Под знаком кванта

В очередную пятницу 30 апреля 1897 г. на вечернем заседании Королевского института Джозеф Джон Томсон доложил о своих исследованиях. После сорока лет усилий в физике получила права гражданства первая «элементарная частица» — электрон. Это было самое важное событие со времени признания реальности атома. В тот год узнали, что существуют частицы значительно меньше атомов; что они входят в состав всех атомов; что не только материя, но и электричество имеет атомистическую структуру. Все это означало, что в природе реально существует материальный носитель наименьшего заряда.

Как и атом, электрон признали далеко не сразу. Еще в 1902 г. Оливер Лодж писал: «...электрон — это чисто гипотетический заряд, изолированный от атома». И даже в 1920 г. великий Рентген продолжал сомневаться в его существовании.

Физики, которые сразу поверили в реальность электронов, начали тщательно измерять его характеристики: заряд е и массу т. Благодаря их трудам (особенно трудам Роберта Милликена, который с 1909 по 1940 гг. периодически возвращался к этой задаче), мы сейчас знаем значения этих величин с большой точностью:

т = 9,109389-10~28 г,

е=4,803207 -10~10 ед. СГСЭ = 1,602177 -10 “19 Кл.

А размер? Каковы размеры электрона? Увы, нам это неизвестно до сих пор. Мы не уверены даже, имеет ли вообще этот вопрос четкий 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 не нужны 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, размер электрона зависит от условий опыта? Такую возможность тоже нельзя отрицать заранее: ведь изменяет же комета свои размеры, приближаясь к Солнцу, хотя масса ее при этом остается постоянной. Все это — не праздные вопросы, и мы к ним еще возратимся.

АТОМЫ, ЭЛЕКТРОНЫ, ВОЛНЫ

Мы только что повторили тот сложный путь, 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 пестрых 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 эти движения связаны с излучением атомов? Форма и характер вопросов меня-36

лись, но постепенно все они свелись к задаче: необходимо узнать число, размеры и расположение электронов в атоме, а также их влияние на процессы излучения.

В то время было еще не ясно, имеют ли вообще такие вопросы смысл. К тому же в конце века отнюдь не все верили в существование атомов, а потому и попытки понять их внутреннее устройство воспринимались тогда как некая игра ума. Большинство, не утруждая себя фантазией, представляло ^ебе электрон маленьким шариком диаметром 10“13 см, который «как-то» закреплен внутри атома либо летает там наподобие мухи в соборе. Для начала хотели понять главное: почему атом излучает спектральные линии строго определенной длины волны и почему этих линий так много (у атома железа, например, только в видимой части спектра свыше 3000). Как всегда, в отсутствие глубоких идей мыслили аналогиями: все хорошо помнили, что частота колебаний пружины с грузиком зависит от ее 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 то излучение, которое он сам испускает. А ведь именно это и обнаружили Кирхгоф и Бунзен в своем знаменитом опыте с парами натрия!

Несмотря на эти успехи модели атома с упруго связанным электроном, многие понимали ее логическое или, точнее, эстетическое несовершенство. А вскоре обнаружились и прямые противоречия с опытом. Дж. Дж. Томсон, изучая рассеяние рентгеновского излучения на атомах различных элементов, пришел к выводу, что число электронов в атоме сравнительно невелико и равно примерно половине атомной массы элемента. В 1904 г. Дж. Дж. Томсон предложил свою модель атома, развив гипотезу Уильяма Томсона (лорда Кельвина): внутри положительного равномерно заряженного атома-шара диаметром 10“8 см плавают отрицательные электроны, квазиуп-руго с ним связанные. Число электронов равно заряду шара, так что в целом атом оказывается нейтральным, как это и следует из опыта. В начале века почти все физики приняли модель Томсона, и лишь немногие предлагали другие модели. Но все чувствовали: в науке об атоме наступает новая эпоха.

Открытие спектрального анализа

ВОКРУГ КВАНТА

Слово «спектр» в физику ввел Ньютон. На классической латыни, которой он пользовался в своих научных трудах, слово «spectrum» означает «дух», «привидение», что довольно точно отражает суть явления: возникновение праздничной радуги при прохождении бесцветного солнечного света через прозрачную призму. Почти два столетия эти «духи» позволяли молча себя разглядывать, пока ученые не заставили их заговорить на языке квантовой физики.

Открытие спектрального анализа вызвало живой интерес даже у публики, далекой от науки, что по тем временам случалось весьма не часто. Как всегда в таких случаях, досужие любители отыскали множество других ученых, которые якобы все сделали задолго до Кирхгофа и Бунзена. Называли французского ученого Жака Бернара Леона Фуко (1819— 1868), предложившего аналогичный опыт за десять лет до них, знаменитого астронома Джона Фредерика Гершеля (1792—1871), изобретателя фотографии на бумаге Уильяма Генри Фокса Тальбота (1800—1877) и многих других. Англичане еще долгое время спустя утверждали, что спектральный анализ открыл их знаменитый соотечественник Джордж Габриэль Стокс (1819—1903), который в разговоре с Уильямом Томсоном (1824—1907) высказывал предположение, что D-линия в спектре Солнца возникает при прохождении белого солнечного света через пары натрия в газовой оболочке Солнца. Сам Стокс с присущим ему благородством отказывался от подобных притязаний, хотя и признавал, что излагал похожие мысли студентам на лекциях, считая, однако, их общеизвестными и не особенно важными. (Кстати, именно в то время у Питера Тэта (1831—1901) возникла идея научных обзоров: он упрекал Стокса и Уильяма Томсона за беспечность и плохое знание литературы, которые помешали им опубликовать очевидную идею.) Пожалуй, следует упомянуть здесь и Юлиуса Плюккера, который знал, что каждый газ светится своим характерным цветом, но выводов и обобщений из этого наблюдения не сделал.

В отличие от многочисленных предшественников, Кирхгоф и Бунзен сразу же поняли значение своего открытия. Они впервые отчетливо уяснили себе (и потому так легко убедили в этом других), что спектральные линии — это характеристика атомов вещества, а не особенностей строения призмы или свойств солнечных лучей. Кирхгоф немедленно стал составлять подробный атлас фраунгоферовых линий солнечного спектра и определил химический состав Солнца. За этой работой он испортил себе зрение и уже в 1861 г. вынужден был ее оставить.

История и существо открытия спектрального анализа могут составить предмет увлекательного повествования, на что мы сейчас, к сожалению, не можем отвлечься. Напомним только один любопытный случай, имевший место вскоре после открытия Кирхгофа и Бунзена.