Введение. Вопрос о том, как устроен этот мир, был основным вопросом физики на протяжении всей истории человечества

Вопрос о том, как устроен этот мир, был основным вопросом физики на протяжении всей истории человечества. Он имеет много граней, и если вдуматься, то оказывается, что совсем непросто даже грамотно поставить его. Огромной заслугой древних мыслителей явилась его конструктивная формулировка. А именно, среди множества проблем они вычленили основополагающую – проблему конечной и бесконечной делимости материи. По этому кардинальному вопросу античные мыслители (в основном, древние греки), не имея способов его экспериментального решения, разделились на два лагеря. Одни из них считали, что мир является бесконечно делимым. Впоследствии эта концепция явилась основой введения в физику представления о непрерывной среде. В рамках второго течения мысли считалось, что в процессе деления материи будет неизбежно найден тот предел, дальше которого деление становится невозможным. Эти конечные «кирпичики» материи были названы Демокритом атомами.

В XVII в. атомистическая теория возродилась на новом уровне знания, перестав быть просто гипотезой. В начале XIX в. у ученых уже не оставалось сомнения, что любое вещество состоит из мельчайших неделимых частиц – атомов материи. Несколько позже понятие «атомы материи» было разделено на два: молекулы (сложные и делимые частицы) и атомы (простые и неделимые).

Однако уже в конце XIX – начале XX столетия неделимость атома была поставлена под сомнение. В 1895 г. Джозеф Джон Томсон в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета начал методическое количественное изучение отклонения катодных лучей (образующихся при электрическом разряде в разреженных газах) в электрических и магнитных полях. В своих опытах Томсон доказал, что все частицы, образующие катодные лучи, отрицательно заряжены, тождественны друг другу и входят в состав вещества. Суть опытов и гипотезу о существовании материи в состоянии еще более тонкого дробления, чем атомы, Томсон изложил на заседании Королевского общества 29 апреля 1897 г. Именно эта дата в науке считается датой открытия электрона.

После открытия электрона физики пытались составить представление о строении атома. В 1902 г. лорд Кельвин опубликовал свою статическую теорию, поддержанную и развитую самим Томсоном. Согласно модели Кельвина-Томсона, положительный заряд, равномерно распределенный по всему объему атома, уравновешивается отрицательным зарядом электронов, образующих равновесные конфигурации. Динамические теории, выдвигавшиеся Перреном и Нагаока, в то время не нашли признания: ведь согласно законам электродинамики движущиеся электроны должны излучать электромагнитные волны, уносящие энергию.

К 1895 г. относится открытие Вильгельмом Конрадом Рентгеном испускания газоразрядной трубкой т.н. Х-лучей, известных сегодня как рентгеновские лучи и сыгравших важную роль в изучении строения атома. Исследуя свойства открытых им лучей, Рентген установил, что они вызывают затемнение фотографических материалов, изолированных от обычного света, ионизируют воздух, разряжают электрически заряженные тела и проходят через толстые слои непрозрачных веществ, не испытывая при этом ни отражения, ни преломления. Электрическое и магнитное поле не отклоняют рентгеновские лучи. С позиций современной физики лучи Рентгена имеют ту же электромагнитную природу, что и, например, видимый свет, но характеризуются гораздо меньшей длиной волны и, соответственно, большей энергией светового кванта – фотона (табл. В).

В 1896 г. Анри Беккерель обнаружил испускание солями урана невидимых лучей, также вызывающих ионизацию воздуха и почернение фотоэмульсий. Это свойство соединений урана было названо им радиоактивностью. Дату 1896 г. можно считать годом рождения ядерной физики, хотя природа радиоактивности еще длительное время представляла для физиков загадку.

Первое исследование физической сущности открытия Беккереля было проведено Эрнестом Резерфордом в 1899 г. Резерфорд показал, что радиоактивное излучение состоит из трех компонент, названных впоследствии α-, β- и γ-лучами.[1] Как оказалось, α-лучи являются пучками положительно заряженных частиц – дважды ионизированных атомов гелия с энергией 1-10 МэВ.[2] β-лучи представляют собой электроны также высоких энергий: 0,3-3 МэВ. Наконец, γ-лучи оказались потоком электромагнитного излучения, по свойствам аналогичного лучам Рентгена, однако обладающими несколько меньшей длиной волны (табл. В) и еще большей проникающей способностью. В соответствии с этим α- и β-частицы отклоняются магнитным полем в противоположные стороны, а на γ-излучение магнитное поле не действует. В настоящее время термины «α-лучи» или «β-лучи» в научной литературе не используются; их заменили синонимы «α-излучение» и «β-излучение», означающие соответственно потоки α- и β-частиц.

Открытия Томсона, Рентгена и Беккереля явились основополагающими для развития новой области физической науки – физики атома и атомного ядра.

Таблица В.

Электромагнитное излучение