После этих работ гипотезу об атомах признали все, даже знаменитый враг её — Вильгельм Оствальд (1853–1932). А в 1909 году тот же Резерфорд, который доказал сложную структуру атома, вместе с Ройдсом дал и наиболее убедительное доказательство атомистической структуры вещества. Вот как это произошло.
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 определённым: 13,6∙1010 частиц/г∙сек. Все эти α-частицы, захватив по два электрона, превращаются в атомы гелия и занимают объём 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 объём 22,4 литра 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 Чарльз 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 её 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 твёрдые: в детстве им ведь тоже приходилось расшибать коленки об углы. Поэтому очень трудно представить себе атом таким же пустым, как пространство между Землёй и Солнцем, и в то же время необычайно устойчивым.
Известно, например, что вода останется водой даже под давлением в 10 тысяч 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 всё равно как если бы на того же слона взгромоздить сотню Джомолунгм.
Всё это удивительно, но не мешает атомам быть пустыми, поразительно пустыми: все ядра атомов, из которых построена Джомолунгма, можно упаковать в один мешок.
ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЁТКА
Неизвестно, как обернулась бы история атома, если бы физики не изобрели дифракционную решётку.
Её использовал уже Фраунгофер; Ангстрем сделал её главным инструментом своих исследований, и наконец Роулэнд придал ей почти современную форму. Принцип действия решётки 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.
Благодаря этому прибору в спектроскопии достигнуты точности измерений, удивительные даже для физики. Уже в начале века удавалось разделить две линии в видимом спектре, если их длины волн отличались друг от друга хотя бы на 10−3 Å (сейчас точность повышена до 10−4 Å).
Чтобы наглядно представить себе точность подобных измерений, вообразите, что вы захотели измерить длину экватора с точностью до метра. Ясно, что в этой попытке нет нужды, да и особого смысла тоже, просто потому, что результат такого измерения будет зависеть от каждого муравейника на пути. Но в спектроскопии подобные усилия представляют не только спортивный интерес; и дальнейшая история атома убедительно это доказала — вопреки недоверию и насмешкам, которые эти усилия подчас сопровождали. Тому подтверждением — судьба эталона метра.
Знаменитый платино-иридиевый стержень с двумя рисками, отлитый по решению Конвента и хранящийся под стеклянным колпаком в Международном бюро мер и весов в Севре близ Парижа, оказался неравным в точности одной сорокамиллионной доле земного меридиана, как это вначале предполагали.
Французский академик Жак Бабине (1794–1872) был одним из первых, кто высказал сомнение в целесообразности такого выбора эталона длины и предложил принять за эталон длину волны какой-либо спектральной линии «…как величину, абсолютно неизменную и независимую даже от космических переворотов». Его предложение приняли только в 1958 году, когда был узаконен новый эталон метра: длина, на которой укладывается 1 650 763,73 длины волны оранжевой линии криптона Kr-86 в вакууме.
ЧТО СДЕЛАЛ РЕЗЕРФОРД?
В начале века мысли о планетарном строении атома не были такой редкостью, как это принято сейчас думать. Эти мысли открыто излагались даже на страницах учебников.
Для примера приведём несколько выдержек из III тома курса электричества, изданного в 1908 году профессором Парижского университета Г. Пелла:
«…атом не является неделимой частичкой материи. Испускание света, дающего спектральные линии, характерные для каждого рода атомов, указывает уже на разнородность атомов. Можно было бы предположить, что атом состоит из очень большого числа корпускул, которые притягиваются к какому-нибудь центру, как планеты притягиваются к Солнцу.
Для нейтральности атома необходимо, чтобы положительный электрический заряд, который, как мы предположили, находится в центре атома, был бы равен по абсолютной величине сумме отрицательных зарядов-корпускул, вращающихся вокруг него.
Словом все световые, электрические, тепловые и механические явления можно объяснить, допустив существование двух различных материй: корпускулы, или отрицательного электрона, и положительного электрона, о котором нам почти ничего не известно. Центральный положительный заряд атома состоит из совокупности положительных электронов, число которых изменяется в зависимости от рода атома, но остаётся вполне определённым для каждого рода атомов…
Лишнее было бы доказывать красоту этой теории, которая даёт возможность объяснить все известные до сих пор явления и позволяет связать столько явлений и законов, не имевших, казалось, ничего общего между собой».