Розвиток фізики в ІІ половині ХІХ–на початку ХХ століття (стр. 3 из 4)
Зараз теорія відносності є загальноприйнятою і її зміст отримав діалектико-матеріалістичне обґрунтування.
2.3 Періодичний закон Д. І, Менделєєва і роботи по вивченню будови речовини. Відкриття рентгенівських променів і радіоактивності
Передісторія сучасної атомної фізики починається з геніального відкриття Д. І. Менделєєвим (1834-1907) в 1869 році періодичного закону. Менделєєв у своєму підручнику "Основи хімії" не тільки сформулював важливий закон науки – періодичність властивостей хімічних елементів – і на його основі створив систему елементів, але вперше вказав на можливість перетворення елементів і з великою точністю передбачив існування ще не відкритих елементів та описав їхні властивості. В 1875 році був відкритий галій, що зайняв у таблиці місце, передбачене Д. І Менделєєвим (№31), а в 1879 році був відкритий елемент скандій (№21) і в 1886 році – германій (№32).
Наступний розвиток науки повністю підтвердив думки Д. І. Менделєєва. Його ідею про склад і будову атома розвинув у 80-х роках ХІХ століття видатний російський учений М. О. Морозов (1854-1946), який висловив думку про складну будову атома і можливість його розкладу, а також висунув ідею про наявність нульової групи елементів, припущення про існування найдрібніших заряджених частинок "катодія" і "анодія" - прототипів електрона і протона.
Цікаві думки про будову атома висловив у 90-х роках ХІХ століття Б. М. Чичерін (1828-1904), який в ряді статей , присвячених періодичному законові, висловлював ідею електричної будови атомів, що складалися, на його думку, з позитивно зарядженого центра і від’ємна зарядженої периферійної частини.
Новий період у розвитку питання про будову речовини почався з відкриття німецьким фізиком В. Рентгеном (1845-1923) так званих Х-променів. В своїх трьох публікаціях "Про новий вид променів" (1895-1898) Рентген дав вичерпний опис властивостей цих променів: фотографічна дія, іонізація повітря; відкрив закони поглинання цих променів і зв'язок поглинання з густиною, дав оцінку жорсткості – поглинальної здатності Х-променів.
Академік Йоффе говорив про Рентгена: "У трьох невеликих статтях, опублікованих протягом року, Рентгеном дано такий вичерпний опис властивостей цих променів, що сотні праць, які з’явилися пізніше, впродовж 12 років, не змогли ні додати, ні відняти нічого істотного". Чи справді це так? Три вище згадані повідомлення Рентгена датовані в такій послідовності: 28 грудня 1895 року – перша стаття; 9 березня 1896 року – друга стаття; травень 1897 року – третя стаття. У першій статті Рентген виклав такі відомості. Він встановив, що виникають ці промені у стінках скляної трубки, куди потрапляють катодні промені. Також Вільям підкреслив, що промені не зазнають заломлення у призмах з різних матеріалів і не відхиляються магнітним полем на відміну від катодних променів. Також Рентген зауважив, що правильне відбивання променів від променів від поверхні тіл відсутнє, а різні речовини відносно Х-променів поводять себе так, як і мутні середовища відносно світла.
Двом іншим статтям передували дві статті айстро-угорського фізика, за походженням українця, Івана Павловича Пулюя, які відповідно датовані: 13 лютого 1896 року – перша стаття; 5 березня 1896 року – друга стаття. Вийшли вони в дуже авторитетному європейському виданні – лондонському журналі "Повідомлення Імператорської Академії Наук". Суттєві результати пріоритетного характеру, отримані Пулюєм, були наступні. Пулюй виявив, що Х-промені викликають провідність газів, тобто їхню іонізацію. Цю властивість Рентген описав лише у другій статті. Також Пулюй дослідив просторовий розподіл інтенсивності променів за допомогою своєї трубки, яку сконструював на початку 80-х років. Аналогічні дослідження Рентген виклав лише в своїй третій статті у травні 1897 році. Саме Пулюй, а не Рентген, розробив у 1882 році трубку, яка мала основні риси сучасних рентгенівських трубок, тобто окремий від анода антикатод, розміщений похило відносно падаючого на нього пучка катодних променів. Пулюй першим зробив знімок цілого скелета. Безпосередньо після отримання інформації про здійснене професором Рентгеном відкриття Х-променів, професор Пулюй, фізик Вищої технічної школи Праги, зробив на цю тему доповідь з демонстраціями 15 лютого 1896 року. Він продемонстрував апарати власної конструкції, просвітив на сцені сейф, дога, чоловіка та жінку. Вперше можна було бачити вміст закритих предметів, живі, рухомі скелети в живих рухомих людях. Пулюй першим прагнув з’ясувати природу Х-променів. Відкриття Рентгеном Х-променів є загадковим, невідомо, як він до цього дійшов, проте якби це був не Рентген, був би хтось інший.
Кілька слів про біографію Івана Пулюя.
Народився 2 лютого 1845 року в містечку Гримайлові (тепер Тернопільська область) в родині землеробів. У 1865 році закінчивши Тернопільську гімназію, вступив на теологічний факультет Віденського університету. Як вільний слухач, відвідував лекції з математики, фізики й астрономії. Завершивши курс богослов’я, захопився фізико-математичними науками, тому перейшов на філософський факультет. У 1872 році, закінчивши університет, працював на посаді асистента експериментальної фізики цього ж університету. Протягом 1874-1875 років працював асистентом-викладачем кафедри фізики, механіки та математики військово-морської академії у м. Фіуме. Восени 1875 року виїхав до Страсбурга з метою вивчити електротехніку. У 1876 році успішно захистив дисертацію і отримав ступінь доктора філософії. В цьому році повернувся до Відня, де на посаді приват-доцента Віденського університету читав лекції з молекулярно-кінетичної теорії газів і механічної теорії теплоти, а також працював асистентом у лабораторії австрійського фізика Лянга. 1882 року отримав посаду технічного директора фабрики електроламп власної конструкції. У 1884 році Пулюя запросили на посаду професора експериментальної та технічної фізики в Німецьку Вищу технічну школу м. Праги, де працював до виходу на пенсію. В 1888-89 роках Іван Павлович був ректором цієї школи, а в 1902 році стає засновником і керівником кафедри електротехніки.
Відкриття Рентгена спонукало фізиків зайнятися пошуками нових видів випромінювання. В 1896 році французький фізик Анрі Беккерель (1852-1908) відкрив явище радіоактивності. Він експериментально встановив, що солі урану діють на фотоплівку навіть в тому випадку, коли вони попередньо не опромінювалися світлом. Це означало, що випромінювання викликалося не люмінісцентністю, а що його джерелом є сам уран.
Пізніше Марія Склодовська-Кюрі (1867-1934) цю властивість атомів урану та інших речовин випускати випромінювання назвала радіоактивністю.
Перші дослідження Беккереля показали, що інтенсивність випромінювання зростає із збільшенням концентрації урану, не залежить від тиску і температури, не змінюється від дії електричного і магнітного полів і не залежить від виду хімічної сполуки, в яку входить уран.
Дослідження М. Склодовської-Кюрі та П’єра Кюрі (1859-1906) виявили, що таку властивість має не тільки уран. У липні 1898 році подружжя винайшло новий радіоактивний елемент – полоній. Радіоактивність полонію більша приблизно в 400 разів від радіоактивності урану. В грудні 1898 року відкрили радій, радіоактивність якого набагато більша від радіоактивності урану та полонію.
Явище радіоактивності зацікавило багатьох учених. Фізики прагнули з’ясувати природу радіоактивних променів. У 1899 році англійський учений Е. Резерфорд ( 1871-1937) встановив, що радіоактивність випромінювання неоднорідна і складається з двох компонентів з різною проникною здатністю.
Промені з малою проникною здатністю були названі Резерфордом α-промені, а промені з більшою проникною здатністю β-променями. В 1900 році П. Віллард виявив третій компонент радіоактивного випромінювання – γ-промені, які не відхилялися в магнітному полі, що свідчило про відсутність заряду, незважаючи на їхній великий запас енергії.
В тому ж 1900 році Резерфорд установив, що α-промені позитивно заряджені і відхиляються в магнітному полі. А в 1902 році обчисливши заряд цієї частинки і дослідивши її відхилення в електричному полі, Резерфорд виявив, що відхилення її у магнітному полі є іонізованими ядрами гелію. Також було встановлене сильне відхилення в магнітному полі β-частинок, що свідчило про їхню незначну масу порівняно з альфа-частинками. Відношення заряду до маси для β-частинки виявилось таким, як і в електрона. Отже, β-випромінювання – це електрони.
Потім Резерфорд разом зі своїм співробітником Фредеріком Содді (1877-1956) запропонували теорію радіоактивного розпаду (радіоактивність є наслідком самовільного перетворення елементів, що супроводжується випромінюванням, енергія якого береться з самого атома). Ними був відкритий закон спонтанного радіоактивного розпаду:
,де N0 – вихідна кількість атомів радіоактивного елементу в початковий момент часу;
λ – стала радіоактивного розпаду;
N – кількість атомів у тому ж об’ємі, які розпадаються за час t.
У 1913 році Ф. Содді одночасно з польським фізиком К. Фаянсом сформулювали закони зміщення при альфа- та бета-розпадах і тим самим передбачили місце в періодичній системі Менделєєва для нових елементів, які утворюються при цьому.
Всі вище згадані відкриття ІІ половини ХІХ – початку ХХ століття зробили переворот в уявленнях про атом. Перед фізикою постало нове питання: яка ж внутрішня будова атома?
На початку ХХ століття було запропоновано кілька різних схем внутрішньої будови атома, серед яких слід назвати модель В. Томсона, який у 1902 році в статті "Епінус атомізований" висловив гіпотезу про те, що атом має вигляд сфери, рівномірно заповненої позитивною електрикою. Всередині цієї сфери міститься така ж кількість електронів, еквівалентна позитивному заряду, і тому атом є електронейтральним.