Бесов Л.М. История науки и техники

Подождите немного. Документ загружается.

241

часточки катодних променів чи корпускули, як він їх називав, є

новою універсальною складовою матерії. Незалежно від того, який

газ у трубці – повітря, водень, двоокис водню і металу катода, що

його він випромінює під впливом електричного поля, –залізо,

алюміній, платина, усі часточки катодних променів мали однакове

відношення e/m – величини заряду до маси

Спираючись на дані дослідів у газах, Томсон у 1898 р. пояснив

виникнення суцільного рентгенівського випромінювавня як

результат різкого гальмування швидких корпускул, коли вони

ударяються в антикатод рентгенівської трубки.

Згаданим не можна обмежити внесок Томсона у наукову

революцію досліджуваного нами періоду. Ним доведено (раніше

сприймалось на віру), що атоми одного і того

ж елементу однакові.

Вони мають певну вагу, яка є індивідуальною властивістю цього

елементу. Томсон багато зробив для широкого використання

хіміками поняття «електрон». 3а його допомогою почали пояснювати

хімічні явища. 0тже, фізика наблизилась до хімії. Таким чином,

заснована Джозефом Томсоном Кавендішська наукова школа заклала

основи атомної фізики. Відкриття електрона нанесло перший

серйозний

удар по класичній вірі у незмінність фізичних функцій,

насамперед у галузі електрики.

Використання вакуумних трубок Рентгеном, як вже

згадувалось, приголомшило вчений світ. Тільки протягом одного

року в різних країнах опубліковано понад тисячу праць вчених про

Х-промені. Експериментатори продовжували дослідження. Відомий

французький математик і фізик Анрі Пуанкаре (1854–1912 рр.)

запропонував перевірити

можливість випромінювання солями урану.

Було помічено, що вони під впливом сонячного світла

флуоресціюють.

Перевіркою цієї гіпотези зайнявся Антуан Анрі Беккерель

(1852-1908 рр.). Його досліди були досить прості. Він брав

фотопластинку і обгортав її чорним папером. На неї клав кристалики

урану. На деякий час він виставляв пластинку на сонце, а потім

проявляв.

З задоволенням Беккерель знаходив на ній силуети

кристаликів. На перший погляд це було ствердженням гіпотези про

те, що кристали урану під впливом сонячного світла флуоресціюють,

випускають Х–промені. Тоді вчений провів дослід, не виставляючи

пластинку на сонце. Ефект одержано той самий – солі урану

випромінюють і залишають слід на пластинці. Подальші

експерименти

підтвердили, що такий ефект викликається ураном, що

міститься в кристалах. Беккерель виявив, що «уранові промені»

іонізують повітря і роблять його електропровідним. Це дало

можливість дослідити їх за допомогою електроскопа.

242

Відкриття природної радіоактивності дало фізикам можливість

проникнути у новий світ. Врешті-решт це привело до уявлення про

складну структуру атома і до оволодіння атомною енергією.

Витягання внутрішньоядерної енергії атома стало одним з

визначних досягнень людства. Своєю значущістю воно і являє собою

революцію у науці. Ця революція зламала уяву про незмінність,

нерозривність

атомів, яка існувала у свідомості вчених ще з часів

грецьких філософів Левкіппа і Демокріта.

Як і усі видатні вчені, Беккерель не обмежував галузь своїх

наукових інтересів. У 1901 р. незалежно від П’єра Кюрі він виявив на

собі фізіологічну дію радіоактивного випромінювання. Беккерель

вивчав магнетизм, поляризацію світла. Виявив ефект Фарадея в

газах

– обертання площини поляризації світла у магнітному полі в

газовому середовищі. В 1903 р. він став одним з перших

Нобелівських лауреатів з фізики.

Марія

Склодовська-Кюрі

(1867-1934 рр.)

поставила перед собою

таке питання: чи тільки

уран має властивість

випромінювати? Разом з

П’єром Кюрі вона

відкрила новий етап

досліджень. Вони ж

його

і завершили. Марія

Кюрі знала результати

спостережень Беккереля

про те, що під впливом променів, які випускає уран, повітря стає

провідником електрики. Це спростило її пошук. У 1897 р. вона

наштовхнулась на дивний ефект. Руда (солі урана), з якої

видобувають металічний уран, випускає промені Беккереля з

більшою інтенсивністю, ніж сам чистий уран.

У наступному році,

незалежно від Шмідта, довела наявність радіоактивності у торія.

Помітила, що радіоактивність у деяких мінералів, які містять уран і

торій, набагато інтенсивніша, ніж це очікувалось. Вона припустила,

що ці мінерали (уранова смоляна руда, хальколіт і аутоніт) містять

новий радіоактивний елемент, відмінний від урану і торію. Внаслідок

таких дослідів, що

супроводжувались спільною напруженою і

кропіткою роботою по переробці великої кількості уранової смолки з

метою концентрації активної речовини, подружжя Кюрі відкрило два

нових елементи, яким властива радіоактивність. Вони одержали

назву “полоній” і “радій”. Нові елементи зайняли свое місце у

періодичнїй системі елементів Менделєєва. Подружжя Кюрі по праву

′

єр Кюрі (у центрі) і Марія Склодовська-

Кюрі у лабораторії

243

можна назвати піонерами сучасної атомної фізики. В 1901 р. П’єр

Кюрі відкрив біологічну дію радіації.

Склодовська-Кюрі випробувала багато елементів на

радіоактивність, досліджувала їх властивості, розробила основи

кількісних методів радіоактивних вимірів. Вивчала наведену

радіоактивність, визначила вплив радіоактивного випромінювання на

живу клітину, перша використала радіоактивність (еманація радія) у

медицині.

У 1903 р. П

.Кюрі сформулював закон зменшення

радіоактивності і ввів поняття «період піврозпаду». Термін

«радіоактивність» був запропонований Марією Склодовською-

Кюрі. Того ж року подружжю Кюрі (разом з Беккерелем) присуджена

Нобелівська премія з фізики, а у 1911 р. М.Склодовській-Кюрі ще й

за одержанння радію у металічному стані.

У наступні роки Марією

і П’єром Кюрі, Резерфордом і Содді,

Віллардом та іншими вченими або незалежно, або спільно виявлено і

вивчено три типи променів Беккереля, які випромінює уран.

Альфа-променями назвали ті з них, що магнітним полем

відхиляються слабко і представляють собою потік позитивно

заряджених часток.

Бета-променями назвали ті частки, які магнітним полем

відхиляються порівняно сильно і представляють собою потік

електронів, тобто негативно заряджених часток.

Гамма-променями назвали промені, які магнітним полем не

відхиляються.

З часів Лавуазьє і Дальтона вважалось, що хімічні елементи

вічні і незмінні. Вони нікуди не зникають, нізвідкіля не виникають

знову. Вони не можуть також переходити один в одного. Але

коли

було виявлено експериментально альфа-промені, то разом з тим і

встановлено, що вони є потоком ядер гелію. Цим було доведено, що в

період радіоактивного розпаду одного елементу, радію зокрема, має

місце перетворення радія в інший елемент – гелій. Вчення Лавуазье

про незмінність хімічних елементів виявилось неточним. Внаслідок

наступних експериментів Резерфорд і

Содді у 1902 р. створили

«теорію радіоактивних перетворень». 3гідно цією теорією

радіоактивність являє собою природний процес, втручатись у який

неможливо.

Отже, промені Беккереля показали, що у Природі здійснюється

перетворення атомів одного виду в інший. Причому, такі

перетворення проходять не з усією речовиною одзразу, а поступово. І

тільки окремі атоми внаслідок

радіоактивного розпаду зазнають

перетворення в даний момент, інші атоми – розпадаються пізніше.

Другий серйозний удар по класичній вірі у незмінність

фізичних функцій побудови матерії здійснила квантова теорія. Вона

244

створена Максом Планком (1858–1947 рр.) у 1900 р. Шлях до неї

розпочав Ньютон, коли розклав біле світло на сім кольорів (у спектр).

Через два століття цей експеримент привів науковців до важливих

висновків у фізиці. На початку ХІХ ст. завдяки удосконаленню

оптичних приладів фізиками одержано досить хороші, чіткі спектри

світла різних джерел. Накопичені дані

у 1859 р. узагальнені

Г.Р.Кірхгофом і Р.В.Бузеном. Вони висунули гіпотезу про наявність

зв’язку між спектрами і властивостями атомів.

У 1868 р. Е.Мічерліх висловив припущення про те, що спектри

несуть в собі інформацію про зміни в атомі. В 1885 р. І.Бальмер

відкрив просту залежність між довжиною хвиль

видимої частини

спектра атома водню. Цю залежність він визначив за допомогою

математичної формули (формула Бальмера). 3годом, у 1890 р.,

І.Р.Рібберг увів до спектроскопії свою добре відому константу R. 3а її

допомогою стало можливим оперувати хвильовим числом.

Універсальна константа встановлювала зв’язки між різними серіями,

що утворюють спектр елементу. Рібберг

дав формулу, що зробило

можливим описувати будь-яку спектральну лінію.

Класична фізика не могла пояснити закономірності

спектральних ліній елементу тому, що вченим залишалась

незрозумілою природа випромінювання. Наприкінці минулого

століття ці процеси розглядались з позицій термодинаміки. Над

розв’язанням проблем випромінювання працювали І.Стефан,

Л.Больцман, В.Він – асистент Г.Гельмгольца. 3аконами

випромінювання займався і Д.У.Стретт (лорд Релей) – попередник

Томсона на посаді керівника у Кавендішській лабораторії.

Опубліковані дані досліджень для короткохвильової частини спектра

не узгоджувались з висновками Віна по розподілу у спектрі

абсолютно чорного тіла.

Такі суперечливі дані попередників Планка вимусили його

зайнятись пошуком істини і узгодити висновки фізиків. Після

шести

років праці над проблемою випромінювання абсолютно чорного тіла

він висловив припущення: атоми випромінюють енергію певними

порціяии, квантами. Причому, енергія кожного кванта пропорційна

частоті хвиль, тобто кольору світла, яке випромінюється. Так

народилась квантова теорія, засновником якої став німецький фізик

Планк. Він є засновником закону розподілу енергії у спектрі

абсолютно чорного тіла

. Таким чином було доведено, що світло є не

лише відображенням хвиль, але і корпускул, що підтверджено

численними експериментами. Дивним є те, що між цими обома зовні

суперечливими поняттями існує просте кількісне співвідношення.

Воно виведене Планком з закономірностей теплового

випромінювання, а саме

Е=h

, де Е – енергія фотона, який

245

Альберт Ейнштейн

вибивається при попаданні електронів на поверхню металу,

–

частота хвилі, а

h – константа (постійна Планка).

Відкриття Планка так було оцінено Ейнштейном: «Саме закон

випромінювання Планка дав перше точне визначення абсолютних

величин атомів незалежно від інших пропозицій. Більше того, він

переконливо довів, що крім атомістичної структури матерії існує

свого роду атомістична структура енергії, якою керує універсальна

постійна, введена Планком. Це відкриття стало основою

усіх

досліджень у фізиці ХХ ст. і з цього часу майже повністю обумовило

її розвиток. Без цього відкриття неможливо встановити справжню

історію молекул і атомів та енергетичних процесів, які керують їх

перетвореннями. Більше того, воно зруйнувало кістяк класичної

механіки і електродинаміки і поставило перед наукою завдання:

знайти нову пізнавальну основу для

всієї фізики».

Таку основу для усієї фізики створила спеціальна теорія

відносності Ейнштейна (термін «теорія відносності» уведений

Планком у 1907 р.), яку він видав у 1905 р. Революційну ідею

квантів, яка не привертала уваги вчених аж до 1905 р., використав

Ейнштейн (1879–1955 рр.), розповсюдивши її на сам процес

випромінювання, і винайшов фотон. Створення спеціальної теорії

відносності історично пов’язане з розвитком електродинаміки.

Точність оптичних і електромагнітних вимірів, якої досягли на той

час дослідники, давала можливість спиратися на експеримент. Якщо

Планк приймав, що випромінювання здійснюється порціями, то

Ейнштейн показав, що і світло має квантову структуру і являє собою

потік квантів (фотонів). По суті це було відродження

старої

корпускулярної теорії світла Ньютона. Спираючись на ці ідеї,

Ейнштейн зміг пояснити ряд явищ, в тому числі і фотоелектричний

ефект, який відкритий Г.Герцем у 1887 р. і незабаром на основі

експериментів описаний О.Г.Столєтовим. Обидва вчених спостіргали

так званий зовнішній фотоефект, – це коли фотони вибивають з

речовини. Але існує і

внутрішній фотоефект. При ньому вибиті з

атомів електрони залишаються всередині речовини і реєструються за

підвищенням електропровідності. Внутрішній фотоефект у 1873 р.

відкрив і описав У.Сміт.

Уявлення Ейнштейна про

світло, як про потік часток, дало

можливість пояснити фотоефект

передачею енергії фотонів

електроном атома. У статті «До

електродинаміки тіл, які

рухаються» (1906 р.)

Ейнштейн

розробив основи спеціальної теорії

відносності. Виклав нові закони

246

руху, які узагальнювали ньютонівські і переходили до них у випадку

малих швидкостей тіл, коли

v<<c. В основу своєї теорії Ейнштейн

поклав два постулати. Перший. Спеціальний принпип відносності,

що є узагальненням механічного принципу відносності Галілея до

будь-яких фізичних явищ (тобто, в будь-яких інерціальних системах

усі фізичні процеси – механічні, електричні, теплові, оптичні та інші

відбуваються однаково). Другий принцип - принцип постійності

швидкості світла у вакуумі – в

усіх інерціальних системах 3Х10

см/сек.

Обидва постулати і теорія, що побудована на їх основі, привели

до зламу багатьох звичних класичних понять (абсолютний простір,

абсолютний час). Вони примусили переглянути ряд основних

положень класичної фізики Ньютона. Встановили ряд нових поглядів

на світ, нові просторово-часові уявлення – відносність довжини,

часу, відносність явищ. Але спеціальна теорія відносності не

відкинула повністю закономірностей, що встановлені класичною

механікою. Вона уточнила їх для випадку руху зі швидкостями, які

порівнюються зі швидкістю світла у вакуумі.

Спираючись

на свою теорію,

Ейнштейн у 1905

р.і відкрив закон

взаємодії маси і

енергії. Він

показав, що маса є

мірою енергії, яка

міститься у

тілах. Це

співвідношення

(

mc=

) покладено в основу енергетичного балансу ядерних

реакцій, в основу всієї ядерної фізики (нагадаємо, що формула

класичної механіки –

Але теорію відносності почали нещадно критикувати.

Найбільше її критикували філософи за те, що маса матерії може

переходити в енергію відповідно до кількісного співвідношення. І не

тільки філософи. В 1933 р. А.Ейнштейн відвідав Францію. 33 члени

Паризької академії наук погрожували демонстративно залишити залу

засідань, якщо там з’явиться автор теорії відносності. Але

коли

фізики здійснили ядерні реакції не тільки на окремих атомах, а і

перевірили закон Ейнштейна в масштабах атомної бомби, тоді вже

теорія відносності сумніву ні у кого не викликала. Положення і

висновки спеціальної теорії відносності яскраво підтвердились

247

численними дослідами. Вона стала потужним інструментом у

фізичних дослідженнях, зокрема у фізиці мікросвіту.

−

Не тільки спеціальною теорією відносності визначається роль

Ейнштейна у новітній революції в природознавстві, створенні

сучасної фізики. Він є продовжувачем створення квантової теорії.

Якщо Планк квантував тільки енергію матеріального осцилятора, то

Ейнштейн у 1905 р. увів увлення про дискретну, квантову структуру

світлового випромінювання. Він розглядав його як потік квантів, або

фотонів. Йому

належить теоретичне відкриття фотона, який

експериментально виявлений у 1922 р. американським фізиком

Карлом Тейлором Комптоном (1887–1954 рр.). Виходячи з

припущення квантової теорії світла, Ейнштейн пояснив такі явища,

як фотоефект (закон Ейнштейна для фотоефекту), правило Стокса

для флюоресценції, фотоіонізацію тощо. Електромагнітна теорія

світла не змогла дати пояснення таким явищам. Але це сталося

пізніше. У

1907 р. Ейнштейн за допомогою квантової теорії дав

пояснення зменшенню теплоємності твердих тіл при пониженні

температури. Ще через два роки він вперше розглянув

корпускулярнохвильовий дуалізм для випромінювання, флуктації

енергії рівноважного випроміннювання, одержавши формулу для

флуктацій енергії.

Внеском Ейнштейна в атомістику був розвиток ним у 1905 р.

молекулярно-статистичної теорії броунівського руху. Основний

крок,

що зроблений ним в цьому напрямку, полягає у піднятті теорії

речовини з рівня можливих, імовірних, корисних гіпотез до рівня,

коли їх можна спостерігати. Ця ідея здійснювалась шляхом

досліджень випадків, в яких молекулярний рух і його статистичний

характер можуть бути подані як очевидні. В наступні роки Ейнштейн

продовжив свої викладки стосовно

броунівського руху. Його

дослідження переконали фізиків у реальності атомів і молекул, у

справедливості кінетичної теорії теплоти і у фундаментальній

імовірності в законах Природи.

До 1915 р. Ейнштейн працював над завершенням побудови

загальної теорії відносності. Вона має назву “сучасна релятивістська

теорія тяготіння” і встановлює зв’язок між простором–часом і

матерією. Але

загальна теорія відносності одержала визнання вчених

тільки на початку 20-х років.

Отже, дослідження вчених наприкінці ХІХ – початку ХХ ст.ст.

показали, що електрика і світло мають дискретний характер, тобто

складаються з часток. Ці уявлення були покладені в основу різних

моделей атома. Вони все більше відтворювали його структуру. Перш

за все у

1903 р. Томсон запропонував модель атома у вигляді

248

«пудингу з ізюмом». Атом, на думку англійського фізика, є

позитивно заряджена сфера з вкрапленими в неї електронами.

Сумарний негативний заряд електронів дорівнює позитивному

заряду сфери. 3авдяки цьому атом в цілому є нейтральний.

Приблизно у той же час французький вчений Жан Батист

Перрен (1870–1942 рр.) запропонував планетарну модель атома.

Подібну до неї

у 1904 р. запропонував японський фізик Хантаро

Нагаока (1865–1950 рр.) – так звану «атом типу Сатурна». Згідно з

його моделлю атом складається з позитивно зарядженого ядра,

навколо якого обертається кільце, що містить значну кількість

електронів. Модель Нагаока не привернула уваги фізиків. Її певною

мірою можна вважати попередницею ядерної моделі Резерфорда.

Обидві моделі були умоглядні

і довго не протримались.

До 1911 р. Резерфордом було накопичено досить

експериментальних даних для того, щоб запропонувати добре відому

сьогодні «планетарну модель» атома (гіпотеза, як вже згадувалось,

була висловлена Д.І.Менделєєвим у 1894 р.). Своєю побудовою вона

нагадує нам Сонячну систему з оцінками розмірів атома, у центрі

якого міститься невелике позитивно

заряджене ядро. Розміри ядра

дуже малі (

12−

см) порівняно з розмірами самого атома (

8−

см).

Навколо ядра рухаються електрони, подібно як і планети навколо

Сонця. Число електронів у нейтральному атомі за сумарним

негативним зарядом компенсується позитивним зарядом ядра. У 1913

р. датський вчений Н.Бор (1885–1962 рр.) уточнив модель атома,

запропоновану Резерфордом, вніс до нєї ідєї квантової теорії.

Внаслідок цього структура атома набула більш чітких обрисів, що

відображено у підручниках з фізики і хімії: у центрі атома

знаходиться ядро, в якому зосередена майже вся маса атома і весь

його позитивний заряд. Навколо ядра рухаються окремі електрони.

Число електронів складає стільки, щоб повний заряд атома

дорівнював нулю. Простір, який займає ядро, дуже малий порівняно з

об’ємом всього

атома в цілому.

Отже, нарешті ми прийшли до цікавого явища в історії

атомістики. Історичний огляд її розвитку показує, що між вивченням

предмету хімії та фізики нема якихось видимих меж. Всякі кордони

між ними випадкові і безпідставні. І у фізиці, і у хімії ми маємо по

суті одну науку.

І, нарешті, зробимо

ще такий висновок. Новітня революція в

природознавстві наприкінці ХІХ – на початку ХХ ст.ст. охоплює

період трохи більше 10 років. Але розглядати розвиток науки у цей

період варто як завершальний етап наукової революції. Причому, це

є не стільки процес розвитку, скільки його кінцевий результат. Без

перебільшення можна сказати, що плеяда фізиків,

яка здійснила

новітню революцію, своїми працями і талантом створила фундамент,

249

без якого був би немислимий подальший прогрес людства. З нього

розпочинаються істотні зміни навколишнього світу, стрімкий

прогрес в усіх галузях людської діяльності, який в середині ХХ ст.

привів до науково-технічної революції., висунув комплекс проблем

глобального характеру. Їх розв’язання можливе тільки за умови

залучення тієї ж науки.

250

НАУКОВО-ТЕХНІЧНИЙ РОЗВИТОК У ПЕРШІЙ

ПОЛОВИНІ ХХ СТОЛІТТЯ

0собливості і напрямки технічних перетворень

У стислому за обсягом матеріалі важко висвітлити усі напрямки

науково-технічного прогресу, що стрімко розпочав свій біг з початку

двадцятого століття. Виділимо ті з них, які нам добре знайомі і ми

спостерігаємо їх щоденно. Крім того,

на їх прикладі найбільш чітко

можна побачити особливості науково-технічного розвитку в цей

період. Що ж це за особливості?

Перша особливість. Приблизно три десятиліття ХХ ст.

технічний прогрес супроводжувався виключно шляхом

удосконалення і впровадження винаходів і відкрить, зроблених у

попередні періоди. Найбільш виразно це проявилось на використанні

передачі електричних сил на

відстань. 3дійснення цього зробило

переворот в економіці. Розв’язана проблема одержання енергії

шляхом використання сили води водоспадів. Спостерігаємо

порівняно широке використання таких винаходів минулого століття,

як телефон, телеграф, промені Рентгена. Виробничники

скористувались досягненнями хіміків у одержанні синтетичних,

харчових, пахучих та інших речовин.

Друга особливість полягає в тому, що з початку

століття і аж

до початку другої світової війни спостерігалось невпинне падіння

темпів появи нових винаходів порівняно з вісімнадцятим і

дев’ятнадцятим століттями. Саме у цей час легко помітити широке

впровадження винаходів, зроблених у попердній період.

Протиставити такій тенденції можна лише винахід газової турбіни і

вертольоту. Вони створені у 30-і роки.

Третя

особливість. Виразний характер набуло використання

досягнень науки і техніки для задоволення потреб війни. В ХХ ст.

було розв’язано дві світові спустошливі війни. У зв’язку з цим цілий

ряд фундаментальних досліджень не торкнувся покращання життя

пересічної людини аж до кінця Другої світової війни. Так було з

автомобілем, літаком і

для більшості населення з електричним

освітленням і телефоном. Політичні сили ігнорували гуманну

сутність науки, підпорядкували її досягнення створенню небачених

засобів знищення людини і всього того, що вона створила своїм

розумом і руками. Вершиною безвідповідальності і антигуманної

сутності стала історія з використанням досягнень фізики і хімії,

створення атомної та ядерної зброї, засобів

хімічного знищення

людей. Вже з початку ХХ ст. творчі сили науки і техніка були

спрямовані на створення багатьох видів озброєння. На потреби воєн

витрачалась велика кількість матеріальних, сировинних, трудових