Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
Шрифт:
который сначала преподавал математику детям в Манчестере, а потом занялся
исследованиями воздуха, газовых смесей, составил первую таблицу атомных масс,
изучал свойства перегретого пара.
Затем пришла пора Джеймса Прескотта Джоуля (1818…1899). Он учился дома, а к
физике его приохотил именно Дальтон. Ученики знали о профессоре по
"дальтонизму", цветовой слепоте, но серьезные люди слышали и о соревновании
учителя с Гей-Люссаком, помогавшем
монгольфьере, но все же отставшем от Дальтона в установлении закона расширения
газа при нагревании.
Джоуль стал большим ученым. Он много и весьма успешно занимался магнетизмом.
Джоуль поведал миру о существовании предела намагничивания стали, о магнитном
насыщении. Джоуль измерил тепло, выделяемое электрическим током. Джоуль заметил
магнитострикцию, т. е. изменение объема намагничиваемого железа.
А тем временем, словно следуя заранее известному сценарию, сотни исследователей
день за днем приближали появление удивительного магнитного прибора, рождение
которого никто, конечно, не мог заранее предполагать.
В 1880 г. Э.Гольдштейн отклонил пучок катодных лучей (позднее узнали, что это
поток электронов), поднеся к нему магнит. Отрицательный знак заряда этих лучей
определил Ж.Перрен, увязав направление магнитного поля с траекторией пучка. Его
опыт уточнил Дж. Дж. Томсон, потом Дж. Лармор предсказал прецессию электронов во
внешнем магнитном поле.
В конце прошлого века физики активно разрабатывали интереснейший раздел теории —
строение вещества, и самыми действенными инструментами в руках исследователей
оказались электрическое (оно ускоряло заряженные частицы) и магнитное (оно
искривляло путь частиц) поля.
Сегодня каждому школьнику известно, что магнитное поле отклоняет летящий
электрический заряд, ничего другого неизменное во времени магнитное поле делать
не "умеет". А тогда, при жизни наших дедов и прадедов, это правило только-только
обретало плоть: то Зееман расщепил магнитным полем спектральные линии (1896), то
Браун построил катодно-лучевую трубку (1897), то магниты смогли отклонить лучи,
испускаемые радием (1899).
В 1907 г. Дж. Дж. Томсон, только что получивший Нобелевскую премию за открытие
электрона, предложил построить масс-спектрометр, сыгравший огромную роль в
физике элементарных частиц. Это сейчас магниты широко применяют для исследования
поведения веществ в сильных магнитных полях, для излучения гальваномагнитных,
термомагнитных, магнитострикционных явлений, для получения сверхнизких
температур (всего
адиабатического (т. е. без обмена теплом между телом и окружающей средой)
размагничивания. Они применяются в квантовых генераторах — мазерах и для анализа
частиц по их массе в магнитных масс-спектрометрах.
Принцип магнитной спектрографии используют для разделения изотопов различных
элементов. Изотопы, как известно, — это атомы одного и того же элемента, в ядрах
которых содержится одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.
Следовательно, массы ядер изотопов различны, и их орбиты при движении в
магнитном поле тоже различны. Траектории движения более тяжелых ядер меньше
искривлены, вследствие чего легкие и тяжелые ядра движутся в магнитном поле по
разным орбитам. В сильном магнитном поле могут быть разделены даже очень
"похожие" изотопы.
Магнитные спектрографы создавались как бы в три этапа. Сначала Чарльз Вильсон
(1869…1959) изобрел камеру для фиксации следов пролета заряженных частиц
(1912), за что много позже получил Нобелевскую премию. Вот где пригодились
знания Дальтона о перегретом паре! Если резко расширить объем влажного воздуха,
то он охладится, и в состоянии перенасыщения ничтожной причины достаточно для
конденсации пара. Вот почему камеру Вильсона тщательно очищают от пыли,
оберегают от сотрясений. Теперь достаточно одной-единственной заряженной частице
пролететь через камеру, чтобы ее путь был отмечен туманным следом. Трек надо
осветить, сфотографировать, и визитная карточка гостьи попадет в распоряжение
ученых.
Камера Вильсона появилась, а тем временем А.Демистр по идее Дж. Дж. Томсона
построил первый масс-спектрограф (1918). Через год Ф.Астон создал уже хороший
аппарат: частицы не только пролетали зазор конденсатора и пятнышко между
полюсами магнита, но, пройдя серию узкоориентированных щелей, попадали на
фотопластинку.
Но вот магнит "встретился" с камерой Вильсона, и помог этой встрече П.Л.Капица!
Дело в том, что паровая камера не могла ответить на вопрос, какая же частица
пролетела. Камера Вильсона предупреждала о появлении частиц, не "опознавая" их.
Выход из этого положения был найден советским физиком П.Л.Капицей,
опубликовавшим в 1923 г. в журнале Кембриджского философского общества небольшую
статью, в которой описывал некоторые эксперименты по наблюдению, следов альфа-