История и методология химии. История становления учения о сложном строении атома: Учебно-методическое пособие

М И Н И СТ Е РСТ В О О Б РА ЗО В А Н И Я РО ССИ Й СК О Й Ф Е Д Е РА Ц И И В О РО Н Е Ж СК И Й ГО СУ Д А РСТ В Е Н Н ЫЙ У Н И В Е РСИ Т Е Т

И СТ О РИ Я И М Е Т О Д О ЛО ГИ Я ХИ М И И

И стор ия становления учения о сложном стр оении атома У ч ебно– м ет од и ч ес кое пос оби е д ля с т уд ент ов пос пеци а льнос т и : 011000 - Химия ш и ф р поуч ебном у пла ну ГСЭ Ф .07.

В О РО НЕ Ж

2

2003 У т в е рж де на научно -ме т о диче ским со в е т о м химиче ско го факульт е т а Про т о ко л № 5 о т 18 март а 2003 г.

С о ст ав ит е ли: М ит т о в а И.Я. С амо йло в А.М . Научн. ре д. про фе ссо р кафе дры не о рганиче ско й химии В ГУ У гай Я.А.

У че бно -ме т о диче ско е по со бие по дго т о в ле но на кафе дре не о рганиче ско й химии химиче ско го факульт е т а В о ро не ж ско го го сударст в е нно го унив е рсит е т а. Ре ко ме ндуе т сядляст уде нт о в 4 курса дне в но го и в е че рне го о т де ле ния химиче ско го факульт е т а

3

СО Д Е РЖ А Н И Е С т р.

В в е де ние . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 ГЛАВ А 1. Е ст е ст в е нно - научные о т крыт ия, ре зульт ат ы ко т о рых ле гли в о сно в у со зданият е о рии сло ж но го ст ро е нияат о ма . . . . 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8.

О т крыт ие кат о дных луче й . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 О т крыт ие эле ктро на . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Ф о т о эле ктриче ский эффе кт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Ре нт ге но в ско е излуче ние . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 О т крыт ие е ст е ст в е нно й радио актив но ст и . . . . . . . . . . . . . . . . 10 О т крыт ие про т о на и не йт ро на . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 К рат кие био графиче ские данные уче ных . . . . . . . . . . . . . . . . 15 В о про сы длясамо ко нт ро лякГлав е 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

ГЛАВ А 2. Пе рв ые мо де ли сло ж но го ст ро е нияат о ма . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1. С т ат иче скаямо де ль Д ж . Д ж . Т о мсо на . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2. О пыт Ре зе рфо рда. Плане т арнаямо де ль ат о ма . . . . . . . . . . . 20 2.3. Зако н М о зли . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.4. По ст улат ы Нильса Б о ра. М о де ль ат о ма в о до ро да . . . . . . . . 23 2.5. К рат кие био графиче ские данные уче ных. . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.6. В о про сы длясамо ко нт ро лякГлав е 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31 ГЛАВ А 3. Заро ж де ние и ст ано в ле ние квант о в о й ме ханики . . . . . . . . . . . . 31 3.1.К рат кие био графиче ские данные уче ных. . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.2. В о про сы длясамо ко нт ро лякГлав е 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Лит е рат ура

4

Э ле ктро н до лж е н быт ь до минирую щ им факто ро м в химиче ско й т е о рии, и нуж но искат ь о бъясне ния химиче ским яв ле ниям, по льзуясь пре дст ав ле ниями т е о рии эле ктро но в .

Д ж . Д ж . Т омс он

В В Е Д Е НИЕ К о гда дре в не гре че ские фило со фы-мат е риалист ы Ле в кипп и Д е мо крит в пе рв ые ст али о бсуж дат ь по нят ие “ ат ом” (ατωµωσ), о ни пре дст ав ляли е го как ме льчайш ую ко не чную не де лимую част ицу в е щ е ст в а. Д ля Д е мо крит а в се ат о мы были по до бны, не де лимы, не сж имае мы, не име ли начала и ко нца. О дна из о т личит е льных ст о ро н ат о мист иче ско й сист е мы Д е мо крит а со ст о ит в до пущ е нии сущ е ст в о в ания пуст о т ы. К аксле дст в ие о т сю да в ыт е кало по нят ие о н е пре ры вн ос т и мат е рии. Д руго й в аж но й ст о ро но й эт о го уче ния яв ляе т ся ут в е рж де ние о принципе причинно ст и. К ак ни парадо ксально , в се в ысказыв ания дре в не гре че ско го фило со фамат е риалист а о т но сит е льно ат о ма зв учат удив ит е льно со в ре ме нно . О днако для бо льш инст в а со в ре ме ннико в Д е мо крит а (и о со бенно дляАрист о т е ля) по нят ие о мат е риально й част ице , ко т о рую не льзя расщ е пит ь на бо ле е ме лкие част ицы, казало сь чре зв ычайно парадо ксальным. О со знат ь и принят ь эт и ко нце пции Д е мо крит а о ни т аки не смо гли. Т е м не ме не е , не льзя кат е го рично ут в е рж дат ь, чт о е го уче ние было по лно ст ью о т в е ргнут о . Ж ив ш ий по здне е дре в не гре че ский фило со ф Э пикур испо льзо в ал эле ме нт ы ат о мизма Д е мо крит а в св о е м уче нии. Э пикуре йцы име ли не мало прив е рж е нце в и в по сле дую щ ие в е ка. О дним из них был дре в не римский по эт Т ит Лукре ций К ар. О н изло ж ил в згляды Д е мо крит а и Э пикура в св о е й по эме “ О приро де в е щ е й” , по мне нию мно гих, лучш е й из ко гда либо написанных дидактиче ских по эм. Не смо т ря на т о , чт о о ригиналы т рудо в Д е мо крит а и Э пикура были ут раче ны (о ст ались лиш ь о брыв ки цит ат ), по эма Лукре ция со хранилась по лно ст ью и до не сла ат о мист иче ско е уче ние до т е х дне й, ко гда по яв ились но в ые научные ме т о ды, ко т о рые и прив е ли ат о мизм ко ко нчат е льно й по беде . Практиче ски дв е т ысячи ле т в умах уче ных го спо дст в о в али пре дст ав ле ния Арист о т е ля о че т ыре х эле ме нт ах. В т е че ние чре зв ычайно длит е льно го по в ре ме ни алхимиче ско го пе рио да разв ит ие химиче ских знаний про исхо дило в усло в иях безусло в но го до миниро в ания Арист о т е ле в ых в о ззре ний на ст ро е ние о круж аю щ е го мира.

5

Т е м не ме не е , ист о риянауки св иде т е льст в уе т , чт о в сре дне в е ко в о й Е в ро пе сущ е ст в о в али ре дкие приме ры со хране ния и даж е о пре де ле нно го разв ит ия ат о мист иче ско й ко нце пции ант ичных мат е риалист о в . Е щ е в 1348 г. по приго в о ру суда в Париж е о т о пре де ле нных ат о мист иче ских ко нце пций заст ав или о т ре чься сре дне в е ко в о го французско го фило со фа Нико ла д’О т ре кура. К ат о личе ская це рко в ь со чла яв но й е ре сью е го в ысказыв ание , чт о “ ... в яв ле ниях приро ды не т ниче го ино го , кро ме дв иж е ния ат о мо в , ко т о рые со е диняю т сяи разъе диняю т ся” . О дин из крупне йш их пре дст ав ит е ле й сре дне в е ко в о го не о плат о низма Нико лай К узанский со ст ав ил т рактат о бат о мизме . В эт о й книге о н в пе рв ые указал на от н ос ит е льн ос т ь пон я т ия ат ома. Иде и Нико лаяК узанско го о казали сущ е ст в е нно е в лияние на фо рмиро в ание фило со фских в зглядо в в е лико го мыслит е ля эпо хи В о зро ж де ния - Д ж о рдано Б руно . Д ж . Б руно счит ал, чт о в се т е ла со ст о ят из не изме няе мых и не про ницае мых ат о мо в , ко т о рых о н назыв ал мон ад ами. В е сь в е щ е ст в е нный мир е ст ь ре зульт ат со е дине ния эт их пе рв ичных эле ме нт о в . О т но сит е льно де лимо ст и в е щ е ст в а Д ж . Б руно в про т ив о по ло ж но ст ь Арист о т е ле в о й т е о рии ут в е рж дал, чт о о но не мо ж е т про до лж ат ься до беско не чно ст и. Ат о мист иче ские пре дст ав ле ниямыслит е ле й эпо хи В о зро ж де нияне смо гли в ылит ься в наст о ящ ую научную до ктрину. О днако их значе ние со ст о ит в т о м, чт о о ни прив ле кли в нимание к про бле ме дискре т но ст и по сле дую щ ие по ко ле ния уче ных. Их ат о мист иче ские т руды не по гибли по лно ст ью , а по служ или т ро пинко й, в е дущ е й о т ант ично ст и кнаучно му в о зро ж де нию в XVII - XVIII в е ках. В начале XIX ст о ле т ия в о ззре ния ант ичных фило со фо в -мат е риалист о в были по дде рж аны ат о мно й т е о рие й Д ж о на Д альт о на. На про т яж е нии практиче ски в се го XIX в е ка уче ные счит али ат о м ме льчайш е й част ице й в е щ е ст в а, не име ю щ е й в нут ре нне го ст ро е ния. О днако в ре зульт ат е о смысле ния но в ых экспе риме нт альных данных эт а т о чка зре ния была о т в е ргнут а. Ре в о лю цио нный пе ре смо т р т е о ре т иче ских пре дст ав ле ний о с т рое н ии ат ома про изо ш е л на о сно в е анализа экспе риме нт альных факто в , по луче нных пре имущ е ст в е нно уче ными - физиками в про це ссе в се ст о ро нне го и прист ально го изуче нияприро ды эле ктриче ско го т о ка.

6

ГЛА В А 1. Е стественно- научны е отк р ы тия, р езультаты к отор ы х легли в основу создания теор ии сложногостр оения атома 1.1. О тк р ы тиек атодны х лучей Начиная со в т о ро й че т в е рт и XIX ст о ле т ия, изуче ние эле ктриче ст в а ст ано в ит ся о дно й из актуальных про бле м для уче ных - физико в . К эт о му в ре ме ни было уст ано в ле но , чт о пе ре ме щ е ние зарядо в про исхо дит лиш ь в т о м случае , е сли ме ж ду дв умя т о чками в о зникае т разно ст ь эле ктриче ских по т е нциало в . Т аким о бразо м, направ ле нно е дв иж е ние зарядо в (эле кт риче с кий т ок) ст ре мит ся срав нят ь значе ния по т е нциало в ме ж ду дв умя т о чками эле ктриче ско го по ля. У че ные о пре де лили, чт о эле ктриче ский т о кв принципе мо ж но про пуст ит ь че ре з лю бо й мат е риал не зав исимо о т е го агре гат но го со ст о яния. Глав ным в эт о м про це ссе яв ляе т ся в е личина разно ст и по т е нциало в (напряж е ние ) ме ж ду дв умят о чками эле ктриче ско го по ля. Наприме р, ме т аллы в т в е рдо м и расплав ле нно м со ст о янии хо ро ш о про в о дят эле ктриче ский т о кдаж е при не бо льш о й разно ст и по т е нциало в . Д ругие в е щ е ст в а, наприме р, ст е кло , хруст аль, слю да, алмаз, крист аллы различных со ле й пло хо про в о дят эле ктриче ст в о . Не о бхо димо прикладыв ат ь о гро мную разно ст ь по т е нциало в , чт о бы сде лат ь эт и в е щ е ст в а про в о дящ ими. Т е м не ме не е , удало сь уст ано в ит ь, чт о расплав ы и в о дные раст в о ры со ле й срав нит е льно ле гко про в о дят эле ктриче ст в о . Д ля физико в XIX в е ка в е сьма заманчив о й пре дст ав лялась иде я про пу-ст ит ь эле ктриче ский т о к че ре з в акуум. Э кспе риме н-т ы М айкла Ф араде я в эт о м направ ле нии зако нчились не удаче й, глав ным о бра-зо м, по т о му, чт о е му не удало сь до ст ичь до ст ат о ч-но глубо ко го разре ж е ния. Нако не ц английско му физику У ильяму К руксу1 Рис. ско нст руиро в аннаяУ . К руксо м дляизуче ниякат о дных луче й:

1.

1 – кат о д; 2 – пе рфо риро в анный ано д; 3 – о т кло няю щ аясист е ма; 4, 5 – св е т ящ ие сяпят на на лю мине сце нт но м экране ; 6 - ст е клянный со суд.

Т рубка,

7

удало сь ско нст руиро в ат ь ст е клянные со суды, в ко т о рых мо ж но было 1

В ко нце каж до й Глав ы прив е де ны крат кие био графиче ские данные уче ных.

по лучит ь до ст ат о чно глубо кий в акуум (рис. 1). С о здав в т ако й разрядно й т рубке низко е дав ле ние и в ысо ко е напряж е ние U > 1500 В , мо ж но было по лучит ь по т о к луче й, испускае мых о т рицат е льно заряж е нным эле ктро до м. С ущ е ст в о в ание кат од н ы хлуче й было про де мо нст риро в ано в 70-х го дах XIX в е ка в це ло м ряде э кспе риме нт о в , ко т о рые в ыпо лнили У . К рукс и не ме цкий физикЭ уге н Го льдш т е йн. С т ало по нят но , чт о эле ктриче ский т о кв о зникае т на кат о де и дв иж е т ся кано ду, где ударяе т ся в ст е кло и со здае т св е че ние . Э т о т о пыт по казал о ш ибо чно ст ь сущ е ст в о в ав ш е го е щ е со в ре ме н Б е нж даме на Ф ранклина мне ния, чт о эле ктриче ский т о к про т е кае т о т по ло ж ит е льно го по лю са к о т рицат е льно му. О днако в т о в ре мя уче ные не мо гли о дно значно о пре де лит ь приро ду данно го яв ле ния. Иссле до в ат е ли кат о дных луче й приде рж ив ались дв ух о сно в ных т о че к зре ния. С о гласно пе рв о й из них, кат о дные лучи пре дст ав ляю т со бо й о дну из разно в идно ст е й св е т а и о бладаю т в о лно в ым характе ро м. С о гласно в т о ро й гипо т е зе , эт и лучи мо гут яв лят ься част ицами, дв иж ущ имися с о гро мно й ско ро ст ью . В по льзу эт о го в о ззре ния св иде т е льст в о в ал о пыт У . К рукса, в ко т о ро м кат о дные лучи в ращ али кро хо т ную т урбинку, по дв е ш е нную на ст е клянно й нит и. В т е че ние дв адцат и ле т уче ные не мо гли прийт и ке дино му мне нию . Не ме цкие физики ре ш ит е льно по дде рж ив али в о лно в ую в е рсию приро ды кат о дных луче й, а английские уче ные не ме не е эне ргично о т ст аив али пре дпо ло ж е ние о бих ко рпускулярно й приро де . 1.2. О тк р ы тиеэлек тр она Английский физик Д ж о зе ф Д ж о н Т о мсо н 2 (рис. 2), про до лж ив экспе риме нт ы с кат о дными лучами, по ст ав ил т о чку в зат янув ш е й дискуссии ме ж ду не ме цкими и брит анскими уче ными. В св о их о пыт ах Д ж . Д ж . Т о мсо н усо в е рш е нст в о в ал т рубку К рукса, снабдив е е до по лнит е льно от клон я ющ е й с ис т е мой (рис. 1), ко т о рая яв ляе т ся про о бразо м о т кло няю щ их сист е м со в ре ме нных т е ле в изо ро в и ко мпью т е рных мо нит о ро в . Пят но , ко т о ро е по лучало сь на лю мине сце нт но м экране при по падании кат о дных луче й, мо ж но было сме щ ат ь в ст о ро ну по д де йст в ие м в т о ричных эле ктро до в или по д де йст в ие м магнит но го по ля, направ ле н-но го

8

пе рпе ндикулярно эле ктриче ско му по лю .

На о сно в ании т аких наблю де ний

Рис. 2. Д ж о зе ф Д ж о н Т о мсо н.

Д ж . Д ж . Т о мсо н приш е л к в ыв о ду, чт о кат о дные лучи пре дст ав ляю т со бо й по т о ко т рицат е льно заряж е нных част иц, по инициат ив е ирландско го физика Д ж о рдж а Д ж о нст о на С т о уни3 назв анных эле кт рон ами. В 1894 г. Т о мсо ну удало сь изме рит ь ско ро ст ь эт их заряж е нных част иц, ко т о рая о казалась в 2000 раз ме ньш е св е т о в о й, чт о яв ило сь убедит е льным до в о до м в по льзу ко рпускулярно й гипо т е зы. Про в о дя изме ре ния напряж е нно ст и эле ктриче ско го и магнит но го по ле й, а т акж е со о т в е т ст в ую щ их о т кло не ний св е т ящ е го ся пят на, Т о мсо н смо г в ычислит ь о т но ш е ние заряда эле ктро на ке го массе (e/me). О н уст ано в ил, чт о не зав исимо о т т о го , како й газ испо льзо в ался для напо лне ния разрядно й т рубки, значе ние e/me о ст ав ало сь не изме нным. Э т и факты по зв о лили Т о мсо ну в 1897 г. придт и к в ыв о ду, чт о ат о мы в се х эле ме нт о в со де рж ат эле ктро ны. Т аким о бразо м, в 1897 г. было заре гист риро в ано от кры т ие эле кт рон а. В 1909 г. аме риканский физикРо берт Э ндрю с М илликен 4 (рис. 3) о сущ е ст в ил блист ат е льный экспе риме нт , ре зульт ат о м ко т о ро го яв ило сь о пре де ле ние в е личины заряда эле ктро на. В эт о м о пыт е Р. Э . М илликен со здав ал эле ктриче ские заряды на ме льчайш их капе льках масла, ко т о рые о се дали ме ж ду дв умя го ризо нт альными пласт инами ко нде нсат о ра. М ассу о т де льно й капе льки мо ж но было о пре де лит ь, изме ряя ско ро ст ь е е паде ния. Заряж ая пласт ины ко нде нсат о ра, мо ж но было изме нит ь ско ро ст ь паде ния масляных ш арико в . Изме ре ния ско ро ст и паде ния по зв о ляло М илликену в ычислит ь нахо дящ ие ся в них заряды. Не смо т ря на т о , чт о заряды Рис. 3. Ро берт Э ндрю с М илликен.

ш арико в были не о динако в ы, в се о ни были крат н ы н е кот орой с т рого опре д е ле н н ой ве личин е , ко т о рую М илликен принял рав но й заря д у эле кт рон а. В со че т ании с найде нным Т о мсо но м значе ние м со о т но ш е ния e/me ре зульт ат ы М илликена по зв о ляли о пре де лит ь и массу me эле ктро на. Расче т ы по казали, чт о масса эле ктро на чре зв ычайно мала: о на приме рна в о дну т ысячу в о се мьсо т со ро к раз ме ньш е массы само го ле гко го из ат о мо в - в о до ро да. Иссле до в ания, про в е де нные Т о мсо но м в каме ре В ильсо на, по зв о лили уст ано в ит ь, чт о масса эле ктро на зав исит о т е го ско ро ст и. Т аким о бразо м, была

9

о т крыт а пе рв ая из с убат омн ы хчас т иц . У чит ыв ая в аж но ст ь рабо т Д ж . Д ж . Т о мсо на, е го по прав у счит аю т пе рв о о т крыв ат е ле м эле ктро на. Принят ые в наст о ящ е е в ре мязначе ниязаряда и массы по ко я эле ктро на со ст ав ляю т :

e = 1,602×10−19 К л; me = 9,110×10−28 г. 1.3. Ф отоэлек тр ическ ий эф ф ек т По сле о т крыт ия эле ктро на е щ е не было ясно , сущ е ст в уе т ли какая-нибудь св язь ме ж ду эт о й част ице й и ат о мо м. О че в идно , чт о эле ктро н - эт о част ица эле ктриче ст в а, а ат о м - част ица в е щ е ст в а. В т о в ре мяуче ные до пускали, чт о эт и част ицы мо гут сущ е ст в о в ат ь не зав исимо друг о т друга и не име т ь в нут ре нне й ст руктуры. Е щ е в 80-е го ды XIX в е ка С . Арре ниус разрабо т ал т е о рию эле ктро лит иче ско й диссо циации (ио низации). Ц е нт ральным ме ст о м эт о го уче ния яв ляло сь пре дст ав ле ние о био нах какэле ктриче ски заряж е нных ат о мах или группах ат о мо в . По началу мно гие со в ре ме нники со чли эт о по ло ж е ние в т е о рии Арре ниуса абсурдным, но , как по казало в ре мя, о но име е т глубо кий физико -химиче ский смысл. Про исхо ж де ние о т рицат е льно заряж е нных ио но в (анио но в ) по сле о т крыт ияэле ктро на ст ало в по лне о че в идным. Е сли кат о му хло ра или кгруппе ат о мо в , со ст о ящ е й из ат о ма азо т а и т ре х ат о мо в кисло ро да, присо е динит ь по − о дно му эле ктро ну, мо ж но по лучит ь со о т в е т ст в е нно хло рид-анио н Cl и нит рат − анио н NO3 . О днако како бразую т сяпо ло ж ит е льно заряж е нные ио ны (кат ио ны) было е щ е не в по лне по нят но . Никаких данных о сущ е ст в о в ании анало гично й эле ктро ну част ицы с по ло ж ит е льным зарядо м по лучит ь е щ е не удало сь. Разумным было до пуст ит ь, чт о по ло ж ит е льный заряд мо ж е т в о зникат ь в ре зульт ат е ухо да о дно го или не ско льких эле ктро но в из не йт рально го ат о ма. О днако эт а мысль прив о дила кпарадо ксально й гипо т е зе , чт о эле ктро н мо ж е т быт ь част ью ат о ма, ране е счит ав ш е го ся не де лимым. Э т о до пущ е ние о про в е ргало в се прив ычные пре дст ав ле ния. И, т е м не ме не е , экспе риме нт альные факты упрямо до казыв али, чт о т ако е до пущ е ние в по лне в е ро ят но . Иссле до в ания ф от оэле кт риче с кого эф ф е кт а, начат ые в 1888 г. не ме цким физико м Ге нрихо м Рудо льфо м Ге рце м 5 и сист е мат иче ски про до лж е нные е го со о т е че ст в е ннико м и уче нико м Ф илиппо м Э дуардо м Ле нардо м 6, а т акж е русским физико м Але ксандро м Григо рье в иче м С т о ле т о в ым 7, до казали, чт о приро да эт о го яв ле ния заклю чае т ся в эмиссии эле ктро но в из ме т алло в по д в о зде йст в ие м в идимо го св е т а или ульт рафио ле т о в о го излуче ния. Б ыло уст ано в ле но , чт о фо т о эле ктриче ский эффе кт характе ре н для мно гих ме т алло в и в о змо ж е н даж е при о т сут ст в ии эле ктриче ско го т о ка в них. Э т о т факт дал по в о д пре дпо ло ж ит ь, чт о ат о мы

10

ме т алло в (а в о змо ж но , и ат о мы в о о бщ е ) со де рж ат эле ктро ны. О днако в о бычно м со ст о янии ат о мы яв ляю т ся эле кт рон е йт ральн ы ми. Ле нард в ысказал пре дпо ло ж е ние , чт о ат о мы мо гут пре дст ав лят ь со бо й ско пле ние как по ло ж ит е льно , т аки о т рицат е льно заряж е нных част иц. Т ако е пре дпо ло ж е ние казало сь не в е ро ят ным, по ско льку не был изв е ст е н факт испускания ат о мо м по ло ж ит е льно заряж е нных луче й или част иц. 1.4. Рентгеновск оеизлучение Не ме цкий физик В ильге льм К о нрад Ре нт ге н 8 (рис. 4) изучал причины св е че ния не ко т о рых в е щ е ст в по д де йст в ие м кат о дных луче й К рукса. По ско льку св е че ние было слабым, Ре нт ге н про в о дил св о и иссле до в ания в зат е мне нно й ко мнат е и закрыв ал разрядную т рубку т о нким че рным карт о но м. В 1895 г. е му удало сь о бнаруж ит ь сущ е ст в о в ание не изв е ст но го ране е излуче ния, по яв ляю щ е го ся в мо ме нт ст о лкно в е ния кат о дных луче й с ме т алличе ским ано до м. Э т о излуче ние мо гло практиче ски беспре пят ст в е нно про хо дит ь скво зь ст е клянную т рубку, карт о н и в о зде йст в о в ат ь на мат е риалы, нахо дящ ие ся даж е на значит е льно м расст о янии о т т рубки. Рис. 4. В ильге льм К о нрад Ре нт ге н.

Ф о т о бумага по д де йст в ие м эт их луче й была засв е че на даж е в т о м случае , ко гда о на нахо дилась в со се дне й с уст ано в ко й ко мнат е . Э т о в се про никаю щ е е излуче ние В . К . Ре нт ге н назв ал Х-лучами. Т ако е назв ание со хранило сь за ними в англо язычно й научно й лит е рат уре . В наш е й ст ране приме няе т сят е рмин “ ре н т ге н овс кие лучи” . С о в ре ме не м было уст ано в ле но , чт о ре нт ге но в ские лучи пре дст ав ляю т со бо й в ид эле ктро магнит ных ко ле баний, о бладаю щ ий в ысо ко й эне ргие й и приникаю щ е й спо со бно ст ью . Д лина в о лны эт их луче й ме ньш е , че м у ульт рафио ле т о в о го излуче ния. Б лаго даря в ысо ко й приникаю щ е й спо со бно ст и ре нт ге но в ско е излуче ние в по сле дст в ии ст али испо льзо в ат ь дляизуче нияв нут ре нне го ст ро е ниякрист алличе ских т е л. 1.5. О тк р ы тиеестественной р адиоак тивности О т крыт ие ре нт ге но в ских луче й в ызв ало бо льш о й инт е ре с у со в ре ме ннико в . О дним из пе рв ых прист ально е в нимание на эт и лучи о брат ил французский физикАнт уан Анри Б е ккере ль9 (рис. 5). О сно в ным пре дме т о м

11

е го иссле до в аний была ф луоре с ц е н ц ия - св е че ние , наблю дае мо е у не ко т о рых в е щ е ст в по сле в о зде йст в ия на них в идимо го св е т а. Е го инт е ре со в ал в о про с, не со де рж ат сяли ре нт ге но в ские лучи в спе ктре флуо ре сце нт но го св е че ния. В 1896 г. Б е ккере ль о бнаруж ил факт засв е т ки зав е рнут о й в пло т ную че рную бумагу фо т о пле нки, нахо див ш е йся в близи счит ав ш е йся флуо ре сце нт но й со ли урана. Т аким о бразо м, Б е ккере ль приш е л к в ыв о ду, чт о эффе кт по че рне нияфо т о пле нки в ызв ан ре нт ге но в ским излуче ние м. О днако в ско ре удало сь уст ано в ит ь, чт о фо т о пле нка засв е чив ае т ся со лью урана даж е в т о м случае , е сли е е не о блучали со лне чным св е т о м, т .е . т о гда, ко гда флуо ре сце нция не в о змо ж на. Т аким о бразо м, было уст ано в ле но , чт о данно е со е дине ние урана по ст о янно испускае т про никаю щ е е излуче ние , не зав исимо о т т о го , по дв е ргало сь о но в о зде йст в ию како го -либо излуче ния или не т . Рабо т ав ш ая в о Ф ранции пе рв ая ж е нщ ина-физик М ария С кло до в скаяК ю ри10 (рис. 6) назв ала эт о яв ле ние рад иоакт ивн ос т ью. Рис. 5. Ант уан Анри Б е ккере ль.

В хо де иссле до в аний, про в о див ш ихся супругами Пье ро м К ю ри11 (рис. 7) и М арие й С кло до в ско й-К ю ри, было уст ано в ле но , чт о эффе кто м

Рис. 6. М арияС кло до в ская-К ю ри.

Рис. 7. Пье р К ю ри.

12

радио актив но ст и о бладае т не в се со е дине ние в це ло м, а т о лько ат о м урана. При эт о м эт о св о йст в о со храняе т ся не зав исимо о т т о го , в како м со ст о янии нахо дит ся уран - в в иде ме т алла или со е дине ния. В 1898 г. Г. К . Ш мидт о бнаруж ил радио актив но ст ь т о рия. О днако по ист ине ре в о лю цио нным со быт ие м в химии и физике было о т крыт ие е щ е дв ух радио актив ных эле ме нт о в : по ло нияи радия, о сущ е ст в ле нно е в Париж е супругами К ю ри в 1898 г. В по исках эт их эле ме нт о в в чре зв ычайно т рудныхусло в иях - без по дхо дящ е й лабо рат о рии и при о граниче нно ст и сре дст в , уче ные пе ре рабо т али не ско лько т о нн о ст ат ко в смо ляно й урано в о й руды. Пе рв ый изо т крыт ыхэле ме нт о в в че ст ь ро дины М арии К ю ри назв али полон ие м. Радио актив но ст ь в т о ро го эле ме нт а рад ия о казалась о че нь в ысо ко й: инт е нсив но ст ь е го излуче ниябыла в 300000 раз бо льш е , че м у урана. В ко нце XIX - начале Х Х в е ко в о т крыт ия в группе радио актив ных эле ме нт о в ст али сле до в ат ь о дно за другим. В 1899 г. Андре Луи Д е бье рн 12 о бнаруж ил акт ин ий, в 1900 г. Ф . Д о рн о т крыл радио актив ный газ рад он . Изуче ние приро ды радио актив но ст и по д де йст в ие м магнит но го по ля по зв о лило уст ано в ит ь, чт о эт о излуче ние мо ж но разде лит ь на т ри со ст ав ляю щ ие , ко т о рые в е ликий английский физикЭ рне ст Ре зе рфо рд15 (рис. 8). назв ал т ре мя пе рв ыми буквами гре че ско го алфав ит а. По ско льку γ - лучи не о т кло нялись по д в лияние м магнит но го по ля, было ре ш е но , чт о о ни по до бны ре нт ге но в ским лучам и пре дст ав ляю т со бо й в ид эле ктро -магнит ных ко ле баний, но о бладаю т е щ е бо льш е й эне ргие й. β лучи о т кло -нялись в магнит но м по ле по до бно кат о дным лучам, по эт о му было ре ш е но , чт о о ни со ст о ят из быст рых эле ктро но в . Д ля распо знав ания приро ды α-луче й по т ре бо в ало сь го раздо бо льш е в ре ме ни. Пе рв о начально было уст ано в ле но , чт о о ни име ю т по ло ж ит е льный заряд. По ско льку о т кло не ние α-луче й в магнит но м по ле было о че нь слабым, о ни до лж ны име т ь до ст ат о чно бо льш ую Рис. 8. Э рне ст Ре зе рфо рд.

массу. К ак в ыяснило сь в по сле дст в ии, масса α-част иц в че т ыре раза бо льш е массы част иц, назв анных Ре зе рфо рдо м прот он ами. 1.6. О тк р ы тиепр отонаи ней тр она В т о ро й по о че ре дно ст и о т крыт ия по сле эле ктро на субат о мно й част ице й был прот он . Е щ е в 1886 г. Го льдш т е йн наблю дал по ло ж ит е льно заряж е нные лучи, испускае мые пе рфо риро в анным кат о до м. О н уст ано в ил, чт о в т о в ре мя,

13

как кат о дные лучи распро ст раняю т ся т о лько в о дно м направ ле нии, че ре з о т в е рст ия в кат о де про хо дят другие лучи, дв иж ущ е е ся в про т ив о по ло ж но м направ ле нии. О н назв ал их кан аловы ми лучами (рис. 9). Э т и лучи о т личались о т эле ктро но в не т о лько зарядо м. Ч аст ицы канало в ых луче й име ли различную массу в зав исимо ст и о т т о го , сле ды каких газо в со де рж ались в разрядно й т рубке. М асса само й ле гко й част ицы канало в ых луче й со в падала по в е личине с массо й ат о ма в о до ро да. Занимаясь эт о й про бле мо й, Э рне ст Ре зе рфо рд приш е л кзаклю че нию , чт о эле ме нт арнаячаст ица с по ло ж ит е льным зарядо м принципиально о т личае т сяо т эле ктро на - эле ме нт арно й част ицы с о т рицат е льным зарядо м. В 1914 г. по сле св о е го знаме нит о го о пыт а по рассе янию α-част иц зо ло т о й фо льго й Ре зе рфо рд пре дло ж ил принят ь в каче ст в е о сно в но й част ицы по ло ж ит е льно го заряда част ицу канало в ых луче й с наиме ньш е й

Рис. 9. С хе ма уст ано в ки, в ко т о ро й были в пе рв ые заре гист риро в аны «кан аловы » лучи: 1 - ано д; 2 – пе рфо риро в анный кат о д; 3 – в т о ричные эле ктро ды о т кло няю щ е й сист е мы.

массо й, рав но й массе ат о ма в о до ро да. По здне е в ре зульт ат е экспе риме нт альных иссле до в аний яде рных ре акций Ре зе рфо рд не о дно крат но по лучал по ло ж ит е льно заряж е нные част ицы, со в падаю щ ие по массе с ат о мо м в о до ро да. Э т и факты о ко нчат е льно убедили е го в прав ильно ст и т ако й т о чки зре ния. Нако не цв 1920 г. Э . Ре зе рфо рд пре дло ж ил назв ат ь эт у о сно в ную по ло ж ит е льно заряж е нную част ицу прот он ом. В т о м ж е 1920 г. в про це ссе о бъясне нияразличий ме ж ду ат о мно й массо й и ат о мным но ме ро м Ре зе рфо рд в ысказал пре дпо ло ж е ние о сущ е ст в о в ании н е йт рон а. Наприме р, масса о дно й α-част ицы со о т в е т ст в о в ала массе че т ыре х про т о но в . О днако какпо казыв али ре зульт ат ы о пыт о в , заряд о дно й α-част ицы был рав е н суммарно му заряду дв ух про т о но в . На про т яж е нии де сят и ле т мысль Ре зе рфо рда о сущ е ст в о в ании не йт ро на о ст ав алась лиш ь гипо т е зо й, по ско льку не удав ало сь по лучит ь экспе риме нт ально го по дт в е рж де ния. М но гие уче ные в т о в ре мя по лагали, чт о по ло ж ит е льно заряж е нные част ицы бо льш о й массы пре дст ав ляю т со бо й ко мбинации про т о но в и эле ктро но в .

14

Лиш ь в 1932 г. английский физик Д ж е ймс Ч е дв ик14, по инициат ив е Ре зе рфо рда про в о дя о пыт ы по изуче нию ре зульт ат о в бо мбардиро в ки бериллия α-част ицами, экспе риме нт ально о бнаруж ил сущ е ст в о в ание част ицы, име ю щ е й т акую ж е массу, как и про т о н, но в о т личие о т не го не не сущ е й никако го эле ктриче ско го заряда. По ско льку эт а част ица была эле ктриче ски не йт ральна, е е назв али н е йт рон ом. По сле о бнаруж е ния не йт ро на не ме цкий физикВ е рне р К арл Ге йзе нберг15 (рис. 10) в ысказал пре дпо ло ж е ние , чт о по ло ж ит е льно заряж е нные част ицы бо льш о й массы пре дст ав ляю т со бо й не про т о нно -э ле ктро нные , а про т о нно -не йт ро нные ко мбинации. В ре зульт ат е т ако го по дхо да ст ро е ние α-част ицы мо ж но было пре дст ав ит ь в в иде ко мбинации дв ух про т о но в и дв ух не йт ро но в : при э т о м е е суммарный заряд рав е н заряду дв ух про т о но в , а суммарная масса массе че т ыре х про т о но в . Т акая мо де ль по лно ст ью со о т в е т ст в о в ала э кспе риме нт альным данным.

Рис. 10. В е рне р К арл Ге йзе нберг.

15

1.7. К р атк ие биогр аф ическ ие данны еучены х 1

К РУ К С (Crookes) У ильям (1832-1919), английский физики химик. Иссле до в ал э ле ктриче ские разряды в газах и кат о дные лучи (в т рубках К рукса). О бнаруж ил сцинт илляции, со здал прибо р дляих наблю де ния. О т крыл (1861) т аллий. 2

Т О М СО Н (Thomson) Д жозеф Д жон (1856-1940), английский физик, о сно в ат е ль научно й ш ко лы, чле н (1884) и пре зиде нт (1915-1920) Ло ндо нско го К о ро ле в ско го о бщ е ст в а, ино ст ранный чле н-ко рре спо нде нт Пе т е рбургско й АН (1913) и ино ст ранный по че т ный чле н (1925) АН С С С Р. Д ире кто р К ав е ндиш ско й лабо рат о рии (1884-1919 гг.). Иссле до в ал про хо ж де ние э ле ктриче ско го т о ка че ре з разре ж е нные газы. О т крыл (1897) э ле ктро н и о пре де лил (1898) е го заряд. Пре дло ж ил (1903) о дну из пе рв ых мо де ле й ат о ма. О дин из со здат е ле й э ле ктро нно й т е о рии ме т алло в . О че нь пло до т в о рно й о казалась и иде я испо льзо в ания скре щ е нных по ле й для изме ре ния о т но ш е ний зарядо в част иц к их массам. На э т о й иде е о сно в ана рабо т а массспе ктро графо в , ко т о рые наш ли ш иро ко е приме не ние в физике ядра и, в част но ст и, сыграли сущ е ст в е нную ро ль для о т крыт ия изо т о по в (яде р, име ю щ их различные массы, но о динако в ые заряды, че м о пре де ляе т ся их химиче ская не различимо ст ь). Пре дсказал сущ е ст в о в ание изо т о по в и э кспе риме нт ально о бнаруж ил не ко т о рые из них. Д ж . Д ж . Т о мсо н был о дним из ярчайш их физико в -классико в . Но беле в ская пре мия(1906). 3

СТ О У Н И (Стони) (Stoney) Д жор джД жонстон (1826-1911), английский физики мат е мат ик. Т руды по о пт ике, спе ктро ско пии, кине т иче ско й т е о рии газо в , ст ро е нию ат о ма. Пе рв ым указал в 1874 г. на сущ е ст в о в ание э ле ме нт арно го э ле ктриче ско го заряда и в ычислил (1881) е го в е личину. В в е л (1891) т е рмин э ле ктро н. 4

М И ЛЛИ К Е Н (Millikan) Робер т Эндр ю с (1868 - 1953), аме риканский физик, ино ст ранный чле н-ко рре спо нде нт С С С Р (1925; ино ст ранный чле н-ко рре спо нде нт РАН с 1924). С в ысо ко й т о чно ст ью изме рил заряд э ле ктро на, э кспе риме нт ально про в е рил кв ант о в ую т е о рию фо т о э ффе кта А. Э йнш т е йна и о пре де лил числе нно е значе ние по ст о янно й Планка. Но беле в скаяпре мия(1923). 5

ГЕ РЦ (Хер ц ) (Hertz) Генр их Рудольф (1857-1894), не ме цкий физик, о дин из о сно в о по ло ж нико в э ле ктро динамики. Э кспе риме нт ально до казал (1886-1889 гг.) сущ е ст в о в ание э ле ктро магнит ных в о лн (испо льзуя в ибрат о р Ге рца) и уст ано в ил т о ж де ст в е нно ст ь о сно в ных св о йст в э ле ктро магнит ных и св е т о в ых в о лн. Придал урав не ниям М аксв е лла симме т ричную фо рму. О т крыл в не ш ний фо т о э ффе кт (1887). По ст ро ил ме ханику, св о бо дную о т по нят иясилы. 6

ЛЕ Н А РД (Lenard) Ф илипп Эдуар д А нтон (1862-1947), не ме цкий физик. Иссле до в ал приро ду и св о йст в а кат о дных луче й. Но беле в ская пре мия (1905). В о в ре ме на Т ре т ье го ре йха был актив ным нацист о м. 7

СТ О ЛЕ Т О В А лек сандр Гр игор ьевич (1839-1896), ро ссийский физик. По лучил крив ую намагничив ания ж е ле за (1872), сист е мат иче ски иссле до в ал в не ш ний фо т о э ффе кт (1888-1890), о т крыл пе рв ый зако н фо т о э ффе кта. Иссле до в ал газо в ый

16

разряд, крит иче ско е со ст о яние и др. О сно в ал (1874) физиче скую лабо рат о рию в М о ско в ско м унив е рсит е т е . 8

РЕ Н Т ГЕ Н (Рентген) В ильгельм К онр ад (1845-1923), крупне йш ий не ме цкий физик-э кспе риме нт ат о р. Научную де ят е льно ст ь начал в В ю рцбургско м унив е рсит е т е , а зат е м пе ре ш е л в 1874 г. в С т расбургский унив е рсит е т , где о ст ав ался пят ь ле т , до избранияпро фе ссо ро м унив е рсит е т а и дире кто ро м Ф изиче ско го инст ит ут а в Гиссе не . С 1888 г. по 1900 г. - про фе ссо р В ю рцбургско го унив е рсит е т а, ре кто ро м ко т о ро го о н был избран в 1894 г. По сле дним ме ст о м е го рабо т ы был унив е рсит е т в М ю нхе не , где о н, до ст игнув пре дусмо т ре нно го прав илами пре де льно го в о зраст а, пе ре дал св о ю кафе дру В . В ину. О т крыл в 1895 г. ре нт ге но в ские лучи, иссле до в ал их св о йст в а. Т руды по пье зо - и пиро э ле ктриче ским св о йст в ам крист алло в , магне т изму. сре ди ко лле г по прав у по льзо в ался слав о й лучш е го э кспе риме нт ат о ра. Ч ле н Б е рлинско й акаде мии наук, пе рв ый лауре ат Но беле в ско й пре мии по физике в 1901 г. 9

Б Е К К Е РЕ ЛЬ (Becquerel) А нтуан А нр и (15.12.1852 — 25.08.1908), французский физик, чле н Париж ско й АН (1889). С ын А. Э . Б е ккере ля. О ко нчил По лит е хниче скую ш ко лу в Париж е . Про фе ссо р Париж ско го нацио нально го е ст е ст в е нно ист о риче ско го музе я(1892) и По лит е хниче ско й ш ко лы (1895). Научные т руды Б е ккере ляпо св ящ е ны о пт ике, э ле ктриче ст в у, магне т изму, фо т о химии, э ле ктро химии и ме т е о ро ло гии. Изучая де йст в ие различных лю мине сцирую щ их в е щ е ст в на фо т о пласт инку че ре з не про зрачную пе ре го ро дку, о т крыл радио актив но е излуче ние со ле й урана (1896). В по сле дст в ии иссле до в ание э т о го излуче ния М . С кло до в ско й-К ю ри и П. К ю ри прив е ло ко т крыт ию радио актив но ст и. Но беле в скаяпре мия(1903). 10

СК ЛО Д О В СК А Я -К Ю РИ (Sklodowska-Curie) М ар ия (1867-1934), французский физики химик, о дна из со здат е ле й уче ния о радио актив но ст и, ино ст ранный чле н-ко рре спо нде нт Пе т е рбургско й АН (1907) и по че т ный чле н АН С С С Р (1926). По про исхо ж де нию по лька, с 1891 г. в о Ф ранции. О бнаруж ила радио актив но ст ь т о рия (1898). С о в ме ст но с муж е м — П. К ю ри о т крыла (1898) по ло ний и радий. В в е ла т е рмин «радио актив но ст ь». Но беле в ская пре мия по физике за иссле до в ания радио актив но ст и (1903, со в ме ст но с П. К ю ри и А. А. Б е ккере ле м). По лучила (1910, со в ме ст но с А. Д е бье рно м) ме т алличе ский радий, иссле до в ала е го св о йст в а (Но беле в ская пре мия по химии, 1911). Разрабо т ала ме т о ды радио актив ных изме ре ний, в пе рв ые приме нила радио актив но е излуче ние в ме дицинских це лях. 11

К Ю РИ (Curie) Пьер (1859-1906), французский физик, чле н Ф ранцузско й АН (1905). По сле о ко нчания Париж ско го унив е рсит е т а (1877) рабо т ал т ам ж е ассист е нт о м. В 1882— 1904 гг. руко в о дил практиче скими рабо т ами, а зат е м пре по дав ал в Ш ко ле индуст риально й физики и химии в Париж е , с 1904 г. про фе ссо р Париж ско го унив е рсит е т а. О сно в ные т руды по физике крист алло в , магне т изму и радио актив но ст и. В ме ст е с брат о м По ле м Ж ано м К ю ри о т крыл и иссле до в ал яв ле ние пье зо э ле ктриче ст в а (1880). Изучал (1884— 1885 гг.) в о про сы симме т рии крист алло в и сфо рмулиро в ал т .н. принцип К ю ри, иссле до в ал про бле му симме т рии в физике в о о бщ е (1894). Иссле до в ания магнит ных яв ле ний прив е ли П. К ю ри уст ано в ле нию зав исимо ст и магнит но й в о сприимчив о ст и парамагнит ных т е л о т абсо лю т но й т е мпе рат уры (зако н К ю ри) и к о бнаруж е нию о со бо й т е мпе рат уры, в ыш е ко т о ро й

17

фе рро магнит ные мат е риалы пре в ращ аю т ся в парамагнит ные (т о чка К ю ри). О дин из со здат е ле й уче ния о радио актив но ст и. С о в ме ст но с ж е но й М . С кло до в ско й-К ю ри о т крыл (1898) по ло ний и радий, иссле до в ал радио актив но е излуче ние . Про в о дил т акж е изуче ние био ло гиче ско го де йст в ия радио актив но ст и. В в е л т е рмин «радио актив но ст ь». Но беле в скаяпре мия(1903, со в ме ст но со С кло до в ско й-К ю ри и А. А. Б е ккере ле м). 12

Д Е Б Ь Е РН (Debierne) А ндр е (1874-1949), французский химик. О т крыл актиний (1899), со в ме ст но с М . С кло до в ско й-К ю ри по лучил ме т алличе ский радий (1910), со здал пе рв ый ме ж дунаро дный радие в ый э т ало н (1911). 13

РЕ ЗЕ РФ О РД Эр нест (1871-1937), английский физик, о дин из со здат е ле й уче ния о радио актив но ст и и ст ро е нии ат о ма, о сно в ат е ль научно й ш ко лы, ино ст ранный чле нко рре спо нде нт РАН (1922) и по че т ный чле н АН С С С Р (1925). Д ире кто р К ав е ндиш ско й лабо рат о рии (с 1919). В 1899 г. по казал, чт о уран испускае т дв а в ида луче й. О т крыл (1899) альфа- и бет а-лучи и уст ано в ил их приро ду. С о здал (1903, со в ме ст но с Ф . С о дди) т е о рию радио актив но ст и, в ыразил е е сут ь в мат е мат иче ско й фо рме и в в е л по нят ие “ пе рио да по лураспада” . С о в ме ст но с не ме цким физико м Г. Ге йге ро м до казал в 1908 г., чт о альфа-част ицы яв ляю т ся дв аж ды ио низиро в анными ат о мами ге лия. Пре дло ж ил (1911) плане т арную мо де ль ат о ма. О сущ е ст в ил (1919) пе рв ую искусст в е нную яде рную ре акцию : в ре зульт ат е бо мбардиро в ки альфачаст ицами ат о м азо т а был пре в ращ е н в кисло ро д. Пре дсказал (1921) сущ е ст в о в ание не йт ро на. Но беле в скаяпре мия(1908). 14 Ч Е Д В И К (Chadwick) Д жей мс(20.10.1891 — 24.07.1974), английский физик, чле н Ло ндо нско го ко ро ле в ско го о бщ е ст в а (1927). У че ник Э . Ре зе рфо рда. О ко нчил М анче ст е рский и К е мбридж ский унив е рсит е т ы. В 1923— 1935 гг. пре по дав ал в К е мбридж ско м унив е рсит е т е и был заме ст ит е ле м дире кто ра К ав е ндиш ско й лабо рат о рии. В 1935— 1948 гг. про фе ссо р Лив е рпульско го унив е рсит е т а. С 1948 г. дире кто р ко лле дж а Го нв илл и К из К е мбридж ско го унив е рсит е т а. О сно в ные т руды по физике ат о мно го ядра. Пе рв ые рабо т ы по св ящ е ны радио актив но ст и. В 1920 г. э кспе риме нт ально по дт в е рдил рав е нст в о заряда ядра по рядко в о му но ме ру э ле ме нт а. Изучал искусст в е нно е пре в ращ е ние э ле ме нт о в по д де йст в ие м альфа-част иц (со в ме ст но с Ре зе рфо рдо м). Б о льш о й заслуго й Ч е дв ика яв ляе т ся о т крыт ие им в 1932 г. не йт ро на при о блуче нии бериллие в о й миш е ни по т о ко м альфа-част иц (Но беле в ская пре мия, 1935). В 1934— 1935 гг. со в ме ст но с со т руднико м М . Го льдхаберо м по ст ав ил о пыт ы по фо т о диссо циации де йт ро на на не йт ро н и про т о н по д де йст в ие м гаммакв ант о в . В 1943— 1945 гг. в о зглав лял группу английских учёных, рабо т ав ш их в Ло сАламо сско й лабо рат о рии (С Ш А) над про е кто м ат о мно й бо мбы. 15

ГЕ Й ЗЕ Н Б Е РГ, ХА Й ЗЕ Н Б Е РГ (Heisenberg) В ер нер (1901 - 1976), не ме цкий физик, о дин из со здат е ле й кв ант о в о й ме ханики. В 1923 г. о ко нчил М ю нхе нский унив е рсит е т , где слуш ал ле кции А. Э йнш т е йна. В 1923— 1927 гг. был ассист е нт о м у М .Б о рна. В 1927-1941 гг. про фе ссо р Ле йпцигско го и Б е рлинско го унив е рсит е т о в . С 1941 г. про фе ссо р и дире кто р инст ит ут а физики М акса Планка в Б е рлине и Ге т т инге не , с 1955 г. — в М ю нхе не . В 1925 г. со в ме ст но с Н. Б о ро м разрабо т ал т . н. мат ричную ме ханику — пе рв ый в ариант кв ант о в о й ме ханики, дав ш ий в о змо ж но ст ь

18

в ычислит ь инт е нсив но ст ь спе ктральных линий, испускае мых про ст е йш е й кв ант о в о й сист е мо й — лине йным о сциллят о ро м. Про изв ёл кв ант о в о -ме ханиче ский расчёт ат о ма ге лия, по казав в о змо ж но ст ь е го сущ е ст в о в ания в дв ух различных со ст о яниях. В 1927 г. сфо рмулиро в ал со о т но ш е ние не о пре де лённо ст е й, в ыраж аю щ е е св язь ме ж ду импульсо м и ко о рдинат о й микро част ицы, о бусло в ле нную е ё ко рпускулярно в о лно в о й приро до й. За рабо т ы по кв ант о в о й ме ханике в 1933 г. присуж де на Но беле в ская пре мия. Разрабо т ал (не зав исимо и о дно в ре ме нно с Я. И. Ф ре нкеле м) т е о рию спо нт анно й намагниче нно ст и фе рро магне т ико в , о рие нт ирую щ е го э ле ме нт арные магнит ики при намагничив ании в е щ е ст в а. Ав т о р рабо т по ст руктуре ат о мно го ядра, в ко т о рых раскрыт о бме нный характе р в заимо де йст в ия нукло но в в ядре , а т акж е рабо т по ре лят ив ист ско й кв ант о в о й ме ханике и кв ант о в о й т е о рии по ля — не лине йно й т е о рии, ст ав ящ е й задаче й дат ь е диную т е о рию в се х сущ е ст в ую щ их физиче ских по ле й.

1.8. В опр осы для самок онтр оля к Главе1 1. Назо в ит е е ст е ст в е нно научные экспе риме нт альные о т крыт ия, сде ланные на рубеж е XIX - XX ст о ле т ий, анализ ко т о рых по служ ил о т прав но й т о чко й в со здании уче нияо сло ж но м ст ро е нии ат о ма. 2. К ако е яв ле ние было о т крыт о У . К руксо м? 3. К ако й уче ный экспе риме нт ально о бнаруж ил эле ктро н?

19

4. К ако й уче ный экспе риме нт ально о пре де лил заряд эле ктро на? 5. К ако е яв ле ние в пе рв ые о бнаруж ил А.А. Б е ккере ль? 6. К т о был пе рв ым лауре ат о м Но беле в ско й пре мии по физике? 7. В како й о бласт и со в ре ме нно й физики рабо т али супруги П. К ю ри и М . С кло до в ская-К ю ри? 8. В че м со ст о ит сут ь яв ле ния фо т о эффе кта? К акие уче ные занимались изуче ние м эт о го яв ле ния? 9. К ако й уче ный о пре де лил приро ду радио актив но го излуче ния? 10. К ако й экспе риме нт яв илсядо казат е льст в о м сущ е ст в о в анияпро т о на? 11. К ако й уче ный пре дпо ло ж ил сущ е ст в о в ание не йт ро на? 12. Назо в ит е уче но го , экспе риме нт ально до казав ш е го сущ е ст в о в ание не йт ро на. 13. К ако й уче ный пре дло ж ил не йт ро нно -про т о нную мо де ль ст ро е ния ат о мных яде р?

ГЛА В А 2. Пер вы емодели сложногостр оения атома О т крыт ие эле ктро на о знаме но в ало но в ую эру в ист о рии химии. На сме ну уче нию Д ж о на Д альт о на о не де лимо ст и ат о ма какос н овн ой ф ун д аме н т альн ой т е о рии химии приш ли пре дст ав ле ния о сло ж но м ст ро е нии ат о ма. В пе рв о й че т в е рт и Х Х ст о ле т ия чре зв ычайный инт е ре с уче ных кизуче нию в нут ре нне го ст ро е ния ат о ма по ст о янно по дде рж ив ался не иссякае мым по т о ко м

20

фундаме нт альных о т крыт ий. О пре де ле нными эт апами в про це ссе ст ано в ле ния со в ре ме нно го уче ния о сло ж но м ст ро е нии ат о ма мо ж но счит ат ь со здание т е х или иных мо де ле й, ко т о рые пре дст ав ляли со бо й т е о ре т иче ско е о бо бщ е ние име ю щ ихся на т о т пе рио д в ре ме ни экспе риме нт альных данных. С по яв ле ние м но в ых экспе риме нт альных ре зульт ат о в эт и мо де ли сло ж но го ст ро е ния ат о ма пре т е рпе в али ут о чне ния, исправ ле ния и до по лне ния. Д ля це ло ст но го по нимания эв о лю ции уче ния о сло ж но й приро де ат о ма це ле со о бразно бо ле е по дро бно о ст ано в ит ься на т е х т е о ре т иче ских мо де лях, ко т о рые о казали наибо ле е заме т но е в лияние на про це сс фо рмиро в ания со в ре ме нных пре дст ав ле ний. 2.1. Статическ ая модель Д ж. Д ж. Т омсона Пыт аясь пре дст ав ит ь мо де ль сло ж но го ст ро е ния ат о ма на о сно в е име ю щ ихся экспе риме нт альных данных Д ж . Д ж . Т о мсо н в 1904 г. пре дпо ло ж ил, чт о ат о м пре дст ав ляе т со бо й т в е рдый ш ар из по ло ж ит е льно заряж е нно го в е щ е ст в а, в ко т о рый как изю минки в пиро ге , в крапле ны о т рицат е льно заряж е нные эле ктро ны. В о бычно м со ст о янии суммарный о т рицат е льный заряд эле ктро но в по лно ст ью не йт рализо в ан по ло ж ит е льным зарядо м само го ат о ма. В ре зульт ат е присо е дине ния до по лнит е льных эле ктро но в ат о м мо г по лучат ь избыт о чный о т рицат е льный заряд и пре в ращ ат ьсяв анио н, а ре зульт ат е по т е ри о дно го или не ско льких эле ктро но в прио бре т ат ь избыт о чный по ло ж ит е льный заряд и пре в ращ ат ься в кат ио н. Д але ко не в се ко лле ги Д ж . Д ж . Т о мсо на в ст ре т или эт у мо де ль с о до бре ние м. С по зиций се го дняш не го дня о на каж е т ся до ст ат о чно наив но й. Нам в по лне по нят но скепт иче ско е о т но ш е ние к эт о й мо де ли со в ре ме ннико в Т о мсо на, ко т о ро е в ыразило сь в е е ш ут лив о м назв ании - “ мод е ль с ливового пуд ин га” . Т е м не ме не е , не сле дуе т забыв ат ь, чт о эт о была пе рвая попы т ка пре дст ав ит ь вн ут ре н н юю с т рукт уру ат о ма, счит ав ш е го ся ране е н е д е лимой час т иц е й в е щ е ст в а. По нимаяв се не до ст ат ки и о граниче нно ст ь приме не ния эт о й мо де ли, в се ж е не о бхо димо признат ь, чт о , не смо т ря на св о ю наив но ст ь, о на была спо со бна о бъяснит ь про исхо ж де ние ио но в , а эт о было крайне не о бхо димо для по нимания зако но в эле ктро лиза М . Ф араде я и т е о рии эле ктро лит иче ско й диссо циации (ио низации) С . Арре ниуса. 2.2. О пы т Резер ф ор да. Планетар ная модель атома С о т крыт ие м е ст е ст в е нно й радио актив но ст и уче ные ст али испо льзо в ат ь эле ме нт ы, о бладаю щ ие мо щ ным излуче ние м для со здания “ радиацио нных пуш е к”. Д ля эт о го о бразе ц радио актив но го в е щ е ст в а по ме щ али в св инцо в ый ко нт е йне р с не бо льш им о т в е рст ие м, че ре з ко т о ро е в ыхо дил т о нкий пучо к излуче ния, направ ляе мо го на иссле дуе мую миш е нь. Т акую “ радиацио нную пуш ку” испо льзо в ал Э . Ре зе рфо рд в св о е м знаме нит о м о пыт е . В 1910 г. в е го лабо рат о рии про в о дились экспе риме нт ы, в ко т о рых т о нкие лист ы зо ло т о й

21

фо льги бо мбардиро в али пучко м α-част иц. О сно в ными испо лнит е лями эт о го о пыт а были уче ники Ре зе рфо рда - Х анс Ге йге р16 и Э рне ст М арсде н 17. По луче нные ре зульт ат ы было не в о змо ж но о бъяснит ь в рамках ст ат иче ско й мо де ли Д ж . Т о мсо на (рис. 11). По дав ляю щ е е бо льш инст в о α-част ицпро хо дили че ре з фо льгу

Рис. 11. Принципиальнаясхе ма о пыт а Э . Ре зе рфо рда (а) и изо браж е ние т рае кто рий α-част ицпо сле в заимо де йст в ияс зо ло т о й фо льго й (б).

без о т кло не ния о т пе рв о начально й т рае кто рии дв иж е ния (лин ия А), го раздо ме ньш е част иц о т кло нило сь о т исхо дно го направ ле ния на не ко т о рый уго л β (лин ия В). К о в се о бщ е му удив ле нию , приблизит е льно т о лько 1 из 20000 αчаст иц о т кло нилась назад (лин ия С). “ Э т о было по чт и ст о ль ж е не в е ро ят но , в по сле дст в ии рассказыв ал Э . Ре зе рфо рд, - как е сли бы в ы ст ре ляли 15дю ймо в ым снарядо м по куску папиро сно й бумаги, а снаряд рико ш е т о м в е рнулся назад и по пал в в ас” . Т о лщ ина зо ло т о й фо льги со о т в е т ст в о в ала приблизит е льно т ысяче ат о мо в Au. Не смо т ря на эт о бо льш инст в о α-част иц беспре пят ст в е нно про хо дили че ре з не е , сле до в ат е льно , мо ж но было пре дпо ло ж ит ь, чт о ат о м не яв ляе т ся спло ш ным. В о в не ш них о бласт ях ат о ма нахо дят ся о т рицат е льно заряж е нные эле ктро ны, масса ко т о рых о че нь мала, чт о бы о ни мо гли ме ш ат ь про хо ж де нию α-част иц. Анализ ре зульт ат о в эт о го экспе риме нт а по зв о лил Э . Ре зе рфо рду сде лат ь сле дую щ ие в ыв о ды:

22

а) в це нт ре ат о ма нахо дит ся о че нь мале нько е по разме рам по ло ж ит е льно заряж е нно е я д ро; б) практиче ски в сямасса ат о ма со сре до т о че на в ядре ; в ) ядро ат о ма о круж е но о т но сит е льно удале нными о т не го о т рицат е льно заряж е нными эле ктро нами. Э т и в ыв о ды ле гли в о сно в у план е т арн ой мод е ли ат ома, пре дло ж е нно й Э . Ре зе рфо рдо м в 1911 г. В эт о й мо де ли ст ро е ние ат о ма по хо дило на ст ро е ние С о лне чно й сист е мы. С о гласно эт о й мо де ли в це нт ре ат о ма (по до бно С о лнцу) нахо дит ся о че нь пло т но е т яж е ло е по ло ж ит е льно заряж е нно е ядро , о круж е нно е о блако м в ращ аю щ ихся ле гких о т рицат е льно заряж е нных эле ктро но в . В по лне уме ст но упо т ре бит ь срав не ние , чт о ядро ат о ма - эт о е го се рдце , ко т о ро е защ ищ е но о блако м эле ктро но в . При эт о м никакие химиче с кие пре вращ е н ия не зат рагив аю т це ло ст но ст ь ядра. Име нно эт а не изме нно ст ь ядра при про т е кании химиче ских ре акций была причино й т о го , чт о в се по луче нные до 90-х го до в XIX в е ка экспе риме нт альные данные го в о рили о не де лимо ст и ат о ма. М о де ль ат о ма по Ре зе рфо рду по зв о лила о ко нчат е льно ре ш ит ь ст ав ив ш ую в т упикт ри по ко ле ния химико в про бле му о бразо в ания и сущ е ст в о в ания ио но в . При усло в ии со хране нияэле ктро нно го о блака в це ло м изне го мо ж е т удалит ьсяили, нао бо ро т , разме ст ит ьсяне ско лько до по лнит е льных эле ктро но в . 2.3. Зак он М озли М о де ль Ре зе рфо рда ст имулиро в ала дальне йш ие иссле до в ания ат о ма, в пе рв ую о че ре дь, в ыясне ние причины изме не ния ат о мных масс различных эле ме нт о в . В о мно го м ре ш ит ь эт у про бле му по мо гло изуче ние ре нт ге но в ско го излуче ния. В 1909 г. не ме цкий физик М акс Т е о до р фо н Лауэ 18 начал иссле до в ат ь в заимо де йст в ие ре нт ге но в ских луче й с крист алличе скими . в е щ е ст в ами, в част но ст и с хло ридо м нат рия NaCl и CuSO4 5H2O. Б лаго даря эт им экспе риме нт ам удало сь уст ано в ит ь дв а фундаме нт альных факта. В о пе рв ых, ат о мы в крист аллах о бразую т про ст ранст в е нную ре ш е т ку, в ко т о ро й о ни распо лагаю т ся ст ро го о пре де ле нным о бразо м. У по рядо че нно е ст ро е ние крист алличе ско й ре ш е т ки в ызыв ае т рассе яние ре нт ге но в ских луче й по д ст ро го о пре де ле нными углами. Д ругими сло в ами, крист алличе ские ст руктуры мо гут в ызыв ат ь дифракцию ре нт ге но в ских луче й. В о -в т о рых, была уст ано в ле на в заимо св язь ме ж ду длино й в о лны ре нт ге но в ско го излуче ния и параме т рами эле ме нт арно й яче йки крист алличе ско й ре ш е т ки. На о сно в е ре зульт ат о в о пыт о в Лауэ был со здан ре н т ге н ос т рукт урн ы й ан ализ - мо щ ный ме т о д экспе риме нт ально го иссле до в анияв нут ре нне го ст ро е ниякрист алличе ских т е л. С ле дую щ ие ш аги в изуче нии ре нт ге но в ско го излуче ния сде лали английские физики Ч арльз Гло в е р Б аркла19 и Ге нри Гв ин Д ж е фрис М о зли20. Пе рв о му из них удало сь о бнаруж ит ь, чт о различные эле ме нт ы со здаю т о со бые характе рист иче ские набо ры ре нт ге но в ских луче й. Е сли в разрядно й т рубке К рукса ме нят ь мат е риал ано да, ко т о рый яв ляе т ся ист о чнико м ре нт ге но в ских луче й, в о зникаю щ ие ре нт ге но в ские лучи будут о т личат ься друг о т друга, в

23

част но ст и, по про никаю щ е й спо со бно ст и. В 1913 г. М о зли уст ано в ил, чт о длина в о лны характе рист иче ско го ре нт ге но в ско го излуче ния уме ньш ае т ся с ро ст о м ат о мно й массы ме т алла, и по казал, чт о квадрат ный ко ре нь из част о т ы эт о го излуче ния прямо про по рцио нале н не ко т о ро му числу, ко т о ро е о н о бо значил симв о ло м Z:

ν Z − Sn = R∞ n

,

(1)

где R∞ — по ст о яннаяРидберга, Sn — по ст о яннаяэкраниро в ания, n — глав но е квант о в о е число . О н о пре де лил, чт о эт о число Z приблизит е льно со в падае т с ½ в е личины ат о мно й массы эле ме нт а. Д але е М о зли сде лал в ыв о д, чт о эт о число яв ляе т ся ф ун д аме н т альн ы м с войс т вом эле ме нт а. Английский физик назв ал е го ат омн ы м н оме ром. К ак в по сле дст в ии о казало сь, эт о т но ме р рав е н числу про т о но в в ядре ат о ма данно го эле ме нт а. Т аким о бразо м, зако н М о зли по зв о лил св язат ь част о т у характе рист иче ско го ре нт ге но в ско го излуче ния с по рядко в ым но ме ро м излучаю щ е го эле ме нт а (рис. 12). На диаграмме М о зли (рис. 12) зав исимо ст ь ν о т Z пре дст ав ляе т со бо й ряд прямых (К -, L -, М - и т . д. се рии, со о т в е т ст в ую щ ие значе ниям n = 1, 2, 3,...). В со о т в е т ст в ии с зако но м М о зли, ре нт ге но в ские характе рист иче ские спе ктры не о бнаруж ив аю т пе рио диче ских зако но ме рно ст е й, присущ их о пт иче ским спе ктрам. Э т о указыв ае т на т о , чт о про яв ляю щ ие ся в характе рист иче ских ре нт ге но в ских спе ктрах вн ут ре н н ие эле кт рон н ы е

24

Рис. 12. Д иаграмма М о зли.

оболочки ат омов вс е хэле ме н т ов име ют ан алогичн ое с т рое н ие . Зако н М о зли яв илсяне о про в е рж имым до казат е льст в о м прав ильно ст и разме щ е нияэле ме нт о в в Пе рио диче ско й т аблице Д .И. М е нде ле е в а. Э т о т зако н име л бо льш о е значе ние для ут в е рж де ния Пе рио диче ско го зако на химиче ских эле ме нт о в и уст ано в ле ния физиче ско го смысла ат о мно го но ме ра эле ме нт о в Z. С о т крыт ие м зако на М о зли ст ало в о змо ж ным т о чно пре дсказат ь, ско лько эле ме нт о в о ст ало сь е щ е о т крыт ь. В 1913 г. в се эле ме нт ы с но ме рами о т 1 до 92 были уж е о т крыт ы, кро ме эле ме нт о в с по рядко в ыми но ме рами 43, 61, 72, 75, 85, 87 и 91. В 1917 г. был о т крыт про т актиний (Z = 91), спуст яш е ст ь ле т - гафний Hf (Z = 72), а е щ е че ре з дв а го да - ре ний Re (Z = 75). Запо лнит ь о ст ав ш ие ся че т ыре кле т о чки в Пе рио диче ско й т аблице удало сь т о лько в 40-х - 60-х го дахXX ст о ле т ия. 2.4. Постулаты Н ильсаБ ор а. М одель атомаводор ода Б е зусло в но , плане т арная мо де ль, пре дло ж е нная Ре зе рфо рдо м, была се рье зным успе хо м на пут и со здания со в ре ме нно й т е о рии сло ж но го ст ро е ния ат о ма. Е е о т личали наглядно ст ь, до ст упно ст ь в по нимании, в нут ре нняя не про т ив о ре чив о ст ь, спо со бно ст ь о бъяснит ь ряд экспе риме нт альных факто в , а т акж е в о змо ж но ст ь испо льзо в ания в каче ст в е т е о ре т иче ско й о сно в ы при про в е де нии дальне йш их иссле до в аний. Т е м не ме не е , не ко т о рые со в ре ме нники Э . Ре зе рфо рда по дв е ргали эт у мо де ль сущ е ст в е нно й крит ике. Приче м пре т е нзии уче ных кданно й мо де ли мо ж но было разде лит ь на дв е о сно в ные группы: не со о т в е т ст в ие уст ано в ле нным экспе риме нт альным данным и про т ив о ре чияо сно в ным по ло ж е ниям т е о рии классиче ско й эле ктро динамики. Е щ е в 1885 г. Ио ганн Яко бБ альме р21 о бнаруж ил сущ е ст в о в ание группы линий спе ктра испусканияат о ма в о до ро да в в идимо й св е т о в о й о бласт и. Д лины в о лн эт их линий (с е рия Бальме ра) по дчиняю т сяурав не нию : 1/λ = R∞ (1/(22) − 1/(n2)),

(2)

где λ - длина в о лны, R∞ - по ст о яннаяРидберга, n - це ло е число . Д ля ат о ма в о до ро да т акж е изв е ст ны е щ е дв е группы спе ктральных линий (рис. 13): в ульт рафио ле т о в о й о бласт и (с е рия Лайман а) и инфракрасно й о бласт и (с е рия П аш е н а). В се эт и экспе риме нт альные данные св иде т е льст в ую т , чт о ат о мный спе ктр испускания име е т лин е йчат ы й

25

Рис. 13. С е рии спе ктральных линий ат о ма в о до ро да.

характ е р. О днако со гласно мо де ли Ре зе рфо рда, ат о мный спе ктр испускания до лж е н о бладат ь не пре рыв ным характе ро м, по ско льку, безо ст ано в о чно в ращ аясь в о кругядра, эле ктро н был бы о бязан по ст о янно излучат ь эне ргию . Пре т е нзии физико в -т е о ре т ико в к эт о й мо де ли зат рагив али про бле му в ре ме ни ж изни ат о ма. С о гласно зако нам классиче ско й эле ктро динамики эле ктро н какзаряж е нно е т е ло , дв иж ущ е е ся с уско ре ние м по круго в о м о рбит е , о бязано не пре рыв но излучат ь эне ргию , запас ко т о ро й при крайне не значит е льно й массе эле ктро на в е сьма о граниче н. Не пре рыв но е излуче ние эне ргии до лж но прив о дит ь к изме не нию фо рмы т рае кто рии дв иж е ния эле ктро на: о круж но ст ь до лж на пре в рат ит ься в цикло иду, в ре зульт ат е че го эле ктро н че ре з не ко т о ро е в ре мяв ынуж де н был упаст ь на ядро . В защ ит у плане т арно й мо де ли ст ро е ния ат о ма в ысказался в ыдаю щ ийся дат ский физик Нильс Б о р22 (рис. 14). В 1913 г. Н. Б о р расш ирил уче ние Ре зе рфо рда, приме нив для о писания по в е де ния эле ктро но в в ат о ме о сно в ные по ло ж е ниякван т овой т е ории с ве т а. Е щ е в 1900 г. ав ст рийский физикМ акс Планк25 пре дпо ло ж ил, чт о по гло щ е ние или испускание эне ргии о сущ е ст в ляе т ся ст ро го о пре де ле нными - дискре т ными по рциями, назв анными им кван т ами. В е личина квант о в эне ргии E св язана с част о т о й излуче ния ν, Рис. 14. Нильс Б о р.

пе ре но сящ е го эт у эне ргию :

26

E = hν,

(3)

где h - ко эффицие нт про по рцио нально ст и, назв анный по ст о янно й Планка. В 1905 г. Альберт Э йнш т е йн 23 по казал, чт о лю бо е излуче ние со ст о ит из дискре т ных квант о в , назв анных ф от он ами. Э т и пре дст ав ле ния по зв о лили о бъяснит ь приро ду фо т о эле ктриче ско го эффе кта (см. Глав а 1, п. 1.3). В ре зульт ат е в о зникло пре дст ав ле ние о д войс т ве н н ой природ е (корпус куля рн оволн овом д уализме ) св е т а. С в е т о бладае т в о лно в ыми св о йст в ами, о че м св иде т е льст в ую т , наприме р, е го инт е рфе ре нция и дифракция, и о дно в ре ме нно мо ж е т про яв лят ь св о йст в а по т о ка част иц (ко рпускул), как в случае фо т о э ле ктриче ско го э ффе кта.

О пираясь на о сно в ные по ло ж е ния квант о в о й т е о рии, Н. Б о р смо г о бъяснит ь, по че му ат о мы по гло щ аю т или испускаю т эне ргию с фиксиро в анными длинами в о лн. О т в е т на эт о т в о про с ст ал о дним из в аж не йш их до ст иж е ний дат ско го уче но го . В св о их по ст улат ах Б о р ут в е рж дал, чт о (в о пре ки зако нам ме ханики и эле ктро динамики) эле ктро н в ат о ме не име е т про изв о льных значе ний эне ргии в диапазо не не пре рыв но го изме не ния, а мо ж е т о бладат ь т о лько о пре де ле нными фиксиро в анными значе ниями эне ргии. Э т и д ис кре т н ы е значе ния эне ргии со о т в е т ст в ую т нахо ж де нию эле ктро на на с т ац ион арн ы хкван т овы хуро в нях. При эт о м эле ктро ны в ращ аю т ся в о круг ядра по уст о йчив ым круго в ым о рбит ам и не излучаю т эне ргии. С о гласно Б о ру, уст о йчив о ст ь т аких о рбит о бусло в ле на рав е нст в о м це нт ро беж но й и це нт ро ст ре мит е льно й силы, со здав ае мо й эле ктро ст ат иче ским прит яж е ние м о т рицат е льно заряж е нно го эле ктро на к по ло ж ит е льно заряж е нно му ядру. Радиусы с т ац ион арн ы х кван т овы хо рбит , рав но каки ско ро ст и дв иж е нияэле ктро но в по эт им о рбит ам, т акж е мо гут име т ь т о лько ст ро го о пре де ле нные фиксиро в анные значе ния, чт о бы импульс (мо ме нт ко личе ст в а дв иж е ния) mv эле ктро на был рав е н: mv = p = nh/2π

(4)

Значе ния эне ргии, радиуса о рбит и ско ро ст и дв иж е ния эле ктро но в в ст ацио нарных кв ант о в ых со ст о яниях нахо дят ся в зав исимо ст и о т в е личины n, но ме ра данно го квант о в о го уро в ня. По гло щ е ние или испускание фиксиро в анно го ко личе ст в а эне ргии (кв ант а) в о змо ж но лиш ь при пе ре хо де эле ктро на из о дно го ст ацио нарно го квант о в о го со ст о яния в друго е . Э не ргия фо т о на, по гло щ ае мо го или испускае мо го при эле ктро нно м пе ре хо де , рав на разно ст и эне ргий т е х уро в не й E2 и E1, ме ж ду ко т о рыми про исхо дит пе ре хо д: ∆E = E2 − E1 = hν

(5)

К ак по казыв ае т фо рмула (5), каж дый пе ре хо д характе ризуе т ся в по лне о пре де ле нно й част о т о й, ко т о ро й со о т в е т ст в уе т ко нкре т ная линия в спе ктре . С прав е длив о ст ь в ысказанных по ст улат о в Н. Б о р про в е рил расче т ами эне ргий квант о в ых уро в не й и част о т спе ктральных линий ат о ма в о до ро да, ко т о рые

27

о че нь т о чно со в пали с экспе риме нт альными в е личинами. Б о р о бъяснил спе ктр не т о лько про ст е йш е го из ат о мо в — в о до ро да, но и ге лия, в т о м числе и ио низо в анно го , а т акж е по казал, как уче ст ь в лияние со дв иж е ния ядра, пре дугадал ст руктуру запо лне нияэле ктро нных о бо ло че к, чт о по зв о лило по нят ь физиче ски приро ду пе рио дично ст и химиче ских св о йст в эле ме нт о в — Пе рио диче скую т аблицу М е нде ле е в а. За эт и рабо т ы Б о р в 1922 г. был удо ст о е н Но беле в ско й пре мии. М о де ль Ре зе рфо рда— Б о ра была о че в идным о бразо м не по сле до в ат е льна. В не й о бъе динялись и по ло ж е ния классиче ско й т е о рии, и т о , чт о им яв но про т ив о ре чило . Ч т о бы уст ранит ь эт и про т ив о ре чия, по т ре бо в алсярадикальный пе ре смо т р мно гих о сно в ных по ло ж е ний т е о рии. Т е м не ме не е , не о бхо димо по дче ркнут ь, чт о значе ние рабо т Н. Б о ра чре зв ычайно в е лико . Е му пе рв о му из уче ных принадле ж ит по разит е льно ге ниальная до гадка о т о м, чт о по в е де ние субат о мных част иц (объ е кт ов микромира) не мо ж е т быт ь о писано зако нами классиче ско й физики, справ е длив ыми для объ е кт ов макромира. Э т о о т личие , в пе рв ую о че ре дь, со ст о ит в т о м, чт о св о йст в а макрос копиче с ких с ис т е м мо гут изме нят ься не пре рыв но , в т о в ре мя как параме т ры микрос копиче с ких объ е кт ов мо гут пре т е рпе в ат ь т о лько скачко о бразные изме не ния. Пре рыв но ст ь со ст о яний, св о йст в е нная микро сист е мам, была до казана экспе риме нт ально Д ж е ймсо м Ф ранко м 24 (рис. 15) и Густ ав о м Ге рце м 25 в 1913 –1916 гг. в ре зульт ат е о пыт а, яв ив ш е го ся бесспо рным до казат е льст в о м дискре т но ст и в нут ре нне й эне ргии ат о ма. Про пуская по т о к эле ктро но в че ре з пары рт ут и (рис. 16), о ни о бнаруж или, чт о , в зав исимо ст и о т эне ргии эле ктро но в , про т е каю щ ий т о к име е т максимумы и минимумы (рис. 17). Пе рв о начально , по ка эне ргияэле ктро но в не пре в ыш ала 4,9 эВ , сила т о ка ув е личив алась с ро ст о м напряж е ния, Рис. 15. Д ж е ймс Ф ранк.

по ско льку по т о кэле ктро но в про хо дил че ре з пары рт ут и, практиче ски т е ряя эне ргии.

не

28

Рис. 16. С хе ма о пыт а Ф ранка — Ге рца: в со суде Л нахо дят ся пары рт ут и при дав ле нии 1 мм рт . ст .; К — накалив ае мый кат о д; С 1 и С 2 — уско ряю щ ая и заме дляю щ аясе т ки; А — ано д; т о к ре гист рируе т сягальв ано ме т ро м Г.

При значе нии U = 4,9 В (и крат ных е му значе ниях 9,8 В и 14,7 В ) по яв лялись ре зкие спады т о ка (рис. 17). Э т о о пре де лённым о бразо м указыв ало на т о , чт о при о т ме че нных значе ниях напряж е ния U со ударе ния эле ктро но в с ат о мами рт ут и но сят не упругий характе р. Д ругими сло в ами, эне ргия эле ктро но в ст ано в ит сядо ст ат о чно й дляв о збуж де нияат о мо в Hg. При крат ных 4,9 эВ значе ниях эне ргии эле ктро ны мо гут испыт ыв ат ь не упругие ст о лкно в е ния не ско лько раз. Т аким о бразо м, было до казано , чт о эне ргия ат о ма изме няе т ся не не пре рыв ным о бразо м, а скачко о бразно , и E = 4,9 эВ – наиме ньш ая по рция эне ргии, ко т о рая мо ж е т быт ь по гло щ е на ат о мо м рт ут и, нахо дящ е мсяв о сно в но м со ст о янии. Э т о т

Рис. 17. Зав исимо ст ь силы т о ка о т в е личины уско ряю щ е го по т е нциала (напряж е ния) I = f (U) в о пыт е Ф ранка — Ге рца.

факт до казыв ал пре рыв но ст ь в о змо ж ных значе ний в нут ре нне й эне ргии ат о мо в Hg. Э не ргия пе рв о го в о збуж де нно го уро в ня, ко т о рый яв ляе т ся ближ айш им по о т но ш е нию кно рмально му со ст о янию ат о ма рт ут и, о т личалась на в е личину, рав ную 4,9 эВ .

29

Не смо т ря на т о , чт о в ыдв инут ая Б о ро м т е о рия ст ро е ния ат о ма яв илась про ро че ским пре дсказание м но в о й о т расли научно го знания - кван т овой ме хан ики, в ряде случае в о на до сих по р нахо дит приме не ние благо даря св о е й наглядно ст и. В част но ст и, эт а мо де ль удо в ле т в о рит е льно о писыв ае т эне рге т иче ский спе ктр ат о марно го в о до ро да. О че нь част о е е испо льзую т для о бъясне ния распо ло ж е ния эле ме нт о в в Пе рио диче ско й т аблице и зако но ме рно ст и изме не ния их эне ргий ио низации. Т е м не ме не е , не льзя не признат ь ряд не до ст ат ко в , сущ е ст в е нно о граничив аю щ их о бласт ь приме не ния э т о й мо де ли. В част но ст и, о на не по зв о ляла о бъяснит ь не ко т о рые о со бенно ст и спе ктро в ат о мо в , бо ле е т яж е лых, че м в о до ро д.

2. 5. К р атк иебиогр аф ическ иеданны еучены х 16

ГЕ Й ГЕ Р (Geiger) Ханс (1882-1945), не ме цкий физик. Изо бре л (со в ме ст но с Э . Ре зе рфо рдо м, 1908) прибо р для ре гист рации о т де льных заряж е нных част иц (ге йге ро в ский сче т чик). У ст ано в ил (1911) т . н. зако н Ге йге ра — Не т т о лла — зав исимо ст ь ме ж ду в е ро ят но ст ью aльфа-распада и э не ргие й aльфа-част иц. 17

ЛА У Э (Laue) М ак с ф он (1879-1960), не ме цкий физик, ино ст ранный чле нко рре спо нде нт РАН (1924) и ино ст ранный по че т ный чле н РАН АН С С С Р (1929). Разрабо т ал т е о рию дифракции ре нт ге но в ских луче й на крист аллах и пре дло ж ил ме т о д, с по мо щ ью ко т о ро го о на была о т крыт а (1912). Т руды по св е рхпро в о димо ст и, т е о рии о т но сит е льно ст и кв ант о в о й т е о рии, ат о мно й физике, ист о рии физики. Но беле в скаяпре мия(1914). 18

Б А РК ЛА (Barkla) Ч ар лз (1877-1944), английский физик. О сущ е ст в ил (1904) по ляризацию ре нт ге но в ских луче й. О т крыл (1906) характе рист иче ско е ре нт ге но в ско е излуче ние . Но беле в скаяпре мия(1917). 19

М О ЗЛИ (Moseley) Генр и Гвин Д жеф р ис(23.11.1887 — 10.08.1915), английский физик. О ко нчил О ксфо рдский унив е рсит е т (1910). В 1910— 1914 гг. рабо т ал в М анче ст е рско м, а зат е м О ксфо рдско м унив е рсит е т ах. В лабо рат о рии Э . Ре зе рфо рда

30

(М анче ст е р) про в о дил иссле до в ания по β - и γ - спе ктро ско пии и спе ктро ско пии ре нт ге но в ских луче й. У ст ано в ил (1913) св язь ме ж ду част о т о й характе рист иче ских линий ре нт ге но в ских луче й и ат о мным но ме ро м э ле ме нт а (Зако н М о зли). По гибв о в ре мя1-й миро в о й в о йны 1914— 1918 гг. в сраж е нии при Галипо ли. 20

Б А ЛЬ М Е Р (Balmer) И оганн Я к об (1825-1898), ш в е йцарский физик и мат е мат ик. У чился в Б азе ле , К арлсруэ , Б е рлине . Ав т о р фундаме нт альных рабо т по ат о мно й спе ктро ско пии. У ст ано в ил (1885), чт о длины в о лн в идимо й част и спе ктра ат о ма в о до ро да св язаны ме ж ду со бо й про ст о й зав исимо ст ью (фо рмула Б альме ра), по зв о ляю щ е й о пре де лит ь длины в о лн в се х линий спе ктрально й се рии в о до ро да (се рияБ альме ра). 21

Б О Р (Bohr) Н ильс (1885-1962), дат ский физик, о дин из со здат е ле й со в ре ме нно й физики, со здат е ль миро в о й научно й ш ко лы. Разрабо т ал т е о рию ат о ма, в о сно в у ко т о ро й ле гли план е т арн ая мод е ль ат ома, кв ант о в ые пре дст ав ле нияи пре дло ж е нные им пос т улат ы Бора. В аж ные рабо т ы по т е о рии ме т алло в , т е о рии ат о мно го ядра и яде рных ре акций. Т руды по фило со фии е ст е ст в о знания. Зако нчил К о пе нгаге нский унив е рсит е т , где прио бре л ре пут ацию не о быкно в е нно о даре нно го физикаиссле до в ат е ля. Е го дипло мный про е кт, по св ящ е нный о пре де ле нию по в е рхно ст но го нат яж е ния в о ды по в ибрациям в о дяно й ст руи, был удо ст о е н зо ло т о й ме дали Д ат ско й ко ро ле в ско й акаде мии наук. В 1908-1911 гг. Б о р про до лж ил рабо т у в унив е рсит е т е , где в ыпо лнил це лый ряд в аж не йш их иссле до в аний, в част но ст и по классиче ско й э ле ктро нно й т е о рии ме т алло в , со ст ав ив ш е й о сно в у е го до кто рско й диссе рт ации. Ч е ре з т ри го да по сле о ко нчанияунив е рсит е т а Б о р прие хал рабо т ат ь в Англию . По сле го да пре быв ания в К е мбридж е у Д ж . Д ж . Т о мсо на Б о р пе ре брался в М анче ст е р кЭ . Ре зе рфо рду. По сле о ко нчания рабо т у Ре зе рфо рда Б о р в е рнулся в Д анию , где о н в 1916 г. был приглаш е н про фе ссо ро м в унив е рсит е т в К о пе нгаге не . Ч е ре з го д о н был избран чле но м Д ат ско го ко ро ле в ско го о бщ е ст в а (в 1939 о н ст ал е го пре зиде нт о м). В 1920 г. Б о р со здае т Инст ит ут т е о ре т иче ско й физики (се йчас - Инст ит ут Нильса Б о ра); и ст ано в ит ся е го дире кто ро м. Э т о му инст ит ут у суж де но было сыграт ь в ыдаю щ ую ся ро ль в разв ит ии кв ант о в о й физики. К е го бо льш о й инт е рнацио нально й ш ко ле принадле ж али Ф . Б ло х, О . Б о р, В . В айско пф, X. К азимир, О . К ле йн, X. К раме рс, Л. Д . Ландау, К . М е лле р, У . Ниш ика, А.Пайс, Л. Ро зе нфе льд, Д ж . У илле р и мно гие другие . Н. Б о р и е го инст ит ут ст али це нт ро м прит яж е ния для в се х т е о ре т ико в . Име нно в инст ит ут е Б о ра фо рмиро в ало сь т о , чт о о пре де лило каче ст в е нно но в о е лицо физики XX в е ка. В о в ре мя В т о ро й миро в о й в о йны Н. Б о ра пе ре прав или в Англию , а зат е м в Аме рику, где в ме ст е с сыно м О ге рабо т ал для М анхэ т е ннско го про е кта в Ло сАламо се . В по сле в о е нные го ды о н о гро мно е в нимание уде лял про бле ме ко нт ро лянад яде рными в о о руж е ниями, мирно го испо льзо в ания ат о ма, о бращ ался даж е в по сланиями к О О Н, участ в о в ал в со здании Е в ро пе йско го це нт ра яде рных иссле до в аний, по ско льку нахо дил о пасным мо но по льно е в ладе ние ат о мным о руж ие м. Актив ный участ никбо рьбы про т ив ат о мно й угро зы. Ино ст ранный чле н АН С С С Р (1929). Но беле в скаяпре мия(1922). 22

ПЛА Н К (Planck) М ак с(1858-1947), не ме цкий физик, о дин изо сно в о по ло ж нико в кв ант о в о й т е о рии, ино ст ранный чле н-ко рре спо нде нт Пе т е рбургско й АН (1913) и

31

по че т ный чле н АН С С С Р (1926). В в е л (1900) кв ант де йст в ия (по ст о янная Планка) и, исхо дя из иде и кв ант о в , в ыв е л зако н излуче ния, назв ан е го име не м. Т руды по т е рмо динамике, т е о рии о т но сит е льно ст и, фило со фии е ст е ст в о знания. Но беле в ская пре мия(1918). 23

ЭЙ Н Ш Т Е Й Н (Einstein) А льбер т (1879-1955), физик-т е о ре т ик, о дин из о сно в ат е ле й со в ре ме нно й физики, ино ст ранный чле н-ко рре спо нде нт РАН (1922) и ино ст ранный по че т ный чле н АН С С С Р (1926). Ро дился в Ге рмании, с 1893 г. ж ил в Ш в е йцарии, с 1914 г. в Ге рмании, в 1933 г. э мигриро в ал в С Ш А. С о здал част ную (1905) и о бщ ую (1907-1916) т е о рии о т но сит е льно ст и. Ав т о р о сно в о по лагаю щ их т рудо в по кв ант о в о й т е о рии св е т а: в в е л по нят ие фо т о на (1905), уст ано в ил зако ны фо т о э ффе кта, о сно в но й зако н фо т о химии (зако н Э йнш т е йна), пре дсказал (1917) индуциро в анно е излуче ние . Разв ил ст ат ист иче скую т е о рию бро уно в ско го дв иж е ния, зало ж ив о сно в ы т е о рии флуктуаций, со здал кв ант о в ую ст ат ист ику Б о зе — Э йнш т е йна. С 1933 г. рабо т ал над про бле мами ко смо ло гии и е дино й т е о рии по ля. В 30-е гг. XX в е ка в ыст упал про т ив фаш изма, в о йны, в 40-е — про т ив приме не ния яде рно го о руж ия. В 1940 г. по дписал письмо пре зиде нт у С Ш А, о б о пасно ст и со здания яде рно го о руж ия в Ге рмании, ко т о ро е ст имулиро в ало аме риканские яде рные иссле до в ания. О дин из инициат о ро в со здания го сударст в а Израиль. Но беле в ская пре мия (1921, за т руды по т е о ре т иче ско й физике, о со бенно за о т крыт ие зако но в фо т о э ффе кта). 24

Ф РА Н К (Franck) Д жей мс (1882-1964), не ме цкий физик, ино ст ранный чле нко рре спо нде нт АН С С С Р (1927). С 1935 г. в С Ш А. Ав т о р (со в ме ст но с Г. Ге рце м) классиче ских иссле до в аний ст о лкно в е ний э ле ктро но в с ат о мами (о пыт Ф ранка — Ге рца, 1913). Т руды по мо ле кулярно й спе ктро ско пии, фо т о синт е зу. В ыст упал про т ив приме не нияяде рно го о руж ия. Но беле в скаяпре мия(1925, со в ме ст но с Г. Ге рце м). 25

ГЕ РЦ (Хер ц ) (Hertz) Густав (1887-1975), не ме цкий физик, ино ст ранный чле н АН С С С Р (1958). В 1945-1954 гг. рабо т ал в С С С Р. Пле мянник Ге нриха Ге рца. Иссле до в ал ст о лкно в е ния э ле ктро но в с ат о мами (о пыт Ф ранка — Ге рца, 1913). Разрабо т ал диффузио нный ме т о д разде ле ния изо т о по в . Но беле в ская пре мия (1925, со в ме ст но с Д ж . Ф ранко м), Го сударст в е ннаяпре мияС С С Р (1951).

32

2.6. В опр осы для самок онтр оля к Главе2 1. К ако й уче ный разрабо т ал пе рв ую мо де ль сло ж но го ст ро е нияат о ма? 2. О пиш ит е сут ь знаме нит о го о пыт а Э рне ст а Ре зе рфо рда по рассе янию α-част ицо т зо ло т о й фо льги. К акие при эт о м были по луче ны ре зульт ат ы? К акие в ыв о ды сде лал Ре зе рфо рд из эт о го о пыт а? 3. В че м со ст о ят о сно в ные пре имущ е ст в а плане т арно й мо де ли ст ро е нияат о ма по срав не нию со ст ат иче ско й мо де лью ? 4. По че му со в ре ме нники Ре зе рфо рда по дв е ргали крит ике плане т арную мо де ль ст ро е нияат о ма? 5. К ако й уче ный в ыст упил в защ ит у мо де ли Ре зе рфо рда? 6. В че м заклю чае т ся глав но е фундаме нт ально е до ст о инст в о т е о рии Б о ра и е го мо де ли ст ро е нияат о ма в о до ро да? 7. В че м заклю чае т сяфундаме нт ально е значе ние зако на М о зли? 8. К акие уче ные в пе рв ые экспе риме нт ально до казали, чт о микро сист е мам, в о т личие о т макро сист е м, св о йст в е нна пре рыв но ст ь со ст о яний? В че м со ст о ит сут ь эт о го о пыт а? 9. К акие фундаме нт альные в ыв о ды были сде ланы из о пыт а Ф ранка – Ге рца?

33

ГЛА В А 3. Зар ождениеи становлениек вантовой механик и В 1916 г. не ме цкий физики мат е мат икАрно льд Зо мме рфе льд26 на о сно в е по ло ж е ния о ко рпускулярно -в о лно в о м дуализме эле ктро на рассчит ал дв е о рбит ы для ат о ма в о до ро да, о дна из ко т о рых была круго в ая, а в т о рая эллипт иче ская. В ыпо лне нные иссле до в ания не т о лько про лили но в ый св е т на сло ж ную приро ду ат о ма, но и по ло ж или начало но в о му в аж но му направ ле нию в науке. Из иссле до в аний Планка, Э йнш т е йна, Б о ра и Зо мме рфе льда в ыт е кала яв ная не со ст о ят е льно ст ь принципо в классиче ско й физики при о писании по в е де ниясубат о мных част иц. Ре ш аю щ ий ш аг в разв ит ии но в о го разде ла физики про изо ш е л в 1925 г., ко гда Луи де Б ро йль27 (рис. 18) углубил пре дст ав ле ния о корпус куля рн о - волн овом д уализме . Пыт аясь найт и о бъясне ние по ст улиро в анным в 1913 г. Н. Б о ро м усло в иям квант о в ания ат о мных о рбит (см. Глав а 2, п. 2.3), французский уче ный в ыдв инул гипо т е зу о вс е общ н ос т и корпус куля рн о-волн ового д уализма. С о гласно де Б ро йлю , каж до й част ице , не зав исимо от е е приро ды, сле дуе т по ст ав ит ь в со о т в е т ст в ие в о лну, длина ко т о ро й λ св язана с импульсо м част ицы р о пре де ле нным со о т но ш е ние м.

34

По льзуясь знаме нит ым урав не ние м Э йнш т е йна, де Б ро йлю удало сь записат ь в ыраж е ние , св языв аю щ е е длину в о лны эле ктро на с в е личино й е го импульса. Рис. 18. Луи де Б ро йль.

У равн е н ие волн ы д е Бройля име ло в ид:

λ=

h , me v

(6)

где λ - длина в о лны эле ктро на, me - е го масса, v - ско ро ст ь. С о гласно эт о й гипо т е зе не т о лько фо т о ны, но и в се «о быкно в е нные част ицы» (эле ктро ны, про т о ны и др.) о бладаю т в о лно в ыми св о йст в ами, ко т о рые , в част но ст и, до лж ны про яв лят ьсяв яв ле нии дифракции. Э т о урав не ние ле гло в о сно в у но в о го разде ла физики XX ст о ле т ия кван т овой ме хан ики, призв анно го занимат ься изуче ние м по в е де ния микро част иц в пе рио диче ских эле ктро магнит ных по лях. Принимая в о в нимание чре зв ычайно в аж ную ро ль квант о в о й ме ханики при ре ш е нии мно гих фундаме нт альныхи прикладныхпро бле м со в ре ме нно го е ст е ст в о знания, в по лне уме ст но прив е ст и наибо ле е разв е рнут о е о пре де ле ние эт о й о бласт и со в ре ме нно й физики. К ван т овая ме хан ика пре дст ав ляе т со бо й разде л т е оре т иче с кой ф изики, ко т о рый уст анав лив ае т с пос об опис ан ия и закон ы д виж е н ия микрочас т иц (эле ме нт арных част иц, ат о мо в , мо ле кул, ат о мных яде р) и ихс ис т е м (наприме р, крист алло в ), а т акж е св язь в е личин, характе ризую щ их част ицы или сист е мы част иц, с физиче скими в е личинами, не по сре дст в е нно изме ряе мыми в макро ско пиче ских о пыт ах. Д е Б ро йль, яв ляясь о дним из о сно в о по ло ж нико в квант о в о й ме ханики, пре дло ж ил рассмат рив ат ь эле ктро н как ст о ячую в о лну, ко т о рая до лж на уме щ ат ься на круго в о й о рбит е це ло е число раз. Наличие в о лно в ых св о йст в у эле ктро на экспе риме нт ально было по дт в е рж де но рабо т ами К линт о на Д ж о зе фа Д эв иссо на28 и Ле ст е ра Х алберт а Д ж е рме ра29. О ни о бнаруж или, чт о пучо к эле ктро но в , по до бно св е т о в о му по т о ку, мо ж е т испыт ыв ат ь дифракцию , про хо дя че ре з мо но крист алл никеля или че ре з т о нкую ме т алличе скую фо льгу. Яв ле ние дифракции эле ктро но в ле гло в о сно в у со здания эле кт рон н ы х микрос копов, пре в о схо дящ их о пт иче ские микро ско пы по мо щ но ст и и разре ш аю щ е й спо со бно ст и. По здне е в о лно в ые св о йст в а были о бнаруж е ны и у других част иц, и справ е длив о ст ь фо рмулы де Б ро йля была по дт в е рж де на экспе риме нт ально .

35

Но в ая о т расль науки разв ив алась ст ре мит е льно . В 1926 г. 30 ав ст рийский физик Э рв ин Ш ре динге р (рис. 19), пре дло ж ил для о писания по в е де ния субат о мных част иц в ст ацио нарных усло в иях св о е знаме -нит о е волн овое уравн е н ие . У рав не ние Ш рёдинге ра, о сно в но е динамиче ско е урав не ние не ре лят ив ист ско й кв ант о в о й ме ханики, сыграло т акую же ф ун д аме н т альн ую роль, как урав не ние дв иж е ния Нью т о на в классиче ско й ме ханике или урав не ния М аксв е лла в классиче ско й т е о рии эле ктро магне т изма. Е сли изв е ст на в о лно в ая функцияψ в начальный мо ме нт в ре ме ни, т о , ре ш ая урав не ние Ш рёдинге ра, ст ало в о змо ж ным нахо ж -де ние ψ в лю бо й по сле дую щ ий мо ме нт в ре ме ни t. Д ля част ицы массы m, дв иж ущ е йся по д де йст в ие м силы, по -ро ж дае мо й по т е нциало м U(х, у, z, t), Рис. 19. Э рв ин Ш ре динге р.

эт о урав не ние име ло в ид: ∂ψ h2 ih =− ∇ ψ + U ( x , y , z , t )ψ , ∂t 2m

(7)

 ∂2 ∂2 ∂2   - о пе рат о р Лапласа, x, y, z - ко о рдинат ы, + +  x2 y2 z 2   

где ∇ = 

h - по ст о яннаяД ирака.

У рав не ние (7) назыв ае т сявре ме н н ы м уравн е н ие м Ш ре д ин ге ра. Е сли по т е нциал U не зав исит о т в ре ме ни, т о ре ш е нияурав не ния(7) мо ж но было пре дст ав ит ь в в иде : i − Et ψ ( x, y , z , t ) = e h ψ ( x, y , z ) ,

(8)

где Е — по лнаяэ не ргиякв ант о в о й сист е мы, а ψ (x, у, z) удо в ле т в о ряе т ст ацио нарно му урав не нию Ш ре динге ра:

h2 − ∇ψ + U ( x, y, z )ψ = Eψ 2m

(9)

36

С мат е мат иче ско й т о чки зре ния в ыраж е ния (7) и (9) яв ляю т ся в о лно в ыми урав не ниями и по св о е й ст руктуре по до бны урав не нию , о писыв аю щ е му ко ле бания нагруж е нно й ст руны. О днако , в о т личие о т ре ш е ний урав не ния ко ле баний ст руны, ко т о рые даю т ге о ме т риче скую фо рму ст руны в данный мо ме нт в ре ме ни, ре ш е ния ψ(х, у, z, t) прямо го физиче ско го смысла не име ю т . 2 С мысл име е т квадрат в о лно в о й функции, а име нно в е личина ψ n ( x, y, z ) , рав ная в е ро ят но ст и нахо ж де ния част ицы (сист е мы част иц) в мо ме нт t в квант о в о м со ст о янии n в т о чке про ст ранст в а с ко о рдинат ами х, у, z. Э т а ве роя т н ос т н ая ин т е рпре т ац ия волн овой ф ун кц ии ст ала о дним из о сно в ных по ст улат о в квант о в о й ме ханики. У рав не ние Ш ре динге ра по зв о лило о писат ь изме не ние со ст о яния квант о в ых о бъе кто в , характе ризуе мых в о лно в о й функцие й. Э т о урав не ние яв ляе т ся мат е мат иче с ким вы раж е н ие м фундаме нт ально го св о йст в а микро част иц - ко рпускулярно -в о лно в о го дуализма, со гласно ко т о ро му в се сущ е ст в ую щ ие в приро де част ицы мат е рии наде ле ны т акж е в о лно в ыми св о йст в ами. В о лно в о е урав не ние удо в ле т в о ряе т эт о му принципу со о т в е т ст в ия даж е в пре де льно м случае , ко гда длины в о лн де Б ро йля значит е льно ме ньш е разме ро в , характе рных для рассмат рив ае мо го дв иж е ния, по ско льку о но со де рж ит и о писание дв иж е ния част иц по зако нам классиче ско й ме ханики. Пе ре хо д о т урав не ния Ш ре динге ра к классиче ским т рае кто риям по до бен пе ре хо ду о т в о лно в о й о пт ики кге о ме т риче ско й. Анало гияме ж ду классиче ско й ме ханико й и ге о ме т риче ско й о пт ико й, ко т о рая яв ляе т ся пре де льным случае м в о лно в о й, сыграла в аж ную ро ль в уст ано в ле нии урав не нияШ ре динге ра. М ат е мат иче ская фо рмулиро в ка по ст улат о в квант о в о й ме ханики, о сно в аннаяна урав не нии Ш ре динге ра, по лучило назв ание волн овой ме хан ики. У рав не ние Ш ре динге ра по зв о лило о бъяснит ь и пре дсказат ь бо льш о е число яв ле ний ат о мно й физики, а т акж е в ычислит ь о сно в ные характе рист ики ат о мных сист е м, наблю дае мых на о пыт е . Наприме р, с по мо щ ью эт о го урав не ния были рассчит аны эне рге т иче ские уро в ни ат о мо в , изме не ние спе ктро в ат о мо в по д в лияние м эле ктриче ско го и магнит но го по ле й и т . д. С по мо щ ью эт о го урав не ния удало сь т акж е по нят ь и ко личе ст в е нно о писат ь ш иро кий круг яв ле ний яде рно й физики, наприме р зако но ме рно ст и α-распада, γ излуче ние яде р, рассе яние не йт ро но в на ядрах и мно го е друго е . В ско ре по сле эт о го в 1927 г. был сфо рмулиро в ан прин ц ип н е опре д е ле н н ос т и Ге йзе нберга, со гласно ко т о ро му не в о змо ж но с абсо лю т но й т о чно ст ью о пре де лит ь ко о рдинат у и про е кцию ско ро ст и эле ктро на на эт у о сь ко о рдинат .

∆x ⋅ ∆p x ≥

h , 2π

где ∆x - по гре ш но ст ь в о пре де ле нии ко о рдинат ы;

(10)

37

∆px - по гре ш но ст ь в о пре де ле нии про е кции импульса на эт у о сь ко о рдинат . С о гласно фо рмуле (10), в каж дый о т де льный мо ме нт в ре ме ни т о чно мо ж но уст ано в ит ь в е личину т олько од н ого из эт их параме т ров. Принцип не о пре де ле нно ст и Ге йзе нберга ст ал е щ е о дним аргуме нт о м в по льзу в е ро ят но ст но го характе ра о писанияпро це ссо в микро мира. В 20-е го ды Х Х в е ка бурно е разв ит ие наблю дало сь не т о лько в ст ано в ле нии т е о ре т иче ских о сно в кв ант о в о й ме ханики, но и в со в е рш е нст в о в ании расче т ных ме т о до в . В 1925 г. В . Ге йзе нберг пре дло ж ил испо льзо в ат ь при про в е де нии кв ант о в о -ме ханиче ских расче т о в мат ричн ы й мат е мат иче с кий ме т од . М ат ричная ме ханика В . Ге йзе нберга, в о сно в у ко т о ро й был по ло ж е н со о т в е т ст в ую щ ий расче т ный ме т о д, была по лно ст ью эквив але нт на в о лно в о й ме ханике Ш ре динге ра. К ульминацие й разв ит иякв ант о в о й ме ханики в эт о т пе рио д яв ились рабо т ы английско го физика По ля Д ирака34 (рис. 20), в ко т о рых о н разв ил и расш ирил мат ричный по дхо д, чт о по зв о лило е му дат ь исче рпыв аю щ е е т е о ре т иче ско е о бъясне ние ко рпускулярно -в о лно в о го дуализма эле ктро на. Е му удало сь до казат ь, чт о в не ко т о рых случаях инт е нсив но ст ь в о лны в како й-либо т о чке про ст ранст в а эквив але нт на пло т но ст и в е ро ят но ст и нахо ж де нияв не й т е х или иных субат о мных част иц. В других сит уациях пло т но ст ь в е ро ят но ст и нахо ж де ниячаст ицмо ж е т быт ь наст о лько низка, чт о мо ж но в о о бщ е пре не бре чь их в о лно в о й приро до й. Д иракразрабо т ал мат е мат иче ский аппарат квант о в о й ме ханики — т е о рию пре дст ав ле ний, по зв о лив ш их по нят ь рав но прав ие не ско льких в не ш не различных в ариант о в о писания по в е де ния субат о мных част иц. Т акж е им был пре дло ж е н “ ме т од вт оричн ого кван т ован ия ” , о т крыв ш ий пут ь к

Рис. 20. П. Л. К апица (сле в а) и П. Д ирак (справ а) играю т в ш ахмат ы. 1920-е го ды. М е мо риальный кабине т -музе й П. Л. К апицы при

38

ИФ П РАН.

по сле до в ат е льно му квант о в о му о писанию эле ктро магнит но го по ля. О дним из сле дст в ий по ст ро е нно й т аким о бразо м квант о в о й эле ктро динамики яв ились в ыв о ды, касаю щ ие ся в ынуж де нно го излуче ния, ко т о рые уж е в наш е в ре мя ле гли в о сно в у це ло го направ ле нияв физике — кв ант о в о й эле ктро нике. Т ако й по дхо д по зв о лил П. Д ираку т е о ре т иче ски до казат ь сущ е ст в о в ание с пин а эле ктро на, пре дсказание ко т о ро го было сде лано в пе рв ые аме риканскими физиками Д ж о рдж е м Ю дж ино м У ле нбеко м 35 и С амю эле м Абрахамо м 36 Гаудсмит о м на о сно в ании де т ально го анализа т о нко й ст руктуры ат о мных спе ктро в . С амым в ыдаю щ имся до ст иж е ние м английско го уче но го яв илась фо рмулиро в ка знаме нит о го уравн е н ия Д ирака - квант о в о го урав не ниядв иж е ния для част иц со спино м 1/2 (наприме р, эле ктро но в и по зит ро но в , мю о но в ), удо в ле т в о ряю щ е е т ре бо в аниям спе циально й т е о рии о т но сит е льно ст и. Д о эт о го мо ме нт а дв е в е ликих т е о рии XX в е ка — т е о рия о т но сит е льно ст и и квант о в ая ме ханика — о ко ло дв ух де сят ко в ле т разв ив ались паралле льно , но не зав исимо , хо т я де лало сь в се бо ле е о че в идным, чт о их о бъе дине ние не о бхо димо и не избеж но . К о гда в о зникла квант о в ая т е о рия ат о ма, и о бъе кто м рассмо т ре ния ст ал эле ктро н, т о в начале казало сь, чт о для е го о писания до ст ат о чно «не ре лят ив ист ско го » в о лно в о го урав не нияЭ . Ш ре динге ра (7) и (9). Э т о урав не ние со про в о ж дае т ся эпит е т о м “ не ре лят ив ист ско е ” по т о й причине , чт о е го в ид о ст ае т ся не изме нным лиш ь при “ не ре лят ив ист ских” пре о бразо в аниях Галиле я для ко о рдинат и в ре ме ни, но ме няе т ся, е сли испо льзо в ат ь “ ре лят ив ист ские ” пре о бразо в анияЛо ре нца. Рабо т ы П. Д ирака яв ились зако но ме рным синт е зо м т е о рии о т но сит е льно ст и и в о лно в о й ме ханики, о т крыв по ист ине но в ые го ризо нт ы в испо льзо в ании квант о в о -ме ханиче ских ме т о до в для о писания и пре дсказания про це ссо в и яв ле ний микро мира. Испо льзуя изящ не йш ий и изо щ ре нный мат е мат иче ский «мат ричный» ме т о д, Д иракприш е л кзнаме нит о му урав не нию , но сящ е му е го имя. Э т о урав не ние было о публико в ано в рабо т е , в ыш е дш е й 1 фе в раля 1928 го да. В по сле дст в ии, сам ав т о р писал: “ Я о бнаруж ил из эт о го урав не ния, чт о эле ктро н о бладае т спино м, рав ным 1/2, и магнит ным мо ме нт о м, и чт о значе ние спина и магнит но го мо ме нт а со гласуе т ся с экспе риме нт альными. По луче нный ре зульт ат был со в е рш е нно не о ж иданным... Я счит ал, чт о про ст е йш е е ре ш е ние по лучит ся для част ицы без спина, а уж е зат е м нуж но буде т в в е ст и спин...” . Т аким о бразо м, ст ро го мат е мат иче ски П. Д иракдо казал, чт о эле ктро ну, кро ме заряда и массы, до лж на быт ь приписана е щ ё о дна в нут ре нняяхаракте рист ика - спин. Е щ е о дним чре зв ычайно в аж ным фундаме нт альным сле дст в ие м эт о го урав не нияяв ило сь т е о ре т иче ско е пре дсказание сущ е ст в о в ания“ ан т ичас т иц ы ” эле ктро на. Э т у част ицу, назв анную позит рон ом, де йст в ит е льно в ско ре о бнаруж ил на о пыт е аме риканский физикК арл Д эв ид Анде рсо н 37. В наст о ящ е е

39

в ре мяпре дст ав ле ние о бан т ичас т иц ах- “ парт не рах-дв о йниках” в се х част иц— про чно в о ш ло в физику. Б о льш о е значе ние для дальне йш е го разв ит ия квант о в о й ме ханики сыграл о т крыт ый ш в е йцарским физико м В о льфганго м Паули (рис. 21) знаме -нит ый принцип, ко т о рый ре гламе н-т иро в ал распо ло ж е ние эле ктро но в на дискре т ных эне рге т иче ских уро в нях в о круг ядра. П рин ц ип или запре т П аули ут в е рж дае т не в о змо ж но ст ь сущ е ст в о -в ания бо ле е , че м о дно го эле ктро на в о дно м и т о м ж е эне рге т иче ско м квант о в о м со ст о янии. Д ругими сло в ами, в ат о ме мо ж е т нахо дит ься т о лько о дин эле ктро н, характе ризую щ ийся о динако в ым набо ро м в се х че т ыре х кв ант о в ых чисе л: глав но го кв ант о в о го числа n, о рбит ально го Рис. 21. В о льфганг Паули.

квант о в о го числа l, магнит но го квант о в о го числа ml и спино в о го числа ms. Д альне йш ие иссле до в ания по казали, чт о принцип Паули име е т фундаме нт ально е значе ние в т е о рии ст ро е ния ат о ма, ядра и т в ёрдо го т е ла. Принцип Паули прио бре л исклю чит е льно е значе ние дале ко не т о лько в физике ат о мо в , где св язь ме ж ду химиче с кими с войс т вами и рас полож е н ие м эле кт рон ов на ат о мных о рбит алях была уж е по казана — хо т яи не т акглубо ко — самим Н. Б о ро м. Принцип Паули яв ляе т ся о пре де ляю щ им для пон иман ия с т рукт уры Пе рио диче ско й сист е мы эле ме нт о в Д .И. М е нде ле е в а. В сло ж но м ат о ме на каж до м эне рге т иче ско м уро в не мо ж е т нахо дит ься число эле ктро но в , рав но е крат но ст и в ыро ж де ния эт о го уро в ня, т . е . числу разных со ст о яний с о динако в о й эне ргие й. К рат но ст ь в ыро ж де ния K зав исит о т о рбит ально го квант о в о го числа l и о т спина эле ктро на ms: K = (2l + 1) ⋅ (2m s + 1) = 2(2l + 1)

(11)

Т ак в о зникло пре дст ав ле ние о б эле кт рон н ы хоболочкахат о ма, о т в е чаю щ их пе рио дам в т аблице эле ме нт о в Д .И. М е нде ле е в а. Принцип Паули сыграл ре ш аю щ ую ро ль в по нимании зако но ме рно ст е й запо лне ния эле ктро нами уро в не й и по дуро в не й в ат о мах. О н по служ ил исхо дным пункто м для о бъясне ния ат о мных и мо ле кулярных спе ктро в . С ле дуе т по дче ркнут ь фундаме нт ально ст ь ро ли принципа Паули дляквант о в о й т е о рии т в е рдо го т е ла: е го приме не ние прив е ло кно в о й, фе рмие в ско й, ст ат ист ике для эле ктро нно го газа, яв ляю щ е йся о сно в о й для о бъясне ния бо льш инст в а т е пло в ых, эле ктриче ских и магнит ных св о йст в т в е рдо го т е ла.

40

В 1940 г. ш в е йцарский уче ный до казал, чт о в се субат о мные част ицы с по луце лым спино м (ms = 1/2, 3/2, 5/2 ) по дчиняю т ся принципу Паули. Т аким о бразо м, ст ало ясно , чт о эт о т принцип, ле ж ащ ий в о сно в е т ак назыв ае мо й ст ат ист ики Ф е рми— Д ирака, играе т принципиально в аж ную ро ль в физике микро мира. Приме ро м сист е мы, со ст о ящ е й из ф е рмион ов (ф е рми-сист е мы), яв ляе т сяэле ктро нный газ в ме т алле , приме ро м бозе -сист е мы — газ фо т о но в (т . е . рав но в е сно е эле ктро магнит но е излуче ние ), ж идкий 4Не и другие . За о т крыт ие эт о го принципа В . Паули в 1945 г. был удо ст о е н Но беле в ско й пре мии. С т ано в ле ние кв ант о в о й ме ханики яв ляе т ся в аж не йш им эт апо м в разв ит ии е ст е ст в о знания Х Х в е ка. Е е зако ны со ст ав ляю т фундаме нт изуче ния ст ро е ния в е щ е ст в а. О ни по зв о лили в ыяснит ь сло ж но е ст ро е ние ат о ма, уст ано в ит ь приро ду ат о мных спе ктро в , о бъяснит ь в нут ре нне е ст ро е ние Пе рио диче ско й сист е мы эле ме нт о в , по нят ь ст ро е ние мо ле кул, изучат ь св о йст в а в е щ е ст в а. По ско льку св о йст в а макро ско пиче ских т е л о пре де ляю т ся дв иж е ние м и в заимо де йст в ие м част иц, из ко т о рых о ни со ст о ят , зако ны квант о в о й ме ханики ле ж ат в о сно в е по нимания бо льш инст в а макро ско пиче ских яв ле ний. О на по зв о лила, наприме р, о бъяснит ь т е мпе рат урную зав исимо ст ь и в ычислит ь в е личину т е пло е мко ст и газо в и т в е рдых т е л, о пре де лит ь ст ро е ние и по нят ь мно гие св о йст в а т в ёрдых т е л (ме т алло в , диэле ктрико в , по лупро в о днико в ). Т о лько на о сно в е кв ант о в о й ме ханики удало сь по сле до в ат е льно о бъяснит ь т акие яв ле ния, как с ве рхпровод имос т ь, ф е рромагн е т изм, св е рхт е куче ст ь, в ыяснит ь ме ханизм про т е каният е рмо яде рных ре акций на С о лнце и зв е здах. Ряд крупне йш их т е хниче ских до ст иж е ний XX в е ка о сно в ан по сущ е ст в у на спе цифиче ских зако нах квант о в о й ме ханики. Наприме р, квант о в о ме ханиче ские зако ны ле ж ат в о сно в е рабо т ы плазме нных уско рит е ле й, о бусло в лив аю т в о змо ж но ст ь о сущ е ст в ле ния в зе мных усло в иях т е рмо яде рных ре акций, про яв ляю т ся в ряде яв ле ний в ме т аллах и по лупро в о дниках, испо льзуе мых в но в е йш е й т е хнике, и т . д. Зако ны кв ант о в о й ме ханики испо льзую т ся при це ле направ ле нно м по иске и со здании но в ых мат е риало в (о со бенно магнит ных, по лупро в о днико в ых и св е рхпро в о дящ их). В наст о ящ е е в ре мя без е е т е о ре т иче ских о сно в и мат е мат иче ско го аппарат а не в о змо ж но разв ит ие т аких о бласт е й науки, какфизика т в е рдо го т е ла, квант о в аяхимия, квант о в аяэле ктро ника, ат о мнаяфизика, не лине йнаяо пт ика и т е о рия ат о мно го ядра. С о здание квант о в о й т е о рии св иде т е льст в уе т о б исклю чит е льно й силе че ло в е че ско го разума, суме в ш е го о бнаруж ит ь в каж ущ е мся хао се микро яв ле ний по разит е льные по св о е й о бщ но ст и и красо т е зако но ме рно ст и.

41

3. 1. К р атк иебиогр аф ическ иеданны еучены х 26

ЗО М М Е РФ Е ЛЬ Д (Sommerfeld) А р нольд (1868-1951), не ме цкий физик и мат е мат ик, ино ст ранный чле н-ко рре спо нде нт (1925) и ино ст ранный по че т ный чле н (1929) АН С С С Р. У т о чнил мо де ль ат о ма Б о ра и со здал т е о рию т о нко й ст руктуры спе ктра в о до ро да (1916). Зало ж ил о сно в ы кв ант о в о й т е о рии ме т алло в (1928). Д ал т е о рию т о рмо зно го излуче нияэ ле ктро но в (1931). Т руды по мат е мат иче ско й физике. 27

Б РО Й ЛЬ , Д Е Б РО ЛЬ И (de Broglie) Луи де (1892 - 1987), французский физик. Ч ле н (1933) и не пре ме нный се кре т арь (1942) Ф ранцузско й АН. Ино ст ранный чле н АН С С С Р (1958). О ко нчил Париж ский унив е рсит е т (1909). С 1928 г. пре по дав ал т ам ж е . В 1924 г. в до кто рско й диссе рт ации: «Иссле до в анияпо т е о рии кв ант о в » в ыдв инул иде ю о в о лно в ых св о йст в ах мат е рии (т . н. т е о рия в о лны де Б ро йля), ко т о рая ле гла в о сно в у со в ре ме нно й кв ант о в о й ме ханики. В о лно в ые св о йст в а микро част иц были по дт в е рж де ны в по сле дст в ии о пыт ами по дифракции э ле ктро но в и других част иц. Занимался т акж е ре лят ив ист ско й кв ант о в о й ме ханико й, в о про сами ст ро е ния ядра, т е о рие й распро ст ране ния э ле ктро магнит ных в о лн в в о лно в о дах. Д е Б ро йлю принадле ж ат т акж е рабо т ы по ист о рии физики. Но беле в скаяпре мия(1929). 28

Д ЭВ И ССО Н (Д ей виссон) (Davisson) К линтон Д жозеф (1881-1958), аме риканский физик. О т крыл (в 1927 г. со в ме ст но с аме риканским физико м Л. Д ж е рме ро м и не зав исимо о т Д ж . П. Т о мсо на) дифракцию э ле ктро но в на крист алле никеля (о пыт Д э в иссо на и Д ж е рме ра). Но беле в скаяпре мия(1937 г., со в ме ст но с Д ж . П. Т о мсо но м). 29

Д Ж Е РМ Е Р (Germer) Лестер Халбер т (10.10.1896), аме риканский физик. О ко нчил К о рне ллский унив е рсит е т (1917). В 1927 г. со в ме ст но с К . Д э в иссо но м о т крыл яв ле ние дифракции э ле ктро но в на мо но крист алле никеля. 30

Ш РЕ Д И Н ГЕ Р (Schrodinger) Эр вин (1887-1961), ав ст рийский физик-т е о ре т ик, о дин из со здат е ле й кв ант о в о й ме ханики, ино ст ранный чле н-ко рре спо нде нт (1928) и ино ст ранный по че т ный чле н (1934) АН С С С Р. Рабо т ал в Ц ю рихе , Б е рлине и Д ублине . В о зглав лял кафе дру т е о ре т иче ско й физики Б е рлинско го унив е рсит е т а. По сле прихо да к в ласт и Гит ле ра был в ынуж де н по кинут ь Ге рманию и пе ре брат ься сначала в Ав ст рию , а зат е м в Ирландию . Разрабо т ал (1926) т . н. в о лно в ую ме ханику,

42

сфо рмулиро в ал е е о сно в но е урав не ние (урав не ние Ш ре динге ра), до казал е е иде нт ично ст ь мат рично му в ариант у кв ант о в о й ме ханики. Т руды по крист алло графии, мат е мат иче ско й физике, т е о рии о т но сит е льно ст и, био физике. Но беле в ская пре мия (1933 г., со в ме ст но с По ле м А. М . Д ирако м). 31

Д И РА К (Dirac) Поль А др иен М ор ис (1902-1984), английский физик, о дин из со здат е ле й кв ант о в о й ме ханики, ино ст ранный чле н-ко рре спо нде нт АН С С С Р (1931). Разрабо т ал кв ант о в ую ст ат ист ику (ст ат ист ика Ф е рми — Д ирака); ре лят ив ист скую т е о рию дв иж е ния э ле ктро на (урав не ние Д ирака, 1928), пре дсказав ш ую по зит ро н, а т акж е аннигиляцию и ро ж де ние пар. Пре дло ж ил ме т о д в т о рично го кв ант о в ания. Зало ж ил о сно в ы кв ант о в о й э ле ктро динамики и кв ант о в о й т е о рии грав ит ации. Но беле в скаяпре мия(1933, со в ме ст но с Э . Ш ре динге ро м). 32

У ЛЕ Н Б Е К (Uhlenbeck) Д жор дж Ю джин (1900-1988), аме риканский физик. По про исхо ж де нию го лланде ц, с 1927 г. в С Ш А. Т руды по кв ант о в о й ме ханике, яде рно й физике, спе ктро ско пии. В в е л (1925, со в ме ст но с С . Гаудсмит о м) по нят ие спина э ле ктро на. 33

ГА У Д СМ И Т (Goudsmit) Сэмю эл А бр ахам (11.07.1902), аме риканский физик. У чился в Ле йде нско м и Амст е рдамско м унив е рсит е т ах. С 1927 г. пре по дав ал в М ичиганско м унив е рсит е т е (в 1932— 1946 гг. про фе ссо р). В 1941— 1944 гг. рабо т ал в М ассачусе т сско м т е хно ло гиче ско м инст ит ут е . В 1946— 1948 гг. про фе ссо р унив е рсит е т а Но рт уэ ст е рн. С 1948 г. рабо т ае т в нацио нально й лабо рат о рии в Б рукхе йв е не . В 1925 г. со в ме ст но с Д ж . Ю . У ле нбеко м приш ёл кпре дст ав ле нию о спине э ле ктро на. 34

А Н Д Е РСО Н (Anderson) К ар л Д эвид (03.09.1905-11.01.1991), аме риканский физик, чле н Нацио нально й АН (1967). О ко нчил К алифо рнийский т е хно ло гиче ский инст ит ут (1927). О сно в ные т руды по св ящ е ны ре нт ге но в ским и гамма-лучам, физике ко смиче ских луче й, физике э ле ме нт арных част иц. О т крыл в ко смиче ских лучах по зит ро ны (1932) и мю о ны (1936). В 1933 г. о т крыл ро ж де ние э ле ктро нно по зит ро нно й пары из гамма-кв ант а. Но беле в ская пре мия (1936). М е даль им. Э . Гре ссо на (1937), им. Д ж . Э риксо на (1960). 35

ПА У ЛИ (Pauli) В ольф ганг (25.04.1900 — 15.12.1958), ш в е йцарский физикт е о ре т ик, ав т о р классиче ских рабо т по кв ант о в о й ме ханике. О ко нчил унив е рсит е т в М ю нхе не (1921). В 1921— 1922 гг. был ассист е нт о м у М . Б о рна в Гёт т инге не , в 1922— 1923 гг. — у Н. Б о ра в К о пе нгаге не . В 1923 г. до це нт унив е рсит е т а в Гамбурге , в 1928 г. про фе ссо р В ысш е го т е хниче ско го училищ а в Ц ю рихе . В 1940— 1946 гг. приглаш е нный про фе ссо р в инст ит ут е фундаме нт альных иссле до в аний в Принст о не (С Ш А). Е щ ё ст уде нт о м Паули о публико в ал 2 рабо т ы по т е о рии грав ит ации, а зат е м ст ав ш ую классиче ско й мо но графию по т е о рии о т но сит е льно ст и (1921). Рабо т а по о бъясне нию ано мально го э ффе кта Зе е мана прив е ла Паули к фо рмулиро в ке в 1925 г. в аж не йш е го кв ант о в о -ме ханиче ско го принципа - прин ц ипа П аули. В по сле дую щ их рабо т ах Паули о бо бщ ил э т о т принцип, приме нил е го к о бъясне нию парамагне т изма щ е ло чныхме т алло в (1927), по казал, каким о бразо м спин мо ж е т быт ь в клю че н в о бщ ий фо рмализм кв ант о в о й ме ханики (1928), а по здне е

43

до казал, чт о в се част ицы с по луце лым спино м по дчиняю т ся принципу Паули (1940). В ме ст е с П. Ио рдано м и В . Ге йзе нберго м Паули зало ж ил о сно в ы ре лят ив ист ско й кв ант о в о й т е о рии по ля (1929), в разрабо т ке ко т о ро й о н зат е м принял актив но е участ ие . При о бсуж де нии о со бенно ст е й β-распада в ыдв инул гипо т е зу о сущ е ст в о в ании не йт рино (1930— 1933 гг.). Паули принадле ж ат т акж е рабо т ы по ме зо нно й т е о рии яде рных сил, ряд о бзо ро в по в аж не йш им в о про сам со в ре ме нно й т е о ре т иче ско й физики, ст ат ьи по ист о рии и фило со фии науки и др. Но беле в ская пре мия(1945).

3.2. В опр осы для самок онтр оля к Главе3 1. К ако й уче ный пе рв ым в ыдв инул гипо т е зу о в се о бщ но ст и ко рпускулярно в о лно в о го дуализма. В че м со ст о ит сут ь эт о й гипо т е зы? У каж ит е е е фундаме нт ально е значе ние . 2. К акие уче ные экспе риме нт ально до казали сущ е ст в о в ание в о лно в ыхсв о йст в эле ктро на? 3. В че м заклю чае т ся фундаме нт ально е значе ние в о лно в о го урав не ния Ш ре динге ра? 4. С фо рмулируйт е сут ь со о т но ш е ния не о пре де ле нно ст и Ге йзе нберга. В че м заклю чае т сяфундаме нт ально е значе ние эт о го принципа? 5. Рабо т ы како го уче но го яв ились кульминацие й разв ит ия квант о в о й ме ханики в дв адцат ые – т ридцат ые го ды XX ст о ле т ия? 6. В че м заклю чае т сяфундаме нт ально е значе ние урав не ние Д ирака? 7. Ч т о т ако е ант ичаст ица? К ако й уче ный экспе риме нт ально о бнаруж ил пе рв ую ант ичаст ицу? 8. В че м со ст о ит фундаме нт ально е значе ние принципа Паули для по нимания Пе рио диче ско го зако на и по рядка распо ло ж е ния эле ме нт о в в пе рио диче ско й т аблице . 9. С фо рмулируйт е значе ние кв ант о в о й ме ханики для разв ит ия со в ре ме нно го е ст е ст в о знания.

44

РЕ К О М Е Н Д У Е М А Я ЛИ Т Е РА Т У РА 1. Азимо в А. К рат каяист о рияхимии. Разв ит ие иде й и пре дст ав ле ний в химии. / А. Азимо в . – С -Пб.: Амфо ра, 2000. - 289 с. 2. Cobb C. Creation of Fire: Chemistry’s Lively History from Alchemy to the Atomic Age. / C. Cobb, H. Goldwhite H. - New York, London. Plenum Publishing Corporation, 1995. - 346 p. 3. Х ауско фт К . С о в ре ме нный курс о бщ е й химии: В 2 т т . / К . Х ауско фт , Э . К о нст е бл. – М .: М ир, 2002. – 752 с. 4. К укуш кин Ю .Н. В в е де ние в химиче скую спе циально ст ь. / Ю .Н. К укуш -кин, А.В . Д ре мо в . - С -Пб: Х имиздат , 1999. - 183 с. 5. Э мсли Д ж . Э ле ме нт ы. / Д ж . Э мсли. - М .: М ир, 1993. - 256 с. 6. Рузав ин Г.И. М е т о до ло гия научно го иссле до в ания. / Г.И. Рузав ин. - М .: Ю нит и-Д ана, 1999. - 315 с. Д О ПО ЛН И Т Е ЛЬ Н А Я ЛИ Т Е РА Т У РА 1. Ф римант л М . Х имияв де йст в ии: В 2 т т . / М . Ф римант л. - М .: М ир. 1991, Т . 1. - 528 с. 2. Д ж уа М . Ист о рияхимии. / М . Д ж уа. - М .: М ир, 1975. - 477 с. 3. К узне цо в В .И. Д иале ктика разв ит ия химии. / В .И. К узне цо в . - М .: Наука, 1973. - 327 с. 4. М акаро в В .С . К лассиче ская химия и е е т в о рцы. / В .С . М акаро в , Д .Л. Ш амш ин. - В о ро не ж .: Изд-в о В ГУ , 1989. - 192 с. 5. С о ло в ье в Ю .И. Ист о рия химии. / Ю .И. С о ло в ье в . - М .: Про св е щ е ние , 1983. - 408 с.

45

6. Ф игуро в ский Я. А. О т крыт ие химиче ских эле ме нт о в и про исхо ж де ние их назв аний. / Я. А. Ф игуро в ский, — М .: Наука, 1970. - 207 с. 7. Б о рн М . Ат о мная физика, пе р. с англ., 3 изд. / М . Б о рн. - М .: М ир. 1970. – 457 с. 8. Д икерсо н Р., О сно в ные зако ны химии: В 2 т т . / Р. Д икерсо н, Г. Гре й, Д ж . Х е йт . - М .: М ир, 1983. Т . 1. - 652 с. 9. Ш т рубе В . Пут и разв ит ияхимии: В 2 т т . / В . Ш т рубе. - М .: М ир. 1984. т . 1. 279 с., т . 2. - 267 с. 10. В о лко в В .А. В ыдаю щ ие сяхимики мира. / В .А. В о лко в , Е .В . В о нский, Г.И. К узне цо в а. - М .: В ысш аяш ко ла, 1991. - 656 с. 11. Д иракП. Принципы кв ант о в о й ме ханики. / П. Д ирак. - М .: М ир, 1960. – 578 с.

46

С о ст ав ит е ли: М ит т о в а Ирина Яко в ле в на С амо йло в Але ксандр М ихайло в ич Ре дакто р

Т ихо миро в а О льга Але ксандро в на

47