Физический институт Кильского университета, где с 1897 года Ф. Ленард был зав. кафедрой и где он сделал свои открытия по катодным лучам.
7 июня 1862 г. – 20 мая 1947 г.
Нобелевская премия по физике, 1905 г.
Немецкий физик Филипп Эдуард Антон фон Ленард родился в Прессбурге в Австро-Венгрии и был единственным ребенком известного потомственного винодела Филиппа фон Ленарда и урожденной Антонии Бауман. Когда Ленард был еще совсем маленьким, его мать умерла, и воспитывала его тетка. Впоследствии она вышла замуж за отца Филиппа.
Его семейство первоначально исходило из Тиролии, имея многовековую родословную.
До девяти лет Филипп учился дома, а затем в школе при городском соборе и прессбургской средней школе. Любимыми его предметами были математика и физика. Школьный курс он дополнял: читал университетские учебники, проводил физические и химические опыты.
Несмотря на интерес Филиппа к естественным наукам, отец настаивал на том, чтобы сын унаследовал винодельческое дело. Он хотел, чтобы сын поступил в технические университеты Вены и Будапешта, где мог бы изучать химию – предмет, имеющий особое значение для виноделия. В 1882 г. Филипп стал работать в фирме своего отца. Через год он на собственные сбережения отправился в Германию, где посещал лекции знаменитого химика Роберта Вильгельма Бунзена
(изобретателя бунзеновской горелки). Эта поездка еще более укрепила его в намерении стать ученым. Он изучал физику последовательно в Будапеште, Вене, Берлине. Зимой 1883 г. Филипп поступил в Гейдельбергский университет, где изучал физику. Он провел четыре семестра в Гейдельбергском и два в Берлинском университетах, где он занимался под руководством таких известных ученых, как Бунзен и физик и физиолог Герман фон Гельмгольц. В 1886 г. в Гейдельберге он защитил диссертацию, за которую ему была присуждена докторская степень с высшим отличием. Работа была посвящена колебаниям капель воды. В течение трех лет после защиты Ф. Ленард работал в Гейдельберге ассистентом у немецкого физика Георга Квинке.Еще учась в университете, во время каникул Ленард вместе со своим школьным учителем физики Виргилом Клаттом проводили исследования фосфоресценции. Они обнаружили, что некоторые материалы фосфоресцируют только в том случае, если содержат следы определенных металлов. Занимаясь другими исследованиями, Ленард продолжал изучать фосфоресценцию на протяжении более чем сорока лет.
Покинув Гейдельберг, Ленард в течение некоторого времени работал в Лондоне и Бреслау (ныне Вроцлав, Польша), а в апреле 1891 г. стал ассистентом
Генриха Герца в Боннском университете.С 1892 он получил должность приват-доцента на кафедре профессора Герца в Боннском Университете, а в 1894 был назначен экстраординарным профессором в Университете Бреслау. В 1895 он становится профессором физики в Aix-la-Chapelle и в 1896 профессором теоретической физики в Гейдельбергском университете. В 1898 он был назначен профессором в Кильском университете.
Герц, снискавший известность экспериментальным открытием электромагнитного излучения, существование которого было предсказано Джеймсом Клерком Максвеллом, обнаружил фотоэлектрический эффект (испускание электрически заряженных частиц поверхностью, на которую падает излучение, в данном случае ультрафиолетовое). Одним из явлений, которыми особенно интересовался Герц, были катодные лучи, доходившие в хорошо откачанной газоразрядной стеклянной трубке от отрицательного электрода (катода) до противоположного конца трубки. Их исследованием занимались многие ученые, среди которых особенно следует отметить английского физика Уильяма Крукса. Загадка катодных лучей привлекла внимание Ленарда в 1880 г., когда он прочитал статью Крукса “Лучистая материя, или четвертое физическое состояние” ("Padiant Matter, or the Fourth Physical State").
Герц и Ленард решили исследовать катодные лучи в более удобной обстановке – вне газоразрядной трубки. Так как Герц обнаружил, что катодные лучи проникают сквозь тонкую алюминиевую фольгу, Ленард изготовил стеклянную газоразрядную трубку с небольшим отверстием у анода (положительного электрода), закрытым такой фольгой (впоследствии такие отверстия стали называть
окошками Ленарда). Поместив на пути катодных лучей вместо обычного воздуха вторую газоразрядную трубку, Ленард сумел получить более длинный пучок лучей, часть которого была изолирована от источника и более удобна для экспериментирования. Отклоняя пучок электрическим и магнитным полями, Ленард показал, что катодные лучи состоят из отрицательно заряженных частиц. Он сумел измерить отношение заряда этих частиц к их массе. Первоначально же Ленард считал катодные лучи нематериальным излучением. Он также обнаружил, что эти частицы проникают в воздух и другие вещества на различную глубину, а поглощение приблизительно пропорционально толщине и плотности поглощающего вещества и что лучи, испускаемые газоразрядными трубками, при большем напряжении, соответствующем большей скорости и энергии частиц, обладают более высокой проникающей способностью.Исследованием катодных лучей Ленард занимался на протяжении двенадцати лет. После кончины Герца
в 1894 г. Ленард стал исполняющим обязанности директора Физического института Боннского университета. Год или два он преподавал в университетах Бреслау, Аахена и Гейдельберга. Затем он получил звание профессора и стал директором физической лаборатории при Кильском университете (1898).Фактически Ленард был первооткрывателем "рентгеновских" лучей и электронов. К 1895 г., когда Вильгельм Рентген заявил об открытии им Х-лучей, работы Ленарда, в которых он фактически сделал это открытие были известны другим физикам, в том числе Рентгену, котрый для проведения своих опытов взял разрядную трубку у Ленарда.
В 1897 г. Ленард вступил в брак с Катариной Шленер.
К 1897 году, когда Дж. Дж. Томсон заявил об открытии электрона, и его открытие получило широкое признание, работы Ленарда с "катодными лучами", то есть с потоками электронов, были уже довольно широко известны специалистам. Сам Ленард называл электрон и катодные лучи “электричеством без материи, электрическим зарядом без заряженных тел”, говорил об “электричестве в чистом виде”.
|
Физический институт Кильского университета, где с 1897 года Ф. Ленард был зав. кафедрой и где он сделал свои открытия по катодным лучам. |
Одним из главных научных достижений Ленарда было произведенное им в 1902 г. экспериментальное наблюдение, согласно которому свободный электрон (он назвал его катодным лучом) должен обладать определенной минимальной энергией для того, чтобы ионизовать газ (сделать нейтральный газ электрически заряженным) путем выбивания из атома связанного электрона. Ленард называл выбитые атомные электроны вторичными катодными лучами.
Он дал весьма точную оценку потенциала ионизации (энергии, необходимой для выбивания электрона) для водорода.В том же 1902 г. Ленард доказал, что фотоэлектрический эффект порождает такие же электроны, которые обнаружены в катодных лучах, а фотоэлектроны не просто высвобождаются из поверхности металла, а вылетают с определенной энергией (скоростью) и что число испущенных металлом электронов возрастает с увеличением интенсивности излучения, но скорости электронов никогда не превосходят определенного предела
.Эти экспериментальные данные использовал Альберт Эйнштейн (1905), который воспользовался для этого также и квантовой теорией Макса Планка. Эйнштейн, вслед за Максом Планком, утверждал, что свет состоит из крохотных дискретных сгустков энергии, получивших впоследствии название фотонов. Энергия фотона пропорциональна частоте света.
В фотоэлектрическом эффекте каждый фотон передает свою энергию электрону, находящемуся в облучаемой поверхности металла, в принципе позволяя электрону “вылететь” из металла. Чем интенсивнее свет, тем больше фотонов и вырываемых электронов, но фиксированная энергия фотона устанавливает предел для скорости каждого электрона.
В 1903 г. Ленард открыл экпериментально, что атом представляет собой в основном пустое пространство.
К такому выводу он пришел, наблюдая, как электроны проходят сквозь окошко Ленарда и проникают сквозь воздух и другие вещества. Ленард предположил, что положительные и отрицательные электрические заряды в атоме (количества которых должны быть равны, чтобы обеспечить его электронейтральность) встречаются тесно связанными парами, которые он назвал динамидами. Концепция Ленард была интересной и представляла значительный шаг вперед по сравнению с прежними взглядами. Но она была неверна, как доказал через восемь лет Эрнест Резерфорд, предложивший модель атома, в которой вокруг очень плотного положительно заряженного ядра на относительно большом расстоянии от него обращаются отрицательно заряженные электроны.Хотя Ленард неоднократно был очень близок к тому, чтобы совершить открытия, которые принесли заслуженное признание другим. Нобелевская премия 1905 г. была присуждена ему “за работы по катодным лучам”. На церемонии вручения премии Арне Линдстедт из Шведской королевской академии наук сказал: “Ясно, что работы Ленарда по катодным лучам не только обогатили наше знание этих явлений, но и во многих отношениях
заложили основу теории электронов”.В 1907 г. Ленард стал преемником Квинке в качестве профессора экспериментальной физики Гейдельбергского университета. В 1909 г. он принял на себя еще и обязанности директора вновь созданного в Гейдельберге
Радиологического института. Наиболее важная работа, выполненная под его руководством в этом институте, была связана со спектральным анализом света, испускаемого возбужденными атомами и молекулами.Репутация Ленарда в научных кругах Германии была очень высока. Сделанный Ленард в 1910 г. доклад об эфире, пронизывающем пространство, – идее, которую постарались дискредитировать политические силы, стоящие за Эйнштейном, который не нашел никаких аргументированных возражений и прилепил ей ярлык “инфантильной”, сразу же подхваченный ангажированной прессой.
Ленард была присуща природная склонность к экспериментальным исследованиям, которые он называл “прагматической истинно германской физикой”, и он питал отвращение к спекулятивным физическим теориям, насыщенным сложным и абсурдным математическим аппаратом, подменяющим физический смысл явлений субъективными и оторванными физической реальности в высшей степени гипотетическими и сомнительными моделями.
Филипп Ленард, будучи не только гениальным экспериментатором, но и великим естественно-научным мыслителем, переосмыслил научное наследие Герца, разделив его на хороший эксперимент и плохую теорию, что подтвердилось в последствии в несоответствии электромагнитной теории Герца фактическому положению дел.
В 1911 - 1913 годах Филипп фон Ленард опубликовал ряд статей с изложением своей теории кольцевого электрона и теории вихревого кванта света (фотона). В своей классической работе "Принцип относительности, эфир, гравитация" он писал:
"...я объяснял, принимая, как это, впрочем, и вообще представлялось вероятным, что в каждой из испускаемых колеблющимся отдельным электроном световых волн заключается только одно кольцо электрических силовых линий, мыслимое в виде отдельного эфирного вихревого кольца. (См. „Ueber Aether und Materie", 1911, S. 19 u. ff. и Untersuchung iiber Phnsphorescenz, Heidelb. Akad., 1913, A 19, S. 34, сноска 61)."
В 1933 г. Ленард получил титул главы германской, физики и стал личным советником главы государства по научным вопросам. В бытность его на этом посту Германия первой достигла безвоздушного космического пространства, запустив в космос межконтанетальные баллистические ракеты V-1 и V-2 разработки Вернера фон Брауна - после второй мировой войны генерального конструктора американской космической программы. С этих же трофейных ракет и заводов фон Брауна начиналась космическая эпопея СССР.
Трагические политические события 20-го века сложилась так, что имя Филиппа Ленарда было скрыто их тенью.
Карл Рамзауэр, ученик и коллега Ленард на протяжении более тринадцати лет, назвал его “трагической фигурой”. Он заметил, что “его достижения имели первостепенное значение, и все же его имя не оказалось тесно или неразрывно связано ни с одной из знаменательных вех в развитии физики”.
Помимо
Нобелевской премии 1905 года, Ленард был удостоен многих наград, в том числе медали Франклина Франклиновского института в 1905 и звания почетного доктора университетов Христиании (ныне Осло) в 1911, Дрездена в 1922 и Прессбурга 1942. В 1933 г. он был награжден высшей наградой Германии - орденом Орла, которой были удостоены всего несколько человек.Среди его научных трудов такие классические работы, как "
Ueber Aether und Materie" (второе издание в 1911), Quantitatives über Kathodenstrahlen (1918), Ueber das Relativitätsprinzip (1918), "Uber Relativitatsprinzip, Ather, Gravitation", выдержавшая много изданий на разных языках, в том числе на русском ("О принципе относительности, эфире, тяготении", Москва, Государственное издательство, 1922)," Grosse Naturforscher" (1923, 1930, 1943), "Deutsche Physik", (1936-1937) .Покинув Гейдельберг в 1945 г., он поселился в деревне Мессельхаузен. Несмотря на многолетнюю работу с рентгеновскими лучами и глубокий моральный стресс, вызванный поражением Германии в войне, Леонард Эдуард Антон фон Ленард, имея идеальную наследственность прожил 85 лет, скончавшись в 1947 году.