-
Автор: andreybrylb
-
Оригинальный материал
Между 1884 и 1919 годами серьезный профессор вместе с группой талантливых студентов-исследователей из довольно недостаточно финансируемой Кавендишской лаборатории в Кембридже расщепили атом и положили начало новой отрасли науки, известной как физика элементарных частиц.
Профессором был Джозеф Джон Томсон (1856 – 1940), лауреат Нобелевской премии 1906 года и первооткрыватель электрона, но никто не ожидал таких последствий: семь студентов-исследователей под его руководством получили Нобелевскую премию по физике и химии.
Было ли это просто прихотью судьбы, что в то время в Кавендише собрались одни из лучших умов физики, или это была сверхсила, заставляющая умных людей делать блестящие работы? Эта статья о том, как один человек смог изменить историю науки не только благодаря индивидуальным талантам, но и благодаря тщательной подготовке выдающихся умов.
В 1884 году лорд Рэлей (лауреат Нобелевской премии 1904 года) ушел с поста руководителя Кавендишской физической лаборатории Кембриджского университета, одного из самых престижных научных отделов того времени. В своем пенсионном письме он рекомендовал, чтобы ему заменил молодой 28-летний Томсон.
Это было великолепно. На эту должность претендовали несколько высококвалифицированных и известных исследователей. Хотя Томсон был блестящим студентом, имевшим на своем счету множество публикаций, и доцентом Тринити-колледжа, его квалификация как физика-экспериментатора еще не была подтверждена. Некоторые критики считали Джозефа слишком молодым, чтобы занять эту должность.
Отборочной комиссии, состоящей из лорда Кельвина, Джорджа Габриэля Стоукса и Джорджа Говарда Дарвина – одних из лучших научных умов своего времени – пришлось сделать трудный выбор, но они последовали рекомендации Рэлея.
Томсон полностью оправдал свой выбор, когда в серии блестяще оформленных экспериментов с электронно-лучевой трубкой (1897 г.) предоставил доказательство существования электронов. Это разрушило миф о неделимости атома и положило начало новой науке — физике субатомных частиц.
Томсон в своей лаборатории. Очень подробный и интересный рассказ об открытии электрона - здесь
Томсон родился в семье книготорговцев, которые не могли финансово поддержать обучение сына в престижном университете. Однако Джозеф, благодаря своим талантам, не нуждался в деньгах: во время учебы он получал хорошую стипендию и ежегодно публиковал статьи в признанных научных журналах (первая вышла в 19 лет).
Томсон считал знаменитого химика Дальтона и физика Генри Джоуля образцами для подражания. Однажды, когда он был очень молод, родственник спросил его, чем бы он хотел заниматься, когда вырастет, и Джозеф ответил, что хотел бы провести «оригинальное исследование». Немногие мальчики в 1870-х годах и немногие мальчики сегодня могли сформулировать такие амбиции в раннем возрасте.
Томсон дома в своем кабинете в 1899 году. Он сидит в кресле, принадлежавшем Джеймсу Клерку Максвеллу, чья теория электромагнетизма до сих пор считается одним из самых замечательных достижений физики
К 50 годам Джозеф Томсон достиг всего, к чему мог стремиться физик – он руководил лучшей физической лабораторией в мире, получил мировое признание за свои работы и Нобелевскую премию по физике. Он мог бы выйти на пенсию и пойти на рыбалку, и мир все равно помнил бы его как одного из величайших физиков всех времен.
Но есть одно достижение Йозефа, о котором не часто вспоминают. Он был выдающимся педагогом, подобного которому мир еще не видел. Ряд первоклассных ученых получили раннее образование у Томсона: 75 его студентов занимали профессорские должности примерно в 55 университетах по всему миру, 27 были избраны членами Королевского общества, а 7 его студентов стали лауреатами Нобелевской премии. Этот последний подвиг еще не повторил ни один ученый в мире!
Томсон всегда признавал, что ему повезло иметь талантливых учителей, которые признавали и оттачивали способности молодого человека в математике и физике. Будучи учителем, Джозеф с впечатляющим эффектом повторил этот подход для своих учеников. Он каждый день проверял успехи молодых ученых в своей лаборатории и часто вносил предложения.
Один из его бывших учеников сказал: «Нам всем понравилась его характерная улыбка, и каждый из нас почувствовал радость, когда услышал шаги, которые, как все знали, принадлежали Томсону». Среди его учеников, лауреатов Нобелевской премии, Резерфорд, Астон, Уилсон, Брэгг, Баркла, Ричардсон и Эпплтон — ученые, которые заложили основные строительные блоки физики элементарных частиц.
❯ Эрнст Резерфорд (1871 — 1937)
Самым известным учеником Дж. Дж. Томсона был Эрнст Резерфорд, автор новаторской планетарной модели атома. Лауреат Нобелевской премии по химии 1908 года Резерфорд родился в Новой Зеландии. В Кавендишскую лабораторию он поступил во многом благодаря управленческим решениям Томсона, который в 1885 году смягчил правила и позволил перспективным студентам без базовых кембриджских дипломов заниматься исследованиями в лаборатории.
Резерфорд был среди первой группы иностранных исследователей, работавших в Кавендише в 1895 году. В первые дни это «новое образование» встретило крайнюю враждебность со стороны карьерных ученых лаборатории. Однако именно поддержка Томсона позволила Резерфорду сосредоточиться.
Примечательно, что Эрнст Резерфорд получил Нобелевскую премию не за описание модели атома, а за изучение механизмов радиоактивного распада, что привело к открытию альфа-, бета-, гамма-излучения и благородного газа радона. Получив признание Нобелевского комитета в 1908 году за достижения в «исследованиях распада элементов и химии радиоактивных веществ», Резерфорд продолжал плодотворно работать и сделал множество открытий в физике элементарных частиц.
В 1919 году Резерфорд сменил своего учителя на посту руководителя Кавендишской лаборатории. Кстати, последнее пристанище обоих — наше в Вестминстерском аббатстве рядом с другим кембриджским гением — Исааком Ньютоном.
❯ Фрэнсис Вильям Астон (1877 — 1945)
Томсон всегда был в поиске талантов и лично поощрял перспективных студентов работать в лаборатории. Одним из таких студентов был Фрэнсис Уильям Астон, которого заманили в Кавендиш для изучения анодных лучей.
Предыдущим местом работы Астона был Бирмингемский институт, где он работал под руководством Пойнтинга (кто помнит одноимённый вектор из школьной физики, тот знаком с ним)
Основные исследования Астона были направлены на изучение изотопов — разновидностей атомов химического элемента, имеющих разную массу. Работа привела к созданию учителем и учеником масс-спектрографа — устройства, которое позволило Астону открыть 212 природных изотопов различных элементов уже в 1919 году.
На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца, искажающая ее траекторию. Определяя разницу в траекториях ионизированных атомов, движущихся в магнитном поле, можно сделать выводы о связи между массой и зарядом иона.
Астон был удостоен Нобелевской премии в 1922 году «за открытие изотопов большого числа нерадиоактивных элементов с помощью масс-спектрографа, который он сам изобрел, и за формулировку правила целых чисел».
Обратите внимание: "Мы любим тепло!" FACI - международная компания по производству котлов.
После этого он несколько раз модернизировал устройство.❯ Чарльз Томсон Вильсон (1869 — 1959)
Шотландский физик, изначально планировавший стать врачом, попал под крыло Томсона в 1892 году.
Пару лет спустя, наблюдая атмосферные эффекты в обсерватории Бен-Невис в Шотландии, Уилсон начал попытки воспроизвести их в лаборатории.
Корона (слева) и глория (справа) — оптические явления, вызванные дифракцией света на каплях воды. Кстати, в Китае глорию называют «Светом Будды». Цветной ореол всегда окружает тень наблюдателя, что часто интерпретировалось как степень его просветления (близости к Будде и другим божествам).
Его исследования привели его к разработке облачной камеры, которая позволяла отслеживать каждую субатомную частицу на фотопластине. Камера Вильсона позволила сделать некоторые из величайших открытий в физике элементарных частиц, включая открытие позитронов (положительно заряженных электронов), и принесла своему автору Нобелевскую премию в 1927 году.
Быстро заряженная частица, двигаясь сквозь облако пересыщенного пара, ионизирует его. Процесс конденсации пара происходит быстрее в местах образования ионов. В результате там, где пролетела заряженная частица, образуется след из капель воды, который можно сфотографировать. Именно из-за этого типа трассы камера получила свое английское название — cloud camera
❯ Уильямс Лоуренс Брэгг (1890 — 1971)
11 ноября 1912 года Джозеф Томсон на заседании Кембриджского философского общества представил доклад молодого аспиранта Уильямса Брэгга, проработавшего в Кавендишской лаборатории всего год.
Австралийский физик, уроженец Аделаиды. Его рука, сломанная в детстве, появилась на первом в истории континента рентгеновском снимке, сделанном в медицинских целях.
В статье обсуждался новый метод дифракции рентгеновских лучей, а три года спустя, в 1915 году, автору, которому тогда было всего 25 лет, была присуждена Нобелевская премия по физике. Брэгг стал самым молодым лауреатом Нобелевской премии по физике и первым и пока единственным, кто удостоился этого почетного звания вместе со своим отцом.
nλ = 2dsin θ – закон Брэгга-Вульфа. Точки на картинке — это атомы кристаллической решетки.
Закон Брэгга позволил, используя известные λ и θ, рассчитать положение атомов в кристалле по картине дифракции, которую формируют рентгеновские лучи при прохождении через кристаллическую решетку.
Дифракционная картина получается путем измерения интенсивности рассеянных волн в зависимости от угла рассеяния. Пики Брэгга на дифракционной картине получаются, когда углы рассеяния удовлетворяют условию Брэгга для θ и исследуемой кристаллической структуры.
❯ Чарльз Гловер Баркла (1877 — 1944)
Как и многие нобелевские лауреаты из нашей выборки, Чарльз Баркла получил образование в Тринити-колледже, а затем попал под крыло Джозефа Томсона в Кавендишской лаборатории.
Гловер Баркла провел там около двух лет, работая над определением скорости электромагнитных волн в различных материалах. Решающим вкладом Баркли в науку стало открытие того, что каждый атом имеет характерный рентгеновский спектр, на который не влияют внешние факторы, такие как температура.
Исследования Баркли привели к так называемому Закон Мозли, расчитавший по конкретной формуле зависимость длины волны характеристического излучения от порядкового номера элемента. Закон удивителен тем, что эта зависимость линейна! На горизонтальной оси отмечен корень из частоты и длины волны, а на вертикальной оси — номер заряда.
В 1916 году Гловер Баркл подал в отставку и начал преподавать философию. Однако премия все же нашла своего героя, и в 1917 году ученому была присуждена Нобелевская премия.
❯ Оуэн Уилланс Ричардсон (1879 — 1959)
Биография всех, о ком мы сегодня говорили, схожа как две капли воды: отличное школьное образование и заслуженная студенческая стипендия, позволившая им «засветиться» и попасть в Томсон. Оуэн Ричардсон не является исключением.
Биография всех, о ком мы сегодня говорили, схожа как две капли воды: отличное школьное образование и заслуженная студенческая стипендия, позволившая им «засветиться» и попасть в Томсон. Оуэн Ричардсон не является исключением.
В 1900 году он начал изучать явление термоэлектронной эмиссии («эффект Эдисона»), заключающееся в том, что при нагревании металла электроны приобретают достаточно энергии для преодоления потенциального барьера.
Термоэлектронная эмиссия в электрическом вакуумном диоде. Когда к аноду приложено положительное напряжение, электрический ток течет через вакуум между катодом и анодом; при смене полярности ток отсутствует. Стрелками показано направление движения электронов, направление тока противоположно направлению движения электронов.
Но Эдисон смог экспериментально подтвердить термоэлектронную эмиссию, а Ричардсон придал ей статус строгого физического закона. Конечно, Оуэн имел преимущество в том, что знал о существовании электронов благодаря своему учителю.
Оказалось, что с увеличением анодного напряжения ток увеличивается до некоторого максимального значения, где ток называется током насыщения, и не увеличивается дальше при последующем увеличении напряжения на аноде.
Ток насыщения пропорционален квадрату температуры, k — постоянная Больцмана, A и B’ — параметры, зависящие от материала катода и определяющие его способность к термоэлектронной эмиссии
Именно за эту формулу Ричардсон получил Нобелевскую премию в 1928 году, а явление термоэлектронной эмиссии привело к беспрецедентному развитию электровакуумных приборов, которые затем использовались в качестве выпрямителей переменного тока.
Кенотроны выпрямляют электровакуумные устройства, работающие по принципу термоэлектронной эмиссии. Его до сих пор можно найти среди любителей «трубочной музыки». Их несомненным преимуществом является отсутствие искажений, присущих полупроводниковым приборам.
❯ Эдуард Виктор Эплтон
Эпплтон получил Нобелевскую премию в 1947 году – после смерти его учителя и руководителя Кавендишской лаборатории.
В лаборатории Эдвард активно взаимодействовал с Уилсоном и изучал атмосферные явления, но цель исследований была иной. Эпплтона интересовало строение атмосферы, а именно ее загадочный слой, оказавший сильное влияние на распространение коротковолновых радиосигналов.
Опыты Маркони 1902 года показали, что распространение ВЧ-радиоволн возможно не только в пределах прямой видимости, но и за счет отражений от определенного слоя атмосферы, что позволило принимать радиосигналы на другом конце земного шара
Английский физик Оливер Хевисайд в 1902 году предположил наличие ионизированного слоя в атмосфере. Его теория включала возможность распространения радиосигналов вокруг Земли, несмотря на ее кривизну. Независимо от Хевисайда эксперименты по приему коротких волн на большие расстояния через Атлантику между Европой и Америкой провел американский инженер-электрик Артур Кеннелли. Они предположили, что где-то вокруг Земли существует ионизированный слой атмосферы, способный отражать радиоволны. Его назвали слоем Хевисайда-Кеннели, а затем ионосферой.
Слой D ионосферы практически полностью поглощает радиосигналы, слой E способен отражать длинные и средние волны, а слой F имеет максимальную ионизацию и используется для работы на коротких волнах
Именно за открытие слоя F (на Западе его часто называют слоем Эпплтона) физик получил заслуженную награду. В серии экспериментов было установлено, что оно находится на высоте 300-400 км над поверхностью Земли. Методология, которую Эпплтон использовал во время своих исследований, оказала огромное влияние на развитие радаров.
❯ P.S.
В своей статье я рассказал о семи нобелевских лауреатах, которые достигли пика своей научной карьеры под руководством Томсона. Однако есть еще один великий ученый, с которым Джозеф напрямую связан. Это его сын - Джордж.
В то время как отец подтвердил существование электрона как отдельной частицы (корпускулы), сын доказал, что электрон обладает волновыми свойствами, что стало первым экспериментальным доказательством принципа корпускулярно-волнового дуализма, сформулированного де Брейлем в 1920 году получил Нобелевскую премию за это открытие еще при жизни своего отца, в 1937 году.
[моё]МатематикаНаукаОбразованиеTimewebУчёныеДлинный пост 1 ЭмоцииБольше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Джон Томсон и его фабрика по производству нобелевских лауреатов.