Книга Ферми. Ядерная энергия - Antonio Hernandez-Fernandez

На одном из вступительных испытаний 14 ноября 1918 года Ферми поразил экзаменаторов, в частности профессора математики Римского университета Джузеппе Питарелли, подробным докладом о свойствах звука и вибрации струн под названием «Характер и причины звуков», в котором демонстрировал прекрасное владение методами решения дифференциальных уравнений и анализом Фурье. Питарелли никогда в жизни не видел ничего подобного. Знания Ферми были на уровне выпускника, а не ученика старшей школы. В его лице Пизанский университет приобретал гениального студента.

ВОЛНЫ ИЛИ ЧАСТИЦЫ?

Вопрос о том, какую природу имеет свет — волновую или корпускулярную, решался в учебнике Караффы неправильно. Исаак Ньютон (1643-1727) в своем трактате об оптике 1704 года уже использовал корпускулярную модель для объяснения отражения и преломления света. По теории Ньютона, в воде и в стекле свет перемещается с большей скоростью, чем в воздухе, что было неправильным предположением, как и то, что свет перемещается практически мгновенно, а его лучи распространяются только по прямой. Эти взгляды ученого подверглись жесткой критике со стороны современников, особенно англичанина Роберта Гука (1635-1703) и голландца Христиана Гюйгенса (1629-1695). Описывая феномен преломления, они предполагали, что свет достигает максимальной скорости в воздухе, и отстаивали его волновую природу. Французский физик Огюстен Френель (1788-1827) провел множество опытов по интерференции и дифракции и заложил математические основы волновой теории света — единственной, которая могла объяснить его дифракцию. При дифракции волны искривляются, наталкиваясь на препятствие или проходя через отверстие.

В 1801 году английский ученый Томас Юнг (1773-1829) доказал правильность волновой теории с помощью своего знаменитого опыта с двойными прорезями. Эксперимент заключался в следующем: на две узкие прорези, расположенные одна рядом с другой, направлялся луч света. Таким образом получалось два пучка света, и на проекционном экране была видна интерференция, то есть светлые и темные полосы (рисунок 1). Это, бесспорно, доказывало волновую природу света: если бы свет состоял из частиц, то интерференции не наблюдалось бы и частицы, достигшие экрана, сконцентрировались бы перед прорезями, создав две освещенные области (рисунок 2).

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).

ОПЫТ ТОМСОНА

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 (yε). Магнитное поле В отклоняет их на величину yM. Отклонения yε, yM, ширину пластин и длину L между концом пластин и экраном S можно измерить напрямую, макроскопически.

yε = eEa/mv²(L + a/2)

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

yM = 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: yε = yM. Измерив их, мы получим соотношение между зарядом и массой электрона (е/m) в зависимости от расстояний а и L с помощью формулы

e/m = yEv²/Ea · 1/(L + a/2) ≃ yEv²/EaL = (yE · 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).