[вернуться к содержанию сайта]

    Первые модели строения атома появляются в самом начале XX века. Жан Перрен в 1901 г. высказал предположение о ядерно-планетарном устройстве атома. Подобную же модель предложил в 1904 г. японский физик Хантаро Нагаока. В модели Нагаоки атом уподоблялся планете Сатурн; роль планеты выполнял положительно заряженный шар, представляющий собой основную часть объёма атома, а электроны располагались подобно спутникам Сатурна, образующим его кольца. Однако наиболее широкое распространение получила т.н. кексовая модель атома: в 1902 г. Уильям Томсон (лорд Кельвин) высказал предположение о том, что атом представляет собой сгусток положительно заряженной материи, внутри которого равномерно распределены электроны. Простейший атом – атом водорода – представлял собой, по мнению У. Томсона, положительно заряженный шар, в центре которого находится электрон. Детально данную модель разработал Дж. Дж. Томсон, считавший, что электроны внутри положительно заряженного шара расположены в одной плоскости и образуют концентрические кольца. Дж. Дж. Томсон предложил способ определения числа электронов в атоме, основанный на рассеивании рентгеновских лучей, основанный на предположении, что именно электроны должны являться центрами рассеивания. Проведённые эксперименты показали, что количество электронов в атомах элементов равно приблизительно половине величины атомной массы. Дж. Дж. Томсон, предположив, что число электронов в атоме непрерывно возрастает при переходе от элемента к элементу, впервые попытался связать строение атомов с периодичностью свойств элементов.

    Немецкий физик Филипп фон Ленард попытался создать модель, не предполагающую раздельного существования в атоме противоположных зарядов. Атом, согласно модели Ленарда, состоит из нейтральных частиц (т.н. динамид), каждая из которых является электрическим дуплетом. Выполненные Ленардом расчёты показали, что эти частицы должны иметь крайне малые размеры, и, следовательно, большая часть объёма атома представляет собой пустоту. Сосредоточение массы атома в небольшой части его объёма отчасти подтверждалось и проведёнными Ленардом в 1903 г. опытами, в которых пучок быстрых электронов легко проходил через тонкую металлическую фольгу.

    Все упомянутые модели – Томсона-Томсона, Перрена-Нагаоки и Ленарда являлись сугубо гипотетическими и исключительно качественными.

    К совсем другим представлениям о строении атома пришёл примерно в то же время Ф. Ленард, исходя из результатов опытов по рассеянию и поглощению катодных лучей. Уже Генрих Герц обнаружил, что быстрые катодные лучи проходят насквозь через тонкие металлические фольги. Это явление было использовано Ленардом, чтобы выпускать в воздух через тонкое окошко, названное его именем, катодные лучи из разрядной трубки. Это дало ему возможность изучать распространение катодных лучей в газах. Совершенно неожиданно оказалось, что быстрые катодные лучи при их прохождении через молекулы газа встречают значительно меньшее препятствие, чем можно было ожидать, исходя из размеров молекул, известных из кинетической теории газов. Для того чтобы объяснить свои результаты, Ленард должен был принять, что почти весь объём атома не заполнен и быстрые электроны проходят его беспрепятственно, масса же атома сосредоточена в очень небольшой части его объёма. На основе этих представлений Ленард создал так называемую динамидную модель атома. В этой модели атом состоит из некоторого числа силовых центров, названных “динамидами”, которые занимают крайне небольшое пространство, однако являются носителями всей массы атома и ответственны за его взаимодействие с другими частицами и излучением. Чтобы согласовать свои наблюдения для различных газов, Ленард принял число динамид в атоме примерно пропорциональным атомному весу. Хотя представления Ленарда не оправдались, экспериментальное доказательство крайне малой заполненности объёма атома представляло значительный шаг вперёд.

    Однако для объяснения спектральных закономерностей модель Томсона оказалась совершенно непригодной. Более того, исходные соображения Томсона относительно характера распределения положительных и отрицательных зарядов в атоме не покоятся на базе какого-либо прямого опыта. Поэтому следует признать важнейшим шагом вперёд попытку непосредственного опытного зондирования внутренних областей атома с целью установления пространственного распределения зарядов в атоме.

    Попытка подобного рода была предпринята ещё Ленардом (1903 г.), который изучал прохождение быстрых электронов через материальные тела и пришёл к выводу, что атом нельзя представлять себе состоящим из заряженного вещества, равномерно распределённого по всему его объёму, а скорее следует приписать ему ажурное строение. К тем же заключениям, но гораздо более обоснованным и количественно уточнённым, пришёл позже (1913 г.) и Резерфорд, предпринявший исследование "внутренности" атома более мощными средствами.

    Немецкий физик Филипп Эдуард Антон фон Ленард родился в Прессбурге в Австро-Венгрии (ныне Братислава, Словакия) и был единственным ребенком состоятельного виноторговца Филиппа фон Ленарда и урождённой Антонии Бауман. Когда Ленард был ещё совсем маленьким, его мать умерла, и воспитывала его тётка. Впоследствии она вышла замуж за отца Ленарда. До девяти лет Ленард учился дома, а затем в школе при городском соборе и прессбургской средней школе. Любимыми его предметами были математика и физика. Школьный курс он дополнял: читал университетские учебники, проводил физические и химические опыты.

    Несмотря на интерес Ленарда к естественным наукам, отец настаивал на том, чтобы тот унаследовал виноторговое дело. Он хотел, чтобы сын поступил в технические университеты Вены и Будапешта, где мог бы изучать химию – предмет, имеющий особое значение для виноделия. В 1882 г. Ленард с большой неохотой стал работать в фирме своего отца. Через год он на собственные сбережения отправился в Германию, где посещал лекции знаменитого химика Роберта Вильгельма Бунзена (изобретателя бунзеновской горелки). Эта поездка ещё более укрепила его в намерении стать учёным. Зимой 1883 г. Ленард поступил в Гейдельбергский университет, где изучал физику. Ленард провёл четыре семестра в Гейдельбергском и два в Берлинском университетах, где он занимался под руководством таких известных учёных, как химик Бунзен и физик и физиолог Герман Гельмгольц. В 1886 г. в Гейдельберге он защитил диссертацию, за которую ему была присуждена докторская степень с высшим отличием. Работа была посвящена колебаниям капель воды. В течение трёх лет после защиты Ленард работал в Гейдельберге ассистентом у немецкого физика Георга Квинке.

    Ещё учась в университете, во время каникул Ленард вместе со своим школьным учителем физики Виргилом Клаттом проводили исследования фосфоресценции. Они обнаружили, что некоторые материалы фосфоресцируют только в том случае, если содержат следы определённых металлов. Занимаясь другими исследованиями, Ленард продолжал изучать фосфоресценцию на протяжении более чем сорока лет.

    Покинув Гейдельберг, Ленард в течение непродолжительного времени работал в Лондоне и Бреслау (ныне Вроцлав, Польша), а в апреле 1891 г. стал ассистентом Генриха Герца в Боннском университете. Герц, снискавший известность экспериментальным открытием электромагнитного излучения, существование которого было предсказано Джеймсом Клерком Максвеллом, случайно обнаружил фотоэлектрический эффект (испускание электрически заряженных частиц поверхностью, на которую падает излучение, в данном случае ультрафиолетовое). Одним из явлений, которыми особенно интересовался Герц, были катодные лучи, доходившие в хорошо откачанной газоразрядной стеклянной трубке от отрицательного электрода (катода) до противоположного конца трубки. Их исследованием занимались многие учёные, среди которых особенно следует отметить английского физика Уильяма Крукса. Загадка катодных лучей привлекла внимание Ленарда в 1880 г., когда он прочитал статью Крукса “Лучистая материя, или четвёртое физическое состояние”.

    Герц и Ленард решили исследовать катодные лучи в более удобной обстановке – вне газоразрядной трубки. Так как Герц обнаружил, что катодные лучи проникают сквозь тонкую алюминиевую фольгу, Ленард изготовил стеклянную газоразрядную трубку с небольшим отверстием у анода (положительного электрода), закрытым такой фольгой (впоследствии такие отверстия стали называть окошками Ленарда). Поместив на пути катодных лучей вместо обычного воздуха вторую газоразрядную трубку, Ленард сумел получить более длинный пучок лучей, часть которого была изолирована от источника и более удобна для экспериментирования. Отклоняя пучок электрическим и магнитным полями, Ленард показал, что катодные лучи состоят из отрицательно заряженных частиц. Он сумел измерить отношение заряда этих частиц к их массе. Первоначально же Ленард считал катодные лучи нематериальным излучением. Он также обнаружил, что эти частицы проникают в воздух и другие вещества на различную глубину, а поглощение приблизительно пропорционально толщине и плотности поглощающего вещества и что лучи, испускаемые газоразрядными трубками, при большем напряжении, соответствующем большей скорости и энергии частиц, обладают более высокой проникающей способностью. Исследованием катодных лучей Ленард занимался на протяжении двенадцати лет. После кончины Герца в 1894 г. Ленард на короткий срок стал исполняющим обязанности директора Физического института Боннского университета. Год или два он преподавал в университетах Бреслау, Аахена и Гейдельберга. Затем он получил звание профессора и стал директором физической лаборатории при Кильском университете (1898). Несмотря на признание, которое получили его работы, Ленард порой с пренебрежением и завистью относился к успехам других учёных. Он с величайшим уважением относился к Герцу, но, будучи его ассистентом в Бонне, иногда считал, что тот обходится с ним недостаточно почтительно.

    Когда в 1895 г. Вильгельм Рёнтген открыл лучи, носящие ныне его имя (и возникающие при бомбардировке катодными лучами частей разрядной трубки), Ленард был подавлен тем, что не он обнаружил их первым. Впоследствии он неизменно называл их “высокочастотным излучением”, но никогда не употреблял их общепризнанного названия “рентгеновские лучи” или “рентгеновское излучение”. Более того, Ленард считал, что, одолжив Рёнтгену разрядную трубку, он в открытие нового излучения внёс вклад, заслуживающий особого упоминания. После того как в 1897 г. Дж. Дж. Томсон открыл электрон и его открытие получило широкое признание, Ленард утверждал, что приоритет якобы принадлежал ему. Томсон дал вполне современное описание электрона, а Ленард же и в 1906 г. продолжал называть электрон “электричеством без материи, электрическим зарядом без заряженных тел”, говорил об “электричестве в чистом виде”.

    Одним из главных научных достижений Ленарда было произведённое им в 1902 г. экспериментальное наблюдение, согласно которому свободный электрон (он назвал его катодным лучом) должен обладать определённой минимальной энергией для того, чтобы ионизовать газ (сделать нейтральный газ электрически заряженным) путём выбивания из атома связанного электрона. Ленард называл выбитые атомные электроны вторичными катодными лучами. Он дал весьма точную оценку потенциала ионизации (энергии, необходимой для выбивания электрона) для водорода.

    В том же 1902 г. Ленард доказал, что фотоэлектрический эффект порождает такие же электроны, которые обнаружены в катодных лучах, а фотоэлектроны не просто высвобождаются из поверхности металла, а вылетают с определённой энергией (скоростью) и что число испущенных металлом электронов возрастает с увеличением интенсивности излучения, но скорости электронов никогда не превосходят определённого предела. Эти экспериментальные данные получили объяснение в работе Альберта Эйнштейна (1905), который воспользовался для этого квантовой теорией Макса Планка. Согласно Эйнштейну, свет состоит из крохотных дискретных сгустков энергии, получивших впоследствии название фотонов. Энергия фотона пропорциональна частоте света.

    В фотоэлектрическом эффекте каждый фотон передает свою энергию электрону, находящемуся в облучаемой поверхности металла, в принципе позволяя электрону “вылететь” из металла. Чем интенсивнее свет, тем больше фотонов и вырываемых электронов, но фиксированная энергия фотона устанавливает предел для скорости каждого электрона.

    В 1903 г. Ленард выдвинул гипотезу о том, что атом представляет собой в основном пустое пространство. К такому выводу он пришёл, наблюдая, как электроны проходят сквозь окошко Ленарда и проникают сквозь воздух и другие вещества. Ленард предположил, что положительные и отрицательные электрические заряды в атоме (количества которых должны быть равны, чтобы обеспечить его электронейтральность) встречаются тесно связанными парами, которые он назвал динамидами. Концепция Ленарда была интересной и представляла значительный шаг вперёд по сравнению с прежними взглядами. Но она была неверна, как доказал через восемь лет Эрнест Резерфорд, предложивший модель атома, в которой вокруг очень плотного положительно заряженного ядра на относительно большом расстоянии от него обращаются отрицательно заряженные электроны.

    Нобелевская премия 1905 г. была присуждена Ленарду “за работы по катодным лучам”. На церемонии вручения премии Арне Линдстедт из Шведской королевской академии наук сказал: “Ясно, что работы Ленарда по катодным лучам не только обогатили наше знание этих явлений, но и во многих отношениях заложили основу теории электронов”.

    В 1907 г. Ленард стал преемником Квинке в качестве профессора экспериментальной физики Гейдельбергского университета. В 1909 г. он принял на себя ещё и обязанности директора вновь созданного в Гейдельберге Радиологического института. Наиболее важная работа, выполненная под его руководством в этом институте, была связана со спектральным анализом света, испускаемого возбуждёнными атомами и молекулами.

    Репутация Ленарда в некоторых научных кругах Германии была достаточно высока, но со временем она начала падать. Сделанный Ленардом в 1910 г. доклад об эфире, пронизывающем пространство, – идее, сильно дискредитировавшей себя к тому времени, – Эйнштейн охарактеризовал как “инфантильный”. Кроме того, с начала первой мировой войны Ленард стал ярым националистом и неоднократно выступал с нападками на англичан, обвиняя их в незаконном присвоении достижений немецких учёных. После поражения Германии он уничижительно отзывался о Веймарской республике за то, что она “смирилась с позором Германии”, и подстрекал студентов к выступлениям против режима. Ленард был в числе тех, кто с самого начала поддерживал Адольфа Гитлера и стал антисемитом.

    Ленарду была присуща природная склонность к экспериментальным исследованиям, которые он называл “прагматической истинно германской физикой”, и он питал отвращение к физическим теориям, насыщенным сложным математическим аппаратом. Такие теории Ленард называл “догматической еврейской физикой”. Особую враждебность он высказывал по отношению к Эйнштейну, с резкими нападками на которого (“с нескрываемым антисемитским душком”, по выражению Макса Борна) выступил на одном из научных конгрессов в 1920 г. Переоценил он даже научное наследие Герца, разделив его на хороший эксперимент и плохую теорию, приписав последнюю еврейскому происхождению учёного. После прихода нацистов к власти в 1933 г. Ленард получил титул главы арийской, или германской, физики и стал личным советником Гитлера. Он излагал фюреру свой собственный вариант физики с расистской ориентацией.

    В 1897 г. Ленард вступил в брак с Катариной Шленер. Покинув Гейдельберг в 1945 г., он поселился в деревне Мессельхаузен, где и умер два года спустя. Большинство учёных осуждало идеологические пристрастия Ленарда, которые омрачили ясность его суждений о физике в зрелые годы. Карл Рамзауэр, ученик и коллега Ленарда на протяжении более тринадцати лет, назвал его “трагической фигурой”. Он заметил, что “его достижения имели первостепенное значение, и все же его имя не оказалось тесно или неразрывно связано ни с одной из знаменательных вех в развитии физики”.

    Помимо Нобелевской премии, Ленард был удостоен многих наград, в том числе медали Франклина Франклиновского института и звания почётного доктора университетов Христианин (ныне Осло), Дрездена и Прессбурга. В 1933 г. он был награждён “третьим рейхом” орденом Орла.

Дата установки: 28.10.2008
[вернуться к содержанию сайта]

W