В делении сила. Ферми. Ядерная энергия.

РИС. 1

РИС. 2

Когда в 1860 году шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831—1879) опубликовал свою математическую теорию электромагнетизма, казалось, что волновая теория победила окончательно. В ее рамках были разработаны уравнения, которые предсказывали существование волн, подтверждавших ее истинность. Максвелл воспользовался разработками других ученых, таких как Гаусс, Фарадей, Ленц и Ампер. Его заслуга заключалась в том, что он объединил разрозненные исследования на тему магнетизма и доказал, что скорость света в вакууме (с) равна приблизительно 300000 км/с и что свет является формой электромагнитного излучения, описывающейся уравнением

c = 1/√(ε₀μ₀),

где ε₀ — электрическая постоянная, или, как тогда ее называли, электрическая проницаемость вакуума (8,854-10^-12 Ф/м), а μ₀ — магнитная постоянная, или магнитная проницаемость вакуума (4π-10⁷ Гн/м). Электрическая проницаемость материала — это значение, которое показывает, как он ведет себя в присутствии электрического поля, а магнитная проницаемость характеризует способность материала пропускать через себя магнитные поля. Большим достижением Максвелла было то, что он объяснил природу света, связав ее с электромагнитными свойствами материалов, через которые свет проходит. Молодой Ферми был очарован универсальными постоянными — эти числа, справедливые для всей Вселенной, словно ждали, пока их откроют.

По мере того как ученые продвигались в изучении света, стали проявляться свойства недавно открытых катодных лучей. Немецкий физик и математик Юлиус Плюккер (1801-1868) в 1858 году обнаружил разряды в некоторых газах, запаянных в стеклянные трубки, откуда предварительно был откачан воздух. В 1897 году в Кавендишской лаборатории в Кембридже британский ученый Джозеф Джон Томсон (1856-1940) измерил соотношение между разрядом и массой электрона (е/m).

В опыте Томсона (см. рисунок) катод С испускает электроны со скоростью v', их большая часть доходит до анода А, но некоторые проходят через отверстие в аноде. Через второй анод, А’, проходит еще меньшее количество электродов, на которые затем воздействует электромагнитное поле, создающееся между параллельными пластинами шириной а.

С — катод, испускающий электроны;

А, А' — перфорированные аноды с высоким положительным потенциалом;

Р, Р' — отклоняющие пластины, создающие электрическое поле, более или менее равномерное на всем расстоянии L;

S — флюоресцентная пластина, на которой остается след от столкновения с электроном.

Электрическое поле Е отклоняет электроны на величину (y_ε). Магнитное поле В отклоняет их на величину y_M. Отклонения y_ε, y_M, ширину пластин и длину L между концом пластин и экраном S можно измерить напрямую, макроскопически.

y_ε = eEa/mv²(L + a/2)

Схема и формула измерения отклонения y_ε вызванного электрическим полем (E^→).

y_M = eBa/mv(L + a/2)

Схема и формула измерения отклонения вызванного магнитным полем (B^→).

Изменив электрическое поле Е и магнитное поле В так, чтобы пучок не отклонялся от прямой, мы можем приравнять оба отклонения: y_ε = y_M. Измерив их, мы получим соотношение между зарядом и массой электрона (е/m) в зависимости от расстояний а и L с помощью формулы

e/m = y_Ev²/Ea · 1/(L + a/2) ≃ y_Ev²/EaL = (y_E · E)/B²aL.

Таким образом можно получить достаточно точное соотношение между зарядом и массой электрона.

Для этого он использовал специальный прибор: в стеклянную трубку, внутри которой создавался вакуум (давление меньше 0,01 мм рт. ст.), помещали несколько металлических электродов, а затем через них пропускали пучок катодных лучей Плюкера. Так Томсон опытным путем доказал, что катодные лучи имеют корпускулярную природу и отрицательный заряд, то есть открыл электрон. В результате этих исследований появилась простая атомная модель, в которой атом состоял из электронов, находящихся в составе массы с положительным зарядом, как изюм в пудинге (см. рисунок на следующей странице).

В 1909 году американские физики Роберт Милликен (1868-1953) и Харви Флетчер (1884-1981) провели опыт, вызвавший впоследствии большую критику, поскольку в нем было допущено несколько ошибок, и измерили заряд электрона. Он оказался приблизительно равен e ≈ -1,6 · 10^-19 Кл. До открытия кварков заряд электрона считался самым маленьким зарядом, встречающимся в природе.

Квантовая физика родилась 14 декабря 1900 года, когда немецкий физик Макс Планк (1858-1957) на заседании Немецкого физического общества прочел свою работу «К теории распределения энергии излучения нормального спектра».

В ней Планк высказывался в поддержку дискретных состояний энергии, а не непрерывных, как утверждалось в классической теории, согласно которой частицы могут иметь энергию, равную любому численному значению.

Дискретизация подразумевала, что обмен энергией между системами постоянный. Закон Планка связывает энергию излучения с ее частотой (v) так, что E = hv, где постоянная h — постоянная Планка — приблизительно равна h ≈ 6,626 х 10^-34 Дж с. Планк заключал, что при переходе с одного уровня на другой энергия организовывается в кванты, то есть в минимальные порции энергии, которые можно вычислить с помощью уравнения.

Энрико (в центре) в возрасте четырех лет с братом Джулио и сестрой Марией.

Ферми в возрасте 16 лет, перед поступлением в Нормальную школу Пизы.

Энрико Персико (в центре) с Ферми (второй справа) вовремя каникул группы физиков в Валле д’Аоста в декабре 1932 года.

В 1911 году новозеландский физик и химик Эрнест Резерфорд (1871- 1937) заметил, что некоторые альфа-частицы, излучаемые радиоактивным веществом, резко меняют траекторию при прохождении через тонкий лист золотой фольги, при этом небольшое их количество отражается, а большая часть проходит сквозь лист (рисунок 1). Эксперимент, проведенный Резерфордом, Гейгером и Марсденом, противоречил атомной модели Томсона — иногда ее называли моделью «сливового пудинга» или «булочки с изюмом». Отклонение происходило при столкновении альфа-частицы и атомного ядра. Чтобы объяснить результаты, Резерфорд предложил атомную модель, в которой большая часть массы атома и весь его положительный заряд находились в определенной области, названной ядром, а вокруг него, как в миниатюрной планетарной системе, по орбитам вращались электроны, и их общий заряд точно соответствовал положительному заряду ядра (рисунок 2). Эта модель часто используется в изображении атомов и сегодня. Она предусматривает условие, которое совсем не кажется очевидным: большая часть атома пуста. Позже Резерфорд теоретически обосновал существование нейтрона, который обнаружил опытным путем английский физик Джеймс Чедвик в 1932 году.