Текст книги "По ту сторону кванта"
Автор книги: Леонид Пономарев
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 22 страниц)
В 1865 году, когда появились работы Йозефа Лошмидта, об атомах знали немного: их представляли себе твёрдыми шариками размером примерно 10−8 см и весом от 10−24 до 10−22 г. Каждому такому «шарику» можно приписать «атомный вес» – число, которое показывает, во сколько раз он тяжелее атома водорода. Например атомный вес кислорода равен 16, а гелия – 4. Отсюда просто заключить, что в 1 г водорода, в 4 г гелия или в 16 г кислорода (или, как принято говорить в химии, в одном грамм-атоме любого вещества) содержится одинаковое число атомов водорода гелия кислорода. Это число N=6,02∙1023 – число Авогадро – мы уже однажды приводили.
Йозеф Лошмидт
Представлений об атомах – твёрдых шариках – было достаточно для объяснения многочисленных фактов из химии, теории теплоты и строения материи. Однако уже к 1870 году вполне оформилась мысль, что атом состоит из ещё более простых частиц, и физики принялись их искать. Прежде всего они стали исследовать электрические свойства атома.
Все вещества, как правило, электрически нейтральны. Однако при некоторых условиях они обнаруживают электрические свойства, например, если натирать стекло шерстью, янтарь – шёлком и тому подобное. Особенно отчётливо они проявляются в явлениях электролиза.
Если в расплав какой-либо соли (скажем, поваренной – NaCl) опустить два электрода и подключить их к полюсам батареи, то в расплаве произойдут изменения: на катоде (электрод, который подключён к отрицательному полюсу батареи) начнёт выделяться чистый металл натрий, на аноде – газ хлор. Это означает, что в расплаве атомы натрия заряжены положительно, а атомы хлора – отрицательно, и поэтому под действием электрического поля они двигаются в противоположных направлениях.
Майкл Фарадей (1791–1867) в 1834 году установил количественные законы этого явления. Оказалось, что если через растворы различных веществ, молекулы которых построены из одновалентных атомов, пропускать одно и то же количество электричества, равное 96521 кулону, то на электродах всегда выделяется ровно по одному грамм-атому вещества. Например, из расплава поваренной соли выделится 23 г металла натрия и 37,5 г газа хлора.
Закон электролиза Фарадея легко понять, если предположить, что в расплаве NaCl с каждым атомом связан определённый заряд, причём для ионов Na+ и Cl− эти заряды равны и противоположны по знаку. (Название ион – «странник» – таким «заряженным» атомам дал Фарадей.) Заряд, который переносит один ион, равен e=4,802∙10−10 CGSE (электростатических единиц электричества).
Это значение очень мало, но мы уже немного привыкли к таким малым величинам. Более удивительно другое: заряда, меньшего, чем этот элементарный заряд e, обнаружить не удалось. С лёгкой руки Джонстона Стонея (1826–1911) в 1891 году это наименьшее количество заряда получило название «электрон».
ЭЛЕКТРОНЫПервоначально с этим словом не связывали понятия о частице. Оно служило лишь для обозначения того наименьшего количества заряда, которое может переносить с собой ион любого атома. Однако подспудно мысль о том, что электрон – частица, всегда жила. Действительно, проследите мысленно процесс электролиза: вот ион натрия (Na+), двигаясь в растворе под действием электрического поля, подходит к катоду; на катоде избыток отрицательных зарядов, поэтому в момент, когда ион Na+ его касается, он забирает от катода один отрицательный заряд и, не меняя веса, выделяется в виде нейтрального атома натрия.
Попробуйте теперь вообразить сам момент перехода отрицательного заряда от катода к иону Na+: что добавляется к иону, когда он, не меняя веса, становится нейтральным?
Представить себе этот процесс довольно трудно, если не предполагать при этом, что элементарный заряд может существовать и вне атома. Эту трудность сознавали, конечно, все, но признать атомарное строение электричества было ещё труднее, ибо при этом рушились удобные и привычные представления об электричестве как о некоем тонком флюиде, который без труда проникает во все тела.
В 1881 году на собрании Лондонского химического общества, посвящённом чествованию памяти Майкла Фарадея, Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (1821–1894) прочёл доклад «Современное развитие взгляда Фарадея на электричество». В этом докладе Гельмгольц впервые отчётливо сформулировал мысль о «молекулярном строении электричества». Конечно, сама по себе эта мысль даже в то время не была новой.
Ещё в 1749 году великий американец Бенджамен Франклин подозревал нечто похожее, но тогда его догадка ни на чём, в сущности, не была основана, а потому и не привела к новым – следствиям. В 1871 году к мысли Франклина возвратился немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер (1804–1891), но сочувствия не встретил: в его время об электричестве знали уже так много, что на веру гипотез не принимали – знание предполагает ответственность. Нужны были экспериментальные доказательства идеи об электроне. Их стали искать в явлениях проводимости газов.
Бенджамен Франклин
Представьте себе стеклянную трубку, наполненную каким-либо газом (например, неоном) и запаянную с обоих концов вместе с проволочками (обычно – платиновыми). Если мы обе эти проволочки присоединим к разным полюсам батареи: одну к отрицательному (катоду), а другую – к положительному (аноду), то по цепи пойдёт ток. Совершенно так же, как и в случае с электролитом. Вероятно, именно эта аналогия с явлениями электролиза и побудила в своё время (в 1838 году) Майкла Фарадея построить прообраз такой трубки («электрическое яйцо» Фарадея). Как мы увидим позже, аналогия была чисто внешней, но и само по себе явление проводимости газов было настолько интересным, что многие исследователи посвятили жизнь изучению его свойств.
Примерно в середине прошлого века Юлиус Плюккер (1801–1868) (это имя знакомо теперь каждому математику) оставил свои занятия геометрией, которые не нашли признания среди современников, и увлёкся опытной физикой. Когда вы следите за игрой световых реклам, вы обязаны этим зрелищем профессору математики в Берлине и Бонне. Именно Плюккер в 1858, году изобрёл эти светящиеся трубки. (Обычно их называли Гейслеровыми, по имени знаменитого стеклодува Генриха Гейслера, который был техническим ассистентом Плюккера и научился особенно искусно их изготовлять; а ещё полвека спустя их повсеместно называли трубками Крукса).
Прежде всего Плюккер установил, что проводимость газа зависит от его концентрации в трубке и возрастает, если часть газа из трубки откачать. При этом каждый газ начинает светиться своим характерным цветом, так что по цвету свечения можно определить состав газа в трубке. (К этому выводу Плюккер пришёл даже раньше Кирхгофа и Бунзена, но не понял его значения.) Если увеличивать разрежение в трубке, то вблизи катода появляется тёмное пространство («катодное пятно»), которое при дальнейшем откачивании газа из трубки расширяется и наконец заполняет её всю: трубка перестаёт светиться. Но это тёмное пространство живёт, его пронизывают какие-то «лучи», хоть и невидимые для глаза (как невидима летящая пуля, пока не встретит препятствия на своём пути).
Плюккер
Ученик Плюккера Евгений Гольдштейн (1850–1931) в 1876 году дал им название: катодные лучи. Ещё раньше, в 1869 году, другой его ученик, Иоганн Вильгельм Гитторф (1824–1914), обнаружил отклонение этих лучей в магнитном поле, и наконец в 1879 году Кромвель Вэрли (1828–1883) показал, что они заряжены отрицательно.
Поставьте себя на место этих исследователей: 70-е годы XIX столетия, у вас в руках набор интересных фактов, однако связи между ними не видно. С одной стороны, явление проводимости газов очень напоминает процессы электролиза, но, с другой стороны, происходят вещи совсем непонятные: например, проводимость растёт с уменьшением концентрации газа в трубке. Кроме того, обнаружен только поток отрицательных «лучей» и не обнаружено положительных.
Нужна была руководящая идея.
Такая идея возникла после блестящих опытов, которые поставил Уильям Крукс – английский физик и химик. Это был интересный человек, наделённый к тому же редким даром – предвидеть фундаментальные открытия. Крукс нигде не служил и всецело был предан науке (что не помешало ему, однако, верить в спиритизм и в 1913 году стать президентом Королевского общества).
Прежде всего, он гораздо сильнее откачал воздух из трубки. При этом от катода отделилось ещё одно, более тёмное пространство, которое также постепенно заполнило всю трубку, после чего анод вспыхнул зеленоватым светом. Тот день 1878 года, когда это произошло, можно считать днём рождения электронно-лучевой трубки – основной части современного телевизора. Уже за одно это Круксу обеспечено признание потомков. Но для самого Крукса это было только началом – он стал тщательно изучать свойства излучения, которое он называл лучистой материей (этот термин ввёл всё тот же Фарадей ещё в 1816 году). Крукс чувствовал, что столкнулся с совершенно новым явлением природы, и предлагал назвать его «четвёртым состоянием вещества», которое «ни жидко, ни твёрдо, ни газообразно». Он писал:
«Изучая четвёртое, лучистое состояние материи, мы, как мне кажется, имеем под руками и в сфере наших исследований те первичные атомы материи, из которых, как вполне основательно предполагают, состоят все тела природы. Мы видим, что лучистая материя по одним своим свойствам так же материальна, как вот этот стол, по другим – она скорее похожа на лучистую энергию. Мы действительно коснулись той пограничной области, где материя и энергия переходят друг в друга. Я думаю, что величайшие задачи будущего, найдут своё разрешение именно в этой пограничной области; более того, здесь, как мне кажется, лежит граница всего реального мира».
Чтобы оценить смелость Крукса, надо вспомнить, что в то время весь мир разделяли на материю и эфир, причём две эти его части считали противоположными и несовместимыми: с материей отождествляли частицы, а с эфиром – среду, колебания которой мы воспринимаем как лучи света.
Таким образом, лучистая материя Крукса должна была совмещать в себе свойства несовместимые: луча и частицы. Через полстолетие все могли убедиться, на сколько он был прав, но в то время (по словам Оливерa Лоджа – современника и соотечественника Крукса) —
«…предположение Крукса имело судьбу тех проблесков мысли, которые иногда разрешаются авторам, но подвергаются насмешкам со стороны ортодоксальной науки их времени».
Независимо от смысла, который Крукс вкладывал в понятие «лучистая материя», он бесспорными опытами обнаружил у неё такие свойства: она распространяется прямолинейно; вызывает свечение тел и может их даже расплавить; отклоняется в электрическом и магнитном полях; проникает сквозь твёрдые тела, а в воздухе проходит путь 7 см, в то время как атомы – только 0,002 см.
Опираясь на эти факты, Уильям Крукс утверждал: катодные лучи, или лучистая материя, есть поток быстрых отрицательных частиц, величина которых значительно меньше размеров атомов.
Легко убедиться, что высказанная гипотеза проясняла все свойства катодных лучей. В частности, ею можно легко объяснить появление тёмного пространства у катода: его величина определялась просто средним расстоянием, которое пролетают электроны, не сталкиваясь с атомами газа. Очевидно, это расстояние растёт по мере выкачивания газа из трубки. Но главное значение гипотезы в другом: именно она стала той руководящей идеей, которая позволила почувствовать себя устойчиво в море фактов, накопленных к тому времени.
Физики знали теперь, куда идти и что искать: необходимо было выделить «атом электричества» и определить его свойства: заряд, массу и размеры.
На это понадобилось почти 20 лет и усилия таких больших физиков, как Джозеф Джон Томсон (1856–1940), Джон Таунсенд (1868–1957), Вильгельм Вин (1864–1928), Джордж Фитцжеральд (1851–1901), Эмиль Вихерт (1861–1928), Жан Перрен (1870–1942), Роберт Эндрюс Милликен (1868–1953). У нас нет возможности рассказать сейчас об остроумии и тонкости опытов, которые придумали эти и многие другие учёные. Поэтому проследим просто, как гипотетический «атом электричества» обретал постепенно реальные свойства, пока не стал, наконец, основой физики.
Прежде всего Жан Перрен в 1895 году окончательно доказал: заряд катодных лучей отрицателен. В течение последующих двух лет выяснили: их скорость равна примерно одной десятой скорости света, то есть примерно в 10000 раз больше скорости ружейной пули и скорости теплового движения атомов. Кроме того, эти и все остальные свойства лучей не зависят от состава газа в трубке. А это означало, что катодные частицы – непременная составная часть всех атомов.
И наконец, в 1897 году Дж. Дж. Томсону удалось определить заряд e и массу m отдельного «атома электричества».
Оказалось, что масса этих частиц (≈10−27 г) примерно в тысячу раз меньше массы атома водорода, а заряд (e≈5∙10−10 CGSE) почти точно равнялся тому заряду иона водорода, который был измерен при изучении электролиза.
Это было неожиданно. Посудите сами: явления электролиза и проводимости газов изучали разные науки, которые развивались независимо друг от друга, и в них на протяжении десятилетий сформировались свои понятия. И вдруг они оказались тесно связанными.
«Такие факты в истории науки, – говорил ученик Планка нобелевский лауреат Макс Лауэ, – самое сильное доказательство её истинности».
Для физиков такие события всегда праздник, и мы ещё посетим подобные перекрёстки науки.
История электрона – хороший способ усвоить логику открытий нынешней физики: исходя из наблюдений, учёные выдвигают на их основе гипотезы, которые вновь проверяют опытом, и, наконец, этот процесс завершается теорией, то есть сжатым, объяснением частных явлений на основе немногих общих принципов. Гипотеза об электроне возникла из наблюдений Фарадея, Плюккера и Крукса. Плодотворность её была проверена и доказана в опытах Дж. Дж. Томсона и других физиков.
И наконец, Гендрик Антон Лоренц (1853–1928) настолько поверил в реальность электрона, что создал на основе этой гипотезы теорию, следствия из которой вновь можно было проверить.
Процесс этот беспределен, но это единственный способ движения науки.
Возвратимся, однако, в 1897 год, когда после сорокалетних усилий получила права гражданства первая «элементарная частица» – электрон. Это было самое важное событие в физике со времени признания реальности атома. В тот год узнали, что существуют частицы значительно меньше атомов, что они входят в состав всех атомов; что не только материя, но и электричество имеет атомистическую структуру. Всё это означало, что в природе реально существует материальный носитель наименьшего заряда.
Как и атом, электрон признали далеко не сразу. Ещё в 1902 году Оливер Лодж писал:
«…электрон – это чисто гипотетический заряд, изолированный от атома».
И даже в 1920 году великий Рентген запрещал сотрудникам своего института произносить это слово.
Сейчас эти сомнения трудно понять.
Физики, сразу поверившие в реальность электронов, тщательно измеряли его характеристики: заряд e и массу m. Благодаря их трудам (особенно трудам Роберта Милликена, который с 1909 по 1940 год периодически возвращался к этой задаче) мы сейчас знаем эти числа с большой точностью: m=9,1083∙10−28 г, e=4,80274∙10−10 CGSE.
А размер? Каковы размеры электрона? Увы, нам это неизвестно до сих пор. Мы не знаем даже, имеет ли вообще этот вопрос чёткий смысл. В самом деле, о свойствах электрона мы узнаём, изучая его взаимодействия с другими частицами и полями. Но для понимания результатов всех этих опытов нам достаточно знать только массу и заряд электрона и совершенно ни к чему знать его размеры. Не исключено, что такого свойства у электронов и вправду нет. Ведь нельзя же указать толщину экватора, хотя длину его измерить можно. Или, быть может, величина электрона зависит от условий опыта? Такую возможность тоже нельзя отрицать заранее; ведь изменяет же комета свои размеры, приближаясь к Солнцу, хотя масса её при этом остаётся постоянной. Всё это не праздные вопросы и мы к ним ещё возвратимся.
АТОМЫ, ЭЛЕКТРОНЫ, ЛУЧИМы только что повторили тот сложный участок пути, который прошли исследователи в конце прошлого столетия. Это было время, когда обилие новых явлений заслоняло простые связи между ними. Когда нужна была большая вера в гармонию природы, чтобы не потеряться в хаосе пёстрых фактов и разноречивых гипотез.
Истинно великое открытие не только отвечает на старые вопросы, но и порождает новые. Открытие электрона вызвало воодушевление физиков. Однако вскоре на смену ему пришли новые заботы. Как электроны связаны в атоме? Сколько их там? Покоятся они или движутся? И как их движения связаны с излучением атомов?
Открытие электрона
Форма и характер вопросов менялись, но постепенно все они свелись к задаче: необходимо узнать число, размеры и расположение электронов, в атоме, а также их влияние на процессы излучения.
Никто при этом не задумывался, имеют ли вообще такие вопросы смысл. В то время все молчаливо представляли себе электрон маленьким шариком диаметром 10−13 см, который «как-то» закреплён внутри атома.
Для начала хотели понять главное: почему атом излучает спектральные линии строго определённой длины волны и почему этих линий так много (у атома железа, например, только в видимой части спектра свыше 3000). Как всегда, если нет глубоких идей, мыслили аналогиями. Все хорошо помнили, что частота колебаний пружины с грузиком зависит от её упругости, следовательно, рассуждала часть физиков, и в атоме электроны связаны «какими-то» пружинами различной упругости. Когда мы возбуждаем атом, электроны начинают колебаться и при этом излучают свет с частотой колебания пружинок. Отсюда, по мысли Локьера, сразу следовало, что число электронов в атоме равно числу линий в спектре элемента. Кроме того, атом с подобным устройством будет наиболее охотно поглощать именно те лучи, которые он сам испускает. Но ведь именно это и обнаружили Кирхгоф и Бунзен в своём знаменитом опыте с парами натрия!
Несмотря на успехи модели атома с упруго связанным электроном, многие понимали её логическое, или, точнее, эстетическое, несовершенство. А вскоре обнаружили и прямые противоречия с опытом. Дж. Дж. Томсон, изучая рассеяние рентгеновых лучей на атомах различных элементов, пришёл к выводу, что число электронов в атоме сравнительно невелико и примерно равно половине атомного веса элемента. В 1904 году он предложил свою модель атома, развив гипотезу однофамильца Уильяма Томсона (лорда Кельвина): внутри положительного равномерно заряженного атома-шара диаметром 10−8 см плавают отрицательные электроны, квазиупруго с ним связанные. Число электронов равно заряду шара, так что в целом атом оказывается нейтральным, как это и должно быть.
В начале нашего века почти все физики приняли модель Томсона, и лишь немногие из них предлагали другие модели. Но, несмотря на частные разногласия, все чувствовали: в науке об атоме наступает новая эпоха.
ВОКРУГ КВАНТАРодился У. Крукс в семье торговца на Риджен-стрит в Лондоне. Был он старшим из 16 детей от второго брака, и было ещё 5 детей от первого. Как он сам говорил, в его семье вряд ли знали слово «наука», и первоначальное образование он получил у дяди, книжная лавка которого находилась рядом с магазином отца.
В 19 лет он оканчивает только что открытый Королевский химический колледж и работает ассистентом в том же колледже. Одновременно он посещает в Королевском институте лекции Фарадея, которые произвели на него незабываемое впечатление.
В 1861 году он открыл элемент таллий, а в 1869 году его избрали членом Королевского общества, где 30 ноября 1878 года он докладывал его членам о свойствах катодных лучей.
Ходит упорный слух, что он был близок к открытию рентгеновых лучей. Дело в том, что во время экспериментов с катодными лучами он постоянно обвинял компанию Ильфорда в том, что она поставляет ему засвеченные фотопластинки. (Как мы теперь понимаем, рентгеновы лучи, возникающие при столкновении электронов со стенками трубки, вполне могли засветить фотопластинки даже в закрытой коробке.) Слух не подтверждён, во всяком случае сам Крукс об этом нигде не упоминал публично.
Крукс был удивительно богатой натурой: изобретатель, издатель журнала «Химические новости» и чистый исследователь в одно и то же время. Человек он был приветливый, уравновешенный, преданный своей семье и осмотрительный с людьми посторонними.
«Это был исключительно независимый, оригинальный и мужественный ум, он смотрел на явления по-своему и не боялся высказывать мнения, в корне отличные от утверждений всех прежних ортодоксов»,
– говорил о нём впоследствии Дж. Дж. Томсон.
