По ту сторону кванта

Уже давно было замечено, что в минералах, содержащих радиоактивные вещества: торий, уран, радий, скапливается гелий. Измерили даже, что из 1 г радия в состоянии радиоактивного равновесия выделяется 0,46 мм³ гелия в день, то есть 5,32 · 10^–9 см³/сек. После установления природы α-частиц ничего чудесного в этом факте не было. Но Резерфорд на этом не остановился: он сосчитал число α-частиц, которое вылетает в секунду из 1 г радия. Оно оказалось большим, но вполне определенным: 13,6 · 10^–10 частиц/г·сек. Все эти α-частицы, захватив по два электрона, превращаются в атомы гелия и занимают объем 5,32 · 10^–9 см³. Следовательно, в 1 куб. см содержится

L = 13,6 · 10¹⁰/5,3 · 10^–9 = 2,56 · 10¹⁹ атомов

Но ведь это и есть то самое число Лошмидта, которое он вычислил на основании молекулярно-кинетической гипотезы! Действительно, один грамм-атом гелия (как и любого газа) занимает объем 22,4 л и содержит 6,02 · 10²³ атомов, то есть в 1 см³ помещается атомов

L = 6,02 · 10²³/22,4 · 10³ = 2,69 · 10¹⁹

Совпадение убедительное.

Но человеку присуща необъяснимая потребность: прежде чем признать что-то окончательно, ему надо увидеть это что-то своими глазами. (Строго говоря, для этого нет никаких оснований: мы постоянно становимся жертвами оптических обманов). Эту любопытную потребность человеческого познания вполне удовлетворил в 1911 году Чарлз Томсон Рис Вильсон (1869–1959). После пятнадцати лет усилий он создал свою знаменитую камеру, которая позволяла проследить движение отдельных α-частиц по туманным следам, которые они оставляли.

Конечно, значение этого изобретения было не в том, что оно успокоило капризы человеческой психики, а в том, что в руках у физиков был теперь новый инструмент для исследования структуры атома.

Мы напомнили сейчас далеко не все опыты, которые в конечном итоге убедили всех: да, действительно, число N атомов в грамм-молекуле любого вещества хотя и очень велико, но конечно. Как и число людей на Земле, это число N не может быть дробным. Более того, число Авогадро N = 6,02497 · 10²³ мы знаем сейчас значительно точнее, чем число жителей Земли.

«Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания вдруг оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это атомная гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом — это ничего не меняет): Все тела состоят из атомов — маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому.

В одной этой фразе содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения».

Эти слова принадлежат Ричарду Фейнману, нашему современнику, Нобелевскому лауреату 1965 года по физике. И хотя они почти дословно повторяют Демокрита, понятия и образы, которые мы с этими словами связываем теперь, совсем другие: за 25 столетий об атоме узнали много нового.

Это было не просто — просты только результаты науки, и они не зависят от личности исследователя — в этом их ценность.

Вокруг кванта

Атомы и пустота

Даже люди, легко гнущие подковы, признают, что атомы твердые: в детстве им ведь тоже приходилось расшибать коленки об углы. Поэтому очень трудно представить себе атом таким же пустым, как пространство между Землей и Солнцем, и в то же время необычайно устойчивым.

Известно, например, что вода останется водой даже под давлением в 10 тыс. атмосфер. Это очень большое давление: так примерно будет давить слон, если его поставить на площадку в 1 кв. см. Легко подсчитать, что при таком давлении на каждый атом действует сила примерно 10^–9 г, то есть в 100 миллионов миллионов (10¹⁴) раз превышающая его собственный вес (10^–23 г). Это все равно как если бы на того же слона взгромоздить сотню Джомолунгм.

Все это удивительно, но не мешает атомам быть пустыми, поразительно пустыми: все ядра атомов, из которых построена Джомолунгма, можно упаковать в один мешок.

Дифракционная решетка

Неизвестно, как обернулась бы история атома, если бы физики не изобрели дифракционную решетку.

Ее использовал уже Фраунгофер; Ангстрем сделал ее главным инструментом своих исследований, и наконец Роулэнд придал ей почти современную форму. Принцип действия решетки основан на явлении дифракции, то есть на способности волн огибать препятствие, если оно сравнимо с их длиной. Волны различной длины огибают препятствие по-разному, что позволяет разделить их и точно измерить.