По ту сторону кванта

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, ЛУЧИ

Мы 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 КВАНТА

УИЛЬЯМ КРУКС (1832–1919)

Родился 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.

КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ГАЗОВ

Вместе с учёными XIX века мы стремимся сейчас проникнуть в глубь атома. Но наряду с этими попытками в том же XIX веке пробовали объяснить физические свойства тел, не входя в детали внутреннего строения атомов. Мысль, лежащая в основе этих попыток, предельно проста: атомы, из которых состоят все вещества в природе, не покоятся, а находятся в постоянном движении.

Оказалось, что подобное представление приводит к большому числу следствий, если сформулировать его на языке математики. А такие попытки, начиная с Ньютона, который хотел математически объяснить газовый закон Бойля-Мариотта, неоднократно предпринимались. Однако создателем кинетической теории материи следует считать Даниила Бернулли (1700–1782).

Он родился в семье выходцев из Голландии, в семье, которая дала миру более 120 выдающихся и знаменитых учёных, артистов, литераторов и государственных Деятелей. Вопреки воле отца Даниил обучался математике у своего старшего брата Николая и затем закончил образование в Италии. В 1725 году вместе с Николаем он едет в Петербург, куда петровские реформы привлекли многих иностранцев. Спустя восемь месяцев Николай умирает. Даниил — к тому времени уже профессор математики — прожил в Петербурге ещё семь долгих лет, до тех пор, пока смог переносить русский климат и образ жизни. Здесь он написал свою «Гидродинамику», которую напечатал через пять лет после возвращения, в 1738 году, в Базеле.

Примерно в то же время, и в том же Петербурге сходные мысли развивал Михаил Васильевич Ломоносов.

Кинетическую теорию газов постигла странная судьба. «Гидродинамику» Бернулли не заметили и обнаружили её только спустя 120 лет, в 1859 году. А работы Ломоносова, написанные в 1742–1747 годах, стали известны лишь в 1904 году.

В XIX веке произошло второе рождение кинетической теории газов, поначалу тоже неудачное. В 1821 году Джон Херэпет (1790–1868) — темпераментный и любящий споры школьный учитель из Бристоля — высказывает вновь кинетическую гипотезу, но её опять оставляют без внимания. Четверть века спустя, в 1845 году, морской инструктор Ост-Индской компании в Бомбее Джон Джеймс Уотерстон (1811–1883) прислал в Лондон в Королевское общество обширный трактат по кинетической теории газов. Это сочинение не напечатали, поскольку рецензенты оценили его как «…нелепость, негодную даже для чтения перед Королевским обществом». Только в 1892 году лорд Рэлей отыскал рукопись Уотерстона в архивах и опубликовал её.