Александр Леонович - Физика без формул

Мария Склодовская-Кюри(1867–1934) — польский и французский физик и химик, один из основоположников учения о радиоактивности. Вместе с мужем, Пьером Кюри, открыла новые радиоактивные элементы. Установила влияние излучения на живую клетку, первой использовала радиоактивность в медицине.

Физики довольно быстро сообразили, что естественную радиоактивность можно использовать в их экспериментах. С тех пор начались усиленные поиски и кропотливое накапливание рассеянных в природе радиоактивных веществ.

Начало двадцатого столетия словно всколыхнуло ряды ученых, побудив их вновь задуматься о том, что такое атом. Греческое слово, означающее «неделимый», словно говорило, что эти частицы — последняя граница дробления тел. Однако радиоактивность — вылетание частиц изнутри вещества — заставило усомниться в этом.

Открытый более 100 лет назад электрон, обладавший отрицательным зарядом, наводил на мысль, что внутри вещества должны как-то располагаться и положительно заряженные частички. Ведь атомы в целом — нейтральны, значит, что-то должно компенсировать, уравновешивать в веществе отрицательные заряды. Трудно, конечно, представить сейчас, что столетие назад серьезные ученые воображали себе атом как «тесто» положительного заряда с вкрапленными в него «изюминками»-электронами.

И вот в 1911 году знаменитый английский ученый Эрнест Резерфорд, используя альфа-частицы, испускаемые радиоактивным препаратом, провел важные эксперименты. Он облучал металлическую фольгу и наблюдал за рассеянными ею альфа-частицами. Оказалось, что большинство этих массивных «снарядов» легко пронизывают металл. Но какие-то из них отскакивали так, будто встретили на своем пути мишень.

Эрнест Резерфорд(1871–1937) — английский физик. Посвятил свои работы радиоактивности, атомной и ядерной физике. Заложил основы современного учения о строении атома. Один из разработчиков теории радиоактивного распада. Автор планетарной модели атома. Открыл протон, предсказал существование нейтрона. На опыте доказал справедливость закона взаимосвязи массы и энергии в ядерных реакциях.

Эти опыты позволили Резерфорду сделать вывод о том, что положительный заряд и масса атома сосредоточены в очень малой центральной его области. Такую область, в 100 000 раз меньшую, чем сам атом, Резерфорд назвал атомным ядром. Модель атома, где в серединке — ядро, а вокруг — вращающиеся электроны, послужила основой для дальнейшего развития наших представлений о строении вещества.

Согласитесь, что очень удобно, когда какие-то новые понятия можно объяснить с помощью уже хорошо освоенных, привычных.

Вот и модель атома, предложенная Эрнестом Резерфордом, была такой симпатичной, ладной, так походила на знакомую нам картину движения планет вокруг Солнца. «И все бы хорошо, да что-то нехорошо…»

Почти сразу после рождения эта модель натолкнулась на серьезные противоречия. Как подсказывала теория, кружащиеся вокруг ядра-«солнца» маленькие электроны-«планеты» должны были излучать энергию. Теряя ее за какие-то мгновения, они неминуемо падали бы на ядро — как спутник, тормозясь в атмосфере, «сваливается» на Землю. Но это значило, что такие устойчивые шарики-атомы, из которых построен весь окружающий нас мир и мы сами, моментально бы «схлопнулись». Однако мы этого не наблюдаем!

Выход из положения предложил выдающийся датский физик Нильс Бор. Правда, для этого вновь потребовались «безумные» идеи. Бор оснастил атомную модель Резерфорда несколькими правилами, которые очень трудно было бы вообразить в рамках старой, классической физики.

Нильс Бор(1885–1962) — датский физик-теоретик. Внес огромный вклад в создание принципиально нового подхода к изучению атомных процессов. Построил модель атома, обеспечивающую объяснение его устойчивости. Теория Бора разрешила целый ряд сложных вопросов строения вещества и структуры света. Создал стройную систему физических идей квантовой механики. Многое сделал для развития ядерной физики.

Судите сами. Электронам «запрещалось» находиться где попало вокруг ядра. Словно правила дорожного движения, новая теория разрешала им двигаться лишь по строго определенным орбитам. Однако, если атом поглощал энергию, электрону полагалось «перескочить» на дальнюю от ядра орбиту, если испускал, то электрону было предписано спуститься на одну из нижних.

Не в первый раз в науку вторгались непривычные, не поддающиеся здравому смыслу воззрения. И они неминуемо были бы отброшены, если бы не смогли объяснить накопившиеся загадочные факты, разрешить противоречия. Так и теория Бора не просто «спасла» модель Резерфорда, но и обогатила ее и растолковала многое до тех пор непонятное.

Кому легче подружиться? Конечно, тем, у кого общие интересы. Ну, вот одни любят книжки читать, другие — рыбу удить, третьи — мух ловить… Вот еще, скажете вы, нашлось увлечение. А что, может быть, эти мухоловы станут в будущем знаменитыми энтомологами — исследователями насекомых? Значит, то, что сегодня кажется странным, нелепым, завтра будет привычным и, возможно, очень нужным.

Не так ли и чудаковатые поначалу идеи тянутся друг к другу? Подобная мысль приходит в голову, когда идет разговор о встрече двух необычных идей в начале нашего века. Это — «странная» гипотеза Планка о квантах-частичках света и диковинная модель устройства атома, предложенная Бором. Как они оказались необходимы друг другу!

Теперь испускание и поглощение света, да и многих других лучей, можно было объяснить, как потерю или приобретение атомом порции энергии. Перешел электрон с верхней своей орбиты в атоме на нижнюю — испустился квант-фотон. Поглотился фотон атомом — Значит, электрон ровно на порцию, принесенную этим квантом, увеличил свою энергию и подскочил кружиться повыше.

Блестящее объяснение процессов испускания, распространения и поглощения электромагнитной энергии на основе этих идей словно вобрало в себя несколько разных областей физики. Сюда вошли теория света, электромагнетизми строение вещества. Вот почему квантовая теория стала базой современной физической науки.