Безумные идеи

Радиоспектроскописты знают их строение так хорошо, как будто они не только видели, но измеряли их линейкой и циркулем. Молекула аммиака проста и изящна. По сравнению с громоздкими формами некоторых иных молекул она устроена предельно лаконично.

Атом азота и три атома водорода. Вот и все. Представьте себе маленькую трехгранную пирамиду. В трех ее нижних вершинах расположено по атому водорода. Расстояние между атомами азота и каждым из атомов водорода равно примерно одной десятимиллионной доле миллиметра (точнее 1,014 этой доли). Угол при вершине пирамиды тоже хорошо известен — он равен 106 градусам и 47 минутам.

Не правда ли, сухие цифры, и их при чтении хочется пропустить? Но не торопитесь. Вспомните, того, что так точно измерено, никогда не касалась рука человека, не видел глаз!

Молекулы аммиака, собранные в сосуде, вращаются наподобие волчков. И чем быстрее вращается молекула, тем более активной, более сильной она является. Тем большим запасом энергии она обладает.

А кто же снабжает ее этой энергией? Ее же сестры. Они так суетятся, беспорядочно снуют в разные стороны, что не мудрено и столкнуться друг с другом. И вот одна, обессиленная, приостановится, а другая закрутится еще быстрее.

Впрочем, бывают и встречи с электромагнитной волной, с которой молекула может обменяться энергией. Например, если молекула аммиака попадет в поле радиоволны длиной около 0,5 мм, она с удовольствием проглотит часть энергии этой волны и за этот счет ускорит свое вращение.

Но возможен и противоположный процесс: радиоволна может затормозить вращение молекулы, отобрать у нее часть энергии и за ее счет пополнить свои запасы.

И насколько важен именно этот случай, насколько близки мы при этом к вожделенной мечте ученых — созданию молекулярного генератора радиоволн, — будет ясно из дальнейшего.

Помните? Обмен энергией между электромагнитным полем и молекулой подчиняется особым законам. Каждая молекула может взаимодействовать не с любыми радиоволнами, а только с некоторыми, обладающими подходящей длиной волны.

Наблюдая отношения молекул аммиака с радиоволнами, замечая, как они выбирают из множества типов радиоволн определенные, ученым удалось набросать черты характера и портрет невидимой молекулы аммиака. Удалось разузнать кое-что о ее строении. Но заставить ее излучать радиоволны длиною 0,5 миллиметра все же не удалось. Сила излучения оказалась слишком ничтожной, чтобы ее можно было заметить.

Незримая пирамида

Физики не только определили форму молекулы аммиака и измерили величину этой мельчайшей пирамиды, но и установили, что она не может считаться чем-то подобным твердому телу.

Атом азота и три атома водорода, входящие в эту молекулу, удерживаются на своих местах силами электрического взаимодействия. Когда эти атомы объединяются в молекулы, они делятся своим имуществом. Электроны, ранее принадлежащие атомам водорода, обобществляются. В молекуле аммиака эти электроны одновременно принадлежат и атомам водорода и атому азота. Эти электроны как бы стягивают невидимыми пружинами ядра всех четырех атомов.

В молекуле не утихает борьба двух противоположных сил. Электрические силы, которыми электроны стягивают ядра атомов, встречаются с противодействием других невидимых сил. Положительные заряды ядер отталкивают друг друга и не дают ядрам сблизиться вплотную. Можно представить себе, что между ядрами натянуты невидимые пружинки, так что ядра оказываются как бы закрепленными между набором сжимающих и расталкивающих их пружин.

Но тела, скрепленные пружинами, не закреплены намертво. Они могут колебаться около той точки, в которой они закреплены. Так же обстоит дело и с атомами, входящими в молекулу. Они тоже могут колебаться вокруг своих положений равновесия. Далеко разойтись они не могут, так как их стягивают между собой электроны. Сильно сблизиться между собой они тоже не могут, так как их расталкивают одноименные заряды ядер.

Таким образом, все ядра в большей или меньшей степени колеблются вокруг своего положения равновесия.

И если бы мы могли увидеть молекулу аммиака, то атомы представились бы нам туманными пятнышками, размеры которых зависят от размахов их колебаний.

Присмотревшись внимательней, мы заметили бы, что размеры туманных пятнышек внезапно меняются. Они то увеличиваются, то уменьшаются.

Это значит — колебательное движение может становиться то сильнее, то слабее. Значит, может изменяться не только вращательная, но и колебательная энергия молекулы аммиака?

Да, изменения колебательной энергии тоже могут быть вызваны как столкновением с другой молекулой, так и поглощением или излучением электромагнитной волны. Только это уже не волны радиодиапазона. Они принадлежат к области инфракрасного света.

Это было опять не то, что искали наши ученые. Им хотелось создать генератор радиоволн, а вовсе не источник инфракрасных лучей. И если бы на этом кончились особенности загадочной пирамиды, она не была бы избранницей Басова и Прохорова и, следовательно, не стала бы героиней нашего рассказа.

О том, что так привлекло к ней внимание, из-за чего ей было отдано столько надежд, и не напрасно, пойдет речь дальше.

В роли перчатки

Если бы наше зрение обрело способность заглянуть в микромир молекулы аммиака, нам открылась бы поразительная картина. Молекула иногда внезапно меняет свой вид. Она вдруг выворачивается наизнанку, как перчатка! Атом азота неожиданно оказывается лежащим не над треугольником атомов водорода, а под ним. Затем столь же внезапно все возвращается в исходное положение, атом азота оказывается на первоначальном месте. Мы как бы видим молекулу и ее зеркальное изображение.

Это повторяется неоднократно. Самое удивительное заключается в том, что такое перемещение происходит отнюдь не в результате поворота молекулы. Все происходит так, как если бы атом азота проскакивал между атомами водорода. Но так как атом азота более чем в четыре раза тяжелее, чем три атома водорода, вместе взятые, то правильнее было бы сказать, что треугольник с атомами водорода в его вершинах оказывается то с одной, то с другой стороны атома азота.

Инверсия — таким красивым словом назвали ученые это явление. Инверсионный переход. И вот оказывается, такой переход возможен только в молекулах. Ни в одном из тел крупных размеров он невозможен. То есть не может происходить сам по себе.

Когда кто-нибудь высказывал сомнения по этому поводу, Прохоров легко рассеивал их, предлагая посмотреть на модель молекулы аммиака. Ее можно, говорил он, изготовить из трех маленьких и одного большого шарика, связанных пружинками так, чтобы они образовали пирамиду. Чтобы произвести инверсию, то есть продавить один шарик между тремя остальными, нужно было бы приложить какую-то силу. Сжать пружины не так-то легко. Если же это удастся, то шарик займет новое положение равновесия и отнюдь не будет стремиться возвратиться обратно. Для его возвращения необходимо было бы проделать всю работу сначала.