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).
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.
РОЖДЕНИЕ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ
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.
АТОМ РЕЗЕРФОРДА
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.
РИС. 1
РИС . 2
Альберт Эйнштейн заинтересовался теорией Планка и использовал ее в 1905 году для объяснения фотоэлектрического эффекта, который невозможно было объяснить с помощью господствующей волновой теории. Эйнштейн предположил, что свет делится на кванты, то есть на маленькие части, имеющие свойства частиц и называющиеся фотонами.
При фотоэлектрическом эффекте пучок света падает на металлическую пластину и производит электрический ток, который измеряется амперметром (см. рисунок). По классической волновой теории, свет высвобождает электроны металла в зависимости от энергии, или интенсивности падающего света, и независимо от его частоты, или цвета. Поэтому чем интенсивнее свет, тем сильнее должен быть ток. Однако голубой свет низкой интенсивности производил фотоэлектрический эффект, а более интенсивный красный свет — нет.
Схема цели, в которой можно наблюдать фотоэффект.
Следовательно, основополагающим фактором была частота, а не интенсивность света. Эйнштейн пришел к выводу, что электроны высвобождаются из металла под воздействием фотонов, которые следуют закону Планка, поэтому энергия Е фотонов напрямую зависит от частоты, и только фотоны с высокой частотой (превышающей определенный порог) могут выбить электроны из пластины. В 1921 году за свое объяснение фотоэлектрического эффекта Эйнштейн получил Нобелевскую премию. Благодаря его работе сегодня мы можем пользоваться солнечными батареями и датчиками освещения. Путь квантовой механике был открыт.
На заре XX века классическая физика уже не выдерживала натиска теории относительности и квантовой механики. Появилось несколько моделей атомов, были доказаны корпускулярно-волновой дуализм и важность статистической физики для изучения мира атомов. Статистическая теория Ферми объяснила поведение многих элементарных частиц, названных в его честь фермионами. С этого момента список частиц, составляющих Вселенную, начал неуклонно расти. Последним открытием стала частица, похожая на бозон Хиггса.
