Решение пришло не сразу. Когда стали намечаться первые его контуры, оказалось, что путь был указан уже давно.
Но тогда же стало ясно что дальнейшее развитие атомной теории связано с крушением ее исходных представлений. Как это не раз случалось в истории науки, все высокое здание атомистики было без повреждений перенесено на новое основание.
Прежде чем рассказать об этом, вспомним один известный факт. Если через раствор какой-нибудь соли, скажем, хлористого серебра, пропустить постоянный электрический ток, введя его в ванну с раствором через две пластины — одну, соединенную с положительным полюсом источника тока, ее называют анод, и другую, соединенную с отрицательным полюсом — катодом, так чтобы цепь замыкалась через жидкость, то соль разложится и на катоде появится налет серебра. Ток, очевидно, проводится именно атомами хлора и серебра. Они нагружаются электрическим зарядом и относят его к соответствующей пластине, сами же выделяются в свободном виде. Эти заряженные атомы — путешественники (их и назвали «путниками» — «ионами» по-гречески) — и являются причиной проводимости раствора. А все явление в целом носит всем известное название — электролиз.
Закон электролиза установил еще Михаил Фарадей в 1838 году. Этот закон гласит: чтобы выделить из раствора грамм-атом какого-нибудь вещества, то есть 1 грамм водорода, 23 грамма натрия, 108 граммов серебра, 35,5 грамма хлора и т. д., нужно пропустить одно и то же количество электричества — 96 500 кулонов (один кулон протекает за секунду через поперечное сечение проводника при токе в 1 ампер). Для иных веществ, которые соединяются с двумя атомами водорода, как кислород, нужно 2 · 96 500 кулонов на грамм-атом; для алюминия, один атом которого замещает в соединении 3 грамма водорода, 3 · 96 500 кулонов.
Объяснение этого замечательного факта найдется, если вспомнить, что в грамм-атоме каждого элемента содержится одно и то же число его атомов. Выходит, что одно и то же количество электричества 96 500 кулонов (или двойная, или тройная величина) переносится одним и тем же числом атомов N. Очевидно, каждый атом переносит одинаковую порцию электричества, равную 96 500 кулонов, или две порции, или три, или вообще целое — но не дробное — число таких порций. Иначе говоря, как это выразил знаменитый физик Гельмгольц в 1881 году, «если мы примем гипотезу, что простые вещества составлены из атомов, то мы должны принять также, что и электричество разделяется на определенные порции, которые ведут себя, как атомы электричества».
После исследователей электролиза слово взяли физики, изучавшие свечение разреженных газов в запаянной трубке, через которую пропускался электрический ток.
В эту трубку также были впаяны две пластинки — анод и катод; к ним подводили ток. Оказалось, что при очень сильном разрежении газа из отрицательного полюса — катода — вырываются особые «катодные» лучи, заставляющие светиться стекло там, где они падают. Если на пути их поместить препятствие, в месте свечения появится резкая тень.
Впервые английский физик Крукс (трубка называется «круксовой» в его честь) высказал смелое предположение, что эти «катодные» лучи — поток материальных частиц отрицательного электричества, которые вырываются из атомов и движутся с огромной скоростью.
Если это так, если в атоме действительно содержатся электроны, то механизм электролиза также ясен: отрицательные ионы, движущиеся к аноду, — это атомы, несущие один, два и т. д. электрона; положительные ионы, движущиеся к катоду, — это атомы металла, потерявшие один, два и т. д. электрона, так как приобрести положительный заряд все равно, что потерять отрицательный. Мы видим в круксовой трубке осколки разрушенного атома!
Несмотря на всю необычность (для того времени!) этих мыслей, постепенно они властно завоевывали признание. Исследование частиц электричества, названных «электронами», подтверждало идею Крукса.
Движение электронов есть электрический ток. Ток отклоняется вблизи магнита, как говорят, в магнитном поле. Электрическое поле, создаваемое электрическим зарядом, тоже изменяет путь движущегося заряда. В самом деле, оказывается, достаточно поднести магнит или наэлектризованное тело к трубке Крукса, чтобы катодный луч отклонился — передвинулось светлое пятнышко на стекле. Величина отклонения определяется в обоих случаях различными законами и зависит от скорости (энергии) электронов, их массы и их заряда. Чем тяжелее частица и чем больше ее скорость, тем меньше она отклоняется полем. Измеряя одновременно отклонение электронов в обоих полях, удалось установить их скорости и отношение заряда к массе. Скорость электронов оказалась тем больше, чем больше было напряжение между анодом и катодом, то есть чем сильнее было разгонявшее их электрическое поле. Зато отношение заряда электрона к его массе оказалось постоянной величиной, то есть и заряд и масса всех электронов оказались всегда одними и теми же — это были действительно атомы электричества. И простые расчеты позволили установить с самого начала, что масса электронов в 1 840 раз меньше массы легчайшего из атомов — атома водорода.
Вскоре удалось и непосредственно измерить ничтожный заряд электрона. Эта удивительная работа была проделана американским физиком Робертом Милликэном. Он разбрызгивал между двумя пластинами электрического конденсатора (они располагались одна над другой) микроскопические капельки масла, которые при этом приобретали электрические заряды. Капелька благодаря своей тяжести падала вниз. Скорость падения капельки давала возможность вычислить по известным формулам ее вес. Тогда пластинки конденсатора заряжались так, чтобы капелька притягивалась верхней пластиной. Движение капельки менялось, она могла даже подниматься кверху. Зная скорость капли, ее вес и напряжение поля, Милликэн мог подсчитать заряд капли. Оказалось, что он был всегда равен целому кратному одной и той же величины или самой этой величине. Очевидно, эта величина и есть атом электричества или заряд электрона: он оказался равен 4,8·10-10 абсолютных единиц (таких абсолютных единиц заряда, принятых у физиков, 3 миллиарда в одном кулоне). Так как в 96 500 кулонов содержится число электронов, равное числу атомов в грамм-атоме, то, разделив 96 500 кулонов или 96 500 · 3 000 000 000 абсолютных единиц на заряд электрона, мы должны получить число Авогадро N. В самом деле, получается 6,02·1023, то есть то же число, что получил двумя способами Перрен. Проверка числом N дает неопровержимое доказательство существования электрона. Масса электрона, вычисляемая из опыта с отклонением электрона в магнитном поле и в 1 840 раз меньшая массы атома водорода, оказывается равной: m = 9,1·10-28 граммов.
Как невообразимо мала эта масса, можно судить из следующего сопоставления; число граммов, составляющих вес земного шара, примерно вдвое меньше числа электронов в одном грамме. И, однако, острота методов современной физики такова, что Милликэн измерял в своих опытах отдельные электроны!
Так идея зернистого, прерывного строения проникла совсем, казалось бы, в иную область явлений и приобщила электричество к видам вещества. Но и на этом не остановилось продвижение атомных воззрений вглубь науки.
Триста лет тому назад Ньютон считал, что свет представляет собой поток мельчайших «корпускул» — телец, влетающих в глаз и вызывающих раздражение зрительного нерва. В результате всего последующего развития наука, однако, пришла к выводу, что световые явления — это волновые процессы, распространение волн в какой-то среде, заполняющей все пространство. Разница ясна: если
принять «корпускулярную» теорию, то энергия непосредственно переносится от излучающего тела к поглощающему частицами-почтальонами; если же верить волновой теории, то таких непосредственных переносчиков нет, и энергия передается от одной точки среды, где происходит какое-то повторяющееся движение, колебание, к смежной точке, воспроизводящей колебание соседки с некоторым опозданием. И так дальше — от точки к точке… Рябь в пруду, хотя бы от всплеска, вызванного брошенным камнем, дает нам картину волн на поверхности воды. Движение, энергия передаются и в волновом процессе, хотя никакие материальные частицы не движутся в направлении этого распространения. Бегут только чередующиеся гребни и впадины волн, определяющие лишь состояние движения. Расстояние между двумя последующими гребнями называется длиной волны. Длина волны, или частота колебаний в ней, определяет качество — цвет и многие другие свойства светового луча. Чем больше длина волны, тем меньше частота. Произведение их равно скорости волны.
Что же колеблется? Никакой вещественной среды, передающей свет, как воздух передает волны звука, не удалось найти. Но когда были открыты электромагнитные волны, радиоволны, установился взгляд, что световые колебания — это изменение определенных электрических и магнитных свойств в каждой точке пространства — так называемое колебание электромагнитного поля.
Область световых волн разрослась в миллионы раз за последние шестьдесят лет. Видимый свет — это волны с длиной от 0,4 до 0,7 микрона. Сегодня мы знаем волны с длиной в несколько километров и волны в миллионы раз более короткой длины, чем у видимого света. Здесь и ультрафиолетовые лучи горного солнца, и километровые радиоволны, огибающие горные хребты, и «жесткие» коротковолновые рентгеновские лучи, проникающие сквозь толщи металлов. Все это — однородные волны; только одни испускаются атомами в недрах вещества, как рентгеновские лучи, другие возникают в антеннах радиостанций при «колебательном разряде».
В конце XIX столетия никто не сомневался в том, что световые явления — это распространение волн.
И, однако, исследуя закон распределения энергии между лучами разной длины волны, испускаемыми нагретым телом, знаменитый физик Макс Планк в 1900 году должен был прийти к выводу, что световая энергия испускается прерывно — порциями, атомами, или, как он назвал их, «квантами» (от латинского «quantum» — «сколько»). Иначе объяснить опытные данные не удавалось.
Несколько позднее Альберт Эйнштейн установил, что и поглощение энергии лучей происходит «квантами». Это выяснилось при изучении тока, который возникает в фотоэлементах под действием падающего света. Эйнштейн предположил, что световой луч и есть поток таких квантов, или «фотонов». Энергия кванта связана с длиной волны луча особым соотношением: она равна частоте колебания в луче, умноженной на определенное число, так называемую постоянную Планка. Так как частота равна скорости волны, деленной на ее длину, то энергия фотона обратно пропорциональна длине волны: у коротких рентгеновских волн — большие кванты, у длинных световых волн кванты меньше.
Фотонная, или квантовая, теория света получила особенно наглядное подтверждение, когда удалось обнаружить непосредственное столкновение фотонов с электронами, при котором оба — и фотон и электрон — расскакивались в сторону, как упругие шары: направления, в которых они разлетались, и энергия до и после столкновения соответствовали предсказаниям фотонной теории.
Так целый ряд явлений заставляет нас считать, что свет представляет собой поток особых, световых частиц… Но доводы, заставившие некогда физиков отказаться от воззрений Ньютона, остаются по-прежнему в силе. Явления так называемой интерференции и дифракции, о которых рассказывается в учебниках физики, можно объяснить, только приписав свету волновую природу. Что же такое свет — волны или частицы?
Оказывается, этот вопрос должен быть поставлен шире. То, что электроны — частицы, явствует без всякого сомнения из всех наблюдений и опытов. Но оказывается, что поток летящих электронов, электронный луч, в некоторых случаях ведет себя, как волна. Он испытывает те же, характерные для волн, явления интерференции и дифракции.
И световые лучи и потоки электронов оказываются в одних явлениях волнами, в других — частицами. Противоречие, казалось бы, непримиримое.
Оно, однако, было примирено. Для этого пришлось сделать ряд смелых и глубоких предположений, которые в корне изменили наши представления о микроскопическом мире, и на которых мы не можем здесь остановиться. Возникла новая обширная наука — «квантовая», или «волновая», механика, без помощи которой мы не смогли бы никогда разгадать загадку атома.