История и методология физики

часть лучей отклоняется в одном направлении, а другая - в противоположном. Этот 
факт подтвердил также Резерфорд. Он писал: «Эти опыты показывают, что излуче-
ние 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». Беккерель показал, что β-лучи, испускаемые 
разными радиоактивными веществами, имеют разные скорости и отклоняются 
электрическим полем. Он впервые измерил отношение заряда β-частиц к их массе, и 
установил, что это отношение такого же порядка как и для катодных лучей. Супруги 
Кюри установили, что эти лучи несут отрицательный заряд. Теперь хорошо известно, 
что α-лучи представляют собой ядра атомов гелия, но на доказательство этого факта 
Резерфорду понадобилось 10 лет трудных экспериментов. Эксперименты Резерфорда 
и английского физико-химика Содди (1877-1956) позволили объяснить известный в то 
время странный факт: во всех минералах, содержащих радиоактивные вещества, 
всегда присутствует гелий. Они показали, что гелий ни откуда не попадает в 
радиоактивные вещества, а образуется в них - радиоактивное излучение само в себе 
содержит дважды ионизованные атомы гелия. Этот вывод поставил под сомнение 
существовавшее со времен Лавуазье и Дальтона убеждение, что химические элементы 
вечны и неизменны и что они не могут переходить друг в друга. Дальнейшие 
исследования Резерфорда, Содди и Ройдса привели к открытию радиоактивного 
распада элементов. Таким образом, Резерфорд нашел пути и законы естественного 
превращения элементов. Другими словами, он доказал делимость атомов. В 1908г. 
Резерфорду была присуждена Нобелевская премия по химии за раскрытие природы 
радиоактивного распада. 
В 1903 г. Пьер Кюри обнаружил, что соли урана непрерывно выделяют тепло, 
причем очень большое, если учесть небольшую массу радиоактивного препарата. По 
этому поводу Резерфорд отмечал: «...теперь точно установлено, что атомы 
некоторых элементов подвержены спонтанному распаду, сопровождающемуся 
излучением энергии в количествах, огромных по сравнению с энергией, 
освобождающейся при обычных молекулярных видоизменениях». 
В своей книге «Современное развитие физики» английский ученый Ветгем в 
1904 г. писал: «Профессор Резерфорд в шутку передавал автору этой книги 
тревожную мысль, что если бы удалось открыть надлежащий детонатор, то 
можно было бы вызвать волну взрыва атомического разложения во всем веществе, 
которое произвело бы превращение всей массы нашего земного шара и оставило бы 
от него только клуб гелия». В то же время обнаружилось смертоносное воздействие 

---

радиоактивного излучения на живые организмы. Это взбудоражило общественность, и 
был поднят вопрос о пользе и необходимости научных исследований. Пьер Кюри 
после присуждения ему Нобелевской премии в 1905 г. говорил: «Я склонен 
придерживаться точки зрения Нобеля, что человечество извлечет из новых 
открытий больше хорошего, чем плохого». 
В 1834 г. английский физик Уильям Тальбот (1800-1877), изобретатель 
фотографии на бумаге, высказал идею, что каждая светлая линия в спектре излучения 
является характерной для излучающего ее элемента. Создателями спектрального 
анализа и первыми исследователями атомных спектров стали немецкие ученые 
Кирхгоф и Бунзен (1811-1899). В 1860 г. они опубликовали работу «Химический 
анализ с помощью наблюдений спектра», в которой изложили основы спектрального 
анализа атомов. Их успешным экспериментальным работам по спектральному анализу 
способствовали «горелка Бунзена» и специальный спектрограф большой 
разрешающей силы. 
Кирхгоф и Бунзен открыли закон инверсии (обращения) спектра: все газы 
поглощают в точности те же длины волн, которые они способны излучать.
Спектральный анализ света, приходящего от звезд, позволил сделать важный 
вывод, что Вселенная состоит из одних и тех же химических элементов. Это было 
важно потому, что долгое время существовало убеждение, что небесные тела состоят 
из того, чего нет, и не может быть на Земле. 
В 1868г. шведский физик Андерс Ангстрем (1814—1874) измерил длины волн 
четырех линий видимой части спектра атомарного водорода – Нα, Нβ, Нγ, Нδ. В это 
время ирландский физик Стони предположил, что «линии в спектрах газов должны 
быть связаны с периодическими движениями внутри отдельной молекулы, а не с 
беспорядочным движением молекул относительно друг друга», при этом он считал, 
что «одно периодическое движение в молекуле накаленного газа может быть 
источником целой серии линий в спектре газа». Стони воспользовался измерениями 
Ангстрема и показал, что три из известных линий атома водорода являются «20-й, 27-
й и 32-й гармониками фундаментального колебания, длина волны которого в вакууме 
равна λ
0
=3127714 мм.» Дальнейшие спектроскопические исследования привели к 
пониманию важности поисков «эмпирического закона, связывающего различные 
периоды колебаний, в которых, как мы знаем, может принимать участие одна и та 
же молекула» (1881). Такой закон в 1885 г. открыл школьный учитель в Базеле 
Иоганн Бальмер (1825-1898). 
Бальмер нашел эмпирическую формулу, с помощью которой можно с 
удивительной точностью определить длины волн этих линий: 
Здесь n – целое число, равное 3, 4, 5, 6. Эмпирическая постоянная В = 3647,0 Å.

---

При п = 3 по этой формуле определялась длина волны красной линии Нα, при п = 4 - 
зеленой линии Н
β
, при п = 5 - синей линии Нγ, при п = 6 - фиолетовой линии Нδ. При 
больших значениях числа п длины волн соответствуют ультрафиолетовой области, не 
различимой глазом. В последующих опытах они также были обнаружены. Этот набор 
спектральных линий стали называть бальмеровской серией. Другой вид формулы 
Бальмера оказался чрезвычайно плодотворным для дальнейшего развития атомной 
спектроскопии.
Ее предложил шведский физик Иоганнес Ридберг (1854-1919), в 1890 г. записал 
формулу Бальмера в виде, где присутствовало больше членов, в частности скорость 
света в вакууме. Из формулы Риберга легко получалась обобщенная формула 
Бальмера. Из нее следовала серия Лаймана в ультрафиолете, серия Бальмера и т.д. 
Совокупность всех спектральных серий образуют спектр данного атома. Таким 
образом, обобщенная формула Бальмера описывает спектр атома водорода и 
представляет собой его своеобразный «портрет», а бальмеровская серия является лишь 
видимой цветной частью этого портрета. Другие атомы имеют совсем другие спектры, 
и их спектральный портрет, конечно, не описывается обобщенной формулой 
Бальмера. Каждый атом имеет свой собственный характерный для него спектр, и по 
этому спектру он может быть определен.
Спектральные закономерности атома водорода были найдены Бальмером, 
Ридбергом, Ритцем и другими чисто опытным путем, только на основе результатов 
измерений. Они носили эмпирический характер и считались «забавной игрой чисел». 
Долгое время не удавалось объяснить, почему образуется этот частокол отдельных 
линий определенного цвета, выстроенных в закономерной последовательности, пока 
многочисленные экспериментальные факты не привели к возникновению квантовых 
представлений. Таким образом, открытие электрона, Х-лучей, лучей Беккереля, 
явления радиоактивности и радиоактивного превращения элементов, спектральных 
закономерностей и других явлений неумолимо приводили к выводу, что атом не 
является неделимым, что он как-то устроен. Между прочим, еще Лейбниц прозорливо 
отмечал: «Нет последнего мельчайшего тела,... частичка материи как бы мала она ни 
была, есть целый мир, полный бесконечного множества творений, еще более мелких». 

---

Лекция 17