О чем рассказывает свет

Существенно то, что открытие факта воздействия магнитного поля на характер излучения позволяет затем по спектрам излучения (расщепление линий) расшифровывать процессы, которые непосредственному наблюдению недоступны.

Надежды на быстрое раскрытие тайн строения атомов

Факт воздействия сильных магнитных полей на атомные спектры был установлен в 1896 году. Уже тогда расчеты показали, что заряды, движущиеся в атомах,— это электроны, мельчайшие частицы вещества, обладающие отрицательным электрическим зарядом, только что перед тем открытые.

Первая тайна возникновения света в атомах была раскрыта. Физики были полны надежд, что скоро они раскроют и другие тайны: узнают, как движутся электроны в атомах, какие возможны колебания электронов и как эти колебания связаны с излучаемым светом, почему атомы испускают не одну, а много световых волн.

Обычно, исследуя новую область явлений, физики опираются на уже известные знания, на хорошо изученные и проверенные законы физики. Эти законы служат им надежным компасом в еще не изведанных областях природы.

Оказалось, что в области атомных явлений этот компас кое в чем стал отказывать.

Новый закон частот

В XIX веке в физике уже имелось, казалось бы, законченное учение о колебаниях. Согласно этому учению, всякое колеблющееся тело возбуждает волны той частоты, какова частота колебаний тела. Например, если струна колеблется с частотой 400 циклов, от нее идет звуковая волна той же частоты. Это — основной тон струны. Кроме основного тона, струна может одновременно издавать и другие тоны, так называемые обертоны. Частоты их в 2, 3, 4, вообще в целое число раз больше частоты основного тона.

Физики предполагали, что то же самое должно иметь место и в случае колебаний электронов в атомах. Если в атоме какого-либо элемента имеется один электрон, то между частотами излучений у таких атомов должны быть те же соотношения, что и у струны. Если же у атомов по нескольку электронов, то частоты их излучений должны представлять набор тонов и обертонов, аналогичный тому, какой имеет музыкальный инструмент с подходящим количеством струн. Так полагали физики на основе ранее известных теорий.

Что же оказалось в действительности?

Измерив частоты спектральных излучений у атомов различных элементов, физики стали изучать их. В спектре атомов водорода имеется около полусотни излучений. Но физики не нашли среди них таких, частоты которых относились бы друг к другу, как целые числа. Среди атомных излучений не нашлось «обертонов».

Зато был обнаружен другой закон — закон разностей частот. Вот, например, ряд частот излучений водородных атомов: 24,7·10¹⁴; 29,2·10¹⁴; 30,9·10¹⁴; 4,6·10¹⁴; 6,2·10¹⁴; 1,6·10¹⁴ (десятичные знаки в числах округлены). Если из второй частоты вычесть первую, то получится четвертая частота. В самом деле: 29,2·10¹⁴ — 24,7·10¹⁴ = 4,5·10¹⁴. Разность третьей и первой частот дает пятую частоту: 30,9·10¹⁴ — 24,7·10¹⁴ = 6,2·10¹⁴. Вычитание второй частоты из третьей приведет к шестой частоте. Ту же шестую частоту дает и разность пятой и четвертой частот.

Физика еще не знала таких соотношений частот; струна, например, их никогда не могла дать. Естественно, встал вопрос: применимы ли внутри атомов законы колебаний, которые до сих пор знала физика?

В чем же состоят особенности строения атомов?

Чтобы ответить на эти вопросы, нужно было прежде научиться производить опыты с самими атомами, проникнуть в их недра.

Но есть ли в природе такие орудия, которые позволили бы проникнуть в глубь атомов, размеры которых составляют доли ангстрема, т. е. стомиллионные доли сантиметра?

Составные части атомов

Орудия для проникновения в недра атомов нашлись. Они нашлись в недрах самих атомов.

В 1896 году французские физики Анри Беккерель (1852—1908) и супруги Мария Кюри (1867—1934) и Пьер Кюри (1859—1906) открыли и исследовали явление радиоактивности некоторых тяжелых элементов. Атомы радиоактивных элементов выбрасывают из себя наряду с гамма-излучениями поток электронов и, кроме того, поток альфа-частиц. Каждая альфа-частица обладает положительным зарядом. По величине ее заряд вдвое больше, чем у электрона (про частицы с такими зарядами говорят просто: заряд равен двум). А по весу альфа-частица тяжелее электрона почти в 8 тысяч раз. Она в 4 раза тяжелее атома водорода и примерно равна по весу атому гелия.

Тяжелые, положительно заряженные альфа-частицы сыграли большую роль в исследовании атомов. Они оказались хорошими снарядами для проникновения в глубь атомов. В 1911 году английский физик Эрнест Резерфорд (1871—1937) обстрелял этими снарядами атомы многих веществ.

Обнаружились интересные свойства атомов.