Реферат: История развития атомной энергетики

Михаил Ломоносов – первый русский профессор химии, автор первого русского курса физической химии. В области физики он оставил нам ряд важных работ по кинетической теории газов, теории теплоты, оптике и др. Рассматривая основу химических явлений» Ломоносов на базе атомно-молекулярных представлений развивал учение о «нечувствительных» (т. е. неощутимых) частицах материи – «корпускулах» (молекулах). Он полагал, что всем свойствам вещества можно дать исчерпывающее объяснение с помощью представления о различных чисто механических движениях корпускул, состоящих из атомов. Он утверждал, что химическая теория должна строиться на законах механики и математики.

В химических работах Ломоносова важную роль играет атомистика, она – краеугольный камень его научного мышления. Ломоносов дал свою формулировку принципа сохранения материи и движения: «...все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому... Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает...»

Введение понятия «корпускулы» наряду с понятием «элемента» (атома) означало признание того, что определенная совокупность атомов создает новое единство, действующее как целое, некий новый качественный «узел». Это была перспективная идея, ибо только через естествознание человечество могло прийти к идее развития, образования сложных форм вещества из соединения простых.

Самый характер соединения Ломоносов мыслил не как простое сложение составных элементов. Он подчеркивал, что природа новых образований зависит не только от того, какие элементы входят в эти образования (корпускулы), но и от того, каков характер связи между элементами. Ломоносов, приняв гипотезу о вращательном движении молекул-корпускул, вывел ряд следствий:

1.     Частицы-корпускулы имеют шарообразную форму.

2.     При более быстром вращении частиц теплота увеличивается, а при более медленном – уменьшается.

3.     Горячее тело должно охлаждаться при соприкосновении с холодным и, наоборот, холодные тела должны нагреваться вследствие ускорения движения при соприкосновении.

Ломоносов критиковал теорию теплорода (или флогистона – не имеющей массы невесомой жидкости), которую он считал возвратом к представлениям древних об элементарном огне.

По мысли Ломоносова, упругость газов (воздуха) является свойством коллектива атомов. Сами атомы «должны быть телесными и иметь продолжение», форма их «весьма близка» к шарообразной.

Воззрения на теплоту как форму движения мельчайших «нечувствительных» частиц высказывались еще в XVI в. Бэконом, Декартом, Ньютоном, Гуком. Эту же идею разрабатывал и М. Ломоносов, однако он оставался почти в одиночестве, так как многие его современники были сторонниками концепции «теплорода». И только позднее Дэви и затем Юнг и Мор доказали, что теплота является формой движения и что следует рассматривать теплоту как колебательное движение частиц материи. Последующими работами Майера, Джоуля, Гельмгольца был установлен закон сохранения и превращения энергии.

Атомно-молекулярное учение о материи лежало в основе многих физических и химических исследований на всем протяжении истории науки. Со времени Бойля оно стало служить химии и было положено Ломоносовым в основу учения о химических превращениях.

Итальянский ученый Э. Торричелли (1608-1647) доказал существование атмосферного давления. Французский математик и физик Б. Паскаль (1623-1662) открыл закон: давление, производимое на поверхность жидкости внешними силами, передается жидкостью одинаково во всех направлениях.

Вместе с Г. Галилеем и С. Стевиным Блез Паскаль считается основоположником классической гидростатики. Он указал на общность основных законов равновесия жидкостей и газов. В 1703 г. немецкий ученый Г. Шталь (1659-1734) сформулировал теорию, точнее, гипотезу о природе горючести в веществах.

Английский ученый Р. Бойль (1627-1691) ввел в химию атомистику, это дало основание Ф. Энгельсу сказать о работах Бойля: «Бойль делает из химии науку». Голландец X. Гюйгенс (1629-1695) вошел в историю науки как создатель подтвержденного экспериментами первого научного труда по волновой оптике – «Трактата о свете»; он был первым физиком, исследовавшим поляризацию света.

Наука о тепле потребовала точных температурных измерений. Появились термометры с постоянными точками отсчета: Фаренгейта, Делиля, Ломоносова, Реомюра, Цельсия.

А. Лавуазье (1743-1794) разработал в 1780 г. кислородную теорию, выявил сложный состав воздуха. Объяснил горение, тем самым доказав несостоятельность теории флогистона, который и М. В. Ломоносов исключал из числа химических элементов.

Работавший в Петербургской академии наук Л. Эйлер (1707-1783) установил закон сохранения момента количества движения, развил волновую теорию света, определил уравнения вращательного движения твердого тела.

Американский ученый Б. Франклин (1706-1790) разработал теорию положительного и отрицательного электричества, доказал электрическую природу молнии.

Английский физик Г. Кавендиш (1731-1810) и независимо от него французский физик Ш. Кулон (1736-1806) открыли закон электрических взаимодействий.

Итальянский ученый А. Вольта (1745-1827) сконструировал первый источник постоянного тока («вольтов столб») и установил связь между количеством электричества, емкостью и напряжением. Одним из первых трудов, посвященных описанию нового источника постоянного тока, была выпущенная в 1803 г. книга русского ученого В. Петрова «Сообщение о гальвано-вольтовых опытах».

Начало практическим исследованиям электромагнетизма положили работы датчанина X. Эрстеда, француза А. Ампера, русских ученых Д. М. Велланского и Э. Ленца, англичанина М. Фарадея, немецкого физика Г. Ома и др.

Крупнейший немецкий ученый Г. Гельмгольц (1821-1894) распространил закон сохранения энергии с механических и тепловых процессов на явления электрические, магнитные и оптические. Им был установлен ряд законов, касающихся газов, заложены основы кинетической теории газов, термодинамики, открыты инфракрасные и ультрафиолетовые лучи.

М. Фарадей (1791-1867) - английский физик, химик и физико-химик, основоположник учения об электромагнитном поле, электромагнитной индукции – открыл количественные законы электролиза.

В 1803 г. английский физик и химик Дж. Дальтон (1766-1844) опубликовал основополагающие работы по химической атомистике, вывел закон кратных отношений. Дальтон ввел в науку, в частности в химию, понятие атомного веса (атомной массы), приняв за единицу вес водорода. По Дальтону, атом - мельчайшая частица химического элемента, отличающаяся от атомов других элементов своей массой. Он открыл явление диффузии газов (кстати, явление, которым примерно через сто лет воспользовались для получения высокообогащенного урана при создании ядерных бомб).

В XVII–XIX вв. атомы считались абсолютно неделимыми и неизменными частицами материи. Атомистика в значительной мере носила все еще абстрактный характер. В XIX в. большой вклад в разработку научной базы атомистики внесли такие ученые, как Максвелл, Клаузиус, Больцман, Гиббс и др.

В недрах химической науки родилась гипотеза о строении всех атомов из атомов водорода. Именно химико-физики ближе всех подошли к пониманию физического смысла идей атомистики. Они постепенно приближались к выяснению природы атомизма, а последующие поколения ученых – к пониманию действительного строения атома и его ядра.

Предыстория познания атомного ядра начинается в 1869 г. с гениального открытия Д. И. Менделеевым периодического закона химических элементов. Д. И. Менделеев (1834-1907) был первым, кто попытался классифицировать все элементы, и именно ему мы обязаны нынешним видом Периодической системы. Пытаясь охватить все элементы, он вынужден был заключить, что некоторые места Периодической системы элементов (теперь носящей его имя) не заполнены. Исходя из положения в таблице и свойств химических элементов, соседствующих с ними в периодах и группах, он предсказал химические свойства трех отсутствовавших тогда элементов. Примерно через 10 лет эти элементы (галлий, скандий и германий) были открыты и заняли свои места в таблице Менделеева.

Периодический закон стал как бы последней инстанцией, выносящей окончательный приговор соотношению между химическим эквивалентом и атомной массой. Так, первоначально бериллий считался трехвалентным с атомной массой 13,5, а индий – двухвалентным с атомной массой 75,2, а благодаря их положению в таблице были проведены тщательные проверки и уточненные атомные массы стали равными 9 и 112,8 соответственно. Урану сначала приписывали атомную массу, равную 60, затем исправили на 120, однако периодический закон показал, что значение атомной массы урана 240.

Периодическая система элементов стала в конце прошлого века памятником упорству, труду и аккуратности в экспериментальной работе. В Периодической системе Менделеева нашли отражение сложность структуры атома и значимость ранее неизвестных основных характеристик атомного ядра – его массового числа А и порядкового номера 2. В течение всей последующей истории ядерной физики периодический закон Менделеева, обогащенный новыми открытиями, служил путеводной нитью исследований. Именно с конца XIX в. подход к изучению атома стал действительно научным, имеющим экспериментальную основу.

Никто из естествоиспытателей той эпохи не проник так глубоко в понимание взаимосвязи между атомами и молекулами, как Д. И. Менделеев. В 1894 г., когда еще не была ясна модель не только атома, но и молекулы, Менделеев выдвинул гипотезу о строении атома и молекулы. Положив в основу признание существования атомов и молекул, связи между материей и движением, он высказал мысль, что атомы можно представить себе как бесконечно малую Солнечную систему, находящуюся в непрерывном движении. Неизменность атомов, подчеркивал Менделеев, не дает исследователю никакого основания считать их «неподвижными» и «недеятельными в их внутренней сущности», атомы подвижны.

Менделеев показал, что развитие науки невозможно, если отказаться от признания объективной реальности атомов. Он подчеркивал глубокую внутреннюю связь между атомистическими воззрениями древних (Демокрита) и материалистической философией. Развитие классического учения Демокрита составило, по Менделееву, основу материализма.

Спустя почти 30 лет после появления Периодической системы Менделеева начала свое победное шествие новая наука – ядерная физика. А примерно 60 лет спустя американские ученые Г. Сиборг и другие, синтезировавшие в 1955 г. элемент 101, дали ему название «менделевий», как они выразились «...в знак признания приоритета великого русского химика Дмитрия Менделеева, который первым использовал Периодическую систему элементов для предсказания химических свойств тогда еще не открытых элементов. Этот принцип явился ключевым при открытии почти всех трансурановых элементов».

В 1964 г. имя Д. И. Менделеева занесено на Доску почета науки Бриджпортского университета (штат Коннектикут, США) в числе имен величайших ученых мира.

Д. И. Менделеев при жизни был известен во многих странах, получил свыше 150 дипломов и почетных званий от русских и зарубежных академий, ученых обществ и учебных заведений.

Атомистика конца XIX – начала XX в.

Гениальные догадки древних ученых о том. что все вещества состоят из атомов, к концу XIX в. полностью подтвердились. К тому времени также было установлено, что атом как единица любого вещества неделим (само слово «атом» по-гречески означает «неделимый»).

С открытия А. Беккерелем в 1896 г. явления радиоактивности берет свое начало новый раздел физики – ядерная физика. С этого момента, собственно, и начинается непосредственно история исследования атомной энергии.

Немецкий физик В. Рентген (1845-1923) открыл в 1895 г. излучение, названное им Х-лучами (впоследствии они получили название рентгеновских лучей, или рентгеновского излучения). Он создал первые рентгеновские трубки и сделал анализ некоторых свойств открытого им излучения. Это открытие и последующие исследования сыграли важную роль в изучении строения атома, структуры вещества.

Рентгеновское излучение нашло широкое применение в медицине, технике, в различных областях науки.

24 февраля 1896 г. французский физик А. Беккерель (1852-1908) на заседании Парижской Академии наук докладывал: «Фотографическую пластинку Люмьера обертывают двумя листами очень плотной черной бумаги... На верхний лист бумаги кладут какое-либо люминесцирующее вещество (бисульфат урана и калия), а затем все это выставляется на несколько часов на солнце. При проявлении фотопластинки на черном фоне появляется силуэт люминесцирующего вещества». Позднее А. Беккерель убедился в том, что нет необходимости выставлять фотопластинку на солнце, и более того, если урановое соединение в течение многих месяцев находится в темноте, то процесс проявления все равно происходит. При этом у физиков возник вопрос, откуда же черпается энергия, хотя и очень небольшая, но непрерывно выделяющаяся из урановых соединений в виде ионизирующего излучения?

Открытие радиоактивности урана Беккерелем невозможно переоценить, хотя важность этого открытия поняли не сразу. В тот период физики были полностью поглощены работами по изучению свойств рентгеновского излучения, и потому высказывались предположения, что явление радиоактивности сродни рентгеновскому излучению. Но рентгеновское излучение возникает при электрическом разряде, происходящем в сильно разреженном газе, независимо от природы газа, независимо от вещества, из которого сделаны электроды. Радиоактивность же солей урана, обнаруженная Беккерелем, не требует электрического напряжения - ни большого, ни малого. Не нужен и разреженный газ. Рентгеновское излучение возникает только в присутствии электрического разряда, излучение, открытое Беккерелем, – всегда, непрерывно, и его излучает только уран.

Но только ли уран? Этот вопрос и был поставлен Марией Склодовской-Кюри. Таким образом, был открыт новый этап исследований, который провели супруги Кюри.

Мария Кюри воспользовалась наблюдением Беккереля, что под влиянием излучения, испускаемого ураном, воздух становится проводником электричества. Это упростило поиск веществ, которые испускают так называемые беккерелевы лучи. М. Кюри натолкнулась на удивительный факт: урановая смолка – руда, из которой добывают металлический уран, испускает беккерелевы лучи с гораздо большей интенсивностью, чем чистый уран. В результате супруги Кюри открыли два новых радиоактивных вещества, которые они назвали полонием и радием.

Всем веществам, которые способны излучать лучи Беккереля, Мария Кюри дала общее название – радиоактивные (что означает способные испускать лучи).

С помощью метода сцинтилляций, камеры Вильсона, ионизационной камеры и другой аппаратуры Марии и Пьеру Кюри, Резерфорду, Содди, Вилларду и другим ученым либо независимо, либо совместно удалось обнаружить и изучить три типа лучей Беккереля, испускаемых ураном. Каждый из них получил свое название: альфа, бета, гамма. Альфа-лучами назвали те лучи, которые магнитным полем отклоняются слабо и представляют собой поток положительно заряженных частиц. Бета-лучами назвали лучи, которые магнитным полем отклоняются сравнительно сильно и представляют собой поток электронов, т. е. отрицательно заряженных частиц. Гамма-лучами назвали лучи, которые магнитным полем не отклоняются вовсе.

Успехи физики XIX в. позволили существенно продвинуться в создании целостной системы, объединяющей механику Ньютона и электродинамику Максвелла и Лоренца. Теория электромагнитного поля, созданная Максвеллом, вошла в историю науки наряду с такими фундаментальными обобщениями, как ньютонова механика, квантовая механика. Процесс коренного преобразования физики подготавливался научными открытиями конца XIX в., сделанными В. Рентгеном (рентгеновские лучи, 1895 г.), А. Беккерелем (естественная радиоактивность урана, 1896 г.), Дж. Томсоном (открытие электрона, 1897 г., первая модель строения атома), М. Склодовской-Кюри (радиоактивные элементы – полоний и радий, 1898 г.), М. Планком (теория квантов, 1900 г.) и др. Выполненные к началу XX в. работы химиков и физиков, теоретиков и экспериментаторов, вплотную приблизили науку об атоме к проблеме высвобождения ядерной энергии атома.

Атомистика первой половины XX в.

Исследования по радиоактивнос­ти стали проводиться в России поч­ти сразу после открытия Беккереля. Ученые И. И. Боргман (1900 г.) и А. П. Афанасьев исследовали свойст­ва радиоактивного излучения, в част­ности лечебные свойства целебных грязей. В. К. Лебединский (1902 г.) и И. А. Леонтьев (1903 г.) изучали влия­ние радиоактивности на искровые разряды и определили одними из пер­вых природу гамма-лучей. Н. А. Ор­лов исследовал действие радия на ме­таллы, парафин, легкоплавкие орга­нические вещества. Кроме Петербург­ского университета такого рода рабо­ты велись в Медицинской академии, в университетах Новороссийска, Харькова и других городов. Важные результаты в этой области были по­лучены В. А. Бородовским, Г. Н. Антоновым, Л. С. Коловрат-Червинским.

Страницы: 1, 2, 3, 4