Главная Обратная связь

Дисциплины:






Открытие рентгеновских лучей, естественной и искусственной радиоактивности



В. К. Рентген сообщил об открытии им нового вида лучей на заседании Вюрцбургского физико-медицинского общества 28 декабря 1895 г. В январе 1896 г. А. Пуанкаре, известный физик и математик, на заседании Парижской Академии наук сделал со-общение об открытых лучах (Х-лучах). Сообщение было проил-люстрировано фотографиями, сделанными самим В.К. Рентге-ном. Присутствовавший на заседании А. Беккерель, профессор Высшей технической школы в Париже, задался вопросом, воз-можно ли, что все флуоресцирующие вещества под воздействием солнечного света испускают лучи, подобные рентгеновским. А. Беккерель положил соль урана на фотопластинку, завернул в чёрную светонепроницаемую бумагу и оставил их на некоторое время под солнечными лучами. После проявления фотопластинка оказалась засвеченной. Но последующие опыты показали, что соль урана засвечивает фотопластинку и в полной темноте. Связь между свойством флуоресцировать и испускать невидимые гла-зом лучи, подобные рентгеновским, не подтвердилась. Из сле-дующих опытов стало ясно, что А. Беккерель открыл излучение, источником которого был уран. При этом лучи испускались не-прерывно и без предварительного возбуждения. Сначала лучи были по аналогии с рентгеновскими названы лучами Беккереля. Впоследствии выяснилось, что А. Беккерель открыл новое явле-ние – радиоактивность вещества – самопроизвольное испускание частиц и электромагнитного излучения рядом веществ. Открытие А. Беккереля было оценено медалью Гельмгольца, присуждаемой немецкой Академией наук и Нобелевской премией.

Открытия В.К. Рентгена и А. Беккереля фактически от-крыли физику XX в. М. и П. Кюри теоретически объяснили и подробно исследовали естественную радиоактивность. М. Кюри (Склодовская-Кюри) выбрала исследования лучей, открытых Беккерелем, темой своей докторской диссертации. Первые инте-ресные результаты обнаружились уже в 1898 г. Именно М. Кюри назвала свойство атомов испускать лучи радиоактивностью, а сами вещества – радиоактивными элементами (радиация, т.е. из-лучение, радиоактивность, радий – однокоренные слова). П. Кю-ри, будучи известным физиком-экспериментатором, исследовал электрические свойства кристаллов, взаимосвязь между магне-тизмом и температурой, а в области теоретической физики сфор-мулировал принцип симметрии применительно к электрическим и магнитным полям. С весны 1898 г. оба физика работали вместе. В июле 1895 г. состоялась свадьба М. Склодовской и П. Кюри. Ситуация повторилась и у И. Кюри (Жолио-Кюри) и Ф. Жолио. Трагическая смерть Пьера в результате несчастного случая пре-рвала сотрудничество супругов-учёных М. и П. Кюри, продол-жавшееся только восемь лет. Далее М. Склодовская-Кюри про-должала работать одна.



Только основными результатами совместных исследова-ний учёных стало открытие двух новых элементов: полония, на-званного так в честь родины М. Кюри – Польши, и радия. По-следний элемент обладал «неслыханной» интенсивностью излу-чения и был поэтому назван «радий», т.е. «излучающий». На вы-деление радия ушло четыре года тяжёлой физической работы по выделению из тонн шлака чистого вещества. В течение после-дующих шести лет учёные опубликовали более 30 научных ра-бот. Учёные занимались и прикладными вопросами: предметом их исследования было физиологическое действие лучей радия, радиоактивность газов в водах термальных источников, исполь-зование радиоактивного распада для измерения временных пе-риодов в истории Земли. Так же, как В.К. Рентген, М. и П. Кюри считали, что коммерческое использование научных открытий противоречит самому духу науки, поэтому отказались от патент-ной защиты своих открытий и изобретений. Открытие радиоак-тивности оказало сильное влияние на развитие физики и медици-ны. Одним из первых подопытных стал сам П. Кюри. Работа с рудой и очищенным радием приводила к тяжёлым ожогам и дру-гим физиологическим воздействиям, которые П. Кюри описывал в научном дневнике с объективностью стороннего наблюдателя. Обширная исследовательская работа в этой области привела к появлению новой отрасли практической медицины – радиотера-пии (кюритерапии), используемой для борьбы с тяжёлыми злока-чественными заболеваниями. То, что открытие радия стало «бла-годеянием для человечества» М. Кюри назвала «лучшей наградой за многолетние великие усилия».

В 1903 г. П. и М. Кюри вместе с А. Беккерелем получили Нобелевскую премию за открытие радиоактивности.

Создание модели и первой теории строения атома. Планетарная модель атома Э. Резерфорда. Теория атома водорода Н. Бора

Даже основы теоретической квантовой физики нелегко объяснить в рамках привычного повседневного языка. Понятия и концепции, которыми мы пользуемся, считая их очевидными, складывались в течение тысячелетий, они сформированы различ-ными социальными отношениями. В силу давнего происхожде-ния некоторые из них приобрели статус абсолютной истины. Не удивительно, что прорыв в области физики столкнулся с целым рядом гносеологических и философских вопросов, проблем и противоречий. Пространство однородно, время течёт непрерыв-но, необратимо и равномерно, масса тела неизменна. На том стояла наука многие тысячелетия. Отказаться от этих представ-лений сразу было невозможно. К тому же классическая физика распространяла идею непрерывности пространства и времени (материи) на все процессы во Вселенной.

От концепции непрерывности материи пришлось отка-заться первой. После того, как представление об атоме приобрело конкретный смысл, дискретность всей известной материи стала основной концепцией в строении вещества. Но при этом принци-пы механики остались теми же, что и ранее: теперь вещество рас-сматривали как сложную систему, состоящую из совокупности малых систем. Концепция о дискретности вещества была перене-сена и на электричество: все измеренные заряды оказывались кратными заряду электрона, что было подтверждено классиче-скими опытами Р. Милликена и А.Ф. Иоффе. Концепция дис-кретности процессов оказалась максимально полезной при опи-сании законов теплового излучения. Были предложены разные частные законы, описывающие свойства и закономерности теп-лового излучения в разных частотных интервалах, но ни один из предложенных законов не описывал наблюдающиеся явления во всем диапазоне частот от нуля до бесконечности. Эту трудность преодолел М. Планк, предложивший допустить, что обмен энер-гией между веществом и излучением также не непрерывен, а происходит дискретно. М. Планк ввёл понятие порции света (кванта света – фотона), энергия которого связана с частотой и возрастает по мере увеличения частоты. Именно это предполо-жение о дискретности процесса поглощения и испускания энер-гии нагретыми телами стало началом всей квантовой физики.

Следующий серьёзный шаг – использование гипотезы для объяснения уже наблюдающихся явлений: помимо теплового из-лучения предположение М. Планка (гипотеза Планка) позволило объяснить экспериментально внешний фотоэффект и давление света.

Концепция дискретности находила всё больше подтвер-ждений. Дискретное строение атома. Уже доказано, что в атоме содержатся и положительно и отрицательно заряженные частицы. Вопрос в том, какие это частицы и как они расположены друг от-носительно друга. Одна из первых моделей получила название «пудинговая модель» Томсона. В объёме, равномерно заполнен-ном положительно заряженным веществом, находятся «малень-кие» отрицательно заряженные частицы, примерно как в тесте пудинга вкраплены изюминки. Возможно и наоборот, вещество атома заряжено отрицательно, а вкрапления – это положительно заряженные «изюминки». В предложенной модели явно просле-живается концепция непрерывности вещества, от которой отка-заться трудно и не понятно, стоит ли от неё отказываться, ведь до сих пор достаточно было усложнить уже имеющуюся теорию, чтобы объяснить в её рамках новые факты и явления.

Важным шагом вперёд стала модель Э. Резерфорда. Ос-новная идея учёного – заряженные частицы в атоме распределе-ны неравномерно: в центре расположена положительно заряжен-ная частица, занимающая крайне мало места, а уже вокруг неё находятся отрицательно заряженные частицы, наиболее вероятно, электроны. Электроны не неподвижны, а вращаются вокруг ядра, как планеты нашей системы вращаются вокруг Солнца. Модель была сразу названа планетарной моделью атома Резерфорда. Та-кое распределение частиц в атоме подтверждалось эксперимен-тально и объясняло многие другие наблюдения, но вопросов бы-ло больше, чем ответов. Один из вопросов был принципиальным: электроны, вращаясь вокруг ядра, затрачивают на движение энер-гию, тогда они должны были бы уменьшать свою энергию, излу-чая её, а, значит, должны рано или поздно свалиться на ядро. Этого не происходит. Почему!?

Дальнейший шаг был сделан Н. Бором, который попытал-ся применить понятие кванта в модели атома. Н. Бор предполо-жил, что: 1) электроны могут перемещаться только по строго определённым орбитам, радиусы которых кратны целым числам; 2) при перемещении по одной и той же орбите электрон не излучает и не поглощает энергию; 3) при переходе с одной орбиты на другую электрон поглощает (при переходе на более высокие, т.е. отдалённые от ядра орбиты) или излучает (приближаясь к ядру, т.е. перескакивая на более близкие к ядру орбиты) энергию, но в виде порций, квантов энергии. Эти теоретические предположения хорошо описывали наблюдающееся поведение электронов в атоме, но не являлись полным объяснением строения атома. Предположения Н. Бора получили название постулатов Бора. На современном этапе развития квантовой физики необходимость постулировать поведение электронов в атоме отпала, но название сохранилось. Постулаты Бора объясняли и наблюдающийся дискретный спектр излучения атомов. В первом приближении Н. Бор рассматривал орбиты электронов как окружности, впоследствии Зоммерфельд вывел уравнение для эллиптической формы орбит.

Идеально совпадая с экспериментом для водорода, в ато-ме которого содержится только один электрон, теория строения атома расходилась с эмпирическими данными даже для гелия, в атоме которого содержалось уже два электрона. Физики снова вернулись к теоретическому описанию явления. Это направление теоретических исследований возглавляли Э. Шрёдингер, Л. де Бройль, В. Гейзенберг. Их выводы оказывались всё дальше и дальше от классических представлений.

История квантовой, атомной и ядерной физики – это еди-ная история создания нового знания. В начале XX в. не было та-кого деления. Эти направления определились гораздо позже. А в начале пути они развивались как одно направление, дополняя и помогая друг другу. Так, при решении задачи о строении атома теоретики пришли к необходимости полностью отказаться от привычных представлений, делящих свойства известных форм материи на волновые и корпускулярные. Основная идея волновой механики (так вначале называлась квантовая физика) заключа-лась в том, что вещество, как и поле (свет) объединяет в себе свойства волны и частицы, являясь одновременно и тем и другим. Идея Л.. де Бройля получила полное воплощение в последующих работах экспериментаторов и теоретиков. Для волновой механи-ки модель атома Резерфорда-Бора была не более чем моделью, некоторым приближением, упрощением реальных свойств атома. Модель Резерфорда-Бора была лишь толчком к разработке тео-рии строения атома, а в дальнейшем и строения ядра атома. Во-прос, решение которого было первоочередным, в том, что атом лишь слабо напоминает планетную систему, ядро не похоже на Солнце, а электроны не обладают свойствами планет. Даже це-лые числа, введённые Н. Бором для описания свойств электронов в атоме (квантовые числа), обозначают не орбиты электронов, а уровни и подуровни энергий электронов. Более того, форма ор-биты, как и траектория движения электрона не может быть опре-делена и описана в привычных терминах. Можно говорить лишь о вероятности существования электрона в том или ином энерге-тическом состоянии в какой-то интервал (но не момент) времени, в какой-то области (но не в точке) пространства. Эта вероятность пропорциональна интенсивности волны электрона. В. Гейзенберг сформулировал принципиальное ограничение для динамических переменных, используемых для описания микрообъектов (снача-ла электрона). Потом это положение было распространено на все микрообъект и получило название принцип неопределённостей или соотношение неопределённостей Гейзенберга. Суть его в том, что динамические переменные, описывающие микрочасти-цу, одновременно можно измерить только до определённого зна-чения, но не точно, т.е. измерить с неопределённостью. Это не является результатом того, что экспериментатор обладает несо-вершенной техникой. Это ограничение имеет принципиальный характер и является неотъемлемым свойством всех микрообъек-тов. Чем точнее измеряется одна из переменных, тем с меньшей точностью можно узнать значение другой, сопряжённой с ней переменной величины.

Соотношение неопределённостей логично дополняло ве-роятностный подход к описанию изучаемых объектов, хотя и вы-зывало вопросы, в том числе, не приводит ли подобный вероят-ностный подход к отказу от причинно-следственной связи явле-ний.

Из-за невозможности точного определения траектории и других характеристик микрообъекта следовал принцип тождест-венной неразличимости микрочастиц. Если бы частицы можно было отличать друг от друга («пометить»), то тогда и их траекто-рию можно было бы отследить.

Энергетическое состояние электрона должно характери-зоваться не только его орбитой, но и формой и структурой его орбиты, ориентацией орбиты в пространстве, характером движе-ния электрона по этой орбите, а также собственными свойствами электрона, не связанными с его существованием в атоме.

Привычные понятия тормозили процесс понимания свойств микрообъектов. Это нашло отражение даже в названиях. Во-первых, многие названия переменных (скорость, импульс, энергия, время) «перекочевали» в квантовую физику, но теперь в них вкладывают другое понимание. Во-вторых, пришлось приду-мывать новые названия для новых понятий. Например, электрон обладает своим собственным орбитальным моментом, а не только орбитальным моментом вращения вокруг ядра. Естественным было первое представление о собственном орбитальном моменте электрона, как о вращении его вокруг собственной оси, подобно вращающейся вокруг собственной оси планете (или веретену). От метафизического представления быстро отказались. Собственный орбитальный момент характеризуется «спином» (тоже квантовое число). Слово «спин» происходит от английского «spin», что зна-чит «веретено». Проблема с поиском подходящих названий воз-никала и в дальнейшем. Изучая структуру элементарных частиц, ввели название структурного элемента «кварк». Слово заимство-вано из современной научно-фантастической повести и ничего не значит в повседневной жизни. А вот свойства самих кварков пришлось описывать привычными словами, утратившими здесь свой изначальный смысл: странность, цвет, очарованность.

Непривычным, а значит, на первых порах непонятным большинству явилась и необходимость описывать поведение электрона и других микрочастиц не в трёхмерном, а в шестимер-ном пространстве, хотя математически необходимость этого была очевидна из соотношения неопределённостей Гейзенберга. Да и применение теории комплексных чисел для описания реально существующих объектов тоже было впервые.

Уравнения волновой механики позволили более полно понять сущность взаимодействия электронов и ядра и составных частей самого ядра.

В 1931 г. во время бомбардировки бериллия альфа-частицами было обнаружено новое мощное излучение. Оно было столь интенсивным, что приводило не только к ионизации атома – выбыванию из него электронов, но к разрушению самого ядра. Британский учёный Дж. Чедвик, исследуя это излучение, открыл новую частицу, которая обладала массой протона, но не обладала электрическим зарядом. Был открыт нейтрон. Это открытие за-вершило модель атома Резерфорда-Бора. Д.Д. Иваненко и В. Гей-зенберг описали модель ядра, в состав которого входили протоны и нейтроны. Это дало возможность объяснить существование изотопов – ядер элементов с одинаковыми зарядами, но разной массой. Протоны и нейтроны – основные ядерные частицы. Они получили название нуклоны (nuclear – ядро).

12.6. Ядерные реакции.
Теоретическое обоснование ядерных реакций

В дальнейшем необходимо было объяснить природу сил, столь прочно связывающих положительно заряженный протон и нейтральный нейтрон в ядре. Это были силы не гравитационного (слишком малы массы) и не электромагнитного (кулоновского) характера (нейтрон не заряжен). В дальнейшем их назвали ядер-ными взаимодействиями.

Впервые деление ядра было проведено на ядрах урана. Первым наиболее близко к реакции деления урана подошёл Э. Ферми. Повторяя опыты супругов Жолио, Э. Ферми использовал для бомбардировки ядер урана не альфа-частицы, а нейтроны. Было известно, что интенсивность радиоактивного излучения существенно возрастала, если перед попаданием в ядро урана они проходили через воду или парафин. Возможности создавать спе-циальную установку для постановки опытов не было, поэтому Э. Ферми использовал бассейн во дворе университета. В воде была установлена мишень из урановой руды, недалеко расположен ис-точник нейтронов и измерительная аппаратура. В качестве гипо-тезы происходящего процесса было выдвинуто химическое пре-вращение элементов, поэтому опыты сопровождались химиче-ским анализом возникшего вещества. Э. Ферми считал, что он нашёл новый элемент с номером «93». И хотя открытие транс-уранового элемента с атомным номером «93» (сейчас он называ-ется нептуний) состоялось позже, первая в истории реакция деле-ния ядра урана была проведена. Это означало поворот в физике. Многочисленные опыты М. Кюри и О. Ганна по бомбардировке ядер урана нейтронами выявили и другие закономерности: деле-ние урана сопровождается выделением значительной энергии, появлением (освобождением) дополнительных нейтронов, при-водит к тому, что ядро урана раскалывается на более легкие ядра с атомными номерами, заметно меньшими, чем у урана.

Вывод о появлении в процессе деления дополнительных нейтронов был основанием для возможности осуществления цеп-ной реакции.

Откуда берётся энергия, выделяющаяся при делении ядра урана? Масса исходного ядра урана при детальном изучении ока-залась меньше, чем сумма масс осколков, образовавшихся в ре-зультате реакции. Разница масс была названа дефектом массы ( ). Дефект масс явился ещё одним подтверждением знамени-того уравнения А. Эйнштейна об эквивалентности массы и энер-гии. Энергия, которая выделялась при делении ядра урана, оказа-лась равной . А. Эйнштейн не считал себя творцом квантовой физики, он только использовал идею М. Планка о квантах света для объяснения внешнего фотоэффекта, но «не-ожиданно» теория относительности и зарождающаяся квантовая теория оказались тесно связаны. «Я не считаю себя отцом атом-ной энергии, - писал А. Эйнштейн, – моё участие было весьма косвенным. В действительности, я не верил, что она будет высво-бождена в моё время. Такая возможность мне казалась теорети-ческой … Это было открыто Ганном в Берлине … Правильно объяснила (это явление) … Лиза Мейтнер …».

Об испускании нейтронов расколовшимся ядром урана стало известно из публикаций 1939 г. Ф. Жолио и его сотрудни-ков, а также А. Хэнни и М. Розенберга. Вывод из этих опытов был очевиден многим: если бомбардировать ядро урана протона-ми или альфа-частицами, то можно ядро расколоть, но чтобы расколоть ещё одно ядро, необходимо опять облучить вещество потоком протонов или альфа-частиц. Но если ядро раскалывается нейтронами, то испускающиеся в реакции в возрастающем коли-честве дополнительные нейтроны могли бы расколоть и соседние ядра, лишь бы эти ядра находились поблизости. При делении следующих ядер опять будут испущены нейтроны, что вызовет реакцию в следующем слое ядер и т.д. Начнётся цепная реакция деления ядер. При каждом делении ядра испускается заметная энергия.

6 января 1939 г. в журнале «Натурвиссеншафтен» появи-лась статья О. Ганна и Ф. Штрассмана о наблюдавшихся ядерных превращениях. 11 февраля 1939 г. в журнале «Нейчур» появилась статья Л. Мейтнер и О. Фриша с объяснением этих результатов. Именно это объяснение и упоминает А. Эйнштейн. Счёт по-прежнему шёл на дни.

Цепная реакция предвещала переворот не только в физике и технологии энергетики, ведь быстро протекающая реакция с выделением большого количества энергии – это взрыв. А взрыв-ных устройств подобного масштаба никогда не было. Шёл 1939 г. Опасность была настолько велика, что многие учёные предлагали прекратить исследования в этой области. Когда в беседе кто-то стал развивать перспективы применения ядерных превращений в области вооружений, О. Ганн закричал: «Бог этого не допустит!». Л. Сциллард писал в письме Ф. Жолио: «Мы все надеемся, что количество выделяющихся нейтронов либо равно нулю, либо не-достаточно и что нам не придётся больше беспокоиться по этому поводу». Но письмо было позже, а первая реакция на сообщение об осуществлении цепной реакции была почти панической: Л. Сциллард и В. Вайскопф послали телеграмму коллективу Ф. Жо-лио с предложением отказаться от каких бы то ни было публика-ций, связанных с этими исследованиями. Идея о самоцензуре об-суждалась практически во всех научных коллективах. Провести её в жизнь было не так просто. «Молчание учёных» могло бы оказаться эффективным, только если все научные коллективы, занимающиеся подобными исследованиями, приняли бы это предложение и согласились с этим. Основные причины, по кото-рым подобное молчание в масштабах мира осуществить оказа-лось невозможно, были следующими: во-первых, каждое откры-тие в данной области в ближайшей перспективе могло иметь практическое применение, а, значит, должно было быть запатен-товано (вопрос о приоритете являлся основным); во-вторых, за-крытость научных результатов всегда была осуждаема и пред-ставлялась, по крайней мере, до сих пор, аморальным актом; в-третьих, исследования в области атомной и ядерной физики были очень дорогими, постоянно требовалось финансирование в очень крупных масштабах, а получить подобное финансирование от государства или частных компаний было легче, если об успехах сообщалось регулярно и широко. Поэтому статьи и выступления на конференциях продолжались. Часто речь шла о разнице в не-сколько дней в опубликовании похожих результатов разными коллективами. Но причиной спешки была не погоня за приорите-том, а понимание важности открытий и неограниченные перспек-тивы дальнейших исследований. Например, после сообщения Н. Бора на конференции Американского физического общества об осуществлении цепной ядерной реакции и теоретическом обос-новании её протекания исследования сразу перешли из теорети-ческой области в прикладную. Практически все участники кон-ференции повторили опыты и пошли дальше в ближайшие дни после сообщения. В воспоминаниях Н. Бора неоднократно упо-минается об «американцах, помчавшихся в свои лаборатории» после этого сообщения.





sdamzavas.net - 2019 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...