Лучи и частицы

В 1908 г. У.-Г. Брэгг, наблюдая появление электронов под действием рентгеновского излучения, пришел к выводу, что оно представляет собой поток частиц. Тогда же М. Лауэ предложил опыт прохождения этих лучей через кристалл, рассчитывая получить диффракционную волновую картину, если расстояние между атомами в кристалле будет того же порядка, что и длина рентгеновской волны. Его предположение оправдалось. Рентгеновские лучи оказались волнами!

Расшифровать получаемые таким путем диффракционные картины смогли в 1913 г. сын Б.-У. Брэгга Уильям Лоуренс Брэгг (1890–1971) и независимо от него русский кристаллограф Георгий (Юрий) Викторович Вульф (1863–1925), пионер рентгено-структурных исследований в России. Они вывели формулу (Брэгга – Вульфа), связывающую длину волны рентгеновского излучения с периодом кристаллической решетки кристалла. Она позволяет исследовать структуру вещества.

Этот метод через полвека позволил открыть «двойную спираль» молекулы ДНК, определяющей наследственные признаки.

Брэгг Уильям Генри

Брэгг Уильям Генри (1862–1942) – английский физик, окончил Кембриджский университет. С 1886 г. – профессор Аделаидского университета (Австралия), с 1909 г. – в Лидсе (Англия), с 1915 г. – в Лондоне. Член Лондонского королевского общества с 1906 г. и президент с 1935 г. по 1940 г. Вместе с сыном Уильямом Лоуренсом в 1913 г. использовал диффракцию рентгеновских лучей для изучения структуры кристаллов. Оба ученых были за это удостоены Нобелевской премии (1915).

Лауэ Макс Феликс Теодор

Лауэ Макс Феликс Теодор (1879–1960) – немецкий физик. Учился в Гёттингенском, Мюнхенском, Берлинском университетах. С 1905 г. – ассистент М. Планка в Институте теоретической физики, с 1912 г. – профессор университетов Швейцарии, Германии. Директор Кайзер-Вильгельм института физики в Гёттингене (1946–1951), затем директор Кайзер-Вильгельм института физической химии в Берлине.

Разработал теорию диффракции на кристаллах рентгеновских лучей, предполагая волновые свойства последних (Нобелевская премия, 1914), что было подтверждено опытами. Автор трудов по сверхпроводимости, теории относительности, атомной физике, квантовой механике, истории физики.

Нернст Вальтер Герман

Нернст Вальтер Герман (1864–1941) – немецкий физик, физико-химик. Учился в университетах Цюриха, Берлина, Граца и Вюрцбурга. С 1890 г. приват-доцент Геттингенского, с 1905 г. – профессор Берлинского университета, директор его Физического института (1924–1933). Почетный член АН СССР (1926).

Совместно с А. Эттингсхаузеном открыл в 1886 г. эффект (названный их именами) появления под действием магнитного поля электрического поля в проводниках, в которых имеется градиент температуры. Установил зависимость электродного потенциала от состава раствора (1988).

Сформулировал, основываясь на опытах, теорему, называемую третьим началом термодинамики (1906): энтропия химически однородного твердого или жидкого тела при абсолютном нуле температуры равна нулю. Или: при стремлении температуры системы к абсолютному нулю энтропия ее приближается к нулю; так как энтропия не может исчезнуть, то и абсолютный нуль температуры недостижим.

Нобелевская премия по химии (1920) «в знак признания его работ по термохимии».

Минковский Герман

Минковский Герман (1864–1909) – немецкий математик, физик. Родился в местечке Алексоты близ Ковно, окончил Гёттингенский университет. С 1893 г. – профессор университетов в Бонне, Кёнигсберге, Цюрихе, Гёттингене. Использовал геометрические методы для решения трудных задач теории чисел. Разрабатывал теории многогранников и геометрию выпуклых тел, а также проблемы математической физики, гидродинамике, теории капиллярности.

В работе «Пространство и время» (1909) ввел понятие четырехмерного пространства-времени и дал геометрическую версию кинематики специальной теории относительности. Развернул в четырехмерном пространстве-времени уравнения Максвелла.

Смолуховский Мариан

Смолуховский Мариан (1872–1917) – польский физик. Окончил Венский университет; с 1895 г. работал в университетах Парижа, Глазго, Берлина; с 1900 г. – профессор Львовского университета, с 1913 г. – Краковского. В работе «Кинетическая теория броуновского молекулярного движения в суспензии» (1906) установил количественные показатели этого явления, представив его как результат универсального теплового движения молекул окружающей среды (закон Эйнштейна-Смолуховского). Открыл явление скачка температуры у твердой поверхности в газовой среде, характерное для разреженных газов. Работы Смолуховского в области статистической физики послужили основой для кинетической теории коллоидных систем.

Перрен Жан Батист

Перрен Жан Батист (1870–1942) – французский физик, физико-химик. Окончил Нормальную школу в Париже. С 1910 г. – профессор Парижского университета, с 1923 г. – член Парижской АН, с 1929 г. – почетный член АН СССР. После капитуляции Франции фашистами в 1940 г., эмигрировал в США.

Он доказал, что катодные лучи – поток отрицательно заряженных частиц (1895). Исследуя броуновское движение коллоидных частиц с помощью ультрамикроскопа, отметил: их плотность возрастает сверху вниз без осаждения на дно. Такое состояние эмульсий позволило посчитать количество молекул в заданном объеме жидкости и определить число Авогдаро (оно оказалось примерно таким же, как вычисленное другими методами). Было бесспорно доказано существование атомов и молекул; подтвердилась молекулярно-статистическая теория броуновского движения Эйнштейна-Смолуховского.

Изучая методом интерференции строение мыльных пленок, Перрен показал, что наименьшая их толщина соответствует двум молекулярным слоям и любая подобная пленка состоит из четного числа таких слоев.

Дж. Дж Томсон в начале ХХ в. предложил модель атома в виде булки с изюмом: положительно заряженная сфера с вкраплением электронов. Перрен предложил планетарную модель атома, которая успешно разрабатывалась в дальнейшем. Он написал теплое предисловие к русскому переводу (1924) своей главной книги «Атомы» (1913) и всегда выступал за дружбу между народами и справедливость.

Нобелевскую премию по физике Жан Перрен получил «за работы по исследованию структуры вещества и прежде всего за открытие седиментационного равновесия (1926). В том же году лауреатом этой премии по химии стал Теодор Сведберг «за работы по дисперсным системам». И тот, и другой ученый работали с коллоидами, более того, изучали броуновское движение. Так на атом но-молекулярном уровне сблизились научные методы и теории химиков и физиков.

Сведберг Теодор

Сведберг Теодор (1884–1972) – шведский физико-химик, изобретатель. С 1912 г. – профессор Упсальского университета, с 1949 г. – директор Института ядерной химии в Упсале. Первые работы посвящены изготовлению коллоидных систем (1905). В следующем году он экспериментально подтвердил теорию броуновского движения Эйнштейна-Смолуховского на коллоидных объектах. В 1922 г. сконструировал ультрацентрифугу для изучения скорости осаждения коллоидных частиц в поле центробежной силы и других опытов. Данный метод получил широкое распространение в лабораторной практике.

В начале ХХ в. ученые придавали огромное значение доказательству существования атомов и молекул. Даже крупный физико-химик В. Оствальд считал их призраками, придуманными для объяснения ряда явлений. Но как честный человек, он отказался от своей точки зрения, когда опыты Перрена, Сведберга, Смолуховского доказали ее ошибочность.

Резерфорд Эрнест

Резерфорд Эрнест (1871–1937) – английский физик, лорд Нельсон (титул получен за научные заслуги). Родился в семье мелкого фермера в Новой Зеландии. Учился на родине за счет стипендий, окончил университет. Переехав в Англию (1894), работал в Кавендишской лаборатории (Кембридж) под руководством Дж. Дж. Томсона. Проявил себя блестящим экспериментатором и вдумчивым теоретиком с нестандартным мышлением. В 26 лет стал профессором физики в Монреальском университете (Канада); выполнил ряд блестящих работ по радиоактивности. В 1907 г. вернулся в Англию, преподавал в Манчестере и Кембридже, руководил Кавендишской лабораторией.

Изучая ионизацию газов, Резерфорд обнаружил ток насыщения при прохождении электричества через газ. Установил существование альфа– и бета-лучей, выяснил их свойства (1899), открыл радиоактивный элемент – эманацию тория (1900), предложил новую модель строения атома, заложил основы учения о радиоактивности. В 1919 г. впервые расщепил атомное ядро; предсказал существование нейтрона, нейтральной элементарной частицы, которую экспериментально обнаружил его ученик Дж. Чедвик. Резерфорд был удостоен Нобелевской премии по химии «за исследования по расщеплению элементов и химии радиоактивных веществ» (1908).

Эрнест Резерфорд

На примере Склодовской-Кюри, Нобелевского лауреата по физике и химии, Курнакова, Перрена и Сведберга, Резерфорда видно, как с переходом на атомный уровень тесно переплелись исследования в этих двух науках. Физические приборы позволяли проникнуть в глубины материи. Важную роль сыграли рентгеновские лучи, когда была доказана их волновая природа.

Характерное высказывание М. Джуа: «В 1914 г. молодой английский физик Г. Мозли сделал важное для химии открытие. Применяя в качестве антикатода различные элементы, он нашел, что чем больше атомный вес элемента, тем меньше длина волны рентгеновских лучей. Если расположить элементы по длине волны, можно сопоставить им целые числа, которые обратно пропорциональны корням квадратным из их длин волн. Эти числа составляют теперь основу классификации элементов и называются атомными номерами».

Таблица Менделеева благодаря новым представлениям о структуре атома приобрела законченный вид, которого не предполагал ее создатель. Она предваряла будущее на десятилетия вперед.

Оказалось, что в одной клетке этой системы может находиться несколько обитателей. Ф. Содди назвал их «изотопами» (в переводе с греческого «одноместные»). У них в атомных ядрах одинаковое количество протонов (позитронов?), определяющих положительный заряд и химические свойства, но разное число нейтронов, что сказывается на атомном весе.

Содди Фредерик

Содди Фредерик (1877–1956) – английский физико-химик. Окончил Оксфордский университет. Работал в лаборатории Монреальского университета у Э. Резерфорда (1900–1902), затем в Лондоне под руководством У. Рамзая. С 1904 г. – профессор университетов в Глазго, Абердине, Оксфорде.

Совместно с Резерфордом в 1903 г. предложил теорию радиоактивного распада при самопроизвольном превращении элементов, излучающих атомную энергию. Ввел понятие об изотопах (1913). В том же году он и независимо от него Казимир Фаянс (1887–1975), польский и американский ученый, сформулировали правило смещения, позволяющее предсказать место продукта радиоактивного распада в периодической системе. Совместно с Рамзаем доказал образование гелия из эманации радия (1915). Содди получил Нобелевскую премию по химии «за его вклад в изучение химии радиоактивных веществ и исследование процессов образования и природы изотопов» (1921).

Ган Отто

Ган Отто (1879–1968) – немецкий физик, радиохимик. Окончил университеты в Мюнхене и Марбурге, где с 1902 г. работал ассистентом.

С 1912 г. – член Кайзер-Вильгельм института химии (Берлин-Далем), с 1928 г. – директор этого института. С 1945 г. работал в США. Через год возглавил Общество Макса Планка в ФРГ.

Он открыл радиоактивные изотопы: радиоторий, ионий, мезоторий, а с австрийкой Лизе Майтнер (1878–1968) – элемент протактиний. В 1938 г. вместе с ассистентом Фрицем Штрассманом обнаружил среди продуктов распада, полученных бомбардировкой нейтронами урана и тория, элемент барий. а в следующем году предположил, что ядро урана делится на две части. Позже выяснилось, что при этом выделяется огромное количество энергии. Ган использовал радиоактивность для определения возраста минералов, горных пород.

Нобелевская премия «за открытие деления ядер тяжелых атомов» (1944).

Вавилов Сергей Иванович

Вавилов Сергей Иванович (1891–1951) – советский физик, историк и организатор науки. Родился в Москве в семье коммерсанта. Окончив Московский университет, работал в лаборатории П. Н. Лебедева. С 1914 г. по 1918 г. состоял на военной службе в инженерных частях, затем преподавал в МГУ (с 1929 г. – профессор). Академик АН СССР с 1932 г. Директор Физического института АН СССР, научный руководитель Государственного оптического института. Инициатор и первый председатель Всесоюзного общества «Знание». Президент АН СССР с 1945 г. Лауреат Сталинских премий (1943, 1946, 1951, 1952).

С. И. Вавилов

Он создал фундаментальные труды по физической оптике, люминесценции. Под его руководством открыто свечение жидкостей под воздействием сверхбыстрых заряженных частиц (излучение Черенкова – Вавилова). Автор исследований по истории и философии науки.

Мозли Генри

Мозли Генри (1887–1915) – английский физик. Биография его трагически коротка. Окончив Оксфордский университет, в том же 1910 г. начал работать в лаборатории Манчестерского университета под руководством Э. Резерфорда. В 1913 г. установил связь длин волн жесткого рентгеновского излучения различных элементов с их атомными весами (закон Мозли). Сообщение об этом открытии было опубликовано в 1914 г., а в августе следующего года Мозли был убит во время военной кампании в Дарданеллах.

Вспомним фрагмент нобелевской речи Пьера Кюри, приведенный выше. Генри Мозли погиб от убийственных последствий изобретения Нобеля на взлете своего таланта, так и не успев получить Нобелевской премии, которой был достоин.

В оправдание Нобеля можно сказать, что и без него динамит и бездымный порох были бы изобретены. Так же как позже создали атомную бомбу, которую США испытали, спалив 200 тысяч мирных жителей двух японских городов.