Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям - Александр Никонов

Мама ртом пускает воздушную волну, она воздействует на ваши барабанные перепонки, а вы старательно делаете вид, что не слышите, как она зовет вас убирать игрушки или спать. Потому что спать вы еще не хотите, а убирать игрушки вообще бессмысленное и даже вредное дело, они и так лежат там, где должны – на полу, под рукой. Так что лучше мамину звуковую волну не слушать, а почитать эту книгу. В конце концов, если ей нужно, пусть сама уберет. А вы ей это вредное дело, уж так и быть, простите, ибо великодушие ваше безмерно.

В общем, волна всегда распространяется в чем-то. А если ничего нет, то и волны быть не может – на чем же ей распространяться, коли нету ничего! Колебаться-то нечему! А на нет, как говорится, и суда нет.

Но раз так, то по чему, по какой такой среде распространяется свет, если он волна? Явно не по воздуху. Потому что свет может распространяться и в космосе, далеко от Земли, где земная атмосфера заканчивается. Именно так, через пустоту космическое излучение и прилетает на нашу планету. Как же оно по пустоте распространяется, если пустота – это ничто, а значит не по чему волнам распространяться! Но лучи от Солнца запросто доходят!

И с чего вообще эти ученые, которые спорили с Ньютоном, взяли, что свет – это волна? Что за странная идея вообще?

А эти ученые-физики занимались изучением волн – разных. Они исследовали свойства волн. И нашли, что у волн тоже есть свойства. Ну, например, скорость распространения. Скорость волны в среде определяется свойствами этой среды – чем плотнее среда, тем быстрее бегут по ней волны. Скорость звука в воздухе – 330 метров в секунду. Зная ее, можно определять, насколько далеко от вас вспыхнула молния на небе. Если после вспышки молнии звук грома донесся до вас через 5 секунд, значит, молния ударила примерно в полутора километрах:

330 × 5 = 1650 метров = 1,65 км

А вот в металле скорость звука значительно выше, чем в газе. Если вы ударите молотком по стальному рельсу, то звуковая волна по нему побежит со скоростью примерно 5000 м/с. Пять километров в секунду!

Кроме того, у волн оказались и разные другие свойства. Например, волны могли складываться или, напротив, гасить друг друга, создавать разные причудливые картины в зависимости от разных условий.

И вот все эти свойства волн физики обнаружили у света! Значит, свет – это волна, решили они. И значит, никакой пустоты в космосе нет, а есть особая среда – мировой эфир, по которому бежит волна, которую мы воспринимаем как свет. Вот так вот, милейший Ньютон!..

О том, кто оказался прав – Ньютон или его оппоненты, мы поговорим позже. А сейчас нам надо просто знать, что к концу позапрошлого века у физиков было довольно примитивное понимание: в мире существуют лучи и вещество. Вещество при этом состоит из атомов. А атомы – из положительных и отрицательных зарядиков. Нейтроны тогда еще не были открыты, хотя наука всячески пыжилась, изучая вещество, и вот однажды столкнулась с явлением распада этого самого вещества. Позже процесс распада вещества назвали радиоактивностью.

Обычно, рассказывая об открытии радиоактивности, говорят о Марии Склодовской-Кюри. Не будем и мы отказываться от этой хорошей традиции. Тем более, что женщина в науке – явление редкое, как изотоп, и потому достойное тщательного разглядывания через лупу.

Мария считается французским физиком, но происхождения она польского, так как родилась в Варшаве. А поскольку Варшава тогда была под управлением Москвы, можно по праву сказать, что она – наша соотечественница, то есть подданная Российской империи, которой тогда принадлежала Польша. Соответственно, Маша прекрасно говорила по-русски. Причем есть еще сведения (правда, оспариваемые), что предками Марии были евреи. Иными словами, целых четыре страны могут сегодня гордиться Марией – Россия, Польша, Израиль и Франция. Ее портреты красовались на польских и французских деньгах, а памятники Марии Склодовской-Кюри ныне стоят и в Польше, и во Франции.

Польские женщины, как правило, красивые, а еврейские умные. Не была исключением и Мария. Правда, несмотря на хорошую голову, проявиться ее таланту поначалу было негде: родилась Мария в бедной многодетной семье. Ей стукнуло 11 лет, когда мать умерла от туберкулеза, и отец, работавший преподавателем физики в гимназии, выбивался из сил, чтобы прокормить пятерых детей.

Но Марии повезло. Училась она хорошо, ей страшно нравилась химия, а другом ее отца был… угадайте кто? Менделеев. Он заметил талантливую девочку и сказал, что ее ждет великое будущее. Это напутствие весьма вдохновляло, однако финансов не прибавляло – денег на университет у Марии все равно не было. Поэтому она договорилась с сестрой, и они по очереди работали несколько лет, чтобы дать возможность друг другу получить образование – работающая сестра платила за ту, которая учится. Сначала отучилась сестра Марии, а Мария, работая гувернанткой, обеспечивала ее. А когда сестра выучилась на врача и начала работать, то стала в свою очередь оплачивать учебу Марии. Ловкие девки!

В Варшаве тогда женщин в университет не принимали, поэтому обе сестры учились в Париже. Мария там же вышла замуж и больше никуда из Франции не уезжала. Потому что во Франции хорошо.

Мужем Марии стал физик Пьер Кюри. Менять фамилию молодая жена не стала и потому вошла в историю науки под двойной фамилией – как Мария Склодовская-Кюри. Исследования они с мужем проводили вместе. Пьер вскоре защитил диссертацию и стал доктором наук, а Мария, родив дочь, тоже начала искать тему для научной работы. Чем заняться?

В ту пору в Европе стоял большой шум вокруг удивительных открытий Беккереля и Рентгена. В особенности Рентгена, конечно. Все газеты тогда взахлеб писали о новом чуде, которое наука в лице Рентгена подарила человечеству.

Вы, конечно, знаете, что открыл Рентген. Он открыл рентгеновские лучи, с помощью которых теперь врачи просвечивают человека и делают рентгеновские снимки, на которых прекрасно видны переломы костей, проглоченные пуговицы и прочие болячки. Сейчас это дело привычное – подумаешь, рентгеновский снимок!

А тогда весь мир был буквально шокирован – ни хрена себе! Можно видеть сквозь непрозрачные вещи, просветив их особыми лучами и сделав фотоснимок!

Газеты в ужасе писали, что теперь хулиганы будут видеть голых дам прямо на улице, сквозь одежду, просвечивая их чудо-лучами. На полке одного книжного магазина в Германии стоял снимок просвеченной рентгеновскими лучами человеческой кисти – ясно виднелись кости и золотое кольцо, надетое на палец. Это была рука супруги Рентгена.

К тому времени люди уже давно экспериментировали с электричеством и научились получать потоки свободных электронов в вакууме, то есть в пустоте. Из стеклянной колбы откачивался воздух, при этом в колбу были впаяны с двух сторон металлические электроды, на них подавалось высокое напряжение, и один из электродов начинал испускать поток электронов. От этого электрода (катода) поток электронов летел через пустоту лампы к другому электроду (аноду).

Так вот, Рентген заметил, что эти электроны, бомбардируя железяку анода, производят некое излучение, которое проникает через непрозрачные материалы и может засвечивать фотопластинки. То есть, направив эти загадочные лучи, например, через человеческую руку на фотопластинку, можно получить фотографию просвеченной человеческой руки!

Рентген начал проводить опыты и обнаружил, что эти лучи проникают и через черную бумагу, и через доску толщиной в 3 сантиметра, и даже через лист алюминия.

Ну, конечно, это было удивительно! Еще бы! Нашлись, кроме привычных лучей видимого света, еще и невидимые, но очень проникающие лучи, для которых прозрачны те вещества, которые непрозрачны для обычных солнечных лучей. Рентген назвал их Икс-лучами.

Рентгеновский снимок и рентгеновская лампа. Электроны бомбардируют анод и генерируют лучи

Все сразу кинулись эти лучи исследовать, и за год учеными было опубликовано больше тысячи работ, посвященных загадочным лучам. Тут же придумали использовать их в медицине.

Об открытии Рентгена узнал физик Беккерель, который проводил разные эксперименты с солями урана. Уран – это редкий и очень тяжелый металл (тяжелее золота и свинца), а соли урана – это соединения урана с другими химическими элементами; точно так же, как поваренная соль – соединение металла натрия с хлором.

Присутствовавший на рентгеновских опытах Беккерель обратил внимание, что под воздействием пучка электронов обычное стекло начинает светиться зеленым светом. Он знал, что соли урана тоже могут светиться красивым зеленоватым светом под воздействием прямых солнечных лучей. «А вдруг они при этом, кроме зеленого света, и другие лучи излучают, например, рентгеновские?» – внезапно подумал он. И решил проверить свое предположение.