8.1.5. Великие открытия

Конец XIX в. в истории физики отмечен рядом принципиальных открытий, которые привели к научной революции на рубеже XIX—XX вв.: открытие рентгеновских лучей, открытие электрона и уста­новление зависимости его массы от скорости, открытие радиоактив­ности, фотоэффекта и его законов и др.

В 1895 г. В. Рентген обнаружил лучи, получившие впоследствии название рентгеновских. Это открытие заинтересовало физиков и вызвало широкую дискуссию о природе этих лучей. В течение короткого времени были выяснены необычные свойства этих лучей (спо­собность проходить через светонепроницаемые тела, ионизировать газы и т.д.), но их природа оставалась неясной. Открытие рентгенов­ских лучей способствовало исследованиям электропроводности газов и изучению катодных лучей. Заинтересовавшись открытием Рентгена, английский физик Дж.Дж. Томсон (совместно с Э. Резерфордом) установил, что под действием облучения рентгеновскими лучами резко возрастает электрическая проводимость газа и это свой­ство сохраняется некоторое время после прекращения облучения. Анализ подвел к выводу, что проводниками электричества в газах являются заряженные частицы, образующиеся в результате действия рентгеновских лучей. Перед Томсоном встали вопросы: что это за частицы, каковы их заряд и масса. Поиски ответов на эти вопросы привели Томсона к открытию первой элементарной частицы — элек­трона и определению его заряда и массы.

Важнейшим достижением физики конца XIX в. было открытие радиоактивности. В 1896 г. Анри Беккерель, исследуя загадочное почернение фотографической пластинки, оставшейся в ящике письменного стола рядом с кристаллами сульфата урана, случайно открыл радиоактивность. Систематическое исследование радиоактивного излучения было предпринято Э. Резерфордом, он установил, что радиоактивные атомы испускают частицы двух типов, которые на­звал альфа- и бета-частицами. Тяжелые положительно заряженные альфа-частицы, как выяснилось, представляли собой быстро движу­щиеся ядра гелия, а бета-частицы оказались летящими с большой скоростью электронами.

Мария Склодовская-Кюри, исследуя новое явление, пришла к вы­воду, что в урановых рудах присутствуют вещества, также обладаю­щие свойством излучения, названного ею радиоактивным. В результате упорного труда Марии и Пьеру Кюри удалось выделить из урано­вых руд новый элемент — радий, который обладает радиоактивнос­тью гораздо большей, чем уран.

Изучение радиоактивных явлений поставило перед физиками, во-первых, вопрос о природе радиоактивного излучения и, во-вто­рых, задачу определения источника энергии, которую несут эти лучи. Уже вскоре после открытия Беккереля стало ясно, что радио­активное излучение неоднородно и содержит три компонента, ко­торые получили название α-, β- и γ-лучей. При этом оказалось, что α- и β-лучи являются потоками соответственно положительно и от­рицательно заряженных частиц, а γ-лучи представляют собой электромагнитное излучение. Но что это за энергия, находящаяся внутри атома, которая освобождается при его распаде и выделяется вместе с излучением, было неясно, как и вообще «механизм» самого радиоактивного распада. Первые теории, разрабатывавшиеся для решения этого вопроса, были сугубо предварительными и неубеди­тельными.

К великим открытиям второй половины XIX в. следует также отнести создание Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеевым, экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Г. Герцем *, открытие явления фотоэффекта, тщательно проанализированное А.Г. Столетовым. В этом же ряду обнаружение того, что отношение заряда электрона к его массе не является посто­янной величиной, а зависит от скорости электрона.

* Это открыло дорогу изобретению русским ученым А.С. Поповым радио и созданию радиотехники.

Открытие зависимости массы электрона от скорости и объясне­ние этого факта наличием электромагнитной массы вызвали вопрос, обладает ли вообще электрон массой в смысле классической ме­ханики. Как соотносятся между собой «обычная» масса и электро­магнитная? Сама возможность ответа на этот вопрос была про­блематичной, поскольку не был известен эксперимент, с помощью которого можно отделить обычную массу от электромагнитной. Возникла гипотеза, что электрон вообще имеет только электро­магнитную массу, а обычной массой не обладает. Развитие этой гипотезы подводило к выводу, что вообще всякая масса (а значит материя) носит электромагнитную природу. Такой вывод о чисто электромагнитной природе массы революционным образом изме­нял взгляды физиков.