первый метод заключался в наблюдении отклонения пучка катодных лучей в магнитном поле, перпендикулярном их направлению. В этом случае сила Лоренца играла роль центростремительной силы, под действием которой частицы катодных лучей двигались по окружности:

 

.

Томсон преобразовал эту формулу к виду и для определения отношения , стоящего в правой части последнего соотношения, измерял заряд и кинетическую энергию, переносимые катодными лучами за один и тот же промежуток времени. Для измерения электрического заряда пучок катодных лучей направлялся в цилиндр Фарадея (полый металлический цилиндр, соединенный с электрометром). Кинетическая энергия пучка катодных лучей определялась по измерению температуры внутри цилиндра Фарадея с помощью помещенного туда термоэлемента. В этом случае выполняется очевидное равенство , где и Q – измеренные с помощью цилиндра Фарадея значения кинетической энергии и заряда. Поэтому формула, используемая Томсоном для расчета удельного заряда , приобретает окончательный вид:

.

 

Второй метод, использованный Томсоном, заключался в следующем. Томсон воздействовал на пучок катодных лучей взаимно перпендикулярными электрическим и магнитным полями, направленными перпендикулярно пучку. Он подбирал величину электрического поля E такой, чтобы воздействия электрического и магнитного полей на пучок взаимно компенсировались:

.

 

Затем он измерял отклонение этого пучка под действием одного лишь магнитного поля той же напряженности:

 

.

 

Из двух последних соотношений следовала формула для удельного заряда:

.

 

Обоими методами Томсон получил близкие значения , почти в две тысячи раз превосходящие значение этой величины для иона водорода. Оказалось, что величина не зависит от вида газа в трубке, а также от материала катода. Из опыта Томсона следовало, что катодные лучи бесспорно являются потоком заряженных частиц, заряд и масса которых остаются одними и теми же при использовании различных газов и различных материалов катода. Если принять, что заряд частиц катодных лучей равен заряду водородного иона, определенному из законов электролиза, то масса этих частиц получалась приблизительно в 1837 раз меньшей массы атома водорода. Напрашивался вывод о существовании заряженных частиц, имеющих очень малую массу и входящих в качестве составных частей в атомы всех элементов. Эти частицы Томсон предложил назвать «корпускулами», однако это название не прижилось. Частицы, как и предложил в 1891 году Стоней, стали называть электронами. В 1906 году за открытие электрона Томсону была присуждена Нобелевская премия.

В январе 1896 года на заседании Парижской Академии Анри Пуанкаре доложил об открытии Рентгеном Х-лучей и высказал предположение, что рентгеновское излучение связано с флюоресценцией, возникает, возможно, в люминесцирующих веществах и не требует для своего возникновения трубки Крукса.

Присутствовавший на заседании Анри Беккерель решил проверить гипотезу Пуанкаре. Для опытов он выбрал соль урана. Обернув фотопластинку черной бумагой, он положил на нее металлическую пластинку, покрытую слоем урановой соли, и выставил на несколько часов на яркий солнечный свет. После проявления фотопластинки на ней действительно был обнаружен силуэт металлической пластинки. Повторные опыты дали аналогичный результат, и 24 февраля 1896 года Беккерель доложил Академии о результатах опытов. Казалось, что гипотеза Пуанкаре подтверждается.

Но Беккерель решил провести добавочные эксперименты. Однако погода была пасмурной, и в ожидании солнечного дня он положил обернутые черной бумагой фотопластинки вместе с металлической пластинкой, покрытой урановой солью, в темный шкаф. Вскоре выдался солнечный день, но Беккерель решил до продолжения опытов на солнце проявить фотопластинки, пролежавшие несколько дней в темном шкафу. Результат оказался сенсационным. На проявленных фотопластинках четко обозначился силуэт металлической пластинки. Беккерель немедленно поставил повторные опыты. Результат был тем же: урановая соль без предварительного освещения испускала невидимые лучи, действовавшие на фотопластинку сквозь непрозрачный для видимого света экран. 2 марта 1896 года Беккерель сообщил о своем открытии.

В последующих экспериментах он окончательно опроверг гипотезу Пуанкаре. Оказалось, что «беккерелевы лучи» испускаются лишь соединениями урана. Они способны ионизировать воздух и разряжать заряженный электроскоп. Заметка Беккереля от 23 ноября 1896 года появилась почти одновременно с заметкой Дж. Дж. Томсона и Э. Резерфорда, показавших, что рентгеновские лучи делают воздух электропроводящим благодаря ионизирующему воздействию. Так был открыт важный метод детектирования ионизирующих излучений. Вскоре Беккерель подтвердил наличие невидимого излучения и у чистого урана. При этом способность урана испускать «беккерелевы лучи» не зависела от его химического состояния и не ослабевала месяцами.

В конце 1897 года в изучение нового явления включились Мария Склодовская-Кюри и ее муж Пьер Кюри. Они также для детектирования «беккерелевых лучей» пользовались их способностью сообщать воздуху электропроводность. Склодовская-Кюри поставила целью поиск других веществ, обладающих свойствами, аналогичными урану. И она обнаружила, что «торий и его соединения имеют то же свойство». Вещества, испускающие «беккерелевы лучи», Склодовская-Кюри назвала «радиоактивными». Новый термин прижился и употребляется до сих пор.

Следующим этапом работ супругов Кюри была попытка химически выделить из урановой руды новые, неизвестные еще радиоактивные элементы. Эти исследования завершились успехом. В 1898 году появились одна за другой статьи, сообщающие о получении новых радиоактивных веществ. Об одном из таких веществ Кюри сообщили, что оно «содержит какой-то металл, до сих пор еще не замеченный, по своим аналитическим свойствам близкий к висмуту». Они назвали новый элемент полонием в честь Польши – родины М. Склодовской. Активность полония оказалась почти в 400 раз выше активности урана. В декабре того же года супруги Кюри сообщили об открытии еще одного радиоактивного вещества, по химическим свойствам близкого барию. Было получено хлористое соединение нового элемента, активность которого оказалась примерно в 900 раз выше активности урана. В спектре соединения была обнаружена линия, не принадлежавшая ни одному из известных элементов. Кюри назвали этот элемент радием.

В 1903 году Анри Беккерель, а также Пьер и Мария Кюри были удостоены Нобелевской премии за открытие явления спонтанной радиоактивности и за исследования радиоактивного излучения.

Природа радиоактивного излучения была исследована целым рядом ученых, но первым обнаружил его сложный состав Эрнст Резерфорд. Это было показано опять таки методом наблюдения электропроводности воздуха. Одну из пластин конденсатора Резерфорд покрывал порошком солей урана и соединял с полюсом батареи. Вторая пластина соединялась с электрометром. Измерялась скорость разряда конденсатора, обусловленного ионизирующим действием радиоактивного излучения урана. В процессе опыта радиоактивный порошок, в частности, накрывали тонкими листами металлической фольги.

«Эти опыты, – писал Резерфорд, – показывают, что излучение урана неоднородно по составу – в нем присутствуют, по крайней мере, два излучения различного типа. Одно очень сильно поглощается, назовем его для удобства a -излучением, а другое имеет большую проникающую способность, назовем его b -излучением». Таким образом, в 1899 году Резерфорд выделил два вида радиоактивного излучения, различающихся своей проникающей способностью.

Во время этих исследований Резерфорд узнал об открытии радиоактивности тория. Он исследовал излучение тория и установил, что a -излучение тория обладает большей проникающей способностью по сравнению с a -излучением урана. Он отметил также, что излучение тория «неоднородно по составу, в нем присутствуют какие-то лучи большой проникающей способности». Однако более подробного анализа ториевого излучения Резерфорд не провел. В 1900 году французский физик Поль Виллар открыл сильно проникающее излучение, которое получило условное наименование g - излучения.

В том же году Анри Беккерель, пытаясь выяснить природу b - излучения, измерил отношение заряда b - частиц к их массе методом отклонения в электрическом и магнитном полях. Величина для b - частиц оказалась практически равной такой же величине, полученной для катодных лучей и фотоэлектронов. Результаты Беккереля подтверждали существование электрона как некоторой универсальной частицы, входящей в состав вещества. Супруги Кюри и ряд других физиков получили аналогичные результаты. В 1902 году Резерфорд писал о том, что «отклоняемые лучи во всех отношениях подобны катодным лучам». Он недвусмысленно говорил о b - частицах как об электронах.

Нужно заметить, что известие об открытии электрона поначалу многими было воспринято скептически. В то время даже атомистическая гипотеза еще не пользовалась полным признанием, тем менее могла увлечь многих ученых идея о существовании электрона – частицы, значительно меньшей, чем атом.

 

В 1901 году Вальтер Кауфман обнаружил, что отношение заряда электрона к его массе зависит от его скорости. Это открытие было сделано при изучении b - лучей, представляющих собой поток электронов с большими скоростями. Пучок b - электронов от препарата радия подвергался одновременному воздействию электрического и магнитного полей, поперечных по отношению к направлению начальной скорости b - частиц. При этом векторы напряженности и были направлены параллельно либо антипараллельно, так что отклонения в том и другом полях были перпендикулярны друг другу (рис. 36). Решение уравнения движения электрона в электрическом и магнитном полях

, (15.5)

 

расписанного покомпонентно, с учетом заданной геометрии эксперимента приводило к следующим выражениям для отклонений электронов по осям OX и OY, обусловленных действием магнитного и электрического полей, соответственно:

; . (15.6)

Все электроны с данной начальной скоростью будут попадать после прохождения в обоих полях в одну и ту же точку фотопластинки. Пучок b - частиц содержит электроны с различными скоростями. В этом случае следы электронов на фотопластинке должны образовать параболу, в чем легко убедиться, исключив скорость из соотношений (15.6):

 

, (15.7)

 

где K – постоянная, определяемая параметрами экспериментальной установки.

Однако эксперимент Кауфмана показал, что полученная кривая не является точной параболой, и для ее объяснения нужно было предположить, что удельный заряд уменьшается с увеличением скорости электронов. Отсюда следовало, что либо заряд e должен уменьшаться, либо масса электрона – увеличиваться с ростом скорости.

Естественно было принять, что увеличивается масса при неизменной величине заряда, тем более что из теории уже было известно, что движущийся электрический заряд должен обладать «электрической инерцией», возрастающей со скоростью заряженной частицы. К тому времени, когда Кауфман производил свои опыты, существовало уже несколько формул, указывающих на должную иметь место зависимость массы частицы от скорости.

Например, еще в 1881 году Дж. Дж. Томсон теоретически рассмотрел задачу о движении заряженного шара радиуса R, обладающего обычной массой m, и показал, что в случае, когда скорость шара много меньше скорости света в вакууме, энергия шара равняется

,

где a – некоторый числовой коэффициент, q – заряд шара, – энергия электрического поля движущегося заряженного шара, которую Томсон при считал совпадающей с энергией электрического поля покоящегося шара. Из этой формулы следовало, что масса движущегося заряженного шара как бы увеличивается на величину .

Таким образом, вывод об увеличении инерции движущегося заряда уже был получен теоретически; поэтому результаты экспериментов Кауфмана не были неожиданными. Задача заключалась в том, чтобы построить более точную теорию движения электрона с учетом зависимости его массы от скорости. Построение такой теории требовало конкретных предположений о структуре и форме электрона, распределении в нем электрического заряда и т.д.

 

Впервые такую теорию, основанную на предположении о том, что электрон – это твердый недеформируемый шарик с равномерным распределением заряда по поверхности, разработал в 1902 году немецкий физик Абрагам. В то время было общепринятым придавать формулам электронной теории и зарождающейся теории относительности вид, аналогичный фундаментальному закону классической механики . Теория показала, что отношение силы к ускорению оказывается различным, когда скорость электрона меняется по величине, не меняясь по направлению, и когда она, наоборот, изменяется лишь по направлению, не меняясь по величине. Поэтому в физику были введены понятия продольной и поперечной масс, зависящих от скорости.

Абрагам получил следующие выражения для продольной и поперечной масс электрона:

 

;

,

где .

В процессе разработки электронной теории Лоренц в 1895 году построил теорию движения электрона, сплющивающегося в направлении движения согласно гипотезе лоренц-фитцджеральдовского сокращения. При этом Лоренц получил для и следующие результаты:

 

; . (15.8)

 

Открытие зависимости массы электрона от скорости и объяснение этого факта наличием электромагнитной массы поставило вопрос о том, обладает ли электрон обычной массой в ньютоновском смысле. Но этот вопрос не мог быть решен, т.к. не существовало эксперимента, позволяющего различить обычную массу и «полевую», т.е. электромагнитную. Возникла идея, что электрон обладает только электромагнитной массой, а обычной массы в смысле классической механики не имеет. Дальнейшее развитие этой идеи привело к гипотезе о том, что вообще всякая масса имеет число электромагнитное происхождение, а массы в ньютоновском смысле не существует.

Так в начале ХХ века возникла новая физическая концепция – электромагнитная теория материи. Но в дальнейшем она не получила сколько-нибудь широкого развития.

 

Выяснение природы a -излучения потребовало определенных усилий, т.к. a -частицы на первый взгляд не отклонялись в электрическом и магнитном полях. В феврале 1903 года Резерфорду наконец удалось обнаружить отклонение a -излучения в сильных магнитном и электрическом полях. «Эти лучи отклоняются в противоположную по сравнению с катодными лучами сторону, и, следовательно, должны состоять из положительно заряженных частиц, движущихся с большой скоростью», – сообщил он.

Резерфорду удалось измерить отношение заряда a -частицы к ее массе по отклонению в магнитном поле. Оно оказалось примерно в два раза меньшим, чем у иона водорода. Заряд иона водорода равен +e, а масса – 1 а.е.м. Следовательно, у a -частицы на один элементарный заряд приходится масса, равная 2 а.е.м. Но заряд a -частицы и ее масса оставались неизвестными. Задача упростилась после создания в 1908 году учеником Резерфорда немецким физиком Гейгером прибора для регистрации (счета) отдельных заряженных частиц (счетчика Гейгера).

Резерфорд поместил на пути a -частиц счетчик Гейгера, с помощью которого измерил число частиц от радиоактивного препарата, прошедших через отверстие в экране за определенное время. Затем он поставил вместо счетчика цилиндр Фарадея, соединенный с чувствительным электрометром. С помощью электрометра Резерфорд измерил суммарный заряд a -частиц, испущенных препаратом внутрь цилиндра за то же время. Это позволило Резерфорду определить, что заряд a -частицы равен +2e. Следовательно, на два элементарных заряда у a -частицы приходится масса, равная 4 а.е.м. Такой же заряд и такую же относительную атомную массу имел дважды ионизированный атом гелия.

Не довольствуясь достигнутым результатом, Резерфорд позже прямыми опытами подтвердил, что при радиоактивном a- распаде образуется гелий. Собирая a -частицы внутри специального резервуара на протяжении нескольких дней, Резерфорд с помощью спектрального анализа убедился, что в сосуде накапливается газообразный гелий (каждая a -частица присоединяла два электрона и превращалась в нейтральный атом гелия).

Вскоре после открытия полония и радия Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри обнаружили, что «лучи, испускаемые этими веществами, действуя на неактивные вещества, способны сообщить им радиоактивность», и что «эта наведенная радиоактивность сохраняется в течение достаточно длительного времени».

 

С момента открытия радиоактивности тория Резерфорд уделял много внимания исследованиям этого элемента. В 1898 году в большой статье, посвященной урану, он, между прочим, отметил, что радиоактивность тория изменяется со временем, тогда как радиоактивность урана практически постоянна. К тому времени, когда статья была опубликована (январь 1899 года) Резерфорд уже стал профессором Макдональдовской кафедры физики в университете Мак-Гилла в Монреале (Канада). Там он и предпринял тщательное исследование излучения тория. Его основным сотрудником в этих исследованиях был демонстратор кафедры химии английский физико-химик Фредерик Содди.

Исследование началось с курьезного факта – обнаружения непостоянства излучения тория. Резерфорд обнаружил, что активность тория, определяемая по ионизирующему воздействию, «оказалась чрезвычайно непостоянной, и это непостоянство было обусловлено слабыми потоками воздуха, всегда имеющимися в открытой комнате. Когда аппаратура была помещена в закрытый сосуд, исключающий заметное движение воздуха, интенсивность практически стала постоянной». Исходя из этих фактов, Резерфорд предположил, что соединения тория кроме обычного радиоактивного излучения, включающего a -частицы, «непрерывно испускают какие-то радиоактивные частицы, сохраняющие радиоактивные свойства в течение нескольких минут». Резерфорд назвал эти частицы «эманацией».

Откачивая воздух из ампулы, содержащей соединения тория, Резерфорд и Содди исследовали его свойства и показали, что «эманация проходит сквозь пробку из ваты, нисколько не теряя свою радиоактивную способность», а кроме того, «эманация» не вступает ни в какие химические реакции даже в присутствии катализатора.

Учитывая, что «ион не может пройти сквозь пробку из ваты, не потеряв своего заряда», Резерфорд и Содди пришли к выводу, что «эманация» представляет собой некий инертный газ, обладающий радиоактивными свойствами. Оказалось, что активность этого газа (в отличие от активности тория, урана и радия) очень быстро убывает со временем. Каждую минуту активность убывала примерно вдвое, и через десять минут она практически становилась равной нулю. Впоследствии газ был назван радоном и помещен в таблицу Менделеева под порядковым номером 86.

Исследуя способность соединений тория испускать «эманацию», Резерфорд и Содди химическими способами выделили из гидроокиси тория активный компонент, «обладающий специфическими химическими свойствами и активностью, по меньшей мере, в 1000 раз большей активности вещества, из которого он был выделен». Следуя примеру Крукса, обозначившего через UX выделенный им в 1900 году из урана активный компонент, Резерфорд и Содди выбрали для выделенного ими из тория компонента обозначение ThX. Более подробные исследования показали, что «эманацию» образует не торий, а именно ThX: «Постоянная радиоактивность тория поддерживается образованием ThX с постоянной скоростью …, ThX в свою очередь подвергается дальнейшему изменению, одним из продуктов которого является газ, который, будучи в радиоактивном состоянии, представляет собой эманацию, образующуюся в соединениях тория». Другими словами, Резерфорд и Содди открыли цепочку радиоактивных превращений:

 

.

 

Вывод Резерфорда и Содди, касающийся радиоактивности ториевого препарата, таков: «Радиоактивность тория в любой момент есть радиоактивность двух противоположных процессов:

1) образования с постоянной скоростью соединением тория нового активного вещества;

2) уменьшения со временем излучающей способности активного вещества.

Нормальная или постоянная радиоактивность тория есть равновесное состояние, при котором скорость роста радиоактивности, обусловленная образованием нового активного вещества, уравновешивается скоростью уменьшения радиоактивности уже образовавшегося вещества».

Отсюда следовал самый общий, решающий вывод: «… радиоактивность есть атомное явление, одновременно сопровождаемое химическими изменениями, в результате которых появляются новые типы вещества, причем эти изменения должны протекать внутри атома, а радиоактивные элементы должны испытывать спонтанные превращения».

В 1903 году вышли в свет новые работы Резерфорда и Содди: «Сравнительное изучение радиоактивности радия и тория» и «Радиоактивное превращение». В них авторы, подытоживая все предыдущие наблюдения, сформулировали закон радиоактивных превращений: «Во всех случаях, когда отделяли один из радиоактивных продуктов и исследовали его активность независимо от радиоактивности вещества, из которого он образовался, было обнаружено, что активность уменьшается со временем по закону геометрической прогрессии». Отсюда следовало, что активность уменьшается со временем по экспоненциальному закону:

 

, (15.9)

 

или что «скорость превращения все время пропорциональна количеству систем, еще не подвергнувшихся превращению»:

 

. (15.10)

 

Другими словами, «… относительное количество радиоактивного вещества, превращающегося в единицу времени, есть величина постоянная». Эту постоянную l Резерфорд и Содди назвали радиоактивной постоянной; сегодня мы называем ее постоянной распада.

В своей работе Резерфорд и Содди подсчитали энергию испускаемых радием a -частиц и пришли к выводу, что «энергия радиоактивных превращений, по крайней мере, в 20 000 раз, а может, и в миллион раз превышает энергию любого молекулярного превращения». Эти оценки касались лишь энергии излучения, а не внутренней энергии атома, т.к. внутренняя энергия продуктов распада оставалась неизвестной.

В том же 1903 году в Париже Пьер Кюри, поместив ампулу с хлоридом радия в калориметр, определил, что в процессе распада один грамм радия выделяет за 1 час около 582 Дж энергии.

Резерфорд и Содди высказали мысль, что огромная энергия, скрытая в атоме, должна учитываться «при объяснении явлений космической физики», в частности, постоянство потока солнечной энергии можно объяснить, предположив, что «на Солнце идут процессы субатомного превращения».

Таким образом, 1903 год вошел в историю физики как год открытия закона радиоактивного распада и нового вида энергии – атомной энергии.