Русская Википедия:Ван ден Брук, Антониус
Шаблон:Однофамильцы Шаблон:Учёный
Антониус Йоханнес ван ден Брук (Шаблон:Lang-nl; 4 мая 1870, Зутермер — 25 октября 1926, Шаблон:Не переведено 3) — нидерландский юрист и физик-любитель. Несмотря на отсутствие специального образования, получил несколько результатов, оставивших след в истории науки. Ему принадлежит первая формулировка положения о равенстве порядкового номера элемента в периодической системе заряду атомного ядра. С именем ван ден Брука связано возникновение ранних теоретических представлений о составе ядра, в частности им была предложена протон-электронная модель ядерного строения. В своих работах он неоднократно пытался найти верный принцип расположения элементов в периодической системе и разработать метод вычисления всех возможных в природе изотопов.
Биография
Антониус ван ден Брук родился 4 мая 1870 года в деревне Зутермер близ Гааги в семье, происходившей с одного из прибрежных островов Северного моря. О ранних годах ван ден Брука и его родителях известно очень мало. Отец, Ян Адриан ван ден Брук (Jan Adriaan van den Broek, 1832 — ?), по-видимому, сначала работал деревенским нотариусом, а затем основал нотариальную контору в Гааге. Мать, Виллемина Франсина Нёй (Willemina Francina Nuij, 1830—1912), была образованной женщиной, интересовавшейся естественными науками, и, вероятно, передала этот интерес сыну. В сентябре 1889 года ван ден Брук поступил на юридическое отделение Лейденского университета, с ноября 1891 года в течение двух или трёх лет учился в Сорбонне, а затем вернулся в Лейден, где 22 октября 1895 года защитил диссертацию и получил степень доктора юриспруденции. В его диссертационной работе были затронуты некоторые вопросы совершенствования нидерландского уголовного и торгового кодексовШаблон:Sfn.
После защиты и примерно до 1902 года ван ден Брук работал в конторе своего отца. В 1896 году он женился на Элизабет Маргарете Мауве (Elisabeth Margaretha Mauve, 1875—1948), дочери известного художника Антона Мауве. Уже в следующем году у них родился сын, а в дальнейшем — ещё три дочери. К этому времени относится недолгое увлечение супругов толстовством, они посещали собрания местного толстовского общества. В 1899 году ван ден Брук начал посещать лекции по праву в Амстердамском университете, а после 1902 года отправился за границу, чтобы изучать экономику: сначала в Вене (у профессора Карла Менгера), а затем в Берлине (у Адольфа Вагнера и Густава Шмоллера). Ван ден Брука, по-видимому, интересовали прежде всего философские и математические аспекты экономики, однако его занятия, судя по всему, ограничились общим знакомством с проблемами этой дисциплины и не принесли ему удовлетворенияШаблон:Sfn.
В декабре 1905 — феврале 1906 года ван ден Брук совершил путешествие по Румынии, Греции и Турции. Примерно в это время он начал систематически заниматься естественными науками. Сделать этот вывод позволило счастливое стечение обстоятельств. В конце 1960-х годов академик АН БССР Михаил Ельяшевич обнаружил в Фундаментальной библиотеке АН БССР в Минске несколько рукописных фрагментов, находившихся между страниц одного из выпусков журнала Philosophical Magazine за 1914 год. Изучение этих текстов позволило заключить, что они были написаны рукой ван ден Брука. В результате обследования фондов библиотеки, проведённого в 1978—1979 годах историком Юрием Лисневским, было установлено, что ряд номеров журнала Philosophical Magazine с января 1906 по январь 1924 года принадлежали голландскому учёному. Пометки на полях журнала свидетельствуют, что первый и часть второго номера за 1906 год были прочитаны полностью; пометки на других выпусках указывают на круг основных научных интересов ван ден Брука — радиоактивность, строение атома, рентгеновские лучи. Детальное описание находок — помет и вложений (рукописей, вырезок и так далее) — было проведено Лисневским и позволило значительно расширить представления о жизни и творчестве физика-любителя. Каким образом издания из личной библиотеки ван ден Брука оказались в Минске, до конца не ясно. По-видимому, после смерти учёного его вдова продала журналы, а те попали в Минск после Великой Отечественной войны, когда происходило восстановление разграбленных оккупантами фондов Фундаментальной библиотекиШаблон:SfnШаблон:Sfn.
Как бы то ни было, с марта 1906 года ван ден Брук выписывал журнал Philosophical Magazine, а также, возможно, Nature и Physikalische Zeitschrift. Уже через год интенсивных занятий он написал свою первую научную работу, которая была опубликована в немецком журнале Annalen der Physik. До сих пор остаются неясными причины неожиданного обращения ван ден Брука к естественнонаучной тематике. Согласно предположению Лисневского, основанному на сведениях, полученных от родственников учёного, интерес ван ден Брука к физике проявился достаточно рано под влиянием матери; это подтверждают глубокие познания, которые он проявил уже при написании первой своей статьи и которые едва ли можно было приобрести всего за один год. Однако склонность к научным изысканиям долгое время оставалась нереализованной: на выбор профессии решающее влияние оказала воля отца. Вероятно, около 1900 года отец скончался, и ван ден Брук, почувствовав себя свободным от прежних обязательств, приступил к «поискам себя». Отсюда его временное увлечение экономикой; на смену ему пришли систематические занятия физикой, которым он не изменял до конца жизниШаблон:Sfn.
Несмотря на новые интересы, ван ден Брук по-прежнему выполнял обязанности юриста, связанные в основном с продажей и покупкой земли, строительством и подобными вопросами. В 1903—1911 годах он жил с семьёй в Бур-ла-Рен под Парижем и в Гаутинге под Мюнхеном, в последующие годы — в разных городках Нидерландов (Нордвейк, Горссель, Де-Бильт, Схевенинген), периодически выезжая за границу: любил бывать в Париже, посещал Италию и дважды Испанию. Со студенческих лет он увлекался архитектурой и строительством и в 1920 году построил дом шестиугольной формы, которую считал более рациональной, чем обычные четырёхугольные здания; с друзьями ван ден Брук основал кооперативный посёлок Шаблон:Не переведено 2 под Утрехтом. В сферу его интересов входила и музыка, он хорошо играл на фортепиано. Как писала много лет спустя дочь ван ден Брука, своё увлечение наукой он старался не афишировать: «Он никогда не сообщал о своих занятиях и публикациях. Я не считаю, что он был несчастлив в семье, однако был очень замкнут. Его общественные контакты большей частью ограничивались друзьями по работе. Он всегда был вежливым и добрым в общении. Его здоровье всегда было очень плохим… Я никогда не могла понять, что он делал в течение многих часов, неподвижно уставившись в одну точку. Это раздражало меня. Теперь я могу понять, что он работал — без стола, без бумаг, без карандаша. Только маленький блокнот для заметок и то не всегда»Шаблон:Sfn.
Всего ван ден Брук опубликовал 23 статьи, посвящённые периодической системе элементов, строению атома и явлению изотопии. В них в полной мере проявилось особое умение автора находить количественные соотношения в больших массивах внешне несвязанных данных. По словам известного физика Хендрика Крамерса, «мистерия чисел… была для его одарённой натуры особенно привлекательной». Работы ван ден Брука отличались смелостью идей и гипотез, которые порой кажутся недостаточно согласованными и поверхностными. Учёный, однако, всегда пытался дать высказываемым положениям физическое обоснование, связать их с самыми последними экспериментальными данными. Вместе с тем отсутствие профессиональной подготовки сказывалось на стиле его работ: нарушения логики изложения материала, неудачная структура статей, нечёткость и неоднозначность формулировок затрудняли понимание мысли автораШаблон:Sfn.
По-видимому, у ван ден Брука не было никаких контактов с профессиональными учёными до 1923 года, когда профессора Шаблон:Не переведено 2 из Утрехта и Реммельт Сиссинг (Remmelt Sissingh) из Амстердама рекомендовали принять его в Шаблон:Не переведено 2 в Харлеме. На очередном заседании общества знаменитый Хендрик Лоренц выступил с характеристикой работ ван ден Брука, после чего последний был избран членом этой организации. С этого времени между двумя учёными установилась связь, велась научная переписка. Слабое здоровье ван ден Брука ещё сильнее пошатнулось из-за пережитой личной трагедии: зимой 1917 года погиб его 19-летний сын, провалившись под лёд во время катания на коньках на Зёйдерзе. В конце 1924 года учёный тяжело заболел, у него была обнаружена анемия в запущенной форме. 25 октября 1926 года он скончался в Билтховене, где и был похоронен. Последняя рукопись ван ден Брука была передана его вдовой Лоренцу, однако из-за скорой смерти последнего была опубликована лишь в 1929 году с предисловием КрамерсаШаблон:Sfn.
Научное творчество
Первые работы о периодической системе
Остаются неизвестными причины интереса ван ден Брука к структуре периодической системы элементов. Этот интерес не ограничивался проблемой размещения некоторых элементов в таблице Менделеева, а захватывал и более глубокие вопросы о строении атома. В своей первой работе «Альфа-частица и периодическая система элементов» (Шаблон:Lang-de, 1907) ван ден Брук сформулировал так называемую альфадную гипотезу о структуре периодической системы. Исходным пунктом стали результаты Эрнеста Резерфорда, который в 1906 году измерил отношение заряда к массе альфа-частицы и высказал в этой связи предположение, что альфа-частица может представлять собой целый атом гелия или его половину. Именно половину атома гелия, имеющую заряд 1 и массу 2 (в единицах заряда и массы иона водорода, то есть протона) и названную им «альфоном», ван ден Брук положил в основу построения системы элементов. Увеличивая количество этих структурных единиц, учёный составил таблицу атомных весов и сопоставил её с системой Менделеева. Полученная идеализированная таблица давала общую картину возрастания атомных весов, однако детали описать не могла. Так, атомные веса элементов, известные к тому времени с хорошей точностью, отнюдь не были чётными числами (пропорционально массе альфона), как это получалось у ван ден Брука. Хотя аргументация автора была неубедительной, альфадная гипотеза содержала в неявном виде следующую важную идею: поскольку номер элемента в таблице определялся числом альфонов, а заряд альфона равен 1, то, следовательно, номер элемента равен числу входящих в него элементарных зарядов. Эту мысль ван ден Брук в полной мере осознал лишь много времени спустяШаблон:SfnШаблон:Sfn.
Вторая работа ван ден Брука, «Менделеевская „кубическая“ периодическая система элементов и расположение радиоэлементов в этой системе» (Шаблон:Lang-de, опубликована 15 июня 1911 года), продолжала линию, начатую в его первой статье. Он попытался реализовать идею, вскользь упомянутую Менделеевым ещё в 1869 году, и расположил элементы не в виде плоской таблицы, а в виде параллелепипеда («куба») из восьми мест в ширину, пяти в высоту и трёх в глубину. На этот раз в систему были включены редкоземельные и новые радиоактивные элементы (правда, только испускающие альфа-лучи). Хотя понятие альфона уже не использовалось, математическая основа таблицы была, по существу, той же: вводился «теоретический атомный вес», который принимал чётные значения от 4 до 242. Это отражало взгляды ван ден Брука на понятие периодичности, которое, согласно его определению, соответствует постоянству разности атомных весов соседних элементов. Поскольку в менделеевской системе эти разности постепенно растут (а не остаются равными 2), он искал способ улучшить её и приблизить расположение элементов к своему теоретическому идеалу. Здесь же им впервые была построена зависимость атомных весов от порядковых номеров элементов в периодической таблице, которая, по его мысли, свидетельствовала о преимуществе «кубической» системы. Таким образом, появилась идея порядкового номера, которая в дальнейшем сыграла важную роль в развитии взглядов учёногоШаблон:SfnШаблон:Sfn.
Порядковый номер и заряд ядра
В мае 1911 года была опубликована знаменитая статья Резерфорда, в которой была сформулирована новая (ядерная) модель атома. Согласно оценкам, полученным независимо Резерфордом и Баркла, заряд центрального массивного тела («ядра») приблизительно равен половине атомного веса (<math>Z \approx A/2</math>). Уже 20 июля 1911 года в журнале Nature появился отклик ван ден Брука на работу Резерфорда — заметка «Количество возможных элементов и „кубическая“ периодическая система Менделеева» (Шаблон:Lang-en). Поскольку разность атомных весов соседних элементов в «кубической» системе равна в среднем 2, а количество зарядов каждого знака равно половине атомного веса, то соседние элементы должны отличаться по заряду на единицу. Следовательно, «количество возможных элементов равно количеству возможных постоянных зарядов каждого знака в атоме, или каждому возможному постоянному заряду (обоих знаков) в атоме соответствует возможный элемент». Эта гипотеза прямо выводила ван ден Брука на идею о заряде как основной характеристике химического элемента и об идентичности заряда и порядкового номера. Эта мысль, однако, ещё не была высказана в явном виде, а заметка осталась незамеченной научным сообществом. Причиной, вероятно, была увязка высказанной гипотезы с «кубической» системой элементов, неудовлетворительность которой вскоре стала ясна и самому ван ден БрукуШаблон:SfnШаблон:Sfn. «Таким образом, — писал известный физик и историк науки Абрахам Пайс, — основываясь на неправильной версии периодической таблицы и на неправильном соотношении между <math>Z</math> и <math>A</math>, в физику впервые вошло главенство <math>Z</math> как порядкового номера периодической системы»[1].
1 января 1913 года была опубликована, пожалуй, самая важная в творчестве ван ден Брука работа — статья «Радиоэлементы, периодическая система и строение атома» (Шаблон:Lang-de). Она состоит из двух слабо связанных частей. В первой предлагалась очередная версия периодической системы, значительно приближенная к традиционной менделеевской. В некоторые клетки системы, названной автором «расширенной», включались по два или три элемента. Из радиоэлементов включались только альфа-излучатели: считалось, что поскольку бета-радиоактивность не изменяет массы атома, элемент остаётся тем же. В качестве «теоретических атомных весов» на этот раз использовались предложенные Шаблон:Не переведено 2 числа <math>4n</math> и <math>4n+3</math>, и было проведено их сравнение с экспериментальными данными. Несовпадение этих величин, по словам ван ден Брука, не следует принимать слишком всерьёз, поскольку, возможно, не масса, а внутриатомный заряд является ключевой характеристикой атомной структуры. Детальному исследованию роли заряда посвящена вторая часть статьи. Проанализировав данные экспериментов по бета-радиоактивности, Шаблон:Не переведено 2 и характеристическому рентгеновскому излучению, свидетельствовавших о наличии в атомах нескольких групп электронов, ван ден Брук ввёл понятие порядкового номера (Шаблон:Lang-de) элемента в периодической системе и сформулировал следующую гипотезу: «Порядковый номер каждого элемента в ряду, расположенном по повышающимся атомным весам, равен половине атомного веса и равен внутриатомному заряду». Учёный связал эту гипотезу с известными из опытов сведениями и дал в принципе верную картину атомного строения: периоды таблицы Менделеева соответствуют формированию связанных групп электронов, заполняющих некоторые области внутри атомов. Хотя понятие порядкового номера вводилось ранее в не известных ван ден Бруку работах Джона Ньюлендса и Йоханнеса Ридберга, у голландского физика оно впервые получило физическое содержание — заряд ядра в резерфордовской модели атома. Несмотря на то, что предложенная гипотеза появилась в контексте «расширенной» системы элементов, она не противоречила и данным менделеевской системы, а потому привлекла внимание научного сообщества. Прежде всего, на неё обратил внимание Нильс Бор, который, вероятно, обсуждал её с Резерфордом и прямо сослался на результаты ван ден Брука в своей работе, посвящённой теории атомного строения и опубликованной в сентябре 1913 годаШаблон:SfnШаблон:Sfn.
Что касается «расширенной» системы элементов, то после появления в начале 1913 года правил радиоактивных смещений, сформулированных Казимиром Фаянсом и Фредериком Содди, её следовало признать неверной. К осени ван ден Брук отказался от неё, вернулся к стандартной системе Менделеева и вместе с тем подверг сомнению экспериментальное соотношение <math>Z \approx A/2</math>, отделив его от своей гипотезы. В статье «Внутриатомный заряд» (Шаблон:Lang-en), опубликованной в журнале Nature 27 ноября 1913 года, эта гипотеза получила следующую формулировку: «Если все элементы расположить в порядке возрастания атомных весов, номер каждого элемента в таком ряду должен быть равен его внутриатомному заряду». Подтверждение своей точки зрения он нашёл в данных опытов Ганса Гейгера и Эрнеста Марсдена по рассеянию альфа-частиц на атомах различных элементовШаблон:SfnШаблон:Sfn. Отказ от соотношения <math>Z \approx A/2</math> не только позволял более точно определить внутриатомный заряд, но также требовал пересмотра представлений о строении атомного ядра: если, как тогда считалось, оно состоит из набора альфа-частиц, то для компенсации лишнего положительного заряда приходилось предположить наличие внутри ядра некоторого количества электронов. Всё это находилось в согласии с гипотезой ван ден Брука, как он показал в своей работе «О ядерных электронах» (Шаблон:Lang-en, март 1914)Шаблон:Sfn.
Уже в декабре 1913 года на страницах журнала появились заметки Содди и Резерфорда, которые решительно поддержали выводы ван ден Брука. При этом первый из них ввёл новый термин «изотопы» для элементов, занимающих одинаковое место в периодической системе, а также показал, что явление изотопии и эмпирические правила радиоактивных смещений получают естественное объяснение в контексте гипотезы ван ден Брука. В работе же Резерфорда впервые появилось понятие «атомный номер» (Шаблон:Lang-en) для характеристики положения элемента в таблице Менделеева. Убедительным свидетельством в пользу гипотезы о порядковых номерах стали классические эксперименты Генри Мозли по определению частот характеристического рентгеновского излучения. Эти опыты, первые результаты которых были представлены в декабре 1913 года, проводились под непосредственным влиянием работ ван ден Брука и при поддержке РезерфордаШаблон:Sfn. В статье «Ординалы или атомные числа?» (Шаблон:Lang-en, октябрь 1914) ван ден Брук показал, что «ординалы», порядковые числа, предложенные Ридбергом и превышающие на две единицы атомные номера Мозли, не дают такого хорошего объяснения экспериментальным данным, как последние. Многочисленные проверки, проведённые в последующие годы различными методами, свидетельствовали, что заряд ядра действительно увеличивается на единицу от элемента к элементу в полном соответствии с гипотезой ван ден БрукаШаблон:Sfn.
Следует отметить, что открытие атомного номера часто приписывается Бору или Мозли, хотя они никогда не претендовали на приоритет и в своих работах того времени всегда ссылались на ван ден Брука. Недооценка вклада голландского физика-любителя, вероятно, проистекает из недостатка сведений о его жизни и творчестве, большой «плотности» событий в науке в районе 1913 года, что зачастую затрудняло разделение результатов разных учёных; сыграл свою роль и трагический ореол, окружающий фигуру МозлиШаблон:Sfn. Как писал Шаблон:Не переведено 2, специалист по истории периодической системы: Шаблон:Начало цитаты Открытие атомного номера даёт повод для небольшого отступления о том, как история науки зачастую переписывается и вычищается последующими комментаторами. Настоящим первооткрывателем был учёный-любитель Антон ван ден Брук, чьим вкладом обычно пренебрегают. Часто думают, что ван ден Брук лишь подвёл итог работы физиков Резерфорда и Баркла, но подлинная история совершенно иная. Шаблон:Oq Шаблон:Конец цитаты
Строение атомного ядра
Выдвинув ядерную модель атома, Резерфорд в работах 1911—1912 годов фактически не затронул проблему строения ядра, ограничившись упоминанием альфа-частиц как возможного его компонента. Ван ден Брук в своей статье от 1 января 1913 года впервые высказал конкретные соображения о составе центрального тела атома. Исходя из общих соображений, он предположил, что помимо альфа-частиц, комбинации которых явно недостаточно для объяснения наблюдаемых атомных весов, ядро может включать ион легчайшего атома — водорода (то есть протон), а также дополнительные электроны для компенсации избыточного положительного заряда. В таком случае сама альфа-частица (ядро гелия) должна состоять из четырёх ионов водорода и двух электронов. Более того, для объяснения отклонения атомных весов от целых чисел ван ден Брук предположил, что в ядро могут входить и другие, ещё не открытые компоненты с единичным положительным зарядом, но массой меньшей, чем у протона. В этой же статье содержался и другой важный вывод: поскольку размер ядра, как показал Резерфорд, очень мал по сравнению с размером всего атома, то структура центрального тела не должна оказывать влияния на свойства атома; важен лишь итоговый заряд ядра. Этот вывод вскоре был поддержан Бором и использован им при создании теории атомного строенияШаблон:Sfn.
В упоминавшейся работе «Внутриатомный заряд» ван ден Брук на основе своей гипотезы привёл аргументы в пользу того, что заряд ядра должен быть меньше половины атомного веса, то есть <math>Z < A/2</math>. Это свидетельствовало о том, что помимо альфа-частиц ядро должно содержать электроны (бета-частицы) для компенсации излишнего положительного заряда. Предполагалось, что эти электроны ответственны за бета-радиоактивность. В статье «О ядерных электронах» учёный высказал соображения об ионе водорода как компоненте ядра; впервые он показал, что если считать атомный вес целым числом, центральное тело атома можно представить состоящим из <math>A</math> ионов водорода и <math>A-Z</math> ядерных (компенсирующих) электронов. Эта гипотеза, чётко сформулированная ван ден Бруком, означала рождение протон-электронной модели ядра, которая в дальнейшем развивалась Резерфордом и другими исследователями и оставалась общепринятой на протяжении почти двадцати лет, до открытия нейтронаШаблон:Sfn.
На протяжении нескольких следующих лет ван ден Брук пытался использовать полученные им результаты для углубления представлений о строении атома и высказал в этой связи несколько идей, которые в итоге не были приняты в физике. В частности, им была построена так называемая «сжатая» периодическая система с улучшенным расположением элементов, сформулированы представления о «внутризарядовых числах» и о возможном расположении электронов в кольцах вокруг ядра. В предложенной им в 1915 году модели атома предполагалось, что помимо положительного ядра в атоме присутствуют нейтральные частицы гелия, которые не вносят вклад в общий заряд ядра и которые ответственны за альфа-распад. Вероятно, это было первое упоминание нейтральных частиц в ядре, однако влияние этой гипотезы на развитие представлений о нейтроне не установленоШаблон:Sfn.
Изотопия
Последние работы ван ден Брука были посвящены проблеме изотопии. Учёный поставил себе цель — теоретически определить стабильные изотопы всех химических элементов. Использованный им в мае 1916 года метод сводился к перенесению схемы распада радиоактивных рядов на всю периодическую систему. Такая <math>4\alpha/2\beta</math>-схема (испускание четырёх альфа- и двух бета-частиц) позволила ему получить атомные веса изотопов всех элементов, многие из которых, однако, впоследствии оказались лишними; другие реальные изотопы были пропущены. В последующем учёный пытался детализировать и уточнить свою схему, чтобы построить «всеобщую систему изотопов», однако в целом метод расчёта оставался сложным и искусственным и не позволял правильно предсказать все известные сегодня изотопы. Как считается в настоящее время, существующие в природе изотопы не удаётся описать одной или несколькими распадными схемамиШаблон:Sfn.
Список опубликованных работ ван ден Брука
Известны 23 научные публикации Антониуса ван ден Брука, все написаны без соавторов:
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
Примечания
Литература
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Книга
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Шаблон:Статья
- Книга:Храмов Ю. А.:Физики
- Шаблон:Статья
Шаблон:Библиоинформация Шаблон:Хорошая статья
