Ирина Радунская - Кванты и музы
Это был только подступ к истине. Истину понял лишь Эйнштейн. Он предположил, что свет вовсе не дробится на отдельные порции перед тем, как упасть на металл, а существует в такой форме. Это его естественное состояние, его природа. С самого момента излучения, то есть рождения, он представляет собой отдельные порции электромагнитной энергии — кванты света, или фотоны, как их теперь называют по предложению Комптона.
Эйнштейна не смущало, что на основе фотонов, так же как при помощи ньютоновых корпускул, невозможно объяснить сразу все оптические явления: и огибание светом препятствий, и радужные круги в тонких плёнках разлитой нефти, и существование предельного увеличения микроскопа, и много других фактов, естественно вытекающих из волновой теории. Зато принятие квантовой структуры света аннулировало ультрафиолетовую катастрофу, нелепости фотоэффекта и ряд других парадоксов более глобального характера.
Итак, в обиход науки вошёл квант света, элементарная частица света. Но трудности в понимании природы света, его взаимоотношений и связи с материей не иссякали.
Начиная с 1706 года, вслед за малоизвестным Френсисом Хоксби, физики продолжали изучать красивое свечение, возникавшее при прохождении электрических разрядов через разреженные газы. Уильям Крукс в последней четверти минувшего века довёл эти исследования до такой полноты, что не сомневаясь утверждал: свечение вызывается движением частиц. Но каких? Ведь в сосудах не было других частиц, кроме молекул газа… Тут была тайна, более глубокая, чем могло показаться с первого взгляда.
Большинство учёных в то время склонялось к волновой теории этого свечения. Некоторые видели в нём новый вид излучения, поэтому за ним укрепилось наименование катодных лучей…
Крукс был ближе всех к истине. Но не понял её до конца.
Прошло почти два столетия после первого опыта Хоксби, когда его начинание привело к результатам, о которых он не помышлял и которые, наверное, ошеломили бы его. Оказалось, что, пропуская электрический разряд через газ, он, не подозревая об этом, получал электроны!
В 1895 году в Париже Жан Перрен, проводя опыты с катодными лучами, поставил на их пути магнит, и эти лучи отклонились так, как если бы они состояли из частиц, несущих отрицательный заряд. Контрольные опыты показали, что катодные лучи вовсе не нейтральные молекулы, о которых писал Крукс, а гораздо более лёгкие частицы, заряженные отрицательно.
Обычно считают, что именно опыт Перрена привёл к рождению электроники, хотя термин «электрон», предложенный за четыре года до того, не был связан с этим опытом. Джозеф Джон Томсон через два года определил для частиц, участвовавших в опыте Перрена, отношение их заряда к массе, а затем и величину этого заряда. Так впервые были измерены характеристики индивидуальной элементарной частицы. Конечно, не её имели в виду древние атомисты, не о ней говорил Фарадей, заключивший из опытов по электролизу о существовании в жидкостях заряженных частиц. Не эти частицы участвовали в явлениях, наблюдаемых при разнообразных опытах с газами и жидкостями. Электрон раскрыл людям глаза на то, что атомы, считавшиеся издревле самой малой частицей материи, сами имеют сложную структуру. Теперь электрон был признан мельчайшим кирпичом мироздания, получив титул первочастицы.
Так на рубеже XX века неделимые атомы греческих философов окончательно сошли со сцены, уступив место не новым атомам, а новым гипотетическим неделимым элементарным частицам, из которых состоят все атомы химических элементов.
И тут учёные вспомнили об одной отвергнутой, забытой гипотезе. Еще в 1815 году некто Праут на основании законов Гей-Люссака и своих измерений установил теперь всем очевидный, а для того времени почти мистический факт: атомные веса многих химических элементов кратны весу атома водорода… Элементы разные, свойства разные, а атомные веса почему-то связаны между собой….
В следующем году Праут высказал такую крамольную мысль, что о ней постарались забыть: атомы всех элементов — родичи, они все образованы посредством объединения атомов водорода.
Измерения Берцелиуса и других химиков показали, что это похоже на правду, только точная кратность атомных весов химических элементов почему-то не соблюдается. Это было непонятно: под рукой не было ни опытов, ни гипотез, могущих прояснить вопрос; начало XIX века изобиловало открытиями, и работы Праута потонули в море вопросов, не имеющих ответа.
Лишь открытие в 1868 году Менделеевым Периодического закона химических элементов возродило интерес к гипотезе Праута. Менделеев доказательно установил, что химические свойства элементов и многие их физические свойства находятся в периодической зависимости от их атомных весов. Отклонения же от точной кратности оставались непонятным фактом. Но это не могло подорвать убеждения в справедливости открытия Менделеева. Оставалось надеяться, что будущая теория всё разъяснит.
Учёные вступили на нехоженую тропу познания сложной структуры атомов и молекул. Трудно сказать, как долго их поиски продолжали бы оставаться бесплодными, не натолкнись они на явление радиоактивности — самопроизвольного превращения одних веществ в другие. Понимание законов этого процесса привело к новой точке зрения на химические свойства вещества, продемонстрировало механизм процесса, развивающегося внутри атомов.
Первый шаг здесь был сделан сотрудником Резерфорда Фредериком Содди. Он угадал причину неудач многих выдающихся химиков, пытавшихся выделить в чистом виде радиоактивные элементы. Содди объявил, что этого нельзя достичь химическими методами — могут существовать радиоактивные элементы, занимающие одну общую клетку в таблице Менделеева и химически неразличимые, но тем не менее имеющие различные физические свойства. В том числе различный атомный вес. И то, что исследователь принимает за один элемент, может быть на самом деле смесью радиоактивных разновидностей этого элемента. Естественно, что среднее значение атомного веса смеси чаще всего не может быть целым числом. Такие неотличимые по химическим свойствам элементы получили наименование изотопов.
Несколько десятилетий Резерфорд и Содди потратили на то, чтобы понять внутриатомный характер радиоактивных превращений и убедить мир в истинности своих выводов. Они писали: «…радиоактивность — это атомное явление, сопровождающееся химическими изменениями, в котором порождаются новые виды вещества… Радиоактивность нужно рассматривать как проявление внутриатомно го химического процесса!»
Нужно было очень верить в своё открытие, чтобы защищать теорию превращения элементов в самый разгар триумфа атомистики, когда большинство ещё верило в неделимость атома.
Содди умер лишь двадцать с лишним лет назад, он смог увидеть ещё при жизни, как плодотворна была его догадка.
Вскоре Томсон распространил идею изотопов на нерадиоактивный неон, атомный вес которого 20,2. Изучая движение атомов в вакууме и действуя на них одновременно электрическим и магнитным полем, Томсон разделил их на два сорта. Большая часть атомов неона имела атомный вес 20, а меньшая — 22. Томсон поручил разобраться в этом вопросе своему ассистенту Астону. Тот включился в работу, у него появились свежие идеи, но Первая мировая война прервала исследования — Астона призвали в армию.
Астон всё-таки успел внести в науку важный вклад. Он усовершенствовал электромагнитный метод разделения изотопов Томсона и создал замечательный по точности прибор, который назвал масспектрографом. Прибор сразу показал, что хлор с его нецелым атомным весом состоит из двух сортов атомов-изотопов: с массами 35 и 37. Число естественных нерадиоактивных изотопов быстро увеличивалось. Укреплялась вера в гипотезу Праута, ибо для первых тридцати элементов таблицы Менделеева целочисленные значения массы изотопов выдерживались с точностью до одной тысячной.
Исключение составлял только водород, для которого вместо единицы получалось 1,008 (если атомный вес кислорода принять в точности за 16)! Не веря себе, учёные продолжали измерять атомные веса, добиваясь всё большей точности.
Постепенно выяснилось, что для более тяжёлых элементов отклонение от целочисленности нарастает. Это невозможно было понять. Казалось бы, атомный вес тяжёлого элемента, составленного из нескольких водородных атомов, должен быть равен сумме их атомных весов. Но он всегда оказывался мень ше. Получалось, что масса нескольких, например десяти, свободных ядер водорода больше тех же десяти ядер водорода, слепившихся в ядро другого элемента. Почему?!
Астон, пытаясь ответить на этот вопрос, нащупал причину поразительного явления, о котором догадался Эйнштейн и которое не обнаружил ещё ни один эксперимент. Речь идет об удивительном выводе теории относительности: эквивалентности энергии и вещества.
