Текст книги "Под знаком кванта"

Автор книги: Леонид Пономарев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 31 страниц)

ионы

В 1865 г., когда появились работы Йозефа Лошмидта, об атомах знали немного: их представляли себе в виде твердых шариков с диаметром 10“⁸ см и массой от 10 ²⁴ до 10“²² г. Каждому такому «шарику» приписывали «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 I г водорода, в 4 г гелия или в 16 г кислорода содержится одинаковое число атомов водорода, гелия, кислорода. Это число = = 6,022* 10²³ (названное числом Авогадро в честь итальянского ученого XIX века) связано с числом Лошмидта соотношением

N_A = L*22 414,l,

то есть число Авогадро равно числу молекул газа в объеме 22,4 л при температуре таяния льда и нормальном атмосферном давлении.

Представлений об атомах – твердых шариках – было достаточно для объяснения многочисленных фактов из химии, теории теплоты и строения материи. Однако уже к 1870 г. вполне оформилась мысль, что атом состоит из еще более простых частиц, и физики принялись их искать. Прежде всего они стали исследовать электрические свойства атома.

Все вещества, как правило, электрически нейтральны (если, конечно, специально не натирать стекло шелком, янтарь шерстью и тому подобное). Однако при некоторых условиях они обнаруживают электрические свойства, например в явлениях электролиза.

Если в расплав какой-либо соли (например, поваренной NaCl) опустить два электрода и подключить их к полюсам батареи, то в расплаве произойдут изменения: на катоде (электроде, который подключен к отрицательному полюсу батареи) начнет выделяться чистый металл натрий, на аноде – газ хлор. Это означает, что в расплаве атомы натрия

заряжены положительно, а атомы поэтому под действием электрического поля они двигаются в противоположных направлениях.

хлора – отрицательно, и

Майкл Фарадей (1791 —1867) в 1834 г. 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

96 485 Кл =2,895*10¹⁴ ед. СГСЭ,

то на электродах всегда выделяется одинаковое число атомов, равное 6,022*10²³. Масса выделившегося вещества будет при этом, конечно, разной, поскольку массы атомов различаются между собой. Например, из расплава соли при этом выделится 23 г металла натрия и 37,5 г газа хлора. Величина, равная произведению постоянной Авогадро N_k на элементар-‘ ный электрический заряд электрона е, называется постоянной

Фарадея:

F = N_A е=96 485,3 Кл/моль.

Закон электролиза Фарадея легко понять, если предположить, что в расплаве NaCl с каждым атомом связан определенный заряд, причем для ионов Na⁺ и Сl^- эти заряды равны и противоположны по знаку. (Название ион — «странник» – таким «заряженным» атомам дал Фарадей по совету известного историка науки Уильяма Уэвелла (1794—1866), автора знаменитой «Истории индуктивных наук», который предложил также термины анион и катион и столь привычные теперь анод и катод.)

Зная закон Фарадея, не составляет труда вычислить заряд, который переносит с собой каждый одновалентный ион; легко сообразить, что он равен

e=F/N_A=4,806*10^-10 ед. СГСЭ.

Это значение очень мало, но мы уже немного привыкли к таким малым числам. Более удивительно другое: заряда меньшего, чем этот элементарный заряд е, обнаружить в природе до сих пор не удалось. С легкой руки Джонстона Стонея (1826—1911) в 1891 г. это наименьшее количество заряда получило название «электрон».

ЛУЧИСТАЯ МАТЕРИЯ

Первоначально со словом «электрон» 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 расплаве 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 массы, 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 без изменения массы становится нейтральным?

Представить себе этот процесс довольно трудно, если не предположить при этом, что элементарный заряд может существовать и вне атома. Эту трудность сознавали, конечно, все, но признать атомарное строение электричества было еще труднее, ибо при этом рушились удобные и привычные представления об электричестве как о неком тонком флюиде, который без труда проникает во все тела. Уже Максвелл в своем знаменитом трактате «Электричество и магнетизм» (1873 г.) допускал, что в электролите молекулы заряжены определенным количеством электричества, однако тут же добавлял, что «эта соблазнительная гипотеза приводит к очень большим затруднениям».

16 февраля 1881 г. в Королевском институте на собрании Химического общества, посвященном чествованию памяти Майкла Фарадея, Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (1821 —1894) прочел доклад «Современное развитие взглядов Фарадея на электричество». В докладе Гельмгольц впервые отчетливо сформулировал мысль о «молекулярном строении электричества»: «Если мы примем гипотезу, что простые вещества состоят из атомов, мы не можем избежать заключения, что и электричество, как положительное, так и отрицательное, разделяется на определенные элементарные порции, которые ведут себя подобно атомам электричества».

Конечно, сама по себе эта мысль даже в то время не была новой. Еще в 1749 г. великий американец Бенджамен Франклин (1706—1790) подозревал нечто похожее, хотя тогда его догадка, в сущности, не имела никаких оснований, а потому и не привела к новым следствиям. В 1871 г. 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. Нужны были экспериментальные доказательства идеи об электроне. Их стали искать в явлениях проводимости газов.

Представьте себе стеклянную трубку, наполненную каким-либо газом (например, неоном) и запаянную с обоих концов вместе с проволочками (обычно – плати новыми )>

31

Если мы обе эти проволочки присоединим к разным полюсам батареи: одну к отрицательному (катоду), а другую – к положительному (аноду), то по цепи пойдет ток совершенно так же, как и в случае с электролитом. Вероятно, именно эта аналогия с явлениями электролиза и побудила Фарадея в 1838 г. построить прообраз такой трубки («электрическое яйцо» Фарадея). Как мы увидим позже, аналогия была чисто внешней, но явление проводимости газов оказалось настолько интересным, что многие исследователи посвятили жизнь изучению его свойств.

Примерно в середине прошлого века Юлиус Плюккер (1801 —1868) оставил свои занятия геометрией и принялся изучать явление проводимости газов. Прежде всего Плюккер установил, что проводимость газа зависит от его плотности в трубке и возрастает, если часть газа из трубки откачать. При этом каждый газ начинает светиться своим характерным цветом. (Когда вы следите сегодня за игрой световых реклам, вы обязаны этим зрелищем профессору математики в Берлине и Бонне. Именно Плюккер в 1858 г. изобрел эти светящиеся трубки.) При увеличении разрежения в трубке вблизи катода появляется темное пространство («катодное пятно»), которое при дальнейшем откачивании газа расширяется и, наконец, заполняет всю трубку: она перестает светиться. Но это темное пространство живет: его пронизывают какие-то «лучи», хоть и невидимые для глаза (как невидима летящая пуля, пока не встретит препятствия на своем пути).

Ученик Плюккера Евгений Гольдштейн (1850—1931) в 1876 г. дал им название: катодные лучи. Еще раньше, в 1869 г., другой его ученик, Иоганн Вильгельм Гитторф (1824—1914), обнаружил отклонение этих лучей в магнитном поле, и, наконец, в 1879 г. Кромвель Вэрли (1828—1883) показал, что они заряжены отрицательно.

Вначале пытались понять эти явления на языке волновых представлений (хотя Вэрли еще в 1871 г. предпочитал

корпускулярную точку зрения). Такое стремление объясняется просто: все еще слишком хорошо помнили знаменитый спор Ньютона и Гюйгенса о природе света и потому всякую попытку объяснить наблюдаемые явления корпускулярным излучением воспринимали как возвращение к средним векам.

Поставьте себя на место этих исследователей в 70-е годы XIX века: 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,– происходят вещи совсем непонятные: например, проводимость растет с уменьшением плотности газа в трубке. Кроме того, обнаружен только поток отрицательных «лучей» и не обнаружено положительных. Нужна была руководящая идея.

Такая идея возникла под влиянием блестящих опытов, которые поставил Уильям Крукс (1832—1919) – английский физик и химик. Это был интересный человек, наделенный, к тому же, редким даром – предвидеть фундаментальные открытия.

Прежде всего, используя более совершенный насос, он гораздо сильнее откачал воздух из трубки. При этом от катода отделилось еще одно, более темное пространство, которое также постепенно заполнило всю трубку, после чего анод вспыхнул зеленоватым светом. Тот день 1878 г., когда это произошло, можно считать днем 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 «лучистой материи» (этот термин ввел все тот же Фарадей еще в 1816 г.). Крукс чувствовал, что столкнулся с совершенно новым явлением природы, и предлагал назвать его «четвертым состоянием вещества», которое «ни жидко, ни твердо, ни газообразно». Он писал:

«Изучая четвертое, 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 свое 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 и при этом противопоставляли их друг другу: 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: волны и частицы. Через полстолетия все могли убедиться, насколько он был прав, но в то время (по словам Оливера 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 нее такие свойства: она распространяется прямолинейно; вызывает свечение тел и может их даже расплавить; отклоняется в электрическом и магнитных полях; проникает сквозь твердые 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»,– это поток быстрых отрицательных частиц, размер которых значительно меньше размеров атомов. Легко убедиться, что одна эта гипотеза проясняла все свойства катодных лучей. В частности, таким способом можно было легко объяснить появление темного пространства у катода: его размер определялся просто средним расстоянием, которое пролетают электроны, не сталкиваясь с атомами газа. Очевидно, это расстояние растет 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 этот гипотетический «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 Фитцджеральд (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 ученые. Поэтому проследим просто, как гипотетический «атом электричества» обретал постепенно реальные свойства, пока не стал, наконец, основой физики.

Прежде всего, Жан Перрен в 1895 г. окончательно доказал: заряд катодных лучей отрицателен. В течение последующих двух лет выяснили: их скорость равна около одной десятой скорости света, то есть примерно в 10 тыс. раз больше скорости ружейной пули и скорости теплового движения атомов. Кроме того, эти и все остальные их свойства не зависят от

состава газа в трубке. А это означало, что катодные частицы – непременная составная часть всех атомов. И, наконец, в 1897 г. Дж. Дж. Томсону удалось определить заряд е и массу tn отдельного «атома электричества»: оказалось, что масса этих частиц примерно в тысячу раз меньше массы атома водорода, а заряд равен заряду иона водорода, измеренному при изучении явления 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, лауреат Нобелевской премии по физике Макс Лауэ,– самое сильное доказательство ее истинности». Для физиков это всегда праздник.

История электрона – хороший способ усвоить логику открытий нынешней физики: исходя из наблюдений, ученые выдвигают на их основе гипотезы, которые вновь проверяют опытом, и, наконец, процесс этот завершается теорией, то есть сжатым объяснением частных явлений на основе немногих общих принципов.

Гипотеза об электроне возникла из наблюдений Фарадея, Плюккера и Крукса. Плодотворность ее 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.

В очередную пятницу 30 апреля 1897 г. на вечернем заседании Королевского института Джозеф Джон Томсон доложил о своих исследованиях. После сорока лет усилий в физике получила права гражданства первая «элементарная частица» – электрон. Это было самое важное событие 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. Все это означало, что в природе реально существует материальный носитель наименьшего заряда.

Как и атом, электрон признали далеко не сразу. Еще в 1902 г. Оливер Лодж писал: «...электрон – это чисто гипотетический заряд, изолированный от атома». И даже в 1920 г. великий Рентген продолжал сомневаться в его существовании.

Физики, которые сразу поверили в реальность электронов, начали тщательно измерять его характеристики: заряд е и массу т. Благодаря их трудам (особенно трудам Роберта Милликена, который с 1909 по 1940 гг. периодически возвращался к этой задаче), мы сейчас знаем значения этих величин с большой точностью:

т = 9,109389-10~²⁸ г,

е=4,803207 -10~¹⁰ ед. СГСЭ = 1,602177 -10 “¹⁹ Кл.

А размер? Каковы размеры электрона? Увы, нам это неизвестно до сих пор. Мы не уверены даже, имеет ли вообще этот вопрос четкий 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 не нужны 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, размер электрона зависит от условий опыта? Такую возможность тоже нельзя отрицать заранее: ведь изменяет же комета свои размеры, приближаясь к Солнцу, хотя масса ее при этом остается постоянной. Все это – не праздные вопросы, и мы к ним еще возратимся.

АТОМЫ, ЭЛЕКТРОНЫ, ВОЛНЫ

Мы только что повторили тот сложный путь, 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 пестрых 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 эти движения связаны с излучением атомов? Форма и характер вопросов меня-36

лись, но постепенно все они свелись к задаче: необходимо узнать число, размеры и расположение электронов в атоме, а также их влияние на процессы излучения.

В то время было еще не ясно, имеют ли вообще такие вопросы смысл. К тому же в конце века отнюдь не все верили в существование атомов, а потому и попытки понять их внутреннее устройство воспринимались тогда как некая игра ума. Большинство, не утруждая себя фантазией, представляло ^ебе электрон маленьким шариком диаметром 10“¹³ см, который «как-то» закреплен внутри атома либо летает там наподобие мухи в соборе. Для начала хотели понять главное: почему атом излучает спектральные линии строго определенной длины волны и почему этих линий так много (у атома железа, например, только в видимой части спектра свыше 3000). Как всегда, в отсутствие глубоких идей мыслили аналогиями: все хорошо помнили, что частота колебаний пружины с грузиком зависит от ее 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 то излучение, которое он сам испускает. А ведь именно это и обнаружили Кирхгоф и Бунзен в своем знаменитом опыте с парами натрия!

Несмотря на эти успехи модели атома с упруго связанным электроном, многие понимали ее логическое или, точнее, эстетическое несовершенство. А вскоре обнаружились и прямые противоречия с опытом. Дж. Дж. Томсон, изучая рассеяние рентгеновского излучения на атомах различных элементов, пришел к выводу, что число электронов в атоме сравнительно невелико и равно примерно половине атомной массы элемента. В 1904 г. Дж. Дж. Томсон предложил свою модель атома, развив гипотезу Уильяма Томсона (лорда Кельвина): внутри положительного равномерно заряженного атома-шара диаметром 10“⁸ см плавают отрицательные электроны, квазиуп-руго с ним связанные. Число электронов равно заряду шара, так что в целом атом оказывается нейтральным, как это и следует из опыта. В начале века почти все физики приняли модель Томсона, и лишь немногие предлагали другие модели. Но все чувствовали: в науке об атоме наступает новая эпоха.

Открытие спектрального анализа

ВОКРУГ КВАНТА

Слово «спектр» в физику ввел Ньютон. На классической латыни, которой он пользовался в своих научных трудах, слово «spectrum» означает «дух», «привидение», что довольно точно отражает суть явления: возникновение праздничной радуги при прохождении бесцветного солнечного света через прозрачную призму. Почти два столетия эти «духи» позволяли молча себя разглядывать, пока ученые не заставили их заговорить на языке квантовой физики.

Открытие спектрального анализа вызвало живой интерес даже у публики, далекой от науки, что по тем временам случалось весьма не часто. Как всегда в таких случаях, досужие любители отыскали множество других ученых, которые якобы все сделали задолго до Кирхгофа и Бунзена. Называли французского ученого Жака Бернара Леона Фуко (1819– 1868), предложившего аналогичный опыт за десять лет до них, знаменитого астронома Джона Фредерика Гершеля (1792—1871), изобретателя фотографии на бумаге Уильяма Генри Фокса Тальбота (1800—1877) и многих других. Англичане еще долгое время спустя утверждали, что спектральный анализ открыл их знаменитый соотечественник Джордж Габриэль Стокс (1819—1903), который в разговоре с Уильямом Томсоном (1824—1907) высказывал предположение, что D-линия в спектре Солнца возникает при прохождении белого солнечного света через пары натрия в газовой оболочке Солнца. Сам Стокс с присущим ему благородством отказывался от подобных притязаний, хотя и признавал, что излагал похожие мысли студентам на лекциях, считая, однако, их общеизвестными и не особенно важными. (Кстати, именно в то время у Питера Тэта (1831—1901) возникла идея научных обзоров: он упрекал Стокса и Уильяма Томсона за беспечность и плохое знание литературы, которые помешали им опубликовать очевидную идею.) Пожалуй, следует упомянуть здесь и Юлиуса Плюккера, который знал, что каждый газ светится своим характерным цветом, но выводов и обобщений из этого наблюдения не сделал.

В отличие от многочисленных предшественников, Кирхгоф и Бунзен сразу же поняли значение своего открытия. Они впервые отчетливо уяснили себе (и потому так легко убедили в этом других), что спектральные линии – это характеристика атомов вещества, а не особенностей строения призмы или свойств солнечных лучей. Кирхгоф немедленно стал составлять подробный атлас фраунгоферовых линий солнечного спектра и определил химический состав Солнца. За этой работой он испортил себе зрение и уже в 1861 г. вынужден был ее оставить.

История и существо открытия спектрального анализа могут составить предмет увлекательного повествования, на что мы сейчас, к сожалению, не можем отвлечься. Напомним только один любопытный случай, имевший место вскоре после открытия Кирхгофа и Бунзена.

18 августа 1868 г. французский астроном Пьер Жюль Сезар Жансен (1824—1907) во время солнечного затмения в Индии наблюдал в спектре солнечной короны желтую линию неизвестной природы. Два месяца спустя английский физик Джозеф Норман Локьер (1836—1920) научился наблюдать корону Солнца, не дожидаясь солнечных затмений, и при этом обнаружил в ее спектре ту же самую желтую линию. Неизвестный элемент, который ее испускал, он назвал гелием, то есть солнечным элементом. Оба ученых написали о своем открытии письма во Французскую академию наук, оба письма пришли туда одновременно и были зачитаны на заседании академии 26 октября 1868 г. Такое совпадение поразило академиков, и они решили в честь этого события выбить памятную золотую медаль: с одной стороны профили Жансена и Локьера, с другой – бог Аполлон на колеснице и надпись: «Анализ солнечных протуберанцев».

На Земле элемент гелий был открыт в 1895-г. Уильямом Рамзаем в минералах тория.