Становлення теорії атома

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

І.А. Ізюмов, школа № 3, м. Аксай, Ростовська обл.

Є річки, повноводні спочатку. Вони проливаються з великих озер, точно з переповненої чаші, як Святий Лаврентій з Онтаріо, Ангара з Байкалу, Ніл з Вікторії-Ньянци. Це річки без джерельного дитинства: їх верхів'я могутні, як інші гирла. Пора колискової немочі їм не знайома.

Д. Данин

Історія перша

Залишаючи в 1884 р. кавендішевскую професуру, Релей сам назвав свого наступника. Його вибір схвалили і Кельвін, і Габріел Стокс, і порівняно молодий ще син Чарльза Дарвіна - кембриджський професор математики і астрономії Джордж Говард Дарвін. Були й противники. Один зарубіжний фізик, що проходив практику в Кавендішевской лабораторії, негайно зібрав свої пожитки і відбув на батьківщину: «Безглуздо працювати під керівництвом професора, який всього на два роки старший за тебе». Інший похмуро висловився: «... критичні часи настають в університеті, якщо професорами робляться просто хлопчики!»

«Просто хлопчику» було двадцять вісім років. Через півстоліття у своїх «Спогадах і міркуваннях» він зізнався, що обрання кавендішевскім професором стало для нього несподіванкою приголомшливою: «Я відчував себе, як рибалка, який з дуже легким спорядженням витягнув рибу дуже важку, щоб доставити її до берега».

У початківця дослідника була коротка, але переконлива наукова біографія. Син небагатого видавця, він ріс серед книжок і розвивався швидше за однолітків. Чотирнадцятирічним підлітком він поступив в Манчестерський університет. Професурі прецедент здався небезпечним: «Скоро студентів будуть привозити до нас у дитячих колясках». І щоб уберегтися від такої катастрофи, вони підвищили віковий ценз вступників.

Незвично рано розпочалася і його життя в науці. До дев'ятнадцяти років він вже мав роботу, опубліковану в «Працях Королівського товариства». Тим часом пора студентства була для нього зовсім не безтурботною. Він рано втратив батька. І його постійною турботою стало завоювання усіляких стипендій. Молодий вчений ліпив свою долю власними руками.

Він з'явився в лабораторії в 1880 р., незабаром після урочистого посвячення в «бакалаври з відзнакою». Для цього потрібно було здати грізно-знаменитий кембриджський трайнос - багатоскладовий іспит. Молодий чоловік витримав його блискуче.

Релей звернув на нього увагу відразу. Новий дослідник був плідний і невтомний, завжди повний ідей і дуже проникливий. Перша ж його робота удостоїлася наукової премії імені астронома Адамса. З неї слідувала повна неспроможність існувало тоді уявлення про атоми як вихори в ефірі. Вчений немов розчищав будівельний майданчик для власної майбутньої моделі атома - моделі більш обгрунтованою, але поки ще досить туманною ...

Словом, у Релея були вагомі підстави вірити у свій вибір. Серед кавендішевцев завжди було багато хороших фізиків. Але з їх когорти релєєвськоє пори ніхто, крім нового керівника, не став з часом ученим світового масштабу. Про його правлінні чудово сказав Олівер Лодж: «Наскільки менше знав би світ, якби Кавендішевской лабораторії не існувало на світі, але наскільки зменшилася б слава навіть цієї прославленої лабораторії, якби сер Дж.Дж.Томсона не був одним з її директорів!»

А директорував він тридцять п'ять років беззмінно - до 1919 р. Він створював школу. Він робив відкриття у фізиці і відкривав фізиків. Його одно приваблювали удачі вченого і удачі вчителя. Йому мало було Англії - хотілося, щоб Кавендішевская школа стала світовою. Обставини цьому сприяли. Тут діяла все та ж «зворотний зв'язок» між наукою та історією. У рибалки виявилася казкова мережу, і він зумів доставити до берега безприкладний улов.

Історія друга

У лабораторного столу мовчки працювала людина в домашній куртці. Довготерпіння в сутулуватий нахилі спини. Вкрадливість умілих пальців. Десятки разів він робив цю простеньку операцію і знав: вона не завжди вдається відразу. Досадувати було рішуче не на що: хвилина, дві, і все буде в порядку.

Однак інша людина - в солідному темному костюмі, зі звичною пильністю спостерігав за роботою першого, був цього разу іншої думки. Раптово він кинув на підвіконня важку вересові трубку і рушив до столу. Підняв сильні долоні важких рук і поніс їх перед собою. Владний голос його теж був важким, як руки, і значним, як вся фігура. Перед цією фігурою, покорствуя, розступалися простір:

- Кроу, що ви там копаєтеся! Давайте сюди - я сам ...

Людина в куртці розігнув спину і з подивом подивився на шефа. Мовчки поступився місцем у лабораторного столу і мовчки попрямував до підвіконня - зібрати прокидається із трубки тютюн. Але той же владний голос вдарив його ззаду:

- Не струшуйте стіл!

- Що?! - В подиві обернувся Кроу.

- Не струшуйте стіл!

- Послухайте, сер ... - Розлютився було Кроу, але стримався: він раптом побачив знамениті руки. Вони ... тремтіли. Вперше за вісімнадцять років асистент побачив, що шеф чогось не може. А тим часом знову пролунало грізно-безпорадне:

- Чому ви трясете стіл?!

За вісімнадцять років асистент так і не навчився розпізнавати напади поганого настрою у шефа. Вони були завжди раптові, і їм не знаходилося розумного пояснення. Цього разу Кроу просто побачив причину. І непомітно присунувся до столу. І справді спробував похитнути ногою громіздке лабораторне ристалищі. Шеф скоса глянув на асистента ...

Потім шумно грюкнули двері, і довго затихали в коридорі важкі кроки. Кроу стояв біля вікна, зважуючи на долоні забуту вересові трубку, дивився на старі університетські камені і чекав, коли з'явиться фігура розгніваного шефа. Вона з'явилася, і, як зазвичай, перед нею розступалися простір. Але була в ній не розмашиста разгневанность, а повільна пригнічений. Розгорнувши вікно, Кроу перехилився через підвіконня:

- Сер! Ви забули трубку!

Шеф зупинився. Підняв голову і подивився здивовано. Жестом показав: «Кидайте!» Цього Кроу не очікував. А жест повторився - вже нетерплячий і владний. І Кроу кинув. Шеф зловив трубку на льоту, але не втримав у тремтячих долонях. Нагнувся підняти. Торкнувся пальцями тротуару і розвеселився від думки, що треба б крикнути кому-то: «Чому ви трясете Англію?!» Розігнувся і кивнув на прощання Кроу. Потім усміхнувся про себе і рушив далі за десятиліттями стоптана вуличці.

Так ішов один з двадцяти чотирьох живуть лицарів ордена «За заслуги» - лорд без аристократичної родоводу, барон без родових помість, другий з семи синів безвісного новозеландського фермера і безвісної новозеландської вчительки, один з найбільших творців фізики двадцятого століття - людина, що проникла в атом і вперше побачила його будова, що відкрив атомне ядро ​​і вперше його розщепити, сучасник Альберта Ейнштейна, майже рівний йому за величчю і заслугами перед іншими людьми.

Під весняним небом повільно йшов, віддаляючись, лорд Резерфорд оф Нельсон - залишає життя веселий і серйозна людина з неправдоподібно далеких берегів протоки Кука ...

У 1895 р. в Кембриджі була офіційно заснована своєрідна докторантура. Початківець дослідник міг приїхати звідки завгодно. Томсонівське мрія про світову школі фізиків ставала реальністю. І дуже скоро в триповерховому будинку на тихій Фрі-Скул-лейн зазвучали молоді голоси, говорили по-англійськи із самими несподіваними акцентами. Першим почувся новозеландський. Першим докторантом, що переступили поріг Кавендіша в жовтні 1895 р., був Ернест Резерфорд.

Історія третя

Рано вересневого ранку 1911 молода людина, занурений у свої думки, раптом застиг себе бездіяльно стоять біля якоїсь крамнички. Очі його ковзали по напису на вхідних дверях. В адресі торгової фірми накреслено було «Кембридж», і раптово до його свідомості дійшло, що він дійсно перебуває «у тому самому Кембриджі»! Весь день - а це зовсім не був день його приїзду - він бродив по старому місту і ввечері в недорогому пансіоні місіс Джордж, де йому вдалося влаштуватися, захоплено написав нареченій про своєму ранковому відкритті. ... Він сам вибрав Кавендішевскую лабораторію. З якими надіями готувався він до майбутньої поїздки! На це пішло все літо після захисту дисертації. Усвідомлюючи цінність своєї роботи по електронній теорії, він був упевнений, що в Томсонівське Кембриджі її опублікують.

Томсон представлявся йому великою людиною. Молодий дослідник прочитав, як стверджував згодом, всі його роботи. І височайше цінував ті, що пішли за відкриттям електрона. Особливо присвячені моделі атома. Старовинний Кембридж володів би для нього лише музейної привабливістю, якби його не чекали на вуличці Фрі-Скул-лейн годинник живого спілкування з Джозефом Джоном Томсоном. Тож чи міг він не відправитися на цю вуличку негайно по приїзду? І з відкритою душею ...

... У хвилини першої ж їх зустрічі він поклав перед Томсоном замість своєї дисертації Томсонівське статтю із зазначеними у тексті Томсонівське помилками і радісно вказав на них метру: «Чи не правда, сер Джозеф, як важливо, що помилки виявлені!» Через десять з зайвим років Петро Леонідович Капіца почув у Кавендіш іншу історію. Молодий Нільс Бор, нетвердий в англійській, просто сказав: «Сер Джозеф, ось тут ви написали дурницю!»

Може бути, цим пояснювалося все, що сталося потім?

А поки ... Поки привітно-балакучий Дж. Дж. підкорив двадцятишестирічного Бора так само легко, як свого часу двадцятичотирирічного Резерфорда.

«Томсон захопив мене ...»-це Резерфорд в 1895-му - нареченій Мері Ньютон.

«Я побачив дійсно великої людини ...» - це Бор у 1911-му - нареченій Маргарет Норлунд.

А через день-два, коли його дисертація занурилася нарешті в застарілу плутанину паперів і книг на Томсонівське столі, пішло захоплений лист братові: «... Я тільки що розмовляв з Дж.Дж.Томсона ... Він був дуже милий зі мною ... і запросив мене пообідати в неділю в Трініті-коледжі. Там він збирається повести розмову про мого рукопису ... »

Вони пообідали. Але Томсон розмови не повів. І через тиждень теж. І через два тижні теж. І через місяць. В душі Бора з'явилося почуття безплідно проходить часу. Заглянувши в кабінет Томсона, він, звичайно розсіяний до дрібниць, з пильністю, загостреної очікуванням, негайно визначив, що його рукопис лежить на колишньому місці в оточенні все тих же паперів ... Оптимізму треба було знайти нову опору - колишня початку вислизати. Ось тоді-то Бор побачив Ернеста Резерфорда.

Резерфорд приїхав з Манчестера, де після Монреаля з 1907 р. очолював кафедру в університеті Вікторії. Він говорив багато, і про нього говорили багато. Японський теоретик Нагаока писав: «Мені видається генієм той, хто може працювати з настільки примітивним обладнанням і збирати настільки багату жнива». Японець на початку 1911 р. відвідав Манчестер і бачив ту саму установку, за якої «все, по суті, і почалося». Відкрилося: при бомбардуванні листка золотої фольги не всі альфа-частинки пронизують її наскрізь - інші відкидаються назад! Навіть Резерфорд потім казав: «... То було майже настільки ж неправдоподібно, як якби ви зробили постріл по обривку цигаркового паперу пятнадцатідюймовая снарядом, а він повернувся б назад і влучив у вас».

Резерфорд прийшов до висновку: в глибинах атома є масивна заряджена серцевина. Але з-за її малості тільки рідкісні частки прицільно потрапляють до неї, щоб відбитися тому. Існування атомного ядра була незаперечною. Але лише наприкінці 1910 р. Резерфорд своїм «величезним» голосом оголосив у манчестерської лабораторії: «Тепер я знаю, як виглядає атом!»

Виглядав атом, як сонячна мікросистема: з позитивним ядром у центрі і негативними електронами на планетних орбітах далеко від ядра. За класичними законами, такий пристрій було неможливо: обертання змушувало б електрони, у згоді з законами Максвелла, безупинно випромінювати енергію, а втрата енергії, у згоді з законами Ньютона, призводила б до їх неминучого падіння на ядро. Резерфорд побачив приречений атом. І попередив теоретиків: «Питання про стійкість пропонованого атома на цій стадії не слід піддавати розгляду ...» З'явився теоретично протизаконний, але експериментально обгрунтований планетарний атом.

Можливість заговорити про багату жнив представилася всім. Проте цією можливістю ніхто з теоретиків не скористався. І навіть на тому кавендішевском обіді, в жовтні, слова атомне ядро ​​і планетарний атом не обтяжували дружніх промов. ... Спочатку чинно сиділи за столами. Пили традиційний портвейн і слухали завидні спогади ветеранів. Потім, змінивши англійську стриманість на англійську невимушеність, стали на стільці, схрестили по-дитячому руки і заспівали жартівливі лабораторні пісеньки. І Томсон стояв на стільці. І Резерфорд стояв на стільці. І Бор стояв на стільці. Він не співав разом з усіма, за незнанням слів і мелодій, зате посміхався ніяково й щасливо. Його оптимізм раптом знайшов нову опору.

Бор у всі очі дивився на Резерфорда. Але не тому, що встиг полонити його новими ідеями. Та й був ще захоплений Томсонівське моделлю. Здається, Дж.Дж. сам придумав для неї смачне порівняння: атом схожий на кекс - негативно заряджені електрони-родзинки вкраплені в позитивно заряджене тісто. Воно заповнює всі атомне простір. Проте з цим «позитивно наелектризованим простором» нічого доброго не виходило. Ось і останні досліди резерфордовцев: від пухкого атома з масою, розмазаний по всьому об'єму, альфа-частинки не могли б відображатися тому ...

Кавендішевец Релей-молодший запевняв, що Томсону і самому не дуже подобалася його модель. Але чужі ідеї вже не порушували в ньому інтересу, а критика вже не розбурхувала уваги. Тепер, через двадцять сім років після початку свого кавендішевского «батьківства», він потай видав собі охоронну грамоту на випадок будь-яких домагань «дітей»: «... Молодим людям не слід було б висловлювати всяку всячину. Я знаю про даний предмет набагато більше, ніж вони, і я вже обміркував все ... »

Це слова не самого Дж.Дж. Так в 1962 р., розповідаючи історикам про далеке минуле, сформулював за Томсона його психологічну позицію старий Нільс Бор. А молодий Бор в години кавендішевского обіду всього цього ще не розумів. За його визнанням, на нього справила тоді глибоке враження сама особистість Резерфорда. І почуття вже підказувало йому, що він буде шукати нової зустрічі з цією людиною.

Їх не познайомили під час обіду ... Сталося це в затишній домашній обстановці в Манчестері, в сім'ї професора фізіології Лоуренса Сміта, в ситуації, зрівнює співрозмовників. Так, при мінімальному сприяння випадку в кінці листопада 1911 звела їх життя. Звела для того, щоб дві катастрофи - планківських квант і резерфордівського атом - злилися в єдиний вибух розуміння, щоб фізикам стало ясно дещо важливе про реальні причини речей.

Залишалося попрощатися з Кембриджем. Чутка про від'їзд Бора порушив подив у кавендішевцев. Як і Томсон, вони його «прогавили»: вирушаючи на вокзал на самоті, Бор не залишав на берегах Кема нікого, хто встиг би стати для нього справжнім другом. Через чверть століття, в 1936 р., вісімдесятирічний Дж.Дж. опублікував свої розлогі «Спогади і роздуми». У книзі був параграф «Нільс Бор». Десять рядків стримано-безособового визнання заслуг Бора в побудові теорії атома ...

Може бути, Томсон все забув? Або відчув, що цих спогадів краще не вдаватися?

18 березня 1912 Резерфорд написав з Манчестера старому другові: «Бор, датчанин, покинув Кембридж і з'явився тут ...»

Після того як на самому рубежі XIX-ХХ ст. - В 1900 р. - П'ятдесятитрьохрічний професор з Берліна Макс Планк вперше вимовив слово квант, у фізику увійшло дивне уявлення про своєрідні атомах електромагнітної енергії. Світло став подібний решті матерії. Дробность будови замість безперервності. У рамках класичної фізики осмислити цю новину не вдавалося. І не можна було плекати надію, що в класичному світі знайдеться законне місце для нової універсальної постійної, відкритої Планком. Багато фізиків тоді ще вважали, що вона не більше ніж вигадана величина, яка народилася в теоретичних снах. Планк недарма назвав нову константу «таємничим послом з реального світу».

Який же він, цей реальний світ? Як влаштовані надра матерії, звідки з'явився цей таємничий посол? Всі задавали один одному питання - приватні і загальні. І чим змістовнішим було питання, тим менш задовільний відповідь. А поки ... Поки справи складалися відмінно. Знайшовши розуміння і співчуття, Бор знайшов себе. 12 червня пішло знаменний лист до брата Харальду: «Я почав розробляти маленьку теорію, яка ... можливо, проллє деякий світло на ряд проблем, пов'язаних зі структурою атомів ... »

«Маленька теорія» міцно прив'язала його до столу. Доби раптом перестало вистачати для роботи. Він став добровільним затворником. Багато років по тому, згадуючи Резерфорда, Бор написав: «У ранню пору мого перебування в Манчестері ... я прийшов до переконання, що будова електронного рою у резерфордівського атомі управляється квантом дії (постійної Планка ...)»

Однак далеко не битим виявився шлях від вірно угаданного принципу до життєздатної теорії. Бор казав, Резерфорд мовчав. Він не хотів вникати в математичні подробиці, а фізичними не був задоволений. Але Бор не почув: «Ідіть-но додому, мій хлопчик». Крім антірезерфордовского ради «не поспішати», Бор почув цілком резерфордівського напуття: кинути метушню зі складними атомними системами, а віддатися простої - водневого атому ... Прощалися вони недовго, і виглядало це так, точно Бор нікуди не виїжджав, а тільки залишав на чверть години аудиторію, оскільки пролунав дзвінок на перерву ...

Повернення з Англії восени 1912 р. стало для Бора пам'ятним кордоном. Тепер у нього з'явилася посада в Копенгагенському університеті: асистент професора Кнудсена. Але професор відчував з першого дня: його асистент, будучи присутнім, насправді відсутній. І через деякий час він погодився - на прохання Бора - надати його самому собі ... Між 3 та 5 лютого 1913 р. в історію фізики на хвилину заглянув товариш Бора по студентських занять - Ханс Маріус Хансен. Бор казав, що Хансен виявився тоді в Копенгагені «єдиним фізиком, якому цікаві були ці речі». І серце його нового слухача-спектроскопіста здригнулося від надії ...

- А спектри? - Раптом запитав Хансен. - Як твоя теорія пояснює спектральні формули?

- Спектральні формули?!

- Тобі необхідно подивитися ці формули. Ти побачиш, з якою чудовою простотою вони описують спектри!

- Я подивлюся ...

Вони попрощалися ...

Шкільному вчителю, швейцарцеві Йогану Якобу Бальмер було шістдесят років, коли в 1885 р. він опублікував свою формулу - плід великого довготерпіння. Він не знав про пристрій атома нічого і мав у своєму розпорядженні лише таблицею даних про довжини світлових хвиль в спектрі водню. Але, побачивши цю формулу, Бор вже не міг від неї відірватися. А Леон Розенфельд засвідчив: «Він говорив мені не раз:" Як тільки я побачив формулу Бальмера, всі негайно прояснилося переді мною "».

Що ж побачив Бор? Сходи дозволених Природою рівнів енергії в атомі. Рухатися по таких сходах можна було лише зі сходинки на сходинку. Затриматися між сходинок Природа не дозволяла. Крім електрона нікому бути її будівельником. І крім його планетних орбіт нічому служити її сходинками. Сходи дозволених рівнів енергії побачилася як павутина дозволених електронних орбіт. Чим далі від ядра пролягає орбіта - тим вище енергія атома. Чим ближче до ядра, тим нижче енергетична сходинка. На кожній з них, до моменту випускання кванта електрон всупереч класиці нічого не випромінює. А в момент випускання він звалюється вниз, і його підхоплює інша, більш близька до ядра орбіта. І він починає тепер обертатися на ній, знову не випромінюючи. А квант покидає атом у процесі самого перескока електрона. І тільки від глибини падіння з орбіти на орбіту залежить величина відлітає кванта - його частота. Або колір спектральної лінії. Серед орбіт електрона є перша. Нижче - ядро. З цією нижній орбіти електрону нікуди падати. І він може обертатися на ній безстроково. Її радіус і задавав нормальний розмір атома.

... Він з'явився в добре знайомий будинок на Уілмслоу-роуд прямо з вокзалу. Резерфорд були в той буденний вечір не одні. У них зупинився давній друг з Монреаля - професор Ів. Ім'я Бора нічого не сказало Іву. І тому йому особливо запам'яталася поспішність, з якою господар негайно відвів молодого гостя до себе в кабінет ... Все подальше відбувалося без свідків. Час минав вечір за вечором. Але навряд чи це мучило обох. Їм солодко було обтяжувати свої голови роздумами про реальну природу речей. І обидва назавжди запам'ятали ті вечори, ті березневі вечори, на які в них було достатньо підстав не щадити часу.

... Між тим скінчився березень, почався квітень. Вітер над Північним морем з усіх сил сповіщав весну. І в абсолютно весняному настрої повертався додому доктор філософії Копенгагенського університету Нільс Бор. Помічена датою 5 квітня 1913 і забезпечена благословенням члена Королівського суспільства Резерфорда, перша його стаття про квантову конституції атома вже тримала шлях до редакції «Philosophical Magazine». Чи знав він, що ця стаття стане початком нової епохи в теоретичному пізнанні мікросвіту? Напевно!

«Краєчком істини» назвав Ейнштейн те, що йому відкрилося в Природі. «Шматочком реальності» назвав Бор те, що Природа відкрила йому.

Література

1. Д. Данин. Нільс Бор / / Серія ЖЗЛ. - М.: Молода гвардія, 1978.

2. Д. Данин. Резерфорд / / Серія ЖЗЛ. - М.: Молода гвардія, 1966.

3. Д. Данин. Резерфорд і Бор. - Природа, 1966, № 4, 5.

4. Лоуренс У. Люди й атоми. - М.: Атоміздат, 1966.

5. Капіца П. Мої спогади про Резерфорді. - Новий світ, 1966, № 8.


Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Реферат
42.5кб. | скачати


Схожі роботи:
Становлення радіотехнічної теорії від теорії до практики На прикладі технічних наслідків з відкриття
Становлення економічної теорії
Становлення та розвиток економічної теорії
Становлення і розвиток економічної теорії
Становлення і значення теорії пізнання у філософії
Становлення неокласичної традиції в економічній теорії
Становлення марксизму як теорії класової боротьби пролетаріату
Гуманістичні теорії особистості Педагогіка як наука її становлення і розвиток
Будова атома
© Усі права захищені
написати до нас