Великие учёные-физики

Натолкнувшись на неизвестное явление, ученый на протяжении семи недель в полном одиночестве работал в одной из комнат своей лаборатории, изучая свойства X -лучей. Он велел приносить себе пищу в университет и поставить там кровать, чтобы избежать сколько-нибудь значительных перерывов в работе. Сколько вздора об этом затворничестве ученого бытовало среди физиков! Только в конце своего «одиночества» (по некоторым сведениям, 22 декабря) он приоткрыл тайну, сделав снимок в X - лучах руки своей жены Берты с обручальным кольцом, показанный наряду с другими снимками в сообщении В. Рентгена 28 декабря 1895 года. Сообщение, которое он направил на имя председателя Физико-медицинского общества Вюрцбургского университета, было незамедлительно напечатано и выпущено в свет отдельной брошюрой.

Открытие Рентгена быстро, даже по меркам современных средств обмена информацией, приобрело широкую известность. В ночь со 2 на 3 января содержание доклада Рентгена об X - лучах стало известно редактору венской газеты «Nette Deutsche Presse», и наутро газета вышла с броским аншлагом на первой полосе огромными буквами: «СЕНСАЦИОННОЕ ОТКРЫТИЕ». А вечером 6 января телеграфом из Лондона на весь мир передавалось: «Даже шум военной тревоги не в силах был бы отвлечь внимание от замечательного триумфа науки, весть о котором докатилась до нас из Вены. Сообщается, что профессор Вюрцбургского университета Роутген открыл свет, который проникает при фотографировании через дерево, мясо и большинство других органических веществ. Профессору удалось сфотографировать металлические гири в закрытой деревянной коробке, а также человеческую руку, причем видны лишь кости, в то время как мясо невидимо». Дальше последовала лавина публикаций: только за один год свыше тысячи статей по новым лучам. Опыты с ними в течение нескольких недель были повторены в физических лабораториях многих стран.     

Во всех европейских столицах - Лондоне, Париже, Берлине, Петербурге и т.д. -  читались публичные лекции об открытие Рентгена и демонстрировались опыты.

С момента открытия стало ясно практическое предназначение X - лучей, прежде всего медицинское. Уже в 1896 г. их использовали для диагностики, немного позже - для терапии. Через 13 дней после сообщения Рентгена, 20 января 1896 г., в Дартмунде (штат Нью-гемпшир, США) врачи с помощью рентгеновских лучей наблюдали перелом руки пациента. Медики получили исключительно ценный инструмент. Под руководством А.С. Попова рентгеновскими аппаратами были оборудованы крупные корабли российского флота. Так на крейсере «Аврора» во время Цусимского сражения были рентгенологически обследованы около 40 раненых матросов, что избавило их от мучительных поисков осколков с помощью зонда.

По-видимому, первым открытие Рентгена в рекламно-коммерческих целях применил Т. Эдисон: в мае 1896 г. он в Нью-Йорке организовал выставку, где желающие могли разглядывать на экране изображения своих конечностей в рентгеновских лучах. Но после того как его помощник умер от ожогов X - лучами, Эдисон прекратил все опыты с ними. Однако, несмотря на опасность, работы с новыми лучами, расширяясь и углубляясь, продолжались.

При всем колоссальном интересе к открытому явлению, понадобилось около 10 лет, чтобы в знаниях об X - лучах добавилось что-то новое: английский физик Ч. Баркла доказал их волновую природу и открыл характеристическое рентгеновское излучение. Еще через 6 лет Макс фон Лауэ разработал теорию интерференции X - лучей на кристаллах, предложив использовать кристаллы в качестве дифракционных решеток. В том же 1912 г. эта теория получила экспериментальное подтверждение в опытах В. Фридриха и П. Киплинга.

Научное значение открытия Рентгена раскрывалось постепенно, что подтверждается присуждением еще семи нобелевских премий за работы в области рентгеновских лучей:

-    в 1914 г. за открытие дифракции рентгеновских лучей (М. фон Лауэ);

-    в 1915 г., за изучение структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей (отцу и сыну Брэггам);

-    в 1917 г., за открытие характеристического рентгеновского излучения (Ч. Баркле);

-    в 1924 г., за исследования спектров в диапазоне рентгеновских лучей (К, Сигбану);

~    в 1927 г., за открытие рассеяния рентгеновских лучей на свободных электронах вещества (А. Комптону);

-    в 1936 г., за вклад в изучение молекулярных структур с помощью дифракции рентгеновских лучей и электронов (П. Дебаю);

-     в  1979 г., за разработку метода осевой (рентгеновской) томографии (А. Кормаку и Г. Хаунсфилду).

Кроме того, рентгеновским лучам обязаны такие великие открытия, как структура молекул гемоглобина, ДНК и белков, ответственных за фотосинтез (премии 1962 и 1988 гг.).

Рентген прекрасно понимал большое научное и технологическое значение своего открытия, но ему была чужда мысль о его торгашеском использовании. Считая, что результаты, полученные в научной лаборатории, могут и должны использоваться всеми, он решительно отверг предложение Берлинского электрического общества продать за большую сумму право на использование патентов будущих его открытий. Рентген не одобрял шумихи вокруг своего имени и продолжал работать, не допуская никаких отклонений от того метода работы, который считал единственно приемлемым.

Академик А.Ф. Иоффе в декабре 1945 г. на заседании сессии отделения физико-математических наук АН СССР, посвященном 50-летию открытия рентгеновских лучей, сказал: «Я думаю, что совершенно закономерно, что из многих исследователей, в течение 40 лет работавших среди рентгеновских лучей, их заметил только один Рентген, исключительно тонкий точный экспериментатор - наблюдатель в самом высоком смысле этого слова».

Рентген был безупречным исследователем и цельным человеком в науке и жизни. По воспоминаниям, это был очень суровый и замкнутый профессор. Он проводил свои опыты, как правило, в одиночестве. Это не исключало того, что в его лаборатории учились и работали физики, ставшие известными в первой четверти XX в.: М. Вин (1866-1938), А.Ф. Иоффе (1880-1960), В. Фридрих (1883-1968), П. Книппинг (1883-1935), Р. Ладенбург (1882-1952) и др.

В.К. Рентген в письме П. Цендеру (1905 г.) писал: «В русском докторе Иоффе я имею очень способного приват-доцента. Я работаю совместно с ним уже два года и произвел огромное количество материала, публиковать который мне боязно».

Ученый Рентген был скромным, законопослушным человеком, бюргером от науки. Даже получать Нобелевскую премию он ездил в Стокгольм по ходатайству в Министерство церковных и школьных дел Баварии. Это ходатайство об отпуске было написано 6 декабря 1901 г., за три дня до получения премии, и в полной мере соответствовало стилю времени и нравам высшей школы Германии. В нем ученый писал: «По доверительному сообщению Королевской Шведской академии наук почтительнейше и покорнейше нижеподписавшийся получил первую Нобелевскую премию за 1901 год. Королевская Шведская академия придает особое значение тому, чтобы удостоенные премии принимали ее лично в Стокгольме в день вручения. Так как эти премии обладают исключительно высокой ценностью и в высшей степени почетны, то почтительнейше и покорнейше нижеподписавшийся полагает, что должен последовать, хотя и не с легким сердцем, желанию Королевской Шведской академии, а потому он просит предоставить ему отпуск в продолжение следующей недели».

Рентген был единственным лауреатом в истории Нобелевского фонда, кто не читал Нобелевской лекции. Летом 1902 г. он обратился в Стокгольм с запросом о сроке ее прочтения. Ответ из Швеции позволил ему считать, что в Уставе фонда отсутствует положение об обязательной процедуре чтения лекции. Учтя это обстоятельство, Рентген заявил, что он охотно отказывается от публичного выступления с докладом. Он мало участвовал в публичных мероприятиях, никогда не принимал участия в ежегодных съездах физиков, естествоиспытателей и врачей, отвергал всякие чествования со стороны власть имущих, однако был подлинным патриотом Германии.

В целом, как писал А.Ф. Иоффе, «рентгеновы лучи впервые пробили брешь во внешней оболочке атома, положили этим начало открытий атомной физики и в ходе исторического развития привели к освобождению атомной энергии».

Возможности, заложенные в физических свойствах рентгеновских лучей, несмотря на 105-летнюю историю их изучения и использования, до сих пор полностью не реализованы. Это видно, например, из интенсивного развития в последние три десятилетия рентгеновской оптики. С учетом существенно различных характеристик лучей в областях жесткого, мягкого и ультрамягкого излучений созданы и продолжают создаваться   прецизионные   методы   исследования   разнородных   веществ,   высокие технологии изготовления рентгенооптических элементов и уникальных промышленных рентгеновских приборов и устройств.

Оптические характеристики материалов в рентгеновском диапазоне обладают рядом особенностей, не свойственных характеристикам видимого излучения. Это относится к таким кардинальным свойствам лучей, как преломление и отражение.

Показатель преломления лучей в рентгеновской области спектра для всех веществ мало отличается от единицы. Вследствие этого элементы типа линз и призм в рентгенооптике практически не используется. Причина ясна: фокусное расстояние собирающей линзы из никеля радиусами поверхностей 1 см для лучей длиной волны 0,1 нм составляет примерно 100 м.

Об опытах по преломлению новых лучей Рентген сообщал: «Установив проницаемость тел довольно большой толщины, я поспешил исследовать поведение X -лучей при прохождение через призму: отклоняются они ею или нет. Опыты с водой и сероуглеродом в слюдяных призмах с преломляющимся углом около 30 градусов не дали никакого отклонения на флуоресцирующем экране, ни на фотографической пластинке. Для сравнения при тех же условиях наблюдалось отклонение лучей света. Отклоненные изображения были удалены от не отклоненных на расстояние от 10 до 20 мм. С призмами из эбонита и алюминия с преломляющим углом также в 30 градусов я получил на фотографической пластинке снимки, на которых как будто можно было заметить отклонение. Но это было весьма неясно. Во всяком случае, если отклонение вообще существует, то оно настолько мало, что показатель преломления X - лучей в указанных веществах мог быть не больше 1,05».

Однако аналогами обычных линз в ультрамягком рентгеновском излучении служат обладающие высоким пространственным разрешением зонные пластинки Френеля, состоящие из системы чередующихся прозрачных и непрозрачных концентрических колец строго заданной ширины. Зонная пластинка Френеля, увеличивающая за счет дифракции энергетическую освещенность в точке наблюдения подобно собирающей линзе, в качестве рентгенооптического элемента была предложена в 1952 г. Такие пластинки служат основным узлом в сканирующих и изображающих рентгеновских микроскопах с использованием синхротронного излучения.

Уже в первых опытах Рентген заметил, что открытые им лучи практически не отражаются. Он писал: «Можно заключить, что ни одно из исследовавшихся веществ не дает правильного отражения X - лучей». Длительное время считалось, что создание эффективных рентгеновских зеркал невозможно. Углубленное исследование физики коротковолнового излучения сравнительно недавно позволило найти решение задачи путем использования многослойных отражающих покрытий. Они представляют собой структуру из множества пар чередующихся слоев нанометровой толщины с различным значением диэлектрической проницаемости, нанесенных таким образом, что период чередования слоев постоянен или изменяется по определенному закону. В этом случае даже весьма незначительное отражение от каждой границы десятков или сотен слоев зеркала благодаря отражению синфазных воли дает суммарный коэффициент отражения рентгеновских лучей в несколько десятков процентов при любых углах вплоть до нормального падения. На подложку - полированную пластинку кремния или плавленого кварца - поочередно наносятся электронно-лучевым, магнетронным или лазерным напылением слои тяжелых металлов (W. Mo, Ni, Re...) и слои легких элементов (С, В, Be, Si). С помощью зеркал с многослойными покрытиями реализуется фокусирующая и изображающая рентгеновская оптика нормального падения. Перспективы же этой оптики означают создание мощных рентгеновских лазеров, уникальных рентгеновских микроскопов, технологических установок рентгеновской литографии для производства интегральных микросхем нового поколения, а также развитие таких ветвей науки, как рентгеновская астрономия, рентгеновская голография, химический и биофизический микроанализ.

Радио- и рентгеновское излучение, а также радиоактивность - открытия, «спрессованные» во времени примерно в десять месяцев, стали спусковым крючком для развития экспериментальной физики XX в. Память о первооткрывателях этих явлений А.С. Попове, В. Рентгене и   А. Беккереле неувядаема.

Череда блестящих физиков - лауреатов Нобелевской премии по физике XX вв. началась с В. Рентгена, заслуги которого трудно преувеличить. В год столетнего юбилея премий в конце века премию Нобеля, как известно, получил российский физик Ж.И. Алферов, возглавляющий Физико-технический институт, основанный учеником Рентгена А.Ф. Иоффе и носящий имя основателя.        

Эрнест Резерфорд (1871 – 1937)

В 1891 г. на заседании студенческого научного общества Новозеландского университета в городе Крайстчерче выступал со своим докладом студент II курса Эрнест Резерфорд.

Сообщение Резерфорда носило название «Эволюция элементов», в нем докладчик высказывал мысль о том, что атомы элементов имеют сложное устройство, что одни элементы произошли от других. Эти идеи своей новизной увлекали слушателей, рисовали перед ними перспективу связи всех элементов. Но, увы, увлекательные и фантастические идеи не имели никакого научного обоснования. Докладчик, кроме ссылок на то, что эти идеи господствовали в давно прошедшие времена, и на отвергнутую гипотезу Проута о том, что все элементы состоят из водорода, не мог привести ни одного доказательства, подтверждающего его высказывания. И когда многие слушатели выступили с резкой критикой доклада, обвиняя его автора в приверженности к фантастике и незнании состояния современной науки, молодой человек почувствовал, что зашел слишком далеко. Он смущенно согласился с критикой.

В этом эпизоде проявился весь Резерфорд, такой, каким он был всю свою жизнь: ' смелый в области теоретического мышления, не пугающийся элементов фантастики, без которой невозможно научное творчество, скромный и признающий свои ошибки. Он был верным последователем своего учителя, преподавателя химии и физики университета Бикертона, учившего своих студентов дерзать, увлекавшего их смелыми проектами и теориями, большинство которых действительно были фантастическими. Правда, с течением времени у Резерфорда появились и другие черты; строгость в обосновании своих научных гипотез, стремление к тому, чтобы всякую мысль проверить экспериментом.

Третью характерную черту Резерфорда - способность трудиться по 18 часов в сутки, умение решать любые практические дела - воспитала у него жизнь на ферме, в семье отца, небогатого фермера, у которого было 12 детей. Эрнесту, четвертому ребенку, пришлось работать, чтобы семья могла свести концы с концами. Работоспособность Резерфорда дала ему возможность окончить начальную школу первым учеником и получить стипендию, открывшую перед ним двери средней школы. После окончания последней ему опять дали стипендию, благодаря которой он попал в университет, а премия, полученная при выпуске, привела его в Кембриджский университет в Англии. После окончания университета Резерфорд еще не мечтает о научной карьере, хотя все окружающие видят в нем будущего ученого.

Резерфорд решает стать преподавателем средней школы. К счастью, из него не получился учитель. Неспособность к преподавательской деятельности была характерна для ученого и тогда, когда он стал профессором.

В Англии Резерфорд попадает на работу в знаменитую Кавендишскую лабораторию. Эта лаборатория известна физикам всего мира. В ней были сделаны выдающиеся научные исследования знаменитыми физиками Максвеллом и Релеем. Когда Резерфорд приехал в Англию, лабораторией заведовал знаменитый физик Джозеф Томсон. Он очень хорошо принял молодого человека. В эту же лабораторию прибыл и французский физик Поль Ланжевен. Долгое время молодые люди работали вместе, они стали закадычными друзьями.

Томсон умело руководил молодыми физиками, и за три года работы в Кембридже Резерфорд сложился как ученый и стал известен в мире науки. Здесь он начал работать над проблемами радиоактивности. Как и всякий ученый, Резерфорд опирался на исследования, выполненные до него. Он говорил: «Люди науки должны ставить себя в зависимость не от идей отдельного человека, а от мудрости тысяч людей, думавших над той же проблемой, и каждый должен добавлять свою долю в большое здание науки».

В годы работы Резерфорда в Кавендишской лаборатории в мире науки произошли удивительнейшие открытия. Томсон приходил к мысли о существование электрона и охотится за этим неуловимым волшебником в своей лаборатории. В немецком городе Вюрцбурге профессор Вильгельм Рентген открывает невидимые лучи, проходящие через предметы, «непрозрачные» для обычных лучей. Профессор Парижской политехнической школы Анри Беккерель открывает невидимые лучи, испускаемые ураном. Найденное явление было названо радиоактивностью.

Томсон поручает Резерфорду исследовать электрический разряд в газах, надеясь в этом явлении обнаружить электрон. Молодой физик старательно выполняет работу и открывает наличие в газах тока насыщения. Но Резерфорда увлекают новые лучи. Он интуитивно чувствует, что в этих лучах заложены доказательства правильности идей, которые интересовали его в студенческие годы. Он проводит экспериментальную работу по сравнению лучей Рентгена с лучами Беккереля и устанавливает, что лучи Беккереля отличаются от лучей Рентгена. Последние, обладают всеми физическими свойствами видимых лучей, но не воздействуют на зрение. Лучи же Беккереля резко отличаются по своим свойствам от видимых лучей. Резерфорд производит известный, ставший классическим опыт: он пропускает лучи Беккереля через мощное магнитное поле и обнаруживает, что они состоят из двух видов излучений. Он дает им названия: альфа-излучение и бета-излучение.

Возникает вопрос: почему уран излучает? У Резерфорда готов ответ: атом урана сложен и распадается. Но Резерфорд теперь уже не студент, а 26-летний ученый, работник всемирно известного научного учреждения. Он умеет сдерживать свои порывы; гипотеза о распаде атома урана требует подтверждения. Он горит желанием включиться в работу, но неожиданно получает приглашение занять должность профессора физики университета в далеком канадском городе Монреале.

У Резерфорда не было выбора. Его «премия» оканчивалась, и нужно было искать средства для существования. И Резерфорд едет в Монреаль. Здесь он работает 10 лет. Вся его последующая жизнь - это непрерывная научная работа. В течение первых 2-3 лет он налаживал физическую лабораторию и сделал ее одной из лучших в мире. В ней Резерфорд находился большую часть суток и произвел тысячи опытов. Идея Резерфорда о сложном составе атомов получала свое подтверждение. И он начинает поиски самых неопровержимых доказательств этой идеи. Последовательно проведя огромное количество экспериментов, ученый раскрывает все тайны альфа- и бета- лучей и постепенно выводит следующие закономерности:

1.  Альфа - лучи имеют положительный, а бета - лучи - отрицательный электрический заряд.

2.   Альфа - лучи поглощаются всеми веществами сильнее, чем бета - лучи.

3.   Кроме урана, радия и тория, радиоактивны также эманация радия и эманация тория.

4.   Альфа-   лучи   не   являются   электромагнитными   волнами.   Это   особые физические частицы - альфа- частицы.

5.   Альфа- частицы представляют собой не что иное, как атомы гелия.

6.   Так как атомы гелия происходят от атомов урана, радия и тория, то атомы этих веществ являются сложными образованиями. Они распадаются на альфа- частицы, бета- частицы и атомный остаток.

7.   Выбросив атом гелия, атом урана должен стать каким-то другим атомом; следовательно, при естественной радиоактивности происходит превращение одного элемента в другой.

Каждый из этих выводов Резерфорд в своих статьях подтверждает многочисленными опытами.

В Монреале Резерфорд совместно с английским ученым Содди разработал теорию радиоактивного распада и установил законы этого распада, вошедшие в учебники физики. На основании изучения теории и практики радиоактивного распада Резерфорд пришел к выводу, что при распаде выделяется колоссальное количество атомной энергии. Вот как об этом пишет его товарищ по работе Содди: «Первичный источник энергии нужно искать в атомах - главном источнике деятельности вселенной. Главный интерес нового явления заключается в произвольном и постоянном излучение энергии... Внутри атома - большие запасы энергии, теряя которые, атомы превращаются». Этот вывод, всю важность которого человечество смогло оценить только после взрыва атомных бомб, был сделан Резерфордом в 1908 г.

Монреальские работы принесли ученому мировую известность. Его избрали почетным членом Лондонского королевского общества и наградили медалью Румфорда. Резерфорда приглашают работать в Манчестерский университет. Он дает согласие и в 1907 г. переезжает в Англию с женой и шестилетней дочерью.

В Манчестере Резерфорд работал 12 лет. В декабре 1908 г. ученый совершил поездку в Стокгольм за получением присужденной ему Нобелевской премии. По пути пароход остановился в Копенгагене, где датские студенты и преподаватели устроили ученому восторженную встречу. Нобелевская премия была присуждена Резерфорду за работы по химии, так как в то время работы по радиоактивности относились не к физике, а к химии. Ученый был в очень хорошем настроении и на банкете по случаю получения премии сказал: «Я имел дело со многими разнообразными превращениями, которые изучал в разные годы жизни, но самое замечательное превращение заключалось в том, что я в один миг превратился из физика в химика».

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7