100 великих достижений цивилизации - Станислав Эдуардович Ермаков

могли проникать сквозь стекло и состояли из мельчайших отрицательно заряженных частиц, скорость которых достигала половины скорости света. Были вычислены величина заряда (1,602 на 10 в минус 19 степени) и масса каждой частицы (0,00055 углеродной частицы).

Эти параметры не менялись ни при каких условиях, а найденные частицы были известны лишь в заряженном состоянии, то есть электрический заряд был, по большому счету, их сущностью. Так были открыты электроны – составная часть атомов.

Другими доказательствами стали открытие рентгеновского излучения (знаменитых «X-лучей») в 1895 году Вильгельмом Рентгеном и радиоактивности, которую год спустя обнаружил Антуан Беккерель.

Японский физик Хантаро Нагаока в 1904 году предположил, что атом по своему строению подобен Солнечной системе. Вокруг положительно заряженного ядра по кольцеобразным орбитам, по его мнению, двигались «планеты», электроны, при этом незначительные смещения электронов должны были порождать электромагнитные волны, а размер самого атома представлялся равным 10 в минус 10-й степени метра.

Однако совсем скоро новые идеи и результаты экспериментов заставили смотреть на строение атома совершенно иными глазами. Во многом случилось это благодаря трудам Эрнста Резерфорда, который считается отцом ядерной физики и величайшим физиком-экспериментатором XX столетия.

Эрнст Резерфорд. 1905 г.

Уроженец Новой Зеландии (1871 год), Эрнст Резерфорд учился на родине в Кентерберийском колледже и к 23 годам получил сразу три степени: бакалавра гуманитарных и бакалавра естественных наук, а также магистра гуманитарных наук. Спустя год после окончания учебы и работы учителем в средней школе он выиграл стипендию на обучение в Кембриджском университете в Англии, где на протяжении трех лет работал в Кавендишской лаборатории и стал первым докторантом Дж. Дж. Томсона. Здесь он вместе с Томсоном открыл явление насыщения тока при ионизации газа, а в 1898 году – альфа– и бета-лучи. Вскоре последователи Резерфорда открыли и гамма-излучение.

В 27 лет Резерфорд стал профессором физики в университете Макджил в Канаде. В 1907 году он вернулся в Англию, чтобы возглавить физический факультет Манчестерского университета, а через 12 лет вернулся в Кембридж, став директором теперь уже знаменитой Кавендишской лаборатории. На этом посту он оставался до конца жизни. Именно Резерфорд, занимаясь изучением явления радиоактивности, смог доказать, что эта энергия не внешняя, а внутренняя, что она исходит изнутри отдельных атомов урана. Так было положено начало концепции атомной энергии, значительно более мощной, чем та, которая была доступна человечеству в ходе химических реакций.

В 1908 году за эти открытия Резерфорд получил Нобелевскую премию по физике.

Продолжение опытов по исследованию бета-частиц позволило Резерфорду и его сотрудникам в 1909–1911 годах провести зондирование атома. В результате выводы по итогам экспериментов были неожиданными для самих экспериментаторов. Оказывается, атом (в конкретном опыте – атом золота) почти полностью состоял из пустого пространства, а атомная масса находилась в центральной его части, в ядре.

Это полностью противоречило всем существовавшим теориям, но вывод был единственно возможным. Диаметр ядра атома по результатам расчетов не превышал 10–14–10–15 метра, то есть оно занимает лишь 10–12 объема, но содержит почти 100 процентов массы и, соответственно, обладает колоссальной плотностью – примерно 1015 г/см3. Заряд же ядра, как оказалось, равен суммарному заряду всех электронов, которые входят в состав атома, а если заряд одного электрона принять за единицу, то заряд ядра окажется в точности равным номеру конкретного элемента в Периодической таблице Менделеева…

Надо сказать, что эти выводы были столь радикальны, что заставили сомневаться в их справедливости не только других ученых, но и самих первооткрывателей. Резерфорд, уже признанный физик, нобелевский лауреат, решился опубликовать результаты экспериментов лишь два года спустя, в 1911 году. Их результатом стала планетарная модель атома, предложенная Резерфордом.

Два 10-летия спустя стало ясно, что и планетарная модель Резерфорда не удовлетворяет новейшим данным. Последовали новые поиски, которые привели к обнаружению других закономерностей, открытию элементарных частиц, появлению атомной энергетики и страшного ядерного оружия.

Наверное, все эти достижения – как мирные, так и те, которые угрожают единомоментно уничтожить жизнь на планете, есть не что иное, как всего лишь начало исследований тайн атома – тайн устройства Вселенной на микроуровне. Познание это продолжается по сей день и сулит множество открытий.

«Главный» закон

Если наука когда-либо открывала действительно фундаментальные законы, то их, как порою говорят физики, можно пересчитать по пальцам. Важнейшим из них можно считать открытие закона сохранения энергии, который по своему значению значительно шире, чем большинство других законов. А все дело в том, что он лежит в основе всех естественных наук вообще, даже всего научного мировоззрения. Материя и энергия неуничтожимы, ничто не берется ниоткуда и не исчезает никуда – вот его главный посыл, очень простой и логичный.

Догадки о том, что мир должен иметь в своем основании подобный принцип, возникали еще у античных философов, а первую попытку сформулировать его именно как закон совершил еще Михаил Васильевич Ломоносов. В 1744 году он писал: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оной у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Эти слова многие помнят еще со школьных лет, пусть не точно и не дословно. Так был утвержден закон сохранения массы и движения как всеобщий естественный закон природы. В 1756 году великий русский энциклопедист сумел подтвердить принцип сохранения материи в форме закона сохранения массы вещества, который до сих пор является одним из важнейших естественнонаучных законов природы, экспериментально. Закон сохранения движения был воплощен в созданной Ломоносовым теории теплоты.

Почти параллельно с Ломоносовым и совершенно независимо от него парижский естествоиспытатель и общественный деятель Антуан Лоран Лавуазье формулирует «закон вечности вещества»: при различных химических превращениях вещество не пропадает, не творится вновь, и поэтому веса участвующих в химическом превращении тел остаются неизменными как до, так и после изменений.

Минуло полвека после того, как Ломоносов написал приведенные выше строки. Член парижской Академии наук французский физик и химик Жозеф Луи Гей-Люссак занимался изучением свойств газов и в 1807 году поставил опыт, сыгравший важную роль в осмыслении этого принципа.

К тому моменту уже было установлено, что при расширении сжатый газ охлаждается. Мы и сегодня, имея дело с баллончиками с углекислым газом или порою с газовыми зажигалками, наталкиваемся на этот эффект. Гей-Люссак выдвинул гипотезу, что причина данного феномена в том, что теплоемкость газа зависит от его