Великие учёные-физики

Рентген был безупречным исследователем и цельным человеком в науке и жизни. По воспоминаниям, это был очень суровый и замкнутый профессор. Он проводил свои опыты, как правило, в одиночестве. Это не исключало того, что в его лаборатории учились и работали физики, ставшие известными в первой четверти XX в.: М. Вин (1866-1938), А.Ф. Иоффе (1880-1960), В. Фридрих (1883-1968), П. Книппинг (1883-1935), Р. Ладенбург (1882-1952) и др.

В.К. Рентген в письме П. Цендеру (1905 г.) писал: «В русском докторе Иоффе я имею очень способного приват-доцента. Я работаю совместно с ним уже два года и произвел огромное количество материала, публиковать который мне боязно».

Ученый Рентген был скромным, законопослушным человеком, бюргером от науки. Даже получать Нобелевскую премию он ездил в Стокгольм по ходатайству в Министерство церковных и школьных дел Баварии. Это ходатайство об отпуске было написано 6 декабря 1901 г., за три дня до получения премии, и в полной мере соответствовало стилю времени и нравам высшей школы Германии. В нем ученый писал: «По доверительному сообщению Королевской Шведской академии наук почтительнейше и покорнейше нижеподписавшийся получил первую Нобелевскую премию за 1901 год. Королевская Шведская академия придает особое значение тому, чтобы удостоенные премии принимали ее лично в Стокгольме в день вручения. Так как эти премии обладают исключительно высокой ценностью и в высшей степени почетны, то почтительнейше и покорнейше нижеподписавшийся полагает, что должен последовать, хотя и не с легким сердцем, желанию Королевской Шведской академии, а потому он просит предоставить ему отпуск в продолжение следующей недели».

Рентген был единственным лауреатом в истории Нобелевского фонда, кто не читал Нобелевской лекции. Летом 1902 г. он обратился в Стокгольм с запросом о сроке ее прочтения. Ответ из Швеции позволил ему считать, что в Уставе фонда отсутствует положение об обязательной процедуре чтения лекции. Учтя это обстоятельство, Рентген заявил, что он охотно отказывается от публичного выступления с докладом. Он мало участвовал в публичных мероприятиях, никогда не принимал участия в ежегодных съездах физиков, естествоиспытателей и врачей, отвергал всякие чествования со стороны власть имущих, однако был подлинным патриотом Германии.

В целом, как писал А.Ф. Иоффе, «рентгеновы лучи впервые пробили брешь во внешней оболочке атома, положили этим начало открытий атомной физики и в ходе исторического развития привели к освобождению атомной энергии».

Возможности, заложенные в физических свойствах рентгеновских лучей, несмотря на 105-летнюю историю их изучения и использования, до сих пор полностью не реализованы. Это видно, например, из интенсивного развития в последние три десятилетия рентгеновской оптики. С учетом существенно различных характеристик лучей в областях жесткого, мягкого и ультрамягкого излучений созданы и продолжают создаваться   прецизионные   методы   исследования   разнородных   веществ,   высокие технологии изготовления рентгенооптических элементов и уникальных промышленных рентгеновских приборов и устройств.

Оптические характеристики материалов в рентгеновском диапазоне обладают рядом особенностей, не свойственных характеристикам видимого излучения. Это относится к таким кардинальным свойствам лучей, как преломление и отражение.

Показатель преломления лучей в рентгеновской области спектра для всех веществ мало отличается от единицы. Вследствие этого элементы типа линз и призм в рентгенооптике практически не используется. Причина ясна: фокусное расстояние собирающей линзы из никеля радиусами поверхностей 1 см для лучей длиной волны 0,1 нм составляет примерно 100 м.

Об опытах по преломлению новых лучей Рентген сообщал: «Установив проницаемость тел довольно большой толщины, я поспешил исследовать поведение X -лучей при прохождение через призму: отклоняются они ею или нет. Опыты с водой и сероуглеродом в слюдяных призмах с преломляющимся углом около 30 градусов не дали никакого отклонения на флуоресцирующем экране, ни на фотографической пластинке. Для сравнения при тех же условиях наблюдалось отклонение лучей света. Отклоненные изображения были удалены от не отклоненных на расстояние от 10 до 20 мм. С призмами из эбонита и алюминия с преломляющим углом также в 30 градусов я получил на фотографической пластинке снимки, на которых как будто можно было заметить отклонение. Но это было весьма неясно. Во всяком случае, если отклонение вообще существует, то оно настолько мало, что показатель преломления X - лучей в указанных веществах мог быть не больше 1,05».

Однако аналогами обычных линз в ультрамягком рентгеновском излучении служат обладающие высоким пространственным разрешением зонные пластинки Френеля, состоящие из системы чередующихся прозрачных и непрозрачных концентрических колец строго заданной ширины. Зонная пластинка Френеля, увеличивающая за счет дифракции энергетическую освещенность в точке наблюдения подобно собирающей линзе, в качестве рентгенооптического элемента была предложена в 1952 г. Такие пластинки служат основным узлом в сканирующих и изображающих рентгеновских микроскопах с использованием синхротронного излучения.

Уже в первых опытах Рентген заметил, что открытые им лучи практически не отражаются. Он писал: «Можно заключить, что ни одно из исследовавшихся веществ не дает правильного отражения X - лучей». Длительное время считалось, что создание эффективных рентгеновских зеркал невозможно. Углубленное исследование физики коротковолнового излучения сравнительно недавно позволило найти решение задачи путем использования многослойных отражающих покрытий. Они представляют собой структуру из множества пар чередующихся слоев нанометровой толщины с различным значением диэлектрической проницаемости, нанесенных таким образом, что период чередования слоев постоянен или изменяется по определенному закону. В этом случае даже весьма незначительное отражение от каждой границы десятков или сотен слоев зеркала благодаря отражению синфазных воли дает суммарный коэффициент отражения рентгеновских лучей в несколько десятков процентов при любых углах вплоть до нормального падения. На подложку - полированную пластинку кремния или плавленого кварца - поочередно наносятся электронно-лучевым, магнетронным или лазерным напылением слои тяжелых металлов (W. Mo, Ni, Re...) и слои легких элементов (С, В, Be, Si). С помощью зеркал с многослойными покрытиями реализуется фокусирующая и изображающая рентгеновская оптика нормального падения. Перспективы же этой оптики означают создание мощных рентгеновских лазеров, уникальных рентгеновских микроскопов, технологических установок рентгеновской литографии для производства интегральных микросхем нового поколения, а также развитие таких ветвей науки, как рентгеновская астрономия, рентгеновская голография, химический и биофизический микроанализ.

Радио- и рентгеновское излучение, а также радиоактивность - открытия, «спрессованные» во времени примерно в десять месяцев, стали спусковым крючком для развития экспериментальной физики XX в. Память о первооткрывателях этих явлений А.С. Попове, В. Рентгене и   А. Беккереле неувядаема.

Череда блестящих физиков - лауреатов Нобелевской премии по физике XX вв. началась с В. Рентгена, заслуги которого трудно преувеличить. В год столетнего юбилея премий в конце века премию Нобеля, как известно, получил российский физик Ж.И. Алферов, возглавляющий Физико-технический институт, основанный учеником Рентгена А.Ф. Иоффе и носящий имя основателя.        

Эрнест Резерфорд (1871 – 1937)

В 1891 г. на заседании студенческого научного общества Новозеландского университета в городе Крайстчерче выступал со своим докладом студент II курса Эрнест Резерфорд.

Сообщение Резерфорда носило название «Эволюция элементов», в нем докладчик высказывал мысль о том, что атомы элементов имеют сложное устройство, что одни элементы произошли от других. Эти идеи своей новизной увлекали слушателей, рисовали перед ними перспективу связи всех элементов. Но, увы, увлекательные и фантастические идеи не имели никакого научного обоснования. Докладчик, кроме ссылок на то, что эти идеи господствовали в давно прошедшие времена, и на отвергнутую гипотезу Проута о том, что все элементы состоят из водорода, не мог привести ни одного доказательства, подтверждающего его высказывания. И когда многие слушатели выступили с резкой критикой доклада, обвиняя его автора в приверженности к фантастике и незнании состояния современной науки, молодой человек почувствовал, что зашел слишком далеко. Он смущенно согласился с критикой.

В этом эпизоде проявился весь Резерфорд, такой, каким он был всю свою жизнь: ' смелый в области теоретического мышления, не пугающийся элементов фантастики, без которой невозможно научное творчество, скромный и признающий свои ошибки. Он был верным последователем своего учителя, преподавателя химии и физики университета Бикертона, учившего своих студентов дерзать, увлекавшего их смелыми проектами и теориями, большинство которых действительно были фантастическими. Правда, с течением времени у Резерфорда появились и другие черты; строгость в обосновании своих научных гипотез, стремление к тому, чтобы всякую мысль проверить экспериментом.

Третью характерную черту Резерфорда - способность трудиться по 18 часов в сутки, умение решать любые практические дела - воспитала у него жизнь на ферме, в семье отца, небогатого фермера, у которого было 12 детей. Эрнесту, четвертому ребенку, пришлось работать, чтобы семья могла свести концы с концами. Работоспособность Резерфорда дала ему возможность окончить начальную школу первым учеником и получить стипендию, открывшую перед ним двери средней школы. После окончания последней ему опять дали стипендию, благодаря которой он попал в университет, а премия, полученная при выпуске, привела его в Кембриджский университет в Англии. После окончания университета Резерфорд еще не мечтает о научной карьере, хотя все окружающие видят в нем будущего ученого.

Резерфорд решает стать преподавателем средней школы. К счастью, из него не получился учитель. Неспособность к преподавательской деятельности была характерна для ученого и тогда, когда он стал профессором.

В Англии Резерфорд попадает на работу в знаменитую Кавендишскую лабораторию. Эта лаборатория известна физикам всего мира. В ней были сделаны выдающиеся научные исследования знаменитыми физиками Максвеллом и Релеем. Когда Резерфорд приехал в Англию, лабораторией заведовал знаменитый физик Джозеф Томсон. Он очень хорошо принял молодого человека. В эту же лабораторию прибыл и французский физик Поль Ланжевен. Долгое время молодые люди работали вместе, они стали закадычными друзьями.

Томсон умело руководил молодыми физиками, и за три года работы в Кембридже Резерфорд сложился как ученый и стал известен в мире науки. Здесь он начал работать над проблемами радиоактивности. Как и всякий ученый, Резерфорд опирался на исследования, выполненные до него. Он говорил: «Люди науки должны ставить себя в зависимость не от идей отдельного человека, а от мудрости тысяч людей, думавших над той же проблемой, и каждый должен добавлять свою долю в большое здание науки».

В годы работы Резерфорда в Кавендишской лаборатории в мире науки произошли удивительнейшие открытия. Томсон приходил к мысли о существование электрона и охотится за этим неуловимым волшебником в своей лаборатории. В немецком городе Вюрцбурге профессор Вильгельм Рентген открывает невидимые лучи, проходящие через предметы, «непрозрачные» для обычных лучей. Профессор Парижской политехнической школы Анри Беккерель открывает невидимые лучи, испускаемые ураном. Найденное явление было названо радиоактивностью.

Томсон поручает Резерфорду исследовать электрический разряд в газах, надеясь в этом явлении обнаружить электрон. Молодой физик старательно выполняет работу и открывает наличие в газах тока насыщения. Но Резерфорда увлекают новые лучи. Он интуитивно чувствует, что в этих лучах заложены доказательства правильности идей, которые интересовали его в студенческие годы. Он проводит экспериментальную работу по сравнению лучей Рентгена с лучами Беккереля и устанавливает, что лучи Беккереля отличаются от лучей Рентгена. Последние, обладают всеми физическими свойствами видимых лучей, но не воздействуют на зрение. Лучи же Беккереля резко отличаются по своим свойствам от видимых лучей. Резерфорд производит известный, ставший классическим опыт: он пропускает лучи Беккереля через мощное магнитное поле и обнаруживает, что они состоят из двух видов излучений. Он дает им названия: альфа-излучение и бета-излучение.

Возникает вопрос: почему уран излучает? У Резерфорда готов ответ: атом урана сложен и распадается. Но Резерфорд теперь уже не студент, а 26-летний ученый, работник всемирно известного научного учреждения. Он умеет сдерживать свои порывы; гипотеза о распаде атома урана требует подтверждения. Он горит желанием включиться в работу, но неожиданно получает приглашение занять должность профессора физики университета в далеком канадском городе Монреале.

У Резерфорда не было выбора. Его «премия» оканчивалась, и нужно было искать средства для существования. И Резерфорд едет в Монреаль. Здесь он работает 10 лет. Вся его последующая жизнь - это непрерывная научная работа. В течение первых 2-3 лет он налаживал физическую лабораторию и сделал ее одной из лучших в мире. В ней Резерфорд находился большую часть суток и произвел тысячи опытов. Идея Резерфорда о сложном составе атомов получала свое подтверждение. И он начинает поиски самых неопровержимых доказательств этой идеи. Последовательно проведя огромное количество экспериментов, ученый раскрывает все тайны альфа- и бета- лучей и постепенно выводит следующие закономерности:

1.  Альфа - лучи имеют положительный, а бета - лучи - отрицательный электрический заряд.

2.   Альфа - лучи поглощаются всеми веществами сильнее, чем бета - лучи.

3.   Кроме урана, радия и тория, радиоактивны также эманация радия и эманация тория.

4.   Альфа-   лучи   не   являются   электромагнитными   волнами.   Это   особые физические частицы - альфа- частицы.

5.   Альфа- частицы представляют собой не что иное, как атомы гелия.

6.   Так как атомы гелия происходят от атомов урана, радия и тория, то атомы этих веществ являются сложными образованиями. Они распадаются на альфа- частицы, бета- частицы и атомный остаток.

7.   Выбросив атом гелия, атом урана должен стать каким-то другим атомом; следовательно, при естественной радиоактивности происходит превращение одного элемента в другой.

Каждый из этих выводов Резерфорд в своих статьях подтверждает многочисленными опытами.

В Монреале Резерфорд совместно с английским ученым Содди разработал теорию радиоактивного распада и установил законы этого распада, вошедшие в учебники физики. На основании изучения теории и практики радиоактивного распада Резерфорд пришел к выводу, что при распаде выделяется колоссальное количество атомной энергии. Вот как об этом пишет его товарищ по работе Содди: «Первичный источник энергии нужно искать в атомах - главном источнике деятельности вселенной. Главный интерес нового явления заключается в произвольном и постоянном излучение энергии... Внутри атома - большие запасы энергии, теряя которые, атомы превращаются». Этот вывод, всю важность которого человечество смогло оценить только после взрыва атомных бомб, был сделан Резерфордом в 1908 г.

Монреальские работы принесли ученому мировую известность. Его избрали почетным членом Лондонского королевского общества и наградили медалью Румфорда. Резерфорда приглашают работать в Манчестерский университет. Он дает согласие и в 1907 г. переезжает в Англию с женой и шестилетней дочерью.

В Манчестере Резерфорд работал 12 лет. В декабре 1908 г. ученый совершил поездку в Стокгольм за получением присужденной ему Нобелевской премии. По пути пароход остановился в Копенгагене, где датские студенты и преподаватели устроили ученому восторженную встречу. Нобелевская премия была присуждена Резерфорду за работы по химии, так как в то время работы по радиоактивности относились не к физике, а к химии. Ученый был в очень хорошем настроении и на банкете по случаю получения премии сказал: «Я имел дело со многими разнообразными превращениями, которые изучал в разные годы жизни, но самое замечательное превращение заключалось в том, что я в один миг превратился из физика в химика».

Из путешествия Резерфорд возвратился полный сил и энергии. Он разрабатывает установку, при помощи которой доказывает еще раз, что альфа- частицы являются атомами гелия. В 1910 г. он совместно с Гейгером изобрел счетчик альфа - и бета-частиц - прибор для обнаружения радиоактивности.

В 1910 г. Резерфорд вместе со своим учеником Марсденом начинает изучать взаимодействие альфа- частиц с веществом. В это время английский физик Джозеф Томсон уже создал свою теорию строения атома: он считал, что атом представляет собой положительно заряженный шарик, внутри которого находятся вкрапленные в него электроны. Количество электронов, по Томсону, в атоме таково, что их отрицательный заряд целиком компенсирует положительный заряд шарика, и поэтому атом в целом электрически нейтрален. Поэтому, рассуждал Резерфорд, атом должен безразлично относиться к положительно заряженной альфа- частице, и она без всяких задержек будет свободно проходить через тонкие металлические пленки. Резерфорд был твердо уверен в этом и даже сказал Марсдену: «Я не ожидаю ничего любопытного от ваших опытов, но все же понаблюдайте».

Марсден проделал несколько десятков экспериментов и обнаружил нечто в высшей степени интересное: не все альфа- частицы проходят сквозь пластинки, среди них попадаются и такие, которые отскакивают от пластинок, рассеиваются.

Ученик доложил об этом учителю. Резерфорд впоследствии так говорил о своем впечатлении от сообщения Марсдена: «Это был совершенно невероятный случай в моей жизни. Это было почти неправдоподобно, как если бы выстрелили 15-фунтовым снарядом в кусок папиросной бумаги и он вернулся бы обратно и поразил вас».

Из опытов, таким образом, следовало, что в каждом атоме пластинки должна быть массивная часть, имеющая положительный заряд,  который и отталкивает альфа-частицу. А электроны атома должны находиться вне этой массивной части атома.

Из всего этого нельзя было не сделать вывод о том, что модель атома Томсона неверна!

Но как же все-таки построен атом?

И Резерфорд начинает воскрешать свои юношеские мечтания - должна существовать какая-то закономерность в строении атомов различных элементов. В природе происходит не только эволюция растений и животных, но и эволюция атомов.

Эти раздумья и поиски атомной структуры через несколько месяцев привели ученого к созданию ядерной теории атома.

Профессор Кембриджского университета известный физик Артур Эддингтон дал такую оценку открытию: «Создав эту модель, Резерфорд произвел величайшую перемену в нашем взгляде на материю со времен Демокрита».

Идея о неразрушаемом и неизменном атоме навсегда исчезла из физики. Было положено начало современной физике атома.

В 1913 г. Резерфорд начинает работу над проблемой, которая непосредственно вытекала из его предыдущих исследований. Он руководствуется следующей мыслью: нельзя ли разогнать альфа- частицы, чтобы они столкнулись с ядром атома и разбили его, как снаряд разбивает кирпичную стену? В результате изменится ядро атома, получится новый элемент, произойдет искусственное превращение элементов. Прославленный физик проводит свои удивительные опыты по изучению столкновений альфа- частиц с ядрами атомов. Но начинается первая мировая война. Ученики Резерфорда идут в армию, на фронте погибает один из них - Генри Мозли. Объем научных работ сокращается, а ученого призывают в военную промышленность, где он занимается вопросами строительства подводных лодок.

В 1919 г. Резерфорда приглашают на работу в качестве директора той самой Кавендишской лаборатории, в которой он начинал свою научную деятельность. Он переезжает в Кембридж, где и живет до самой смерти.

В этой лаборатории ученый возвращается к реализации своей идеи, и вскоре весь научный мир поразила сенсация: альфа- частица попала в ядро азота, и от этого в конечном итоге получился кислород. Впервые на земле было произведено искусственное превращение одного элемента в другой. Опыты Резерфорда стали повторять во многих лабораториях мира. Зародилась новая ветвь физики и техники - искусственное получение радиоактивных элементов. В наше время мы пожинаем плоды открытия Резерфорда в виде многочисленных искусственных радиоизотопов.

В последующие годы замечательный ученый открыл 17 ядерных реакций. В 1920 г. он предсказал существование нейтрона, и с этого времени начала создаваться современная теория атомного ядра. Слава Резерфорда гремит по всему миру. В 1922 г. его избирают почетным членом Академии наук СССР. В 1925 - 1930 гг. он исполняет обязанности президента Лондонского королевского общества. В 1932 г. его возводят в сан лорда и называют лордом Нельсоном. Но звание лорда так и не пристало к Резерфорду - сыну фермера - и осталось только выражением почета, оказанного ему.

Всю свою жизнь Резерфорд был здоровым, жизнерадостным человеком. Он умел работать, но ему принадлежит такой афоризм: «Плохи те люди, которые слишком много работают и слишком мало думают». Резерфорд говорил, что плодотворные мысли к нему приходят на охоте, на рыбной ловле, во время игр.

Никто не предполагал, что этот человек может так скоро умереть. Однако осенью 1937 г. у него случилось ущемление грыжи, и на четвертый день после операции он скончался.

Могила Резерфорда находится в Вестминстерском аббатстве, где похоронены выдающиеся люди Англии. Она расположена рядом с останками Ньютона, Фарадея и Дарвина.

Нильс Хенрик Давид Бор (1885-1962)

Один из величайших физиков нашего времени, имя которого стало почти легендарным. Он был человеком, чьи идеи наряду с идеями Эйнштейна являлись руководящими для физиков в течение доброй половины столетия.

Нильс Бор родился в 1885 году в Копенгагене, в семье профессора физиологии. Детство и юность его прошли в родном городе. Будучи 20-летним юношей, он направил в Датское королевское научное общество свою первую работу, которая получила золотую медаль. Содержанием работы явилось исследование колебаний поверхности струи жидкости и определение поверхностного натяжения воды. Однако идеи этой первой работы не выходят за рамки классической физики.

В   1911   году   Бор   окончил  университет,   защитил   диссертацию и уехал в Кавендишскую лабораторию, где собирался под руководством Джозефа Томсона работать над электронной теорией. Однако это сотрудничество длилось недолго. Передовые идеи Бора не находили отклика у приверженца классики Томсона. Они очень часто спорили. Бор мыслил глубже, его неудержимо влекли к себе идеи новой физики. Споры между Томсоном и молодым, строптивым датчанином, очевидно, серьезно повлияли на их отношения, и, хотя Бор всегда считал английского ученого гениальным человеком, он уехал из Кембриджа в Манчестер к беспокойному, ищущему Резерфорду. Последний с группой сотрудников занимался тогда исследованием атомного ядра. Бор проникся большой симпатией к Резерфорду, он восхищался им как ученым и человеком. Начались совместные беседы, споры, искания. И вот в 1913 году Бор нашел остроумное решение вопроса на основе открытия, сделанного Планком.

Датский ученый утверждал, что электрон в устойчивом атоме может двигаться вокруг ядра по определенной "дозволенной" орбите. В этом состоянии он пребывает спокойно и не излучает энергии. Если же электрон перескакивает с одной определенной орбиты на другую, лежащую ближе к ядру, то он излучает энергию, причем это излучение идет не непрерывно, а порциями - квантами. Если же электрон поглощает квант энергии, то он переходит на более далекую от ядра орбиту.

Эти идеи и составляют существо так называемых "постулатов Бора". Все очень просто с точки зрения сегодняшнего состояния физики. А между тем нужно было быть очень смелым человеком, чтобы высказывать эту идею у колыбели атомной физики! Так возникла боровская модель атома и новая электромагнитная теория материи. Эти работы имели, как показало дальнейшее развитие науки, много уязвимых мест, свои противоречия, которые позднее устранялись самим Бором. Но исследования, проделанные им в 1913 году, решали ряд труднейших проблем. Ученым это казалось поразительным. Дело в том, что постулаты Бора не вытекали из прежних представлений о строении атома. Они противоречили всем принципам физики XIX века.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6