7022

10

свящённых описанию источника постоянного тока, была выпущенная в 1803 г.

книга русского ученого В. Петрова «Сообщение о гальвано-вольтовых опытах».

Начало практическим исследования электромагнетизма положили работы датчанина Х. Эрстеда, француза А. Ампера, русских ученых Д. М. Велланского и Э. Ленца, англичанина М. Фарадея, немецкого физика Г. Ома и др.

Крупнейший немецкий ученый Г. Гельмгольц (1821-1894 гг.) распростра-

нил закон сохранения энергии с механических и тепловых процессов на явле-

ния электрические, магнитные и оптические. Им был установлен ряд законов,

касающихся газов, заложены основы кинетической теории газов, термодинами-

ки, открыты инфракрасные и ультрафиолетовые лучи.

М. Фарадей (1791-1867 гг.) – английский физик, химик и физико-химик,

основоположник учения об электромагнитном поле, электромагнитной индук-

ции – открыл количественные законы электролиза.

В 1803 г. английский физики и химик Дж. Дальтон (1766-1844 гг.) опуб-

ликовал основополагающие работы по химической атомистике, вывел закон кратных отношений. Дальтон ввел в науку, в частности в химию, понятие атом-

ного веса (атомной массы), приняв за единицу вес водорода. По Дальтону, атом

– мельчайшая частица химического элемента, отличающаяся от атомов других элементов своей массой. Он открыл явление диффузии газов (кстати, явление,

которым примерно через сто лет воспользовались для получения высокообога-

щенного урана при создании ядерных бомб).

В XVII-XIX вв. атомы считались абсолютно неделимыми и неизменными частицами материи. Атомистика в значительной мере носила все еще абстракт-

ный характер. В XIX в. большой вклад в разработку научной базы атомистики внесли такие ученые, как Максвелл, Клаузиус, Больцман, Гиббс и др.

В недрах химической науки родилась гипотеза о строении всех атомов из атомов водорода. Именно химико-физики ближе всех подошли к понимаю фи-

зического смысла идей атомистики. Они постепенно приближались к выясне-

нию природы атомизма, а последующие поколения ученых – к пониманию дей-

ствительного строения атома и его ядра.

11

Предыстория познания атомного ядра начинается в 1869 г. с гениального открытия Д. И. Менделеевым периодического закона химических элементов. Д.

И. Менделеев (1834-1907 гг.) был первым, кто попытался классифицировать все элементы, и именно ему мы обязаны нынешним видом Периодической систе-

мы. Пытаясь охватить все элементы, он вынужден был заключить, что некото-

рые места Периодической системы элементов (теперь носящей его имя) не за-

полнены. Исходя из положения в таблице и свойств химических элементов, со-

седствующих с ними периодах и группах, он предсказал химические свойства трех отсутствовавших тогда элементов. Примерно через 10 лет эти элементы

(галлий, скандий и германий) были открыты и заняли своим места в таблице Менделеева.

Периодический закон стал как бы последней инстанцией, выносящей окончательный приговор соотношению между химическим эквивалентом и атомной массой. Так, первоначально бериллий считался трехвалентным с атом-

ной массой 13,5, а индий – двухвалентным с атомной массой 75,2, а благодаря их положению в таблицы были проведены тщательные проверки и уточненные атомные массы стали равными 9,0 и 112,8 соответственно. Урану сначала при-

писывали атомную массу, равную 60,0, затем исправили на 120,0, однако пери-

одический закон показал, что значение атомной массы урана 240,0.

Периодическая система элементов стала в конце прошлого века памятни-

ком упорству, труду и аккуратности в экспериментальной работе. В Периоди-

ческой системе Менделеева нашли отражение сложность структуры атома и значимость ранее неизвестных основных характеристик атомного ядра – его массового числа А и порядкового номера 2. В течение всей последующей исто-

рии ядерной физики периодический закон Менделеева, обогащенный новыми открытиями, служил путеводной нитью исследований. Именно с конца XIX в.

подход к изучению атома стал действительно научным, имеющим эксперимен-

тальную основу. Никто из естествоиспытателей той эпохи не проник так глубо-

ко в понимание взаимосвязи между атомами и молекулами, как Д. И. Менделе-

ев. В 1894 г., когда еще не была ясна модель не только атома, но и молекулы,

12

Менделеев выдвинул гипотезу о строении атома и молекулы. Положив в основу признание существования атомов и молекул, связи между материей и движени-

ем, он высказал мысль, что атомы можно представить себе как бесконечно ма-

лую Солнечную систему, находящуюся в непрерывном движении. Неизмен-

ность атомов, подчеркивал Менделеев, не дает исследователю никакого осно-

вания считать их «неподвижными» и «недеятельными в их внутренней сущно-

сти», атомы подвижны.

Менделеев показа, что развитие науки невозможно, если отказать от при-

знания объективной реальности атомов. Он подчеркивал глубокую внутрен-

нюю связь между атомистическими воззрениями древних (Демокрита) и мате-

риалистической философией. Развитие классического учения Демокрита соста-

вило, по Менделееву, основу материализма.

Спустя почти 30 лет после появления Периодической системы Менделее-

ва начала свое победное шествие новая наука – ядерная физика. А примерно 60

лет спустя американские ученые Г. Сиборг и другие, синтезировавшие в 1955 г.

элемент 101, дали ему название «менделевий», как они выразились «...в знак признания приоритета великого русского химика Дмитрия Менделеева, кото-

рый первым использовал Периодическую систему элементов для предсказания химических свойств тогда еще не открытых элементов. Этот принцип явился ключевым при открытии почти всех трансурановых элементов».

1.3.Научные открытия и успехи атомной науки

вконце XIX и начале XX веков

Гениальные догадки древних ученых о том, что все вещества состоят из атомов, к концу XIX в. полностью подтвердились. К тому времени также было установлено, что атом как единица любого вещества неделим (само слово

«атом» по-гречески означает «неделимый»).

С открытия А. Беккерелем в 1896 г. явления радиоактивности берет свое начало новый раздел физики – ядерная физика. С этого момента, собственно, и

13

начинается непосредственно история исследования атомной энергии.

Немецкий физик В. Рентген (1845-1923 гг.) открыл в 1895 г. излучение,

названное им Х-лучами (впоследствии они получили название рентгеновских лучей, или рентгеновского излучения). Он создал первые рентгеновские трубки и сделал анализ некоторых свойств открытого им излучения. Это открытие и последующие исследования сыграли важную роль в изучении строения атома,

структуры вещества.

Рентгеновское излучение нашло широкое применение в медицине, техни-

ке, в различных областях науки.

24 февраля 1896 г. французский физик А. Беккерель (1852-1908 гг.) на за-

седании Парижской Академии наук докладывал: «Фотографическую пластинку Люмьера обертывают двумя листами очень плотной черной бумаги. На верхний лист бумаги кладут какое-либо люминесцирующее вещество (бисульфат урана и калия), а затем все это выставляется на несколько часов на солнце. При про-

явлении фотопластинки на черном фоне появляется силуэт люминесцирующего вещества». Позднее А. Беккерель убедился в том, что нет необходимости вы-

ставлять фотопластинку на солнце, и более того, если урановое соединение в течение многих месяцев находится в темноте, то процесс проявления все равно происходит. При этом у физиков возник вопрос, откуда же черпается энергия,

хотя и очень небольшая, но непрерывно выделяющаяся из урановых соедине-

ний в виде ионизирующего излучения?

Открытие радиоактивности урана Беккерелем невозможно переоценить,

хотя важность этого открытия поняли не сразу. В тот период физики были пол-

ностью поглощены работами по изучению свойств рентгеновского излучения, и

потому высказывались предположения, что явление радиоактивности сродни рентгеновскому излучению. Но рентгеновское излучение возникает при элек-

трическом разряде, происходящем в сильно разреженном газе, независимо от природы газа, независимо от вещества, из которого сделаны электроды. Радио-

активность же солей урана, обнаруженная Беккерелем, не требует электриче-

ского напряжения – ни большого, ни малого. Не нужен и разреженный газ.

14

Рентгеновское излучение возникает только в присутствии электрического раз-

ряда, излучение, открытое Беккерелем, всегда, непрерывно, и его излучает только уран.

Но только ли уран? Этот вопрос и был поставлен Марией Склодовской-

Кюри. Таким образом, был открыт новый этап исследований, который провели супруги Кюри. Мария Кюри воспользовалась наблюдением Беккереля, что под влиянием излучения, испускаемого ураном, воздух становится проводником электричества. Это упростило поиск веществ, которые испускают так называе-

мые беккерелевы лучи. М. Кюри натолкнулась на удивительный факт: урановая смолка – руда, из которой добывают металлический уран, испускает беккереле-

вы лучи с гораздо большей интенсивностью, чем чистый уран. В результате су-

пруги Кюри открыли два новых радиоактивных вещества, которые они назвали полонием и радием.

Всем веществам, которые способны излучать лучи Беккереля, Мария Кюри дала общее название – радиоактивные (что означает способные испускать лучи).

С помощью метода сцинтилляций, камеры Вильсона, ионизационной ка-

меры и другой аппаратуры Марии и Пьеру Кюри, Резерфорду, Содди, Вилларду и другим ученым либо независимо, либо совместно удалось обнаружить и изу-

чить три типа лучей Беккереля, испускаемых ураном. Каждый из них получил свое название: альфа, бета, гамма. Альфа-лучами назвали те лучи, которые маг-

нитным полем отклоняются слабо и представляют собой поток положительно заряженных частиц. Бета-лучами назвали лучи, которые магнитным полем от-

клоняются сравнительно сильно и представляют собой поток электронов, т. е.

отрицательно заряженных частиц. Гамма-лучами назвали лучи, которые маг-

нитным полем не отклоняются вовсе.

Успехи физики XIX в. позволили существенно продвинуться в создании целостной системы, объединяющей механику Ньютона и электродинамику Максвелла и Лоренца. Теория электромагнитного поля, созданная Максвел-

лом, вошла в историю науки наряду с такими фундаментальными обобщения-

ми, как ньютонова механика, квантовая механика. Процесс коренного преобра-

15

зования физики подготавливался научными открытиями конца XIX в., сделан-

ными В. Рентгеном (рентгеновские лучи, 1895 г.), А. Беккерелем (естественная радиоактивность урана, 1896 г.), Дж. Томсоном (открытие электрона, 1897 г.,

первая модель строения атома), М. Склодовской-Кюри (радиоактивные эле-

менты - полоний и радий, 1898 г.), М. Планком (теория квантов, 1900 г.) и др.

Выполненные к началу XX в. работы химиков и физиков, теоретиков и экспе-

риментаторов, вплотную приблизили науку об атоме к проблеме высвобожде-

ния ядерной энергии атома.

Исследования по радиоактивности стали проводиться в России почти сразу после открытия Беккереля. Ученые И. И. Боргман (1900 г.) и А. П. Афа-

насьев исследовали свойства радиоактивного излучения, в частности лечебные свойства целебных грязей. В. К. Лебединский (1902 г.) и И. А. Леонтьев

(1903 г.) изучали влияние радиоактивности на искровые разряды и определили одними из первых природу гамма-лучей. Н. А. Орлов исследовал действие ра-

дия на металлы, парафин, легкоплавкие органические вещества. Кроме Петер-

бургского университета такого рода работы велись в Медицинской академии,

в университетах Новороссийска, Харькова и других городов. Важные резуль-

таты в этой области были получены В. А. Бородовским, Г. Н. Антоновым, Л.

С. Коловрат-Червинским.

В. А. Бородовский, закончив физико-математический факультет Юрьев-

ского университета в 1902 г., работал с 1908 г. в Англии в лаборатории Кен-

сингтона, а затем в лаборатории Кавендиша (Кембридж). Им написана работа

«Поглощение бета-лучей радия», он одним из первых установил наличие радия в ферганской радиоактивной руде. Именно из нее в 1921 г. В. Г. Хлопин полу-

чил отечественный препарат радия.

Г. Н. Антонов работал несколько лет в лаборатории Резерфорда. В 1911 г.

он открыл уран V. Среди ученых были сомнения. Тогда Резерфорд по реко-

мендации Содой передал Антонову 60 г ураннитрата, с помощью которого в России Антонов доказал свою правоту. «Уран превращается одновременно в два продукта, – докладывал Антонов на заседании Российского физико-

17

экспериментальную проверку идеи Резерфорда о строении атома. Они подтвер-

дили существование ядра атома как устойчивой его части, несущей в себе по-

чти всю массу атома и обладающей положительным зарядом.

В 1913 г. Н. Бор (1885-1962 гг.) опубликовал серию статей «О строении атомов и молекул», открывших путь к атомной квантовой механике. Примерно в это же время начались, как известно, первые трудности электромагнитной концепции микромира. Уже квантовая механика несла в себе совершенно но-

вые взгляды на микропроцессы. Так, в основу многих уравнений квантовой ме-

ханики входило значение массы микрочастиц, а открытие спина (от английско-

го spin – вращение), т. е. собственного момента количества движения, у элек-

трона С. Гаудсмитом и Дж. Уленбеком (1925 г.) и выдвижение принципа запре-

та В. Паули (1925 г.) противоречили существовавшим представлениям в физи-

ке. Но наиболее важной оказалась гипотеза нейтрино, выдвинутая в 1931 г. Па-

ули с целью объяснения кажущихся аномалий в энергетическом распределении электронов, вылетающих при бета-распаде. Нейтрино было четвертой элемен-

тарной частицей (после электрона, фотона и протона), с которой столкнулась физика того времени.

В. Паули предположил, что при бета-распаде из ядра вылетает не одна ча-

стица – электрон (как предполагалось ранее), а две электрон и частица, назван-

ная Паули нейтрино.

На основе опытов Дж. Аллена, выполненных 10 лет спустя, в 1942 г. было установлено, что нейтрино имеет массу покоя, значительно меньшую (1/30)

массы электрона, и полностью лишено электрического заряда и магнитного момента.

Если природа трех ранее открытых элементарных частиц (электрона, фо-

тона и протона) могла считаться электромагнитной, то в отношении нейтрино сказать это было почти невозможно. Однако до 1932 г. электромагнитная тео-

рия господствовала. Решающим шагом в признании новой физической идеи стало открытие Чедвиком (1932 г.) пятой частицы – нейтрона.

18

История открытия нейтрона достаточно поучительна. Еще в 1920 г. Ре-

зерфорд выдвинул предположение о существовании нейтральной частицы. В 1930 г. В. Боте и Г. Бекер сообщили о проникающем излучении, появляющемся при бомбардировке альфа-частицами ядер легких элементов. Особенно значи-

тельный эффект получался при бомбардировке бериллия. В качестве детектора излучения был использован счетчик Гейгера. Боте и Бекер предположили, что наблюдаемое излучение представляет собой поток гамма-квантов высокой энергии.

Почти одновременно с этими немецкими учеными Ирен и Фредерик Жо-

лио-Кюри повторили их опыты, используя источник полония большой активно-

сти. Детектором служила ионизационная камера. Используя разные экраны, они убедились в «сверхпроникающей» способности исследуемого излучения. По-

мещая на пути потока частиц экраны из водородсодержащих веществ, они ожи-

дали, что поток уменьшится, но он даже увеличился. Ученые пришли к выводу,

что столкнулись с каким-то новым явлением. Продолжая опыты, они убеди-

лись, что излучение Боте-Бекера способно выбивать ядра из атомов водорода,

гелия и азота. Они установили, что выбитые частицы приобретали значитель-

ную энергию и что в пространство излучаются электроны высоких энергий.

Жолио-Кюри опубликовали результаты своих опытов и выяснилось, что энер-

гия излучения Боте-Бекера гораздо больше энергии гамма-излучения.

В феврале 1932 г. ученик Резерфорда Дж. Чедвик после ознакомления с ре-

зультатами опытов Жолио-Кюри измерил с помощью электронного оборудова-

ния, пропорционального усилителя, отдельные импульсы, возникающие при про-

хождении ядер и электронов через счетчик, и разделил их. Оборудование, кото-

рым пользовался Чедвик, было более совершенным, и результаты его опытов по-

казали, что первоначальное предположение Боте и Бекера, а также И. и Ф. Жолио-

Кюри об электромагнитной природе сверхпроникающего излучения неверно.

Чедвик установил, что это излучение состоит из электрически ней-

тральных частиц с массой, примерно равной массе ядра протона. Это были нейтроны.

19

Открытие нейтрона является результатом работы ученых трех стран:

Германии, Франции и Англии. История открытия нейтрона лишний раз иллю-

стрирует, что путь к высотам науки изобилует сложностями и весьма тернист.

Открытие нейтрона указало на существование в природе нового типа сил

– ядерных. Значение этого открытия для развития ядерной физики необычайно велико, оно позволило преодолеть трудности, стоявшие на пути познания стро-

ения ядра атома. Нейтрон – это «золотой ключик», открывший двери в ядерную энергетику.

Открытие нейтрона стимулировало появление фундаментальных направ-

лений науки, таких как физика атомного ядра, физика элементарных частиц.

Впоследствии самостоятельной областью физики стала нейтронная физика.

При этом следует отметить, что открытие нейтрона не было случайным,

на его существование указывало много сопутствующих фактов, и потому его обнаружение – закономерное следствие знаменитых опытов Резерфорда 1919 г.

по искусственному расщеплению ядер альфа-частиц, работ Боте и Бекера и Жолио-Кюри. Но обнаружил нейтрон Дхеймс Чедвик. Свое открытие Чедвик опубликовал в статье «Возможное существование нейтрона», которую он направил в печать 17 февраля 1932 г. Этот день по праву считается днем откры-

тия нейтрона.

Э. Резерфорд заложил основы учения о радиоактивности и строении ато-

ма. Он первым осуществил искусственное превращение элементов, установил,

что корпускулярное излучение состоит из альфа- и бета-лучей.

В 1903 г. совместно с Ф. Содди Резерфорд объяснил радиоактивность как спонтанный распад атома вещества, при котором он меняет свое место в перио-

дической системе элементов. Резерфорд доказал, что в центре атомов суще-

ствует массивное положительно заряженное ядро, он же предложил планетар-

ную модель атома, в центре которого находится положительно заряженное яд-

ро, а вокруг него по орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. (Здесь хочется напомнить о гениальных догадках древнегреческих философов,

которые указывали, что атомы непрерывно движутся.) За 12 лет до открытия