Страницы истории науки и техники

Атомная физика как самостоятельная наука возникла на основе открытия электрона и радиоактивного излучения. Электрон — отрицательно заряженная микрочастица с массой всего лишь около 9·10^–28 г, один из основных структурных элементов вещества, — был открыт известным английским физиком Джозефом Джоном Томсоном (1856–1940), членом (с 1884 г.) и президентом (1915–1920 гг.) Лондонского королевского общества, иностранным почетным членом Академии наук СССР. Оказалось, что так называемые катодные лучи, испускаемые катодом и проходящие через сильно разреженные газы, представляют собой поток электронов. Изучение катодных лучей привело к выводу, что электроны входят в состав всех атомов. На рис. 42 показан простейший опыт по фотоэлектрическому эффекту: свет, падающий на пластинку, вызывает испускание электронов, пластинка заряжается, что видно по разошедшимся листочкам электроскопа.

Рис. 43. Модель атома Дж. Дж. Томсона.

Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, было нетрудно заключить, что атом должен иметь в своем составе и положительно заряженные частицы.

В 1896 г. французским физиком Антуаном Анри Беккерелем (1852–1908) впервые была обнаружена радиоактивность (от лат. radio — испускаю лучи и activus — действенный) солей урана. Явление радиоактивности, окончательно опровергнувшее представление о неделимости (о непревращаемости) атома, заключается в самопроизвольном превращении неустойчивых ядер атомов (о ядрах атомов будет сказано через несколько строк) и ядра других элементов (других атомов), происходящем в результате ядерных излучений. Оказалось также (это было чрезвычайно важно для медицины), что лучи, открытые Беккерелем, могли проникать в глубь вещества и поэтому являлись средством получения фотографий, например, внутренних органов человека.

Вопросы радиоактивности различных элементов изучались французскими физиками Пьером Кюри (1859–1906) и его супругой, Марией Склодовской-Кюри (1867–1934). Ими были открыты (1898 г.) новые элементы — полоний и радий. Было установлено, что радиоактивное излучение может быть двух видов: либо ядро радиоактивного элемента испускает α-частицу (ядро атома гелия с положительным зарядом 2е), либо β-частицу (электрон с отрицательным зарядом — е). В обоих случаях атом радиоактивного элемента превращается в атом другого элемента, например в атом свинца или висмута (это зависит как от исходного радиоактивного вещества, так и от вида радиоактивного излучения).

Следует еще раз отметить, какое огромное значение для развития науки (а также для практики) имело открытие радиоактивности. Вспомним, что один из величайших химиков за всю историю науки — Лавуазье установил во второй половине XVIII в. закон неизменности элементов, опроверг стремления и надежды алхимиков получать одни химические элементы (прежде всего, конечно, золото) из других. И вдруг оказалось, что в результате радиоактивного излучения некоторые элементы превращаются — да еще самопроизвольно — в другие. Это ли не научная сенсация?

Конечно, с течением времени, кстати довольно короткого, явление радиоактивности и превращение одних (радиоактивных) элементов в другие (например, нерадиоактивные) нашло свое объяснение.

В исследованиях радиоактивности большое значение имели совместные работы знаменитого английского физика Эрнеста Резерфорда (1871–1937) и известного английского химика Фредерика Содди (1877–1956), проведенные в 1899–1907 гг. В качестве исходных радиоактивных элементов ими использовались уран, торий и актиний. Были обнаружены так называемые изотопы, т. е. разновидности одного и того же химического элемента, имеющие одинаковые химические свойства и занимающие одно и то же место в периодической системе элементов Менделеева, но отличающиеся массой атомов.

Одна из первых моделей атома была предложена в 1903 г., уже знакомым нам Дж. Дж. Томсоном. Его модель (рис. 43) представляла собой положительно заряженную сферу с вкрапленными в нее отрицательно заряженными электронами. Сохранение электроном определенного места в сфере есть результат, по Дж. Дж. Томсону, равновесия между положительным распределенным зарядом сферы и отрицательными зарядами электронов.

Но модель атома Дж. Дж. Томсона просуществовала сравнительно недолго. Опыты, начатые в 1907 г. Э. Резерфордом и его помощниками, в том числе немецким физиком Хансом Гейгером (1882–1945), дали результаты, которые не могли быть объяснены с помощью модели Дж. Дж. Томсона.