Страница 16 из 17
Но в этом он был неправ. Его надежде был нанесен тяжкий удар, когда в год создания специальной теории относительности Эйнштейном была написана еще одна работа, которая оказалась даже более ошеломляющей. Эта работа очень тесно связана с открытием Планка.
Если направить на металлическую поверхность не слишком красный свет, то электроны, находящиеся в металле, будут вылетать из него. В лаборатории было открыто довольно странное явление: если, например, удвоить интенсивность света, то это повлияет не на скорость электронов, а на их число. Конечно, если мыслить свет как электромагнитную волну, интенсивность которой возрастает, то можно ожидать, что на электроны будет оказано более сильное воздействие. Однако ничего подобного не происходит. Энергия электронов не зависит от интенсивности света, а связана с его частотой и постоянной Планка весьма простым соотношением
E = hv − В.
Здесь световая энергия hv – та же энергия, которую Планк ввел пятью годами раньше; Е – кинетическая энергия вырванного из металла электрона; величина В не является фундаментальной и равна той работе, которую необходимо затратить, чтобы выбить электрон из металла. Эта формула получила очень точное и изящное подтверждение. И Эйнштейн сказал: «Это решает дело. Совершенно очевидно, что существуют кванты энергии света». Свет поглощается порциями, кратными hv, после чего энергия просто уносится электроном, – а это и есть объяснение формулы.
Но это открытие, разумеется, не упразднило опыт, накопленный за целое столетие изучения волновых явлений. С помощью интерферометров, призм, микроскопов и радиоволн ученые продолжали изучать свет как явление распространения волн. С другой стороны, возникло представление о прерывной структуре света, о световой частице (по крайней мере по отношению к явлениям поглощения и излучения света), и от этого нельзя было отмахнуться. Более того, оно даже подтвердилось экспериментами с чрезвычайно жестким излучением, а именно с рентгеновским. В самом деле, сталкиваясь с электронами, рентгеновское излучение ведет себя так, как если бы у него была энергия, определяемая соотношением E = hv, и импульс p = h/λ, равный той же самой постоянной h, деленной на длину волны. Таким образом, наблюдалось, что при столкновении с электроном свет ведет себя как частица, которая обладает импульсом и энергией, связанными этими простыми соотношениями с его частотой и длиной волны; эти соотношения, в свою очередь, согласуются с правилами взаимосвязи энергии и количества движения электромагнитной волны, но, включая постоянную h, подразумевают дискретную передачу энергии и импульса электрону при соударении с ним света. Указанный эксперимент, получивший название эффекта Комптона, привел в 1923 году к решающему заключению о двойственной природе света.
Вполне возможно, что во всем этом так и не удалось бы сразу разобраться, если бы не возник еще один столь же загадочный аспект; в данном случае речь пойдет не о непосредственном поведении света, а о поведении материи в масштабе атома. Позвольте напомнить вам, что в самом конце прошлого века Томсон открыл универсальную составляющую обычной материи – электрон, несущий отрицательный заряд. По сравнению с атомом он очень легок, его масса приблизительно в две тысячи раз меньше массы самого легкого атома – атома водорода. Заряд его равен единице, которая присуща исключительно атомному миру. Томсон правильно предположил, что число электронов в атоме связано с его химическими свойствами и его местом в периодической системе. Таким образом, атом водорода обладает одним электроном, атом гелия – двумя, а атом урана – девяносто двумя. Томсон знал, что атомы нейтральны, но не знал, где находится нейтрализующий положительный заряд. Тогда он предположил, что заряд, вероятно, распределен по всему объему атома, т. е. по сфере диаметром в одну сотую часть миллионной доли сантиметра. Такова была томсоновская модель атома. Она не вызывала никаких вопросов, поскольку была довольно неопределенной, и особенно спорить о ней было бесполезно. Но Томсону удалось доказать, что некоторые закономерности (местоположение определенных чисел и наличие периодов), которые встречаются в периодической системе, вытекают из этой модели. Однако модель просуществовала недолго, так как работа Резерфорда, начатая в Макгилле и продолженная в Манчестере, была наконец успешно завершена. Резерфорд доказал, что положительный заряд не распределен по всему объему атома. И сделал он это блестяще. Изучая естественную радиоактивность урана, радия и других тяжелых элементов, он уточнил их родственные связи, определив, какие химические элементы получаются в результате естественного распада тех или других элементов, и установил последовательность процессов распада. Он выделил три типа радиоактивности: излучение тяжелых частиц с положительным зарядом, являющихся ядрами гелия, – он назвал их альфа-частицами; излучение легких отрицательно заряженных частиц, т. е. электронов; и, наконец, излучение нейтральных частиц, которые оказались световыми квантами очень высокой частоты. Вначале он только предполагал, что альфа-частицы – это ядра гелия, но его интересовал вопрос, как ведут себя эти частицы при прохождении через вещество. Оказалось, они вели себя не так, как если бы положительный заряд был равномерно размазан по всему объему атома, внутри которого распределены чрезвычайно легкие электроны, согласно томсоновской модели.
В таком случае не было бы столь большой силы, которая могла отклонить альфа-частицы, поскольку распределенный заряд не может иметь достаточное количество сконцентрированного электричества, а электроны обладают слишком малой массой для того, чтобы они могли «играть в мяч» альфа-частицей, которая в семь тысяч раз тяжелее их. Резерфорд установил, что альфа-частицы хотя и не часто, но регулярно отклонялись на большой угол, и отсюда сделал вывод, что положительный заряд сконцентрирован в некотором малом объеме; точнее, он сконцентрирован вместе с основной массой атома в области более чем в десять тысяч раз меньшей по размерам, чем сам атом. Так он открыл атомное ядро, которое несет положительный заряд, определяющий химические и основные физические свойства атома.
Это была захватывающая история, но она явилась только началом действительно очень больших загадок. Представьте себе самый простой по своей структуре атом – атом водорода. Он обладает протоном, единственной ядерной частицей в центре, несущей единичный положительный заряд, а также электроном, и вместе они образуют систему с четко определенными размерами. Этот размер является стандартным, радиус атома в обычных условиях остается неизменным. При бомбардировке атом водорода излучает совершенно определенный спектр. Ни одно из этих свойств нельзя было понять на основе ньютоновских представлений о движении и о взаимодействии заряженных частиц, так как Резерфорд доказал, что поле вблизи протона является электрическим. Это поле по форме является точным подобием гравитационного поля вокруг Солнца; силы уменьшаются обратно пропорционально квадрату расстояния. Все силы направлены к протону, поскольку в данном случае это силы притяжения, ибо электрон и протон несут противоположные заряды. Следовательно, это опять та же проблема планетарного движения. Однако нам известно, что планетарные движения бывают в той или иной степени различными: планеты описывают любые эллипсы в любой плоскости с любым эксцентриситетом и любых размеров. Поэтому весьма странно, что все атомы водорода имеют одинаковый размер и ведут себя одинаково. С точки зрения классической физики невозможно объяснить, почему один атом водорода не должен отличаться от любого другого по размеру, форме и поведению.
Более того, хотя я подробно не говорил об этом, известно, что заряженная частица, описывающая круговую или эллиптическую орбиту, испытывает ускорение, а ускоряемая заряженная частица излучает световые волны и поэтому теряет энергию. Однако атом водорода, если только он не подвергается бомбардировке, может годами и столетиями пребывать в неизменном состоянии. Он не теряет энергии, а электрон не приближается по спирали к ядру, чтобы окончательно в нем исчезнуть.