Герб горада Ліды, наданы 17 верасня 1590 г.
1. КАТОДНЫЕ ЛУЧИ
Непосредственным предшественником той субатомной физики, которая родилась в конце XIX века и заняла господствующее положение в научных исследованиях нашего столетия, следует считать Уильяма Крукса (1832-1919). Свободный исследователь, изучавший в своей частной лаборатории в Лондоне проблемы химии и физики, естествознания и спиритизма, Уильям Крукс открыл элемент таллий (1861 г.), создал «радиометр», носящий теперь его имя (1875 г.), и «спинтарископ» (1903 г.). За свои научные заслуги в 1897 г. был пожалован титулом баронета.
Исследование прохождения электричества через разреженные газы было делом чрезвычайно сложным, ибо уровень вакуумной техники тогда был низким и истолкование результатов встречало значительные трудности, и это направление исследований казалось бесперспективным.
Исследованию электрического разряда в газе фактически положил начало еще в 1706 г. другой англичанин - Фрэнсис Хоксби, однако дело продвинулось лишь после появления ртутного вакуумного насоса (Гейслер, 1855), сделавшего возможным получение хорошего вакуума. Тогда экспериментальные исследования электрического разряда были повторены и расширены Ю. Плюккером (1801-1868) и Вильгельмом Гитторфом (1844-1914), исследовавшими, в частности, флуоресценцию стекла трубки, в которой происходит разряд. Варли (1828-1883) объяснил это явление в 1871 г. как следствие соударения со стенками некоторых агентов, вылетающих с катода. Первую характеристику этих новых агентов дал в 1876 г. Э. Гольдштейн (1850-1930); он назвал их катодными лучами, считая, что они той же природы, что и свет, но свет испускается светящимися телами по всем направлениям, тогда как катодные лучи испускаются только по нормали к поверхности катода.
Крукс повторил эти исследования, добившись значительно большего разрежения в трубках, которым он придавал самую различную форму. Введя в трубку радиометр, Крукс обнаружил вращение радиометра, когда он оказывался на пути катодного пучка, и сделал вывод, что катодные лучи обладают механическим действием. Поместив в трубку металлический мальтийский крест, Крукс увидел на флуоресцирующем стекле тень и пришел к выводу, что катодные лучи распространяются внутри трубки прямолинейно. Приблизив магнит к тонкому пучку катодных лучей, прошедших сквозь щель, он обнаружил, что флуоресцирующее пятно при этом сместилось, откуда заключил, что магнитное поле искривляет катодные лучи.
Но что представляют собой катодные лучи? Крукс считал, что это «лучистая материя», четвертое состояние вещества, или «ультрагазообразное» состояние, «столь же далекое от газообразного, насколько то далеко от жидкого».
Согласно Круксу, принявшему гипотезу Варли, выдвинутую в 1871 г., катодные лучи образованы молекулами остаточного газа, содержащегося в трубке, которые, соприкоснувшись с катодом, заряжаются отрицательно и отталкиваются от катода. Проявляемые ими своеобразные свойства связаны не с их природой, которая остается такой же, как и у остальных известных веществ, а с их агрегатным состоянием, с высокой степенью разрежения. В своем докладе «О лучистой материи, или четвертом агрегатном состоянии», прочитанном на заседании Королевского института, Крукс со свойственным ему оптимизмом, которым он умел заражать и других, сказал пророческие слова, явно выходившие за пределы того, что было получено на опыте:
«При изучении этого четвертого состояния вещества создается представление, что мы имеем, наконец, в своем распоряжении «окончательные» частицы, которые мы можем с полным основанием считать лежащими в основе физики Вселенной. Мы видели, что в отношении некоторых свойств лучистая материя столь же реальна, как, например, эта доска, тогда как по некоторым другим свойствам она сходна с лучистой энергией. Мы определенно вошли здесь в область, где материя и энергия кажутся слитыми воедино, в темную область между известным и неизвестным, которая всегда меня особенно прельщала. Я беру на себя смелость предположить, что главные проблемы будущего найдут свое решение именно в этой области и даже за нею. Здесь, по моему мнению, сосредоточены окончательные реальности, тончайшие, определяющие, таинственные».
2. ПРИРОДА КАТОДНЫХ ЛУЧЕЙ
Молекулярной гипотезе Крукса о природе катодных лучей противостояла волновая гипотеза, поддерживаемая немецкими учеными Видеманом. Гольдштейном, Герцем и Ленардом. Герцу не удалось добиться отклонения катодных лучей при прохождении ими электростатического поля. В 1892 г. он показал, что катодные лучи могут проникать сквозь тонкие пластинки алюминия. Используя это открытие, Ленард вывел эти лучи из трубки, заменив участок стеклянной трубки перед катодом металлической фольгой, достаточно прочной, чтобы выдержать атмосферное давление. Если катодные лучи не отклоняются электростатическим полем, то как это могут быть наэлектризованные молекулы? Если это наэлектризованные молекулы, то как они могут проходить сквозь твердое тело? Проще принять волновое представление Гольдштейна, если даже и приходится приписывать этим волнам необычные свойства, например считать их продольными, а не поперечными, как световые волны.
Однако волновая гипотеза несовместима с тем фактом, что катодные лучи отклоняются магнитом, потому что на световые волны магнитное поле не действует. Как молекулярная гипотеза Крукса, так и волновая гипотеза Гольдштейна оказались неудовлетворительными. Чтобы выйти из этого затруднения, нужны были дополнительные экспериментальные данные.
Они были получены молодым физиком Жаном Перреном (1870-1942), работавшим тогда с Липпманом в лаборатории Эколь нормаль в Париже. Перрен поместил внутри разрядной трубки перед катодом закрытый металлический цилиндр с небольшим отверстием против катода на расстоянии 10 см от него и соединил цилиндр с электроскопом. При работе трубки пучок катодных лучей проникал в цилиндр, причем цилиндр всегда оказывался заряженным отрицательно. Для проверки достаточно было отклонить магнитом катодные лучи так, чтобы они не проникали в цилиндр, и сразу электроскоп, присоединенный к цилиндру, оказывался незаряженным. Отсюда можно было сделать вывод: катодные лучи - это отрицательные электрические заряды, так что их материальная природа представляется значительно более вероятной, чем волновая.
Это был 1895 г. В этот год родилась электроника.
Однако возникла она не без трудностей. Сторонники волновой теории не были обескуражены опытом Перрена. Они отнюдь не отрицают, говорили они, что катодом могут испускаться отрицательно заряженные частицы. Они отрицают лишь, что именно эти частицы и являются катодными лучами, т. е. теми особыми агентами, которые вызывают флуоресценцию стекла: пуля, вылетающая из винтовки, не имеет ничего общего со вспышкой света, сопровождающей выстрел; заряженные частицы можно считать пулями, а то, что вызывает флуоресценцию, - вспышкой света.
Это возражение через два года было снято Джозефом Джоном Томсоном (1856-1940), который поместил цилиндр Перрена не перед катодом, а сбоку. Когда поднесенный магнит искривлял катодные лучи так, чтобы они попадали в отверстие цилиндра, цилиндр заряжался отрицательно и одновременно смещалось флуоресцирующее пятно на стекле; заряд оказывался неотделимым от лучей.
Если катодные лучи представляют собой отрицательно заряженные частицы, то законы электродинамики требуют, чтобы они отклонялись в электростатическом поле. Почему же тогда дал отрицательный результат специальный опыт Герца? Возможно, подумал Томсон, что он не удался из-за проводимости остаточного газа в трубке, возникшей под действием катодных лучей. Поэтому Томсон модифицировал экспериментальную установку Герца и обнаружил, что при подаче разности потенциалов на пластины, подсоединяемые к полюсам электрической батареи, лучи действительно отклоняются.
3. ИЗМЕРЕНИЕ ЗАРЯДА И МАССЫ ЭЛЕКТРОНА
Итак, экспериментально было доказано: катодные лучи несут с собой электрические заряды; их отклонение магнитным полем точно такое, как если бы магнитное поле действовало на заряженные частицы, движущиеся вдоль лучей. Перед лицом таких фактов нельзя избежать заключения, говорит Томсон, что катодные лучи и представляют собой отрицательные заряды, переносимые частицами вещества.
Но являются ли эти частицы вещества молекулами, атомами или еще эолее мелкими частицами? Этот качественный вопрос следует дополнить екоторыми количественными уточнениями. Ответ на этот вопрос был получен самим Томсоном, предложившим метод измерения, составивший эпоху в физике.
Не входя в детали, излагаемые в курсах физики, напомним идею метода (см. рис. на стр. 227). Пусть А и В - две металлические пластины, находящиеся под различными потенциалами. Частица электричества +m в точке М, отталкиваемая пластиной А и притягиваемая пластиной В, стремится двигаться ускоренно под действием постоянной силы в промежутке между пластинами: поле между пластинами считается однородным. Движение частицы +m в промежутке между пластинами А и В было бы аналогично полету крупинки града в поле силы тяжести Земли. Если же частица электричества +n попадает в электростатическое поле с некоторой скоростью F, направленной слева направо, то она, находясь под действием электрической силы, направленной вниз, и имея горизонтальную скорость, сохраняемую по инерции, будет находиться в тех же условиях, что и снаряд, выпущенный по горизонтали, и опишет в электростатическом поле параболу. Таким образом заряженные частицы движутся в электростатическом поле пластин точно так же, как движутся падающие тела на поверхности Земли, - к ним применимы законы механики. Аналогичные рассуждения можно применить и при движении заряженных частиц в магнитном поле. Действительно, движение такой частицы эквивалентно току, а Эрстед в 1819 г. открыл закон взаимодействия магнитного поля с электрическим током. Например, если в показанной на стр. 297 установке создано магнитное поле, перпендикулярное плоскости рисунка и направленное от читателя, то частица будет отклоняться вниз, если же поле направлено к читателю, то частица будет отклоняться вверх.
Томсон действовал на частицу одновременно электрическим и магнитным полями и менял величину этих полей так, что они компенсировались, катодные лучи не отклонялись и создаваемое ими на стекле светящееся пятно не смещалось. Простые математические расчеты позволяют показать, что в этом случае скорость частицы дается отношением электрического поля к магнитному, что легко поддается измерению. Если же, наоборот, измерять смещение светящегося пятна при одновременном воздействии надлежащим образом направленных магнитного и электрического полей, то, применяя законы механики, можно определить отношение e/m электрического заряда частицы к ее механической массе, что Томсон и сделал.
Опыты Томсона дали следующие результаты: скорость частиц, возрастающая по мере увеличения разрежения в трубке, чрезвычайно велика, значительно больше средней скорости, приписываемой, согласно кинетической теории, молекулам остаточного газа в трубке (в одном из первых опытов 1897 г. Томсон нашел скорость равной 1/ 10 скорости света, но через десять лет он получил для нее значение 1/ 3 скорости света). Кроме того, эта скорость зависит от разности потенциалов, которую проходит заряд. Значение е/т оказалось не зависящим ни от состава остаточного газа, ни от формы трубки, ни от материала электродов, ни от скорости лучей, если только она не близка к скорости света, ни от каких-либо иных физических параметров. Другими словами, отношение е/m есть универсальная постоянная.
Результаты этих измерений сразу исключают возможность рассмотрения катодных лучей как ионов остаточного газа, вылетающих с катода. Поэтому гипотеза Крукса о «лучистой материи» должна была быть отброшенаг но основная его идея сохранялась и подтверждалась: катодные лучи состоят из материальных частиц. Постоянство отношения е/m несомненно указывало на индивидуальные свойства этих частиц, которые, по-видимому, все были одинаковы. Значение отношения е/m было порядка 10 7, если е измерять в электромагнитной системе СГС, а m - в граммах. Несколькими годами позже Томсон дал для elm значение 1,7•10 7, сопоставление которого с современным значением (1,760±0,002)•10 7 дает нам представление о высокой точности примененных Томсоном методов.
Аналогичное отношение e/m было уже подсчитано для иона водорода из данных по электролизу; оно оказалось равным 104. Различие этих значений может быть истолковано по-разному: если мы будем для удобства читателя называть отрицательно заряженные частицы, образующие катодные лучи, не «корпускулами», как это делал Томсон, а электронами, то возможны три гипотезы о заряде и массе электронов:
1) заряд электрона равен заряду иона водорода, и, следовательно, его-масса в тысячу раз меньше массы иона водорода;
2) масса электрона равна массе иона водорода, и тогда его заряд в тысячу раз больше заряда иона водорода;
3) ни заряд, ни масса электрона не имеют никакого отношения к соответствующим значениям для иона водорода.
Вторая гипотеза, по-видимому, противоречила результатам Ленардаг который показал, что средний свободный пробег катодных лучей в воздухе при обычном давлении составляет 0,5 см, тогда как для молекулы пробег при этих условиях не превышает стотысячной доли сантиметра; ясно, что это указывает на чрезвычайную малость электрона. Постоянство свойств электронов независимо от состава остаточного газа в трубке также не согласовалось со второй гипотезой. Но все же этих соображений было недостаточно для достоверного вывода.Только прямое измерение т или е позволило бы надежно ответить на этот вопрос, хотя Томсон уже в своей первой работе 1897 г. не поколебался отдать предпочтение первому предположению, которое позволяло вернуться к заманчивой античной гипотезе, возрожденной Праутом (1816 г.), о едином первичном элементе:
«Это объяснение, которое, как мне кажется, проще всего согласуется. с фактами, основано на представлении о строении химических элементов, которое было благосклонно принято многими химиками. Это представление состоит в том, что атомы различных химических элементов представляют собой агрегаты из более мелких одинаковых атомов».
Одно счастливое обстоятельство в следующем году позволило Томсону оценить правильность своего выбора путем непосредственного измерения заряда е.
В 1897 г. Чарльз Вильсон (1869-1935) открыл, что в воздухе, пересыщенном водяными парами, каждый ион становится центром конденсации пара: ион притягивает к себе молекулы пара и начинается образование капельки воды, которая становится постепенно все больше и больше, пока не станет видимой. Конденсация происходит легче вокруг отрицательно заряженных частиц. Это открытие было использовано в 1911 г. самим Вильсоном в так называемой «камере Вильсона», одном из ценнейших инструментов атомнъй физики, названном с некоторой долей фантазии «открытым окном в атомный мир».
Томсон использовал это открытие следующим образом. Представим себе в ионизованном газе п ионов с одинаковым зарядом е, движущихся со скоростью υ. Быстрым расширением можно создать пересыщение газа, так что каждый ион становится центром конденсации. Величина электрического тока, легко измеримая на опыте, равна nev, скорость v можно измерить, так что если удастся определить n, то можно будет найти е. Для этой цели, с одной стороны, измерялась масса сконденсированного водяного пара; с другой стороны, пользуясь формулой Стокса (1819-1903), по скорости падения капелек под действием силы тяжести можно рассчитать их радиус, а значит, и массу каждой капельки. Деля полную массу образовавшегося водяного пара на массу каждой капельки, можно найти число капелек, т. е. число ионов газа, а по нему определить заряд е каждого иона. Опыт этот очень труден и требует большого искусства.
Как среднее большого числа измерений Томсон получил е=6,5-10•10 эл.-стат. ед., что неплохо согласуется с уже известным тогда значением заряда иона водорода и хорошо согласуется с теоретически рассчитанным Лоренцем в том же году значением, получающимся, как мы уже говорили, при количественном анализе эффекта Зеемана.
Описанный выше метод был усовершенствован Вильсоном в 1899 г. введением метода «уравновешивания» капелек: над отрицательно заряженной капелькой располагалась положительно заряженная пластина, притягивающая каплю в направлении, противоположном направлению падения. Можно так подобрать параметры, что притяжение капли к верхней пластине уравновесит ее вес. Тогда капля повиснет в воздухе, между небом и землей, подобно гробу Магомета. Ясно, что из условия равновесия легко найти заряд ядра конденсации.
Но является ли заряд капли в действительности зарядом электрона? Разве это скорее не заряд ионизованных молекул, который отнюдь не обязан быть априори равным заряду электрона? Это серьезное возражение. Но Томсон показал, что заряд ионизованной молекулы равен заряду электрона, т. е. что упомянутые методы, определяя заряд ионизованной молекулы, одновременно определяют заряд электрона. И этот заряд появляется совершенно независимо от способа ионизации веществ и всегда оказывается равным заряду одновалентного иона при электролизе. Достаточно подставить это значение заряда е в выражение e/m, чтобы найти массу электрона. Она оказывается равной т = 1,2•10 -27 г, т. е. около 1/ 1700 массы атома водорода. Ясно, что эти численные данные первых опытов впоследствии, при усовершенствовании приборов и методов, были существенно уточнены. В настоящий момент приняты следующие значения: е =(4,800±0,005)X 10 -10 эл. -стат. ед.=1,601•10 -19 кулон, m=(9,08±0,02)•10 28 г, т. е. около 1/ 1840 массы атома водорода.
Гораздо более существенным, чем определение численных значений, является вытекающий из этих исследований общий вывод: электричество, по крайней мере отрицательное, имеет, как и вещество, дискретную структуру; во всех известных явлениях атомы отрицательного электричества имеют один и тот же заряд и одну и ту же массу.
Не случайно слово «электрон», введенное Стони в 1891 г., быстро распространилось и после 1900 г. стало общепринятым, так что никто из физиков не мог уже сомневаться в прерывистой структуре электричества.
РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ
4. ПОЛУЧЕНИЕ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ
В истории физики бывало часто, что противостоящие научные течения распределялись в соответствии c национальностью физиков. Отнюдь не следует считать это проявлением национализма. Это объясняется просто научными связями, личными отношениями, применением одного и того же или аналогичного экспериментального оборудования, а также единым языком.
Поэтому не удивительно, что полуголландец-полунемец Вильгельм Конрад Рентген (1845-1923) приступил к экспериментальному исследованию катодных лучей, придерживаясь взглядов Ленарда, который, как и все немецкие физики того времени, защищал волновую природу катодных лучей.
Будучи чрезвычайно внимательным экспериментатором, уже прославившимся в среде физиков того времени исследованиями в различных областях (сжимаемость жидкостей, удельная теплоемкость газов, магнитное действие диэлектриков, движущихся в электростатическом поле, и т. д.), Рентген с первых же опытов заметил, что фотографические пластины, помещенные вблизи разрядной трубки и защищенные обычным образом от действия света, часто оказывались засвеченными. О действии катодных лучей здесь не могло идти речи, ибо применявшаяся катодная трубка не имела алюминиевого окошка подобно трубке Ленарда и катодные лучи наружу выйти не могли. Очевидно, речь шла о новом явлении, возникающем, как это удалось установить через несколько дней, в разрядной трубке.
8 ноября 1895 г. в Вюрцбурге Рентген наблюдал новое поразительное явление. Если разрядную трубку обернуть черным картоном и поместить возле нее бумажный экран, смоченный с одной стороны платино-синеродистым барием, то при каждом разряде трубки на экране наблюдается флуоресцирующее свечение независимо от того, какая сторона бумаги повернута к трубке - смоченная или сухая.
В этом опыте прежде всего поражает то, что абсолютно непрозрачный для видимого излучения и ультрафиолета черный картон пропускает что-то, способное вызвать флуоресценцию экрана. Этот эффект получался не только с картоном: методически поставленная серия специальных опытов показала, что для этого агента более или менее прозрачны все тела. Точнее говоря, прозрачность убывает c увеличением плотности тела и его толщины.
«Если держатпъ руку между разрядной трубкой и экраном, то видны темные тени костей на фоне более светлых очертаний руки».
Это было первое в истории рентгеноскопическое исследование.
Эти новые агенты, которые были названы Рентгеном для краткости Х-лучами, а мы их называем сейчас рентгеновскими лучами, вызывали флуоресценцию не только платино-синеродистого бария, но и других веществг например фосфоресцирующих соединений кальция, уранового стекла, обычного стекла, известкового шпата, каменной соли и др. Они действуют также на фотопластинки, но не действуют на глаз человека.
Было неясно, преломляются ли эти лучи. Рентген не обнаружил преломления в призмах из воды и сероуглерода. Некоторые признаки преломления, как ему показалось, были замечены в опытах с эбонитовыми и алюминиевыми призмами. Опыты с мелким порошком каменной соли, с серебряным порошком, полученным электролитическим методом, и с цинковым порошком не обнаружили никакого различия в прохождении Х-лучей через порошок и через сплошной образец того же вещества. Отсюда можно было сделать вывод, что Х-лучи не испытывают ни преломления, ни отражения и что отсутствие этих явлений подтверждается тем, что Х-лучи невозможно сконцентрировать линзами.
Х-лучи возникают в точке, где катодные лучи соударяются со стеклом трубки. Действительно, отклоняя магнитом катодные лучи внутрь трубки, можно заметить одновременное смещение точки образования Х-лучей, всегда совпадающей с точкой, где кончаются катодные лучи. Для образования этого нового излучения не обязательно, чтобы катодные лучи соударялись именно со стеклом: это явление наблюдается и в разрядной трубке, изготовленной из алюминия.
Природа этого нового излучения оставалась загадочной. Одно было ясно - излучение это нельзя отождествлять с катодными лучами. Как и катодные лучи, оно вызывало флуоресценцию, оказывало химическое воздействие, распространялось прямолинейно и, следовательно, образовывало тени. Но Х-лучи не обладали характерным свойством катодных лучей - не отклонялись магнитным полем. Может быть, они той же природы, что и ультрафиолетовое излучение? Но тогда они должны были бы заметно отражаться, преломляться, поляризоваться. Учитывая наличие определенного сходства между Х-лучами и световыми, можно было предполагать, что в отличие от видимого излучения, которое есть не что иное, как поперечные колебания эфира, Х-лучи являются продольными колебаниями. Не могут ли оказаться Х-лучи проявлением этих продольных колебаний эфира, существование которых физикам до сих пор не удавалось установить?
Этим вопросом, повторяющим попытку объяснения природы катодных лучей, заканчивается первая работа Рентгена об Х-лучах, доложенная в декабре 1895 г. в Физическом институте Вюрцбургского университета.
Во второй работе, доложенной 5 марта 1896 г., содержалось два новых существенных факта. Первый был открыт Аугусто Риги, который едва ли знал об опытах Рентгена: под действием Х-лучей наэлектризованные тела разряжаются. Действуют не сами Х-лучи, а пронизываемый ими воздух, который приобретает свойство разряжать наэлектризованные тела. Вторым важным фактом, упомянутым еще в первой работе Рентгена, было то, что Х-лучи получаются при попадании катодных лучей не только на стекло разрядных трубок, но и на любое тело, не исключая жидкостей и газов. В зависимости от природы тела, на которое попадают катодные лучи, интенсивность получающегося Х-излучения оказывается различной. Эти наблюдения привели Рентгена уже в феврале 1896 г. к разработке трубки «фокус», в которой «катодом служит вогнутое зеркало из алюминия», а анодом - платиновая пластинка, помещенная в центре кривизны зеркала и наклоненная под углом 45° к оси зеркала. До появления термоэлектронных приборов трубки «фокус» были единственными установками для получения рентгеновских лучей при медицинских и физических исследованиях.
Новое открытие, о возможности применения которого в медицине и хирургии вскоре стали догадываться, взволновало не только ученых, но и широкую публику. Физические лаборатории осаждались врачами и больными. На бесчисленных публичных выступлениях с демонстрацией опытов вид скелета живых людей производил сильное впечатление и вызывал даже истерики среди присутствовавших. Рентген способствовал быстрому распространению своего открытия, со свойственным ему бескорыстием отказавшись от всякой возможности извлечь из него прибыль. Этот всеобщий интерес в немалой мере способствовал быстрому прогрессу рентгенотехники. В нашу задачу не входит рассмотрение ее развития. Достаточно, пожалуй, одной лишь цифры, чтобы дать представление о пройденном пути: в 1896 г. рентгенография руки требовала экспозиции 20 минут, сейчас для этого достаточно ничтожной доли секунды.
Открытие рентгеновских лучей привело к необычайно важным последствиям как в области научных исследований, так и в области практических приложений-в медицине и в промышленности. Можно, пожалуй, без преувеличения сказать, что с этого изобретения начинается новая история.
10 декабря 1901 г. в большом зале Музыкальной академии в Стокгольме в присутствии наследного принца Швеции, представлявшего короля, комитет по присуждению Нобелевских премий в знак признательности ученых и человечества присудил Рентгену первую Нобелевскую премию до физике. Теперь может показаться символичным, что впервые столь почетный международный знак отличия был присужден именно за открытие рентгеновских лучей.
5. ПРИРОДА РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧЕЙ
По мере того как область применения рентгеновских лучей расширялась, исследование их происхождения и их природы становилось все более насущной необходимостью теоретической физики.
Первое объяснение происхождения рентгеновских лучей, данное самим Рентгеном, было вскоре принято единодушно: рентгеновские лучи возникают при соударении катодных лучей, т. е. электронов, с телами, в частности с антикатодом разрядной трубки.
Но какова их природа? Гипотеза Рентгена о том, что это продольные волны, была неприемлема по ряду причин. Нельзя было также согласиться с выдвигавшейся первое время гипотезой о корпускулярном характере рентгеновского излучения. Согласно электромагнитной теории, быстрое изменение скорости заряженного тела вызывает электромагнитное излучение, так что если принять, что причиной рентгеновских лучей является резкое торможение электронов на антикатоде (а такое предположение кажется необходимым), то мы приходим к заключению, что рентгеновские лучи представляют собой электромагнитное излучение. Но как же тогда объяснить, что для рентгеновских лучей не удается наблюдать обычных оптических явлений - отражения, преломления, поляризации, дифракции? На это отвечали так: электромагнитное возмущение, возникающее при соударении электронов с антикатодом, не является периодическим; отсутствие периодичности, т. е. отсутствие определенной длины волны, могло бы объяснить аномальное поведение рентгеновских лучей по сравнению с обычными электромагнитными волнами. За неимением лучшего вплоть до 1912 г. физики удовлетворялись таким объяснением.
Однако многие физики обращали внимание на то, что для объяснения отрицательных результатов попыток наблюдения обычных оптических явлений в опытах с рентгеновскими лучами совсем не обязательно лишать электромагнитное возмущение волнового характера, при котором оно сходно со световыми волнами. Достаточно положить длину волны рентгеновских лучей чрезвычайно малой, чтобы объяснить все особенности их поведения.
Это легко понять из аналогии со звуком, часто применявшейся в учебных целях в первом десятилетии нашего века. Звуковые волны, длина волны которых изменяется от долей сантиметра до 20 м и более, отражаются от тел достаточно больших размеров, например от стены. А от тел малых размеров, скажем от вертикального столба в поле, они не отражаются. Это объясняется тем, что в образовании отраженной волны должно участвовать большое число элементарных волн, исходящих из всех точек препятствия, на которые падает волна. Как из того факта, что звуковая волна не отражается от отдельного столба, нельзя делать вывода об отсутствии периодичности в волне, так и из того, что нет или не обнаружено отражения рентгеновских лучей, нельзя делать вывода о том, что они не имеют волновой структуры. Достаточно было бы положить длину волны рентгеновских лучей меньше расстояния между молекулами вещества, чтобы каждая молекула вела себя как отдельный вертикальный столб в случае звуковой волны, так что не было бы никакого отражения, а была бы лишь дифракция рентгеновских лучей.
Физики, придерживавшиеся этой точки зрения, естественно, пытались обнаружить не отражение, а дифракцию рентгеновских лучей на чрезвычайно тонких щелях, что диктовалось предполагаемой малостью длины волны рентгеновских лучей.
Но искусственно сделанные щели, как бы тонки они ни были, оказывались слишком грубыми, да и ясно было, что едва ли можно найти механический способ нанесения штрихов, удаленных на расстояние порядка молекулярных размеров. Но вот молодому немецкому физику Максу Лауэ (1879-1959), ученику Макса Планка, пришла в голову смелая идея. Была известна старая теория строения кристаллов, восходящая еще к Агсй. Эта теория, исходя из характерного явления регулярного отслоения кристаллов, принимала, что кристаллы образуются совокупностью тесно примыкающих чрезвычайно малых частиц в форме параллелепипеда, названных Аюй «интегрирующими молекулами». Позднее Л. Зеебер (1835 г.), Г. Делафосс (1843 г.) и в наиболее цельной форме А. Браве (1849-1851 гг.) модернизировали представления Аюк, заменив «интегрирующие молекулы» точечными молекулами, расположенными на постоянных чрезвычайно малых расстояниях друг от друга во вполне регулярном каркасе.
Если кристалл действительно обладает структурой, предполагаемой Браве, то он должен вести себя как дифракционная решетка, или, вернее, как совокупность дифракционных решеток с параллельными плоскостями, т. е. пространственная решетка, как ее называют. Если бы была установлена дифракция рентгеновских лучей на кристаллах, то одновременно были бы, так сказать, убиты два зайца: доказана волновая природа рентгеновских лучей и дано экспериментальное подтверждение гипотезе Браве о строении кристаллов.
Разработав количественную теорию этого явления, Лауэ провел соответствующий опыт в Мюнхене совместно с Паулем Книппингом (1883-1935) и Вальтером Фридрихом (род. в 1883 г.). Примененная для эксперимента установка была довольно простой: определенное количество параллельных свинцовых пластинок защищало небольшой кристалл (например, каменной соли) от прямого воздействия рентгеновских лучей. Во всех свинцовых пластинах были проделаны крошечные отверстия, расположенные по одной прямой. Проходя эти отверстия, пучок рентгеновских лучей попадал на кристалл и далее проходил на фотопластинку, защищенную черной бумагой от стороннего облучения. После нескольких часов экспозиции пластинка была проявлена. Было обнаружено темное пятно на линии центров отверстий в свинцовых пластинах, обусловленное прямым действием рентгеновских лучей, и большое число других пятен различной интенсивности, расположенных регулярным образом вокруг центрального пятна, в соответствии с симметрией кристалла.
Этот опыт вскоре был повторен многими физиками в различных вариантах и всесторонне проанализирован. Все это привело к заключению, что получающиеся на фотопластинках фигуры действительно представляют собой дифракционные картины. На основе полученных результатов Брэгги (отец и сын) предложили модификацию теории Браве, предположив, что в узлах кристаллической решетки располагаются атомы кристалла, на которых и происходит дифракция. Ясно, что принятие физиками теории Брэггов привело к коренному изменению традиционного представления о молекуле. Мы не можем здесь входить в детали теории Лауэ и обсуждать многочисленные теоретические и экспериментальные следствия из нее. Достаточно отметить лишь два обстоятельства: исследование дифракционных фигур позволяет определить длину волны применяемого рентгеновского излучения, а зная длину волны, можно получить сведения о структуре кристалла. Длины волн рентгеновских лучей оказались в среднем в тысячу раз меньше средней длины волны видимого света, т. е. намного короче длин волн ультрафиолетового излучения. Рентгеновские лучи тоже дают целый спектр волн, аналогичный спектру видимого излучения.
РАДИОАКТИВНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
6. РАДИОАКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА
Попадая на стенки стеклянной трубки, катодные лучи вызывают там флуоресценцию; флуоресцирующая часть трубки является источником рентгеновских лучей. Связаны ли между собой эти два явления, совпадающие во времени и в пространстве, - флуоресценция и испускание рентгеновских лучей? Этот вопрос даже не возник бы, если бы рентгеновские лучи были с самого начала получены в трубке типа «фокус». Но поскольку, как сообщил Рентген в своей первой работе, они получаются в простой разрядной трубке, такой вопрос вполне закономерен.
Этот вопрос поставил перед собой Анри Беккерель (1852-1908), один из славной династии выдающихся физиков, к которой принадлежали его дед Антуан Сезар (1788-1878), отец Эдмонд (1820-1891) и сын Жан (1878-1953). Флуоресценция и фосфоресценция были, так сказать, «семейным делом» Беккерелей. Отец Анри Беккереля - Эдмон Беккерель - действительно много занимался спектроскопическими исследованиями фосфоресценции, и в частности фосфоресценции урана, а Анри с 1882 по 1892 г. продолжал эти исследования.
Как только Анри Беккерель узнал об опытах Рентгена, ему тотчас показалось,«что они имеют отношение к тому, чем он занимается, и сразу же, т. е. в начале 1896 г., он задался вопросом, не могут ли рентгеновские лучи испускаться фосфоресцирующими телами, подвергшимися длительному облучению солнечным светом. Среди исследованных фосфоресцирующих веществ были и соли урана. Беккерель поместил чешуйки соли урана на фотопластинку, завернутую плотной черной бумагой, и подверг их в течение нескольких часов сильному воздействию солнечных лучей. После проявления фотопластинки на ней были обнаружены контуры чешуек, которые были к ней прижаты. Этот результат говорил в пользу принятой рабочей гипотезы и заставлял продолжать исследования. Было очевидно, что урановая соль испускает какое-то излучение, проходящее через черную бумагу и засвечивающее фотопластинку. Связано ли оно с фосфоресценцией, т. е. преобразуется ли в урановом минерале солнечная энергия в это излучение?
Счастливый случай позволил Беккерелю вскоре ответить на этот вопрос. 26 и 27 февраля 1896 г. был подготовлен опыт, несколько отличавшийся от первоначального, но выполнить его не удалось, так как день был облачный и солнце показывалось лишь на короткое время. Поэтому вся установка (на фотопластинке в рамке из черной ткани, прикрытой алюминиевой пластинкой, покоился тонкий медный крест, над которым располагался препарат с двойным сульфатом калия и урана) была заперта в ящике стола. Проявив 1 марта эти пластинки, Беккерель неожиданно обнаружил на них весьма четкий контур креста. Ему тотчас же пришла в голову мысль, что действие излучения происходило и в темноте, и новые, специально предпринятые опыты подтвердили это предположение. Таким образом, для получения фотографического эффекта не было необходимости предварительно освещать урановую соль солнцем. Более того, это явление на других фосфоресцирующих веществах не наблюдалось, но наблюдалось на других солях урана, не обладающих фосфоресценцией. Всего этого было достаточно, чтобы прийти к выводу, что здесь речь идет о новом самопроизвольном явлении, интенсивность которого заметно не убывает во времени, как это доказывали опыты с урановыми солями, приготовленными задолго до постановки опыта.
Именно в это время в Париж пришли сведения о том, что многими физиками замечена утечка заряда с заряженного тела, облучаемого рентгеновскими лучами. Беккерель поставил аналогичный опыт с новым излучением и пришел к тому же результату. Он продолжил исследования двумя методами: методом фотопластинок, чисто качественным, и электрическим методом, пригодным для относительных численных измерений. Как это ни странно, около двух лет Беккерель был единственным физиком, который занимался этими исследованиями. Позднее, в 1898 г., к нему подключились супруги Кюри, а после открытия радия к концу столетия число исследователей сразу чудовищно разрослось. Среди них были Резерфорд, Дебьерн, Эльстер, Гейтель, Гизель, Кауфман, Крукс, Рамзай, Содди. Направление, принятое Беккерелем, послужило, естественно, отправной точкой для последующих исследований. Одним из основных фактов, установленных Беккерелем, был следующий: все соли урана, фосфоресцирующие и нефосфоресцирующие, в виде кристалла и в виде порошка, в сухом виде и в растворе, независимо от своего происхождения - все испускают излучение одной и той же природы, интенсивность которого зависит только от количества урана, содержащегося в соли. Таким образом, эта способность оказывается атомным свойством, присущим элементу урану. Это подтверждалось тем фактом, что металлический уран обладал в 3V2 раза большей активностью, чем применявшиеся в первых опытах соли урана. Эти результаты, естественно, ставили вопрос о поисках других веществ, которые могут обладать аналогичными свойствами.
В 1898 г. почти одновременно Мария Кюри-Склодовская (1867-1934) во Франции и Эрхард Карл Шмидт (1865-1949) в Германии обнаружили, что торий обладает аналогичными свойствами. Мария Кюри предприняла систематическое изучение минералов, содержащих уран и торий, и заметила, что некоторые минералы оказались активнее урана. Мария Кюри и ее муж Пьер Кюри пришли к выводу, что в этих минералах должен содержаться элемент, еще более активный, чем уран. Именно в это время, в 1898 г., супруги Кюри ввели термин радиоактивность для обозначения свойства вещества испускать «лучи Беккереля», как называлось тогда излучение, испускаемое ураном и торием. Супруги Кюри попытались выделить этот гипотетический элемент, более активный, чем уран, из урановой смоляной руды. Химический анализ минерала и измерение радиоактивности постепенно отделяемых фракций подтвердили, что действительно найдено простое вещество, более радиоактивное, чем уран. Они назвали его полонием в честь родины Марии Кюри. Позже был найден еще один элемент, значительно более радиоактивный, названный ими радием. Два года спустя, в 1900 г., Андре Дебьерн, ученик Марии Кюри, открыл третье радиоактивное вещество, названное им актинием.
7. ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ
После того как вырос список известных радиоактивных веществ - уран, торий, полоний, радий, актиний - и число ученых, занимающихся их изучением, началась вторая, более физическая фаза исследования, во время которой основное внимание было обращено на изучение характерных свойств новых явлений. На первых образцах полония и радия, полученных от супругов Кюри, Беккерель обнаружил, что испускаемое радием излучение обладает значительно большей проникающей способностью, чем излучение полония. Излучение радия после прохождения алюминиевой и слюдяной пластинок воздействует на фотопластинки, тогда как лучи полония не могли проникнуть даже сквозь картонные стенки коробки, в которой хранился препарат. Таким образом, радиоактивное излучение разнородно. Это получило новое экспериментальное подтверждение в конце 1899 г., когда Беккерель и независимо от него Гизель обнаружили, что если пучок лучей Беккереля проходит магнитное поле, то часть лучей отклоняется в одном направлении, а другая - в противоположном. Опыт исследования катодных лучей тотчас подсказал ученым интерпретацию этого экспериментального результата: значит, лучи Беккереля неоднородны и имеют корпускулярную природу, перенося электрический заряд. К тому же выводу и в то же время пришел на основе изучения проникающей способности лучей новозеландский физик Эрнест Резерфорд, начинавший свою научную работу под руководством Джозефа Томсона в Кавендишской лаборатории и посвятивший всю жизнь исключительно исследованиям радиоактивности. В заключение своего исследования он пишет:
«Эти опыты показывают, что излучение урана является, сложным и состоит по крайней мере из двух различных видов: одно, очень быстро поглощаемое, назовем для удобства α-излучением; другое, более проникающее, назовем β-излучением».
Через три года Поль Вийяр (1860-1934) показал, что имеется и третья составляющая излучения, о которой раньше не подозревали; она не отклоняется магнитным полем, а следовательно, сходна по природе с рентгеновскими лучами. По аналогии с двумя другими составляющими она была названа γ-излучением.
Беккерель показал, что β-лучи, испускаемые различными радиоактивными веществами, имеют разные скорости и отклоняются электрическим полем. Супруги Кюри установили, что эти лучи несут с собой отрицательный заряд, а Вальтер Кауфман (1871-1947), определив по методу Томсона одновременно отклонение в электрическом и магнитном полях, нашел отношение e/m и обнаружил, что оно является функцией скорости v частицы. Этот факт натолкнул Кауфмана на мысль, что масса электрона в соответствии с выдвинутой Максом Абрагамом (1875-1922) гипотезой имеет, по крайней мере частично, электромагнитное происхождение, т. е. является проявлением реакции электромагнитного поля. Отсюда берут начало теории электромагнитной природы материи, оказавшие большое влияние на физиков первой четверти нашего столетия.
8. ЭНЕРГИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Но все эти и другие свойства радиоактивного излучения, о которых можно сегодня узнать в любом, даже элементарном курсе физики, как бы важны они ни были сами по себе, отходят на второй план по сравнению с главной проблемой, которую эти опыты поставили перед первыми экспериментаторами. В радиоактивных явлениях выделяется энергия: энергия химического действия, энергия элементарных зарядов, энергия движения частиц. Откуда она берется?
Мария Кюри выдвинула две гипотезы в 1899 и в 1900 гг. Согласно первой, радиоактивные вещества улавливают внешнее излучение, не воспринимаемое нашими приборами, а затем обратно его испускают. Иными словами, они не генераторы, а трансформаторы энергии. По второй гипотезе, наоборот, предполагается, что радиоактивные тела самопроизвольно генерируют энергию, медленно изменяясь при этом, хотя мы (пока) не замечаем их изменений. Обе эти гипотезы представлялись в равной мере возможными или если угодно, в равной мере необоснованными.
Острота этой проблемы еще более возросла, когда в 1903 г. Пьер Кюри сделал весьма важное открытие, обнаружив,что соли урана непрерывно выделяют тепло, причем в таком количестве, которое при сопоставлении с малой массой радиоактивного препарата представляется огромным. В своем первом качественном опыте, проведенном совместно с А. Лабордом, П. Кюри установил выделение теплоты с помощью термопары, один спай которой был окружен радиоактивным хлористым барием, а другой - чистым хлористым барием. Было обнаружено, что разница температур обоих мест спаев составляет около 1,5° С, что значительно превосходило возможные экспериментальные ошибки. Воодушевленные этим первым положительным результатом, Кюри и Лаборд произвели непосредственное измерение выделившейся теплоты, пользуясь двумя различными методами. В первом методе количество тепла, полученное металлическим блоком, внутрь которого помещалось определенное количество радиоактивного вещества, приравнивалось количеству тепла, выделенному разогреваемой током металлической спиралью, помещенной внутрь блока вместо радиоактивного образца и вызывающей такой же разогрев металлического блока. Во втором методе в калориметр Бунзена вводилась ампула с радиоактивным хлористым барием и с чистым хлористым радием и непосредственно определялось количество выделенного тепла. Оба метода давали достаточно согласующиеся результаты: в пересчете на 1 г радия получалось 100 кал в час (последующие измерения уменьшили эту цифру примерно до 25,5 кал).
Может ли быть столь большая энергия просто перехваченной радием? Неужели Вселенная пронизывается такими интенсивными потоками энергии, которые мы никак не можем обнаружить, кроме как через эти радиоактивные явления? Подобные элементарные соображения толкали физиков к тому, чтобы отказаться от первой гипотезы Кюри в пользу второй. Но предположить, что радиоактивные вещества, являясь источниками энергии, испытывают при этом какие-то медленные изменения, более глубокие, нежели обычные химические изменения, означало вновь подвергнуть обсуждению все основы атомистики.
Чтобы понять, насколько радикальным и революционным был такой новый взгляд, современный читатель должен представить себе образ мышления физиков начала нашего столетия, их мировоззрение, так сказать, полученное с молоком матери и являвшееся предметом гордости науки того времени. Атомарная структура материи, неизменность атомов, постоянство массы, сохранение энергии - таковы были основополагающие принципы, которые многим представлялись уже не гипотезами, а самоочевидными истинами. У кого же хватит смелости посягнуть на эти положения науки, подтвержденные столетием непрерывных успехов?
Нашлись два таких смельчака - мы скажем о них ниже (см. гл. 14).
Радиоактивность немедленно нашла многочисленные применения в физике, химии геологии, метеорологии, медицине. Смертоносное действие радиоактивного излучения на животные организмы произвело сильное впечатление на общественное мнение, и вновь был поднят вопрос о пользе научных иследований. За год до своей трагической гибели в Париже в уличной катастрофе Пьер Кюри в заключение своей лекции в 1905 г. в связи с присуждением ему Нобелевской премии за 1903 г. говорил:
«В преступных руках радий может стать весьма опасным, и мы можем теперь задать себе вопрос, выигрывает ли человечество от знания секретов природы, достаточно ли оно созрело, чтобы пользоваться ими, не принесет ли ему вред это знание. Пример открытия Нобеля весьма характерен. Наличие мощных взрывчатых веществ сделало возможным проведение грандиозных работ. Но вместе с тем взрывчатые вещества являются страшным средством разрушения в руках преступников, вовлекающих народы в войну. Я склонен придерживаться точки зрения Нобеля, что человечество извлечет из новых открытий больше хорошего, чем плохого».
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ
9. НОВЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ
Экспериментаторам уже издавна было известно, что при обычных условиях воздух не является проводником, но при низком давлении он проводит электричество (Хоксби, 1706 г.), а пламя является проводником электричества и обладает свойством разряжать наэлектризованные проводники, находящиеся поблизости (см. гл. 5).
Но попытки объяснить эти явления стали предприниматься лишь во второй половине XIX века и были основаны на теории проводимости жидкостей. В 1879 г. Гитторф выдвинул гипотезу о том, что проводимость газов должна объясняться механизмом, аналогичным известному механизму проводимости жидкостей-электролитов, т. е. и в газах способность проводить электричество связана с существованием ионов - заряженных атомов или групп атомов, которые, двигаясь, переносят с собой электрические заряды.
Не видя возможности убедиться в правильности гипотезы Гитторфа, физики продолжали экспериментально исследовать прохождение электричества через газы, особенно интенсивно в 1887-1890 гг. после опыта Шустера, показавшего, что электрические искры ускоряют разряд заряженных проводников, находящихся поблизости. В 1888 г. Герц, развивая исследования Шустера, обнаружил, что электрический разряд между двумя проводниками происходит значительно сильнее, когда электроды освещаются светом, богатым ультрафиолетом. В том же году Видеман и Эрберт установили, что разряд происходит у отрицательного электрода, а Галльвакс нашел, что рассеяние отрицательных зарядов усиливается при освещении проводников ультрафиолетовым светом. Продолжая эти исследования, Арре-ниус поместил в трубку с разреженным воздухом два очень близко расположенных платиновых электрода и связал их цепью с гальванометром и батареей (это был первый фотоэлемент в истории). Гальванометр показывал отклонение, как только электроды освещались электрическим разрядом, происходившим вне трубки. Аррениус считал, что причина явления заключена в воздухе, предполагая, что ультрафиолетовый свет обладает свойством ускорять встречающиеся на его пути ионы.
Пытаясь объяснить эти явления, описанные немецкими физиками, итальянский ученый Аугусто Риги в начале 1888 г. сделал новое открытие: проводящая пластина, освещенная пучком ультрафиолетовых лучей, заряжается положительно. Риги назвал это явление фотоэлектрическим, введя этот термин в науку. Первое время Риги считал, что речь идет о простом переносе электричества, осуществляемом ультрафиолетовыми лучами. Однако Вильгельм Галльвакс (1859-1922), высказавший догадку об этом явлении (но не наблюдавший его) за несколько месяцев до Риги, спустя несколько месяцев показал (вслед за ним независимо к этому пришел и Риги), что здесь речь идет не о переносе, а о создании электрических зарядов.
«Излучения, - говорит Риги, - действуют на металлы... и электризуют их положительно».
Что касается механизма возникновения электричества, то Риги полагал, что ультрафиолетовое излучение отрывает молекулы воздуха, соприкасающиеся с металлом, и что при отрыве положительный заряд остается на металле, а отрицательный, оставшийся на молекуле, может быть унесен ею на значительное расстояние вдоль силовой линии поля. Такое истолкование как будто подтверждалось другим фактом, установленным Риги и исследованным позже, в 1890 г., Иоганном Эльстером (1854-1920) и Гансом Гейтелем (1855-1923): появлением потока отрицательного электричества от электрода, освещенного ультрафиолетовыми лучами.
В 1899 г. Джозеф Томсон занялся анализом этого явления, будучи воодушевлен успехами проведенного несколько лет назад аналогичного исследования катодных лучей. Если принять, что электрический ток, обнаруживаемый при фотоэлектрическом эффекте, представляет собой поток отрицательно заряженных частиц, то аналогично тому, как это было сделано для катодных лучей, можно рассчитать теоретически движение такой частицы при одновременном воздействии на нее электрического и магнитного полей. Экспериментальная проверка этой теории позволила бы установить правильность или неправильность отправной гипотезы и в первом случае рассчитать отношение e/m - заряда к массе этой частицы.
Эксперимент подтвердил рабочую гипотезу: ток, возникающий между двумя противоположно заряженными металлическими пластинами при освещении катода ультрафиолетовыми лучами, ведет себя подобно рою движущихся отрицательных частиц. Среднее по многим измерениям значение e/m оказалось равным 7,3•10 6. Аналогичное отношение, найденное Томсоном для частиц, образующих катодные лучи, было равно 5•10 6 (впоследствии Ленард нашел более точное значение 6,4•10 6). С другой стороны, измерение заряда е, проведенное тем же методом, который годом раньше позволил определить заряд иона, образующегося под действием рентгеновских лучей, дало среднее значение заряда 6,8•10 -10, т. е. того же порядка, что и для катодных лучей. Отсюда Томсон заключил, что носителями отрицательного электричества в случае фотоэлектрического эффекта являются частицы той же природы, что и в катодных лучах, т. е. электроны.
Но было еще одно явление, в котором был обнаружен перенос электричества. Мы имеем в виду явление, открытое Эдисоном в 1879 г. и исследованное затем другими физиками: раскаленная угольная нить испускает поток отрицательного электричества. Томсон решил исследовать и этот поток, наложив одновременно электрическое и магнитное поля. Результат оказался таким же, как и в предыдущем случае: как отношение elm, так и само значение е получились того же порядка величины, что и для катодных лучей. Отсюда однозначно вытекало, что электрический ток, возникающий при эффекте Эдисона, представляет собой поток электронов.
Таким образом, существование электрона, еще за пять лет до того бывшее лишь гипотезой, принятой в некоторых теоретических работах, к концу XIX столетия оказалось экспериментально доказанным опытами с катодными лучами, лучами Беккереля, фотоэлектрическим явлением, термоэлектронной эмиссией. До тех пор физики представляли себе мир состоящим из атомов, последних частиц материи, неделимых и вечных. От этого представления приходилось отказываться в пользу другого, более отвечающего фактам.
10. ОБ ОРГАНИЗАЦИИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В XX ВЕКЕ
Термоэлектронная эмиссия используется в термоионной (или термоэлектронной) трубке для получения рентгеновских лучей, о которой мы говорили в § 4. Такая трубка была сконструирована Уильямом Кулиджем, работником исследовательской лаборатории «Дженерал электрик компани» в Скенектеди (штат Нью-Йорк).
Здесь как раз уместно остановиться на характерной особенности организации научных исследований в XX веке.
Начиная со средневековых университетов и с академий эпохи Возрожде-нрш вся научная деятельность концентрировалась вокруг этих двух типов учреждений, а со второй половины XVIII века она все больше сосредоточивалась в университетах. В течение всего XIX столетия понятие ученый, за редкими исключениями, совпадало с понятием профессор университета. Юридически основной обязанностью профессора было обучение студентов: научные исследования рассматривались как дополнительная деятельность, полностью предоставленная личной инициативе ученого и совершенно свободная.
Но на протяжении XIX века наука, понимавшаяся до тех пор как «философия природы» или «естественная история», начала все чаще заниматься вопросами, имеющими значение для производства материальных благ (вспомним, например, об исследованиях паровых машин Уатта и последовавших за ними фундаментальных исследованиях Карно, о разработке методов изготовления искусственных красителей английским химиком Уильямом Перкином, о разработке оптических инструментов Карлом Цейссом; эти примеры можно было бы значительно умножить). Кроме того, во второй половине XIX века произошло новое событие, оказавшее революционное влияние на промышленность того времени - открытия науки об электричестве привели к созданию совершенно новой техники, которая уже не могла быть непосредственно применена в промышленности без участия, даже без прямого вмешательства ученых. Но сотрудничество науки и техники требовало специальных организационных форм вследствие многообразия научных аспектов одного и того же производственного процесса, требующего сотрудничества специалистов в областях знаний, по традиции весьма далеких друг от друга. Так, к концу прошлого века стало ясно, что нефтяная промышленность, ставшая ключевой отраслью промышленности в нашем столетии, не может развиваться без участия не только физиков и химиков, но и геологов в первую очередь. Наконец, чрезвычайно быстрое расширение научных знаний влекло за собой необходимость все более узкой специализации, а следовательно, и необходимость сотрудничества и в самих научных исследованиях многих ученых - специалистов в различных областях.
При этих обстоятельствах крупные отрасли промышленности постепенно почувствовали актуальную необходимость иметь в своем распоряжении лаборатории и специалистов, занимающихся исключительно научными исследованиями, отряды специалистов различного профиля, координирующих свою деятельность для достижения единой общей цели. Так родилась новая форма организации, в которой индивидуальные исследования были заменены координированными коллективными исследованиями. Эта новая форма организации была применена в первом десятилетии нашего века сначала в Германии, затем в США. В 1911 г. немецкая промышленность дала выдающийся пример такой новой формы организации, основав специальное объединение Kaiser Wilhelm Gesellschaft; с 1949 г. оно изменило свое название на Мах Planck Gesellschaft - целый комплекс институтов, которые вели и ведут исследования как в области чистых, так и в области прикладных наук. В США в десятилетие, предшествовавшее первой мировой войне, крупнейшие фирмы, такие, как «Дженерал электрик», «Белл телефон», «Вестингауз», «Истман Кодак», «Стандард ойл», организовали свои исследовательские лаборатории, но особенно необходимость создания таких экспериментальных лабораторий была осознана во время и после первой мировой войны в Англии, Франции и малых государствах Северной Европы (Швеция, Норвегия, Голландия, Бельгия), где эта организация приняла международный характер. Несколько примеров такой организации было и в Италии. С этого времени научная организация промышленности приняла в некоторых странах внушительные размеры. Так, по статистическим данным 1965 г. в США насчитывалось 4834 научно-исследовательские промышленные лаборатории.
Во время первой мировой войны были созданы новые организации, поддерживаемые правительствами и заботящиеся об участии науки в решении различных проблем, диктуемых войной. Эти новые организации, так называемые Советы по исследованиям, оказались очень полезными, так что после войны они были укреплены и созданы в других странах. Их задача - способствовать, координировать, а в некоторых случаях и осуществлять научно-исследовательские работы с учетом потребностей страны, ее природных ресурсов, наличных средств и людей. Ясно, конечно, что если общие цели всех Советов по исследованиям примерно одинаковы, то их внутренняя структура в разных странах различна в соответствии с политическими и экономическими условиями и сложившимися традициями. Первые Советы по исследованиям возникли в Великобритании (Department of Scientific and Industrial Research) и США (National Research Council). Постепенно они появились во всех странах, заинтересованных в научных исследованиях: сейчас они имеются в 28 странах мира. В Италии Consiglio Nazionale delle Ricerche был создан в 1923 г., но до 1945 г. эта организация влачила жалкое и неустойчивое существование, сотрясаемая добрым десятком реорганизаций и испытывая сопротивление своему развитию со стороны традиционных предрассудков и предвзятых интересов.
Таким образом научные исследования, которые на исходе XIX столетия выполнялись лишь «профессорами», теперь доверены трем категориям работников: преподавателям университетов, научным работникам (в новом смысле этого слова, принятом повсюду), охватываемым научной организацией промышленности, и научным работникам, находящимся на службе у государства (в лице его Совета по исследованиям). Между этими тремя категориями нет четкого разграничения функций, поскольку происходит непрерывный переход ряда лиц из одной категории в другую.
Организация научных исследований в наше время стала существенным фактором и по числу охватываемых ею работников. Хотя трудно привести точные современные статистические данные, поскольку их держат в секрете, ясно, что число лиц, занятых научными исследованиями, громадно. Так, считают, что в США в 1954 г. число лиц, занятых научными исследованиями, составляло около 850 000 человек (из них 200 000 научных работников), а полные затраты на научные исследования достигали 9 миллиардов долларов. В Великобритании число научных работников в тот же период составляло примерно 50 000 человек, а во Франции около 12 000-13 000.
В прошлом столетии ученый был полностью свободен в выборе темы своих исследований. Теперь такую свободу выбора сохранили лишь ученые-одиночки, которых становится все меньше; это те, кто располагает огромными финансовыми средствами, необходимыми для современных научных исследований. Такой свободой не могут располагать ученые, работающие в современных мощных исследовательских организациях. Даже научно-исследовательские организации крупных частных промышленных предприятий в конечном счете зависят от государства. Таким образом, именно государство планирует научные исследования, определяя создание научных учреждений, выбор их местоположения, ассигнование фондов, подбор, подготовку и использование кадров, а также требуемый порядок работы и тематику исследований.
Эта «научная политика», уже давно практикуемая в государствах с высоким уровнем развития науки, диктуется требованиями современной жизни и проявила себя как мощнейший инструмент прогресса, так что нетрудно предугадать, что она получит распространение и в других странах. Таким образом, современные научные исследования характеризуются двумя особенностями: они коллективные и планируются государством.
Однако такая форма организации влечет за собой трудную и деликатную проблему свободы, поскольку очевидно, что подобная система таит в себе не только опасность сосредоточения огромной мощи в руках немногих политиков, но и опасность выхолащивания самой науки или замедления научного прогресса вследствие внешнего ограничения свободной деятельности ученых. Социологи и ученые встревожены этой опасностью и ищут способы «ее предупреждения с помощью поправок, ослабляющих жесткость системы организации науки.