БИБЛИОТЕКА РАБОЧЕГО САМООБРАЗОВАНИЯ. КНИГА I
БИБЛИОТЕКА РАБОЧЕГО САМООБРАЗОВАНИЯ
Книга I
М. БРОНШТЕЙН
СТРОЕНИЕ
АТОМА
ИЗДАТЕЛЬСТВО .КРАСНАЯ ГАЗЕТА" ЛЕНИНГРАД
1930 г.
ТИПОГРАФИЯ «КРАСНОЙ ГАЗЕТЫ* ИМЕНИ ВОЛОДАРСКОГО ЛЕНИНГРАД р Фоктанкд, 57
Тип. „Красной газеты* им. Володарского, Ленинград, Фонтанка, 57.
Ленинградский Областлит № 50196. Заказ № 3439. Тирах ,000 экз.
ВВЕДЕНИЕ
Две с половиной тысячи лет прошло с тех времен, когда мыслители древней Греции изучали вопрос о строении вещества и создавали свои теории, отчасти основанные на научном опыте, а отчасти представлявшие плод их богатого и поэтического воображения. Заслуживает величайшего удивления то обстоятельство, что некоторым из этих философов удалось создать гениальную теорию, являющуюся и в настоящее время основным содержанием того, что нам известно об устройстве вещества: речь идет об атомистической теории. Уже за четыре века до нашей эры Д емо к р ит учил, что вещ ство состоит из ничтожно малых частиц, отделенных друг от друга пустыми промежутками; эти частицы он назвал атомами. Согласно этому учению, всякое вещество, представляющееся нам сплошным и непрерывным, в действительности состоит из роя движущихся атомов. Для наших несовершенных чувств этот рой атомов сливается в одну сплошную массу, подобно тому как мы не можем раз шчить отдельные кирпичи здания, если смотрим от него с большого расстояния. Атомы, согласно Демокриту, находятся 1*	а
в беспрестанном движении, соединяясь между собой в различные комбинации, которые могут и распадаться вновь. Все изменения в свойствах веществ обусловлены перегруппировкой атомов, переходящих от одной комбинации к другой.
То же самое учение развивали и другие философы древ ности, так наир. Эпикур (три века до нашей эры) и Лукре" ций Кар, изложивший его в латинской поэме, озаглавленной ЛО природе вещей to и написанной в первом веке до нашей эры. В настоящее время нам не очень ясны те причины* которые заставили античных философов притти к атомистической теории, но нет никакого сомнения в том, что эта теория позволяет с самого начала весьма просто п непринужденно объяснить целый ряд легко наблюдаемых фактов. Когда какое-либо вещество, нагреваясь, раептпряется-то с точки зрения атомистической теории сами атомы» остаются при этом неизменными и увеличиваются только промежутки пустого пространства между ними. Было бы весьма трудно или даже почти невозможно представить себе это явление наглядно, если допустить, что вещество является непрерывным и сплошным. Когда атомы находятся на большом расстоянии друг от друга, то вполне очевидно, что действующие между ними силы сцепления очень малы, а так как атомы обладают движением, то они будут стремиться разлететься во все стороны. Поэтому на всякую перегородку, поставленную па их пути, они будут производить давление, которое представляет не что иное, как совокупность ударов атомов об эту перегородку. Тело, состоящее из таких удаленных друг от jipyra атомов, будет охотно занимать всякий предоставленный ему объем и будет производить давление на все стенки, ограничивающие этот объем. Такое тело будет обладать малой плотностью и большой сжимаемостью. Иными словами оно будет иметь все свойства тел, называемых газами или парами.
4
Еслг расстояние м&мду частицами значительна уменьшится, то дальнейшее сжатие будет происходить все труднее и труднее, и силы сцепления между частицами будут играть все более и белее значительную роль. Таким образом мы приходим к характеристике жидкого состояния вещества* Частицы жидкости всегда сцеплены друг е другом, однако вто сцепление не настолько сильно, чтобы привязывать каждую частицу к положению равновесия. Оставаясь все время в области притяжения других частиц, каждая частица может свободно скользить между ними и перемещаться по всему объему жидкости, Вот почему жидкости легкиподвпжны и текучи.
Иначе устроены твердые тела: каждая частица в них привязана силами (как теперь выяснили ученые, электрического происхождения) к определенному положению равновесия. Вокруг этого положения частица может совершать более или менее быстрые колебания.
Не менее легко атомистическая теория справляется и с явлениями теплоты. Уже давно известно, что движений при трении переходит в теплоту: так напр. Г. Дэви к 1799 году заставил растаять два куска льда, подвергая их трению друг о друга в безвоздушном пространстве. При атом тепло именно возникло ив движения и нельзя было думать напр., что уже имевшееся в куске льда тепло сумело нагреть его до более высокий тшгпературы благодаря умень. тению его теплоемкости: ведь теплоемкость возникшей при таянии воды не меньше, а больше теплоемкости льда. Если тепло может возникать из движения, то наиболее естественное допущение заключается в том, что тепло само по себе есть движение, ио только движение невидимой глазу, а именно движение составляющих тело частиц. Такая точка ярения оказалось необычайно плодотворной и уже с середины 19-го века стала общепринятой.
s
Таким образом мы вмдим, что атомистическая теория с самого начала обещает объяснить ряд свойств вещества. В дальнейшем мы изложим более подробно историю атомистических воззрений в физике и химии и ту форму, которую эти воззрения имеют в настоящее время.
Г Л А В А 1
Атом и молекула
Атом к молекула в химии и в физике
Начиная с 1768 года гениальный французский химик Антуан Лоран Лавуазье производил опыты по взвешиванию веществ, участвующих в химической реакции. Эти опыты привели его к заключению, что весовое количество веществ, вступающих в химическую реакцию, остается таким же и после реакции. Если когда нибудь и происходят отступления от этого закона (нано, от горящего полена остается только горсточка золы), то эти отступления в действительности толь о кажущиеся. Они объясняются тем, что в реакции участвуют или получаются в виде ее продуктов газообразные вещества, не так легко поддающиеся взвешиванию; если учесть и их, то никаких отступлений от закона не будет. Так был открыт закон сохранения вещества, ставший прочным основанием химии.
Тот же Лавуазье установил и понятие о химических элементах, т. е. о простейших формах вещества, и» которых состоят все тела природы. Всякое тело, физически однородное, может состоять или из одного элемента (так напр. алмаз состоит из одного элемента — углерода) или из нескольких элементов. В персом случае мы имеем дело с простым телом, во втором — с химическим соединением (сайр, вода есть химическое соединение элементов водорода и кислорода) или с однородной смесью (напр. воздух есть однородная смесь, состоящая главным образом ив простых тел кислорода я азота).
7
В параллель к закону сохранения вещества Лазуаиьо установил и второй закон, а именно закон сохранения елементов. Он гласит, чго весовое количество каждого химического элемента, взятого в отдельности, остается таким же после реакции, как и до нее. При химической реакции одна комбинация химических элементов заменяется другой комбинацией их, но весовое количество каждого элемента в отдельности остается неизменным.
После смерти Лавуазье (1794 г.) его последователи продолжали начатое им дело изучения весовых отношений между веществами, участвующими в химических реакциях. При этом был открыт ряд замечательных законов. Прежде всего было доказано, что каждое химическое соединение состоит из элементов, взятых в строго определенном весовом отношении, и что именно этим химическое соединение отличается от однородной смеси (закон постоянства состава). Так вапр. смесь воды и спирта может встречаться в самых разных пропорциях, начиная от чистой воды и кончая чистым спиртом. Зато химическое соединение окись меди всегда содержит по весу 8и% меАи и 20% кислорода. Далее был установлен закон эквивалентов, который заключается в следующем: пусть даны три химических элемента, обозначим их буквами А, В и С. Если элемент А соединяется с элементом В в весовом отношении а: б, а элемент В соединяется с элементом С в отношении Ъ : с, то А будет соединиться с U в шношении а:с, т. е. на а грамм элемента А будет приходиться с грамм элемента С. В дополнении к этим законам английский ученый Джон Дальтон открыл закон кратных отношений. Формулировка ого такова: два элемента могут соединяться между собой не только в одном отношении, но и в нескольких, при чем будут получаться различные химические соединения (таким образом никакого противоречия закону постоянства состава здесь нет). При этим всегда количества элемента В7 приходящиеся в разных химических соединениях на одно и то жр количество элемента Л, так относятся между собой, как небольшие целые числа, наир, если между А и В возможны пять разных соединений, то в первом на а грлмм элемента А приходите Ъ грамм элемента В, во вторим «а те же
й
4 грамм элемента Л приходится ровно %Ь грамм элемента Д в третьем 3$ грамм, в четвертом 46 и в пятом 56 грамм. Каким образом связать между собой эти химические законы? Должна ли химия иметь дело с каждым из них в отдегьпосги или же она может создать такую теорию из которой естественно вытекали бы все перечислилные законы химических реакций? Заслуга сознания такой теории принадлежит тому же Дальтону. Руководясь идеями Демокрита, Дальтон пришел к заключению, что все тела состоят из атомов, которых имеется столько же различных сортов, сколько существует химических элементов. Все атомы одниго и того же химического элемента абсолютно неразличимы между собою и в частности равны друг другу по весу. Зато атомы различных химических элементов обладают различными весами. Атомы нельзя разрушить и их нельзя создать вновь; атом одного элемента пе может превратиться в атом другого. ^Пытаться создать или уничтожить атом водорода так же безнадежно, как пытаться создать новую планету солнечной системы или уничтожить одну из существующих", так писал Дальтон в своей „Химической философии".
Легко видеть, что из всего этого вытекает закон сохранения вещества и закон сохранения элементов. Остальные законы объясняются так же просто; но только для этого приходится ввести понятие о молекуле. Химические соединения образуются, если несколько атомов разных химических элементов соединятся в целую систему, называемую молекулой. Всякое данное химическое соединение состоит из одинаковых молекул. Простое тело тоже состоит из молекул, но в состав такой молекулы входят одинаковые атомы, атомы одного и того же химического элемента. Если вам известен состав молекулы и относительные веса образующих ее атомов, то нетрудно расчитать и весовое отношение равных элементов в данном химическом соединении.
Воспользуемся теми относительными весами атомов, которые уже после Дальтона были вычислены другими учеными; окажется, что самым легким атомом является атом водорода. Если вес этого атома принять ва един иду, то вес атома кислорода (или, как говорят, аюмный вес кислорода) будет равен 16, атомный вес азота будет равен Нм т. д. Молекула воды
у
СОСТОИТ из двух ВОДОрОДЙЫХ атомов Е одною кислородною. Tas еле вода состоит вся из одинаковых молекул, то отношение веса кислорода к весу водорода во всей воде будет такое же самое, как в каждой отдельной молекуле, т. е. 16 : 2 или 8 : 1 (Баков постоянства состава).
Азот и кислород могут соединяться между собою в различных отношениях. Это происходит потому, что молекула \ожет образоваться уз двух атомов азота и одного атома кислорода, или из одного атома азота и одного атома кислорода, или из двух атомов азота и трех агомов кислорода, или из одного атома азота и двух атомов кислорода, или наконец ив двух атомов азота и пяти атомов кислорода. Легко видеть, что в первом из этих соединений на каждые 7 грамм а&ота приходится 4 грамма кислорода, во втором па те же 7 грамм азота 8 грамм кислорода, в третьем 12 грамм кислорода, в четвертом 16 грамм в наконец в пятом 10 ]рамм кислорода. Эти количества кислорода относятся друг к другу, как целые числа 1: 2 : 3 : 4 : 5 (закон кратных отношений). Таким же образом объясняется и закон эквивалентов. Мы видим, что теория Дальтона с поразительной легкостью и простотой объясняет громадное коли ie-ство фактов. Нет ничего удивительного в том, что учение Дальтона прочно привилось в хи^ии. Можно считать, что громадная часть успехов, достигнутых химией в 19-м веке, объясняется именно гем, что химия не ограничивалась одним только накочлеилем все новых и новых груд опытного материала, но постояв но стремилась истолковать этот материал г связи с представлениями теории Дальтона. Таким образом удалось достигнуть значительных успехов: для целого ряда весьма сложных по своему составу молекул химики смогли получить представление и о том, каким именно образом атомы связываются между собой в этой молекуле (структурная теория) и в отдельных случаях даже о том, как эти атомы располагаются в пространстве (стереохимия). Не меньшие услуги теория атомов и молекул оказала в 19-м веке и физике.
Мы уже упоминали (см. введение) о том, что теплота есть дриж иче частиц, образующих тело. На почве представления о том, что тела природы состоят молекул, 10
скорость движения которых возрастает при повышении температуры, была создана кинетическая теория материи; особенных успехов достигла уже в 19-м столетии кинетическая теория газов, сумевшая объяснить целый ряд свистя газов (Клаузиус, Максуэлл, Больтцчаяв) Еольтцманну же принадлежит заслуга обоснования так называемого „второго начала термодинамики* с помощью кинетической теории вещества. Второе начало было известно в фичи е и независимо от кинетической теории, но Больтцманн, умело применяя теорию вероятностей, показал, что оно может быть выведено из кинетической теории вещества, при чем заодно вскрылся статистический характер второго начала, до этого неизвестный и заключающийся в том, что нарушения второго начала не абсолютно невозможны, а только весьма *<ало вероятны; тем не менее в небольших размерах эти отступи ,ния ог второго начала термодинамики всегда происходят: их изучение выросло в особую обширную область физики (теорию флюктуаций). Мы не имеем здесь возможности подробно останавливаться на всех этих вопросах.
В дальнейшем нам придется иметь дело с одним простым понятием — так называемым и слом Авогадро**. Назовем молекулярным весом химического соединения сумму атом-ных весов всех атомов, образующих его молекулу. Наир, молекула воды, как мы говорили, состоит из двух водорода’:т и одного кислородного атома; вес водородного атома принят за единицу, атомный вес кислорода топа равен 16. Биэтом,. молекулярный вес воды будет 2 ~|— 16 =•= 18. Таким же образом молекулярный вес углекислого газа, молекула которого состоит из двух кислородных п одного углеродного атима равен (2 X 1б) + 12 = 44 (атомный вес углерода равен 12). Если мы возьмем столько грамм какого-либо вещества, сколько имеется единиц в его молекулярном весе, то это количество вещества называется его грамм-молекулой. Так напр. 18 грамм воды образуют грамм-молекулу воды; 44 грамма углекислого газа составляют грамм-молекулу углекислого газа в т. д.
Ясно, что отношение веса молекулы воды к весу молекулы углекислого газа равно 18 : 44; отношение веса грамм-молекулы воды к весу грамм-молекулы углекислого газа тоже равно 18 :44; отсюда очень легко заключить, что грамм-
11
молекула воды содержит столько молекул воды, сколько молекул углекислого газа имеется в грамм-молекуле углекислого газа. Но вода, и углекислый газ били взягы нами только для примера — такое же самое заключение получится и в случае любых двух других вешеотв. Следовательно число молекул в грамм-молекуле совершенно одинаково для всех решительно веществ. Это число и называется числом Лвогадро.
Если мы узнаем число Авогадро, то мы сможем узнать ко только относительные веса атомов химических элементов, по и их абсолютные веса, т. е. сможем узнать вес каждого атома в граммах. Если число Авогадро равна Nt то каждая
10	Л	1О
молекула воды должна весить грамм, ибо в 18 граммах воды заключается Л’ молекул. Но молекула воды в 18 раз тяжелее атома водорода, значит атом водорода весит
12	1Ь
грамма, атом углерода гр. атом кислорода гр. и т. д. Отсюда видно насколько важно знать число Авогадро. Те?/ ле менее химия не сумела ответить на вопрос, чему равно это число. Разрешить этот вопрос смогла только физика, о чем мы подробнее узнаем во второй главе.
Периодическая система элементов
19 му веку было суждено обогатить науку замечательным открытием, истинный смысл раскрылся только через пятьдесят лет. Речь идет о периодической системе элементов. Невидимому Ньюлондс первый обратил внимание на те закономерности, которые обнаруживаются, если расположить известные химии элементы в порядке возрастающего атомного веса. Этим закономерностям Ньюлэндс дал поэтическое название „закона октан*. Открытие Ньюлэндса яе было оценено химиками по достоинству; Ныолэндса язвительно спрашивали, не пробовал лп ок расположить химические элементы в порядке алфавита я не получались ли и при этом закономерности. Но уже через несколько лег (в 1879 году) взгляды Ныолэндса снова были высказаны в еще белее определенной форме Дмитрием Ивановичем Менделеевым
12
я Лотиром Мейером, Окяшоеь, что если расположить элементы в порядке возрастающего атомного веса, то целый ряд свойств в этом списке периодически повторяется, В настоящее время известно гораздо больше химических элементов, чем в 1870 году; мы приводим таблицу „периодической системы" в том виде, в каком ее можно писать да основании современных химических зпаний (см. таблицу 1). Среди химических элементов известно несколько так называемых „благородных газов" (гелий, неон, аргон, крпптон, ксенон, эманация радия). Между ними общее то, что все они отказываются вступать в химические соединения с другими элементами. Названия химических элементов расположены в таблице сверху вниз и каждый раз, когда столбец доходит до благородною газа, этот столбец прекращается и начинается новый. При этом оказывается, что каждый столбец начинается химическими элементами во многом похожими на те, которыми начинаются другие столбцы. Так напр. литий, натрий, калий, рубидий и цезий — все принадлежат к группе так называемых щелочных металлов; они сходным образом участвуют в химических реакциях, испускают сходные оптические спектры и т. д. Подобное сходство обнаруживают и следующие за ними элементы (бериллий, магний, кальций, стронций, барий, радий), образующие группу щелочноземельных металлов. Элементы, предшествующие благородным газам начиная со второго столбца (фтор, хлор, бром, иод) также образуют группу сходных между собой элементов, так называемых галоидов.
В нашей таблице сходные элементы соединены линиями, так лапр. имеем группу элементов, обнаруживающих много одинаковых химических свойств, составленную иэ углерода, кремния, германия, олова, свинца и т. д. и т. д. Длина периода (т. в. расстояние между элементом и его аналогом в следующем столбце) не остается одинаковой, а все растет и растет по мере приближения к концу таблицы. Однако вклинивающиеся в столбцы элементы, сами по себе толе обнаруживают периодичность: даже нарушения периодичности повторяются периодически („вклинивающиеся" элементы обведены у нас рамками). В некоторых местах нашей габлдды (X- 61,	85 м Л 87) отсутствующие элементы
19
&
1
•n
ЦМ*# Б л р«»
W. б'мтая
83.
ТАБЛИЦА J
и»₽»й
Периодическая система
эхемэнтов
&9. (Имводиж €J.
в»,
4 ^ел9₽ел( £> Г«Л*.<
ча
23.
2»
24. A
22.
23
iffWl ——fl
5«Ф.<лдиЙ— 12.
Sept—-----53.
Углей—44.
15.
e.
7 'Дазт г.
’§
FrrpuS
Иагдий
Адузыкний
ttpsi»l«4 фосфез—
Кдаеэрсгд —-1 g,
*U Хгнь
W.
<-2Q. Кааьаг9
21. С^а^д?
Тага»
Be »й адЯ.
Д5 Py^M!
JC CvponuxS
39. Иттрий
<?э.
41.

Xpca Карт axats |—.
ЗНйлет» йсбалэ?
«2.
43
4X
41
Накк^да—L—!
V29. »одь
B. U«!»s
Цнвиаа
Ke ofc*
Молибдвч йазуркй -Рутений—
Водий
ч&.
Палладий—
47

Cev’uuo
Кадмий-
45. Индий-
Г лртзсвЯмй |,‘— ^0. Вхснф *
Ня-шмв	Сгрычй
Й?Э ,« и к 62,
Ttwjfg
RC4
Л »>гэлае -»—•
62. Ce*apse ' 63 Etg'jftefc
64 Гз^рлиидб
56. ItptnS £Я Диса^ЫйВ 67; foxtasi
45

1
8; -Ш
Т><иЗ
3. ИттерСгд । » Латвии*—
Z Гаф.-wb——
3, Тпитал—__
74.
73.
75.
77,
водвфра
Р»вий —

ВД-’Й
'К ПД»ТИЙ8 —— .
85
7S. bufcjs 3. fhyt» «. TtsjuS
82, C&SmeQ
83. Lb^at/t n^s-Hcatf
a%f	ytcj»— -
заменены. черточками; это значит, чту соответствующее элементы отце не открыты, но существование иэ несомненно из соображений, о которых читатель узнает и” главы 1IL
Весьма вероятно, что 92-м элементом (ураном) не заканчивается список существующих в природе химических элементов. Напр, английский астрофизик Дж. X. Джинз указывает на возможность того, что элементы, следующие за ураном, присутствуют в недрах звезд в значительном количестве и играют там важную роль. Во всяком случае на гем ле эти элементы пока еще не обнаружены.
Таково в общих чертах строение периодической системы элементов. Менделеев был настолько убежден в много&начи-тельности всех этих закономерностей, что дерзнул д: fo на основании периодического закона предсказать свойства новых, тогда еще не открытых элементов. Химические исследования блестяще подтвердили его смелые предположения. И все жо даже он, убежденнейший ие убежденных сторонник периодического закона, не мог понимать истинного смысла открытых им закономерностей. Среди многочисленных едаяий научных теорий, воздвигнутых в 19-м веке, периодическая система была похожа на обелиск, покрытый непонятными письменами; расшифровать эти письмена - вот великая задача, которую 19 й век оставил в наследство 20-му. О уем, как эта задача была решена» читатель отчасти узнает ив третьей глаты.
ГЛАВА J.I
Разрушение атома
Электроны
Атомистическая теория с теченггем времени столкнулась с такими вопросами, рассмотрение которых потребовало существенного изменения самого понятия „химический атом*. В настоящее время химиками выделено и изучено девять десятков химических элементов. Следует ли отсюда, что те „кирпичи мироздания11, ла которые м зкет бьпь разложено всякое вещество, состоят в самом деле из девяноста различных сортов? В средние века существовала мнимая наука «алхимия, последователи которой убивали много времени и труда на тщетные попытки добиться превращения таких химических элементов, как сера, ртуть и др. в золото. Над алхимиками много смеялись, особенно тогда, когда научная химия сумела доказать пои посредстве весьма точных опытов взвешивания, что весовое количество каждого отдельного химического элемента не претерпевает никаких изменений: химические элементы могут переходить из одного химического соединения в другое, соединяться друг с другом и вновь освобождаться, но каждый атом все время сохраняет свою химическую природу, и атом серы, например, всегда останется атомом серы, и никогда не сумеет стагь атомом водорода или золота или ртути. Похоже на то, как бутс бы атомы химических элементов абсолютно неразложимы яа более мелкие единицы и все явления природы представляют только их перегруппировки и перемещения в пространстве, В 19-м. веке белый нн-етю ученых химиков думаю именно так. Тем более любо-<
is
пъгтио то оОстоятельстоо^ что такой крупный ученый как Менделеев позволил себе держаться противоположной топки зрения. Он утверждал, что если атомы неделимы, то только в гаком смысле, в каком неделимо какое нпбудь животное или сложный прибор: можно разрезать наир, кошку на части, но при этом она перестанет быть кошкой, и следовательно в этом смысле кошка неделима. Тоже относится к часовому механчэму и т. д. Гениальный Михаил Фарадей, которому наука обязана открытием громадного количества электрических явлений, также не мог примириться с мыслью о том, что между раз личными сортами химических атомов, образующих г>'-е тела природы, не существует никаких переходов или связей: он учил, что осуществлен е идеи алхимиков— превращение химических элементов друг в друга— представляет истинную задачу науки. Таким образом и Фарадей и Мен елеев указывали на то, что химические агомы гораздо сложнее, чем думают обычно, и что следует изучать -их внутреннее строение и разложить их на более мелкие части.
Для того, чтобы увидеть как эго осуществилось, необходимо познакомиться с теми открытиями в области электричества, которые были произведены в последнюю четверть прошлого века Знаменитый п тонкий финик Гельмгольц (один из ученых, открывших закон сохранения анергии) читал в 1881 году в Лондоне лекцию, в которой между прочим сказал: „Если мы примем гипотезу, что вещество состоит из атомов, то мы не можем избегнуть закиочсния, что и электричество, как положительное, так и отрицательн е, разделяет я на определенные порцип, которые можно считать как бы атомами электри-честваа. Еще в 1874 году аналогичные мысли высказывал английский физик Джонстон Стеней. На чем они оба основывали такое поразительное утверждение? Оказывается, что они ссылались па физическое явление, которое было хорошо известно учен м задолго до этого, но истинный смысл которого почему-то открылся только Гельмгольцу и Стонею. Речь идет о явлении электролиза, открытого в конце 18-го века голландским ученым Пете ф а н -Т р о о с т в и -кои. Если электрический ток постоянного направления проходит через некоторые химические соединения (кислоты, основания и соли), то эти соединения разлагаются на свои
г тсмл. --«1.
17
весте вмс часта. Gum производится iu: в воду, в »oi’c>aS растворено одно из таких химических соединений, вставляются металлические пластины, которые соединяются с полюсами какого-либо источника постоянного тока (напр. аккумулятора). Б астина, соединенная с положительным полюсом, называется анодом; пластина, соединенная с отрицательным полюсом называется катодом. При пропускании электрического тока вещество, принадлежащее к одному из упомянутых типов химических соединений, разлагается на составные части, при чем одна часть (а именно входящие в состав этого соединения металлы или водород) движется к отрицательно заряженной пластиве, т. е. к катоду и выделяется на нем; остальная часть движется к аноду и выделяется таи. Явление электролиза было исследовано с количественной стороны знаменитым английским ученным Фарадеем, который обнаружил следующий любопытный закон, то количество элекгриче ства, которое должно быть пропущено через же цкость, способную разлагаться при прохождении тока, составляет или 2895 х 10d единиц электричества на каждую грамм-молекулу разлагаемого вещества или ровно вдвое больше или ровно втрое больше и т. д. (относительно единицы электричества см. примечание в конце книжки). Обозначим это число единиц электричества буквой JT (оно называется постоянной Фарадея), Таким образом на каждую грамм молекулу разлагаемого вещества приходится или F единиц пропущенного через жидкость электричества или 2F или 3F или 1F и т. д, вообще обязательно целое, но никоим образом не дробное число. Так как в главе I мы узнали, что грамм-молекула любого химического соединения содержит одно и то же число молекул (число А во-гадро Лт), то следовательно на каждую молекулу разлагаемого вещества приходится или ?-(F деленное на N) единиц
электричества или 2-у или 3 и т.д. и т.д. Получается, что F
вед ичина -у представляет какую-то порцию электричества, которая дальше делиться не может и потому встречается обязательно целое но не дробное^ число раз. Отсюда Гзльмходьл к Стоней заключили, что электриче-
положительное ж тфиц&гохьжое, состоит на яеделитах порций, являющихся как бы „атомами электричества \ при чем величина каждой порции равна
F
е = -дг единиц электричества,
где F постоянная Фарадея или 2895 X 10й единиц электричества. Таким образом ив прерывного (атомного) строения вещества необходимо следует л прерывное строение электричества. Заключение это настолько простое, что приходится только удивляться, почему оно никому не пришло в голову до Сгонея и Гельмгольца, впервые высказавших эту мысль в 1881 г.
Прежде чем пой;и дальше, обратим внимание на то, что из написанной только что формулы возможно вычислить Лг, если только каким ни будь образом станет известна величина е. так как числитель, т. е. F, известен (/*'== = 2895 ХЮ11). Следовательно чтобы узнагь действительный вес молекул и атомов нужно уметь измерить величину величину ^наименьшей порцииэлектричества.
Открытие Гельмгольца и Стояея было сделано, так сказать, „на бумагено следовало еще как-то ^поймать* атом электричества, т. е. найти физическое явление, в котором атомы электричества принимают такое непосредственное участие, что станет возможным открыть их и изучить их свойства. Это удалось ученым, изучавшим прохождение электрического тока через разреженные газы.
Допустим, что в стеклянный сосуд, ив которого выкачан почти весь воздух (так что остающийся там воздух производит давление не больше тысячных долей миллиметра ртутного столба? впаяны две металлические пластинки, соединенные с полюсами источника постоянного тока. Будем называть пластинку, приключенную к отрицательному полюсу, катодом, а к положительному — анидом. В 1899 году II л юкке р открыл, что если при таком сильном разрежении пропускать электрический разряд между катодом и анодом, то из поверхности катода выходят особые лучи, заставляющие светиться части стеклянных стенок сосуда, на которые они падают. Тазиствекные лучиг открытые Плюккером, служили после него предметом исадсдованмя целого ряда ученых, в осо-
Г	19
бонности Гитторфа, Гольдштейна (давшего им названа® кат одных лучей) и других. В 1874 году гениальный английский ученый Крукс прочел в Шеффильде доклад под заглавием „Лучистая материя иди четвертое состояние вещества в котором высказал смелую гипотезу о том, что „катодные лучи® представляют поток материальных частиц, движущихся с колоссальной скоростью и заряженных отрицательным электричеством. Эти частицы, по мнению Крукса, входят в состав каждого химического атома. Таким образом они представляют „оскилки** атома, который следовательно во может уже считаться „неделимым11 в обычном узком смысле этого слова. Высказав эту гипотезу, Крукс тем самым посягнул на считавшееся тогда несокрушимой основой химии мнение о том, что атомы абсолютно неделимы и являются последними и неразрушимыми единицами, из которых
построены все тела природы. Не удивительно, что смелая мысль Крукса сначала не встретила особой поддержки. Даже- такие выдающиеся ученые, как Генрих Герц (открывший электромагнитные волны) нападали на Крукса, утверждая, что катодные лучи представляют не поток материальных заряженных частиц, а особого рода волны, распространяющиеся в эфире; многие даже считали Крукса сумасшедшим Однако Крукс оказался прав и постепенно весь ученый мир год давлением неопровержимых фактов вынужден был принять мнение Крукса. То, что катодные лучи представляют быстро движущиеся заряженные частицы, доказывается следующими опытами:
Если к стеклянному сосуду в котором распространяются катодные лучи (такие сосуды называются разрядными или Круксовыми трубками) приблизить матмт, то катодные лучи определенным образом искривляются (см. рис. 1). Это
20
было бы совершенно необъяснимо, если бы лучи представляли волны, по становится совершенно понятным, если мы только допустим, что катодные лучи — это быстро движущиеся заряженные частицы. Движущийся электрический заряд есть не что иное как ток, а магнитное ноле, как известно, производит на ток определенное действие, заставляя его отклоняться (проводник с электрическим током заставляет отклонять магнитную стрелку и наоборот сам стремится повернуться в mhihhthom поле). Направление, по которому происходит искривление пучка катодных лучей, указывает на то, что они заряжены отрицательным электричеством.
Если Круксову трубку поместить не в магнитное, а в электрическое поле, то катодные лучи также искривляются, при этом таким образом, что они стремятся приблизиться к положительно заряженному телу и наоборот удалиться от тела, отрицательно заряженного. Это тоже указывает на то, что катодные лучи заряжены отрицательно.
Если на путл катодных лучей поставить какое-нибудь легкоподвижвое тело (напр. очень легкую вертушку), то катодные лучи, падая на это тело, приводят его в движение. Это тоже указывает на их материальную природу.
Когда Гельмгольц и Стон й нашли, что электричество состоит из „порций14 или „атомов*, то естественно было заключить, что движущиеся в катодных лучах частицы и представляют собою атомы отрицательного электричества В 1891 г. Стояей предложил называть их электронами. Итак катодные лучи — это поток отрицательно заряженных электронов.
Такое представление о катодных лучах, как о потоке частиц, было подтверждено исследованиями целого ряда уче* яых, среди которых особенно должны быть упомянуты Дж. Дж. Томсон и Ленар.
Что такое представляют собою электроны? Если поме* стить Круксову трубку в электрическое или магнитное поле, то катодные лучи искривляются. Ясно, что это искривление зависит от скорости движения ча« тиц: чем быстрее движение электронов, тем большая нужна сила для того, чтобы отклонить его от первоначального направления движения; кроме того, искривление будет тем больше, чем больше заряд
21
электрона и нем меньше его масса. Из наблюдений над искривлением катодных луней в электрическом и магнитном нолях возможно вычислить величину скороеiи, а также отношение заряда электрона к его массе. Многочисленные измерения показали, что
е	17
— == 5,307x10 т
где m — масса электрона, измеренная в граммах, а в — его заряд в „абсолютных электростатических единицах“ (см. примечание в конце книжки). Приведенный числовой результат заставляет призадуматься.
В самом деле, из него возможно вывести отношение массы электрона к массе водородного атома. Пусть масса водородного атома будет _4. Так как в грамм-молекуле водорода имеется 2V молекул (Л — число Аво1адро), а масса каждой молекулы водорода равна 2 А (ведь она состоит из двух атомов водорода), то вес всей грамм-молекулы водорода будет 2NA граммам. Но с другой стороны он равен 2 граммам. Следовательно
22УЛ = 2, откуда = 1 и наконец
/1 — дт-
Мы видим, что Л в N обратны друг другу: разделить на J все равно что помножить на Лг и наоборот. Поэтому
-Л =: в X ЛГ
Вспомнив, что произведение е на 2V дает постоянную Фарадея F (или 2895 XI О11 абсолютных электростатических единиц заряда), мы можем писать
Итак — = 5,307 X 10”; ~ = 2895 X 10п. т	' A	z
Если разделить предпоследнее равенство на последпее, то получим
= 1840.
22
Следовательно масса недородного атома в 1840 раз превосходит массу электрона. Электрон оказывается, таким образом, частицей. которая легче самого легкого из атомов! Вот к какому поразительному результату привели опыты над катодными лучами. Старое понятие о химических атомах, как о последних и простейших частицах, из которых строится вещество, было к концу 19-го века разрушено. Начиналась новая эпоха в исюрии науки.
Радиоактивность.
В последнее десятилетие 19-го века было сделано еще одно научное открытие, послужившее не менее важной причиной изменения прежнего представления об атоме. В 1896 г. французский химик Анри Беккерель заметил, что соли тяжелого металла ур ша обладают непонятным свойством действовать па фотографическую пластинку: фотографическая пластинка, находившаяся па недалеком расстоянии от препарата какой-либо соли урана, чернела, как будто под действием света. Отсюда Беккерель заключал, что соли урана служат источником каких-то новых невидимых пазу лучей. Открытое нм явление было названо радиоактивностью. Дальнейшие опыты показали, что кроме почернения фотографической пластинки открытые Беккерелем лучи вызывают и другие явления. Если вблизи соли урана поместить заряженное электричеством тело, то его заряд довольно быстро исчезает, утекая в воздух. Следовательно испускаемые солью урана лучи обладают способностью делать воздух проводником электричества или, как говорят, ионизовать воздух. Молекулы воз 1 уха под действием этих лучей разбиваются па положительно и отрицательно заряженные части (ионы). Если в таком ионизованном воздухе помещено тело, заряженное напр. положи гельно, то оно отталкивает от себя положительные ноны воздуха и наоборот притягивает к себе отрицательные, которые, притянувшись к нему, нейтрализуют (уравновешивают, уничтожают) его положительный заряд. Чем радиоактивность сильнее, тем конечно сильнее происходит ионизация воздуха и следовательно тем быстрее разряжаются в этом воздухе наэлектризованные тела. После
23
Беккереля радиоактивность была подробно исследована Марией Кю р и-Скл од опекой и Пьером Кюри. Оказалось, что радиса1п1ивпость зависит ог количества урана, а также и некоторых других элементов, открытых Кюри в процессе
этого исследования (полоний и радий). Однако радиоактивность сивеем не зависит от того, какими другими химическими элементами „разбавлены" эти радиоактивные элементы, Таким образом ра иоактивность представляет свойство атомов нескольких химических элементов; другие атомы, соединенные с ними в одной и той же молекуле, ни нею не прибавляют к радиоактивности и ничего от нее не отнимают.
Наиболее активным из всех радиоактивных элементов, открытых в этих работах, сказался радий. В 1898 году М. и П. Кюри сумели выделить из урановЛ смоляной руды
24
хлористый радий, а впоследствии (в 1910 г.) Мария Кюри получила радий даже л в чистом виде.
Открытие радиоактивности поставило перед физиками целый ряд загадок. Если поместить препарат радиоактивного вещества в сосуд с водой, то испускаемые этим препаратом лучи Беккереля отчасти поглотятся водой, при чем вода нагреется. Таким образом по нагреванию воды возможно заключить о количестве энергии, связанной с лучами Беккереля. Оказалось, что из одного грамма чистого радия в течение часа выделяется столько энергии, сколько нужно для того, чтобы нагреть 1,3 грамма воды от 0° до точки кипения. Радиоактивные вещества являются, следовательно, источниками энергии: тепло, как известно, может быть хотя бы частично обращено в работу (напр. в паровой машине источником работы служит теплота, выделяющаяся при горении топлива). Другими сливами из радиоактивного вещества может быть получена работа. Но опыт показывает, что всякое тело или система тел, производя работу, изменяется: так напр. в часах все время их работы раскручивается пружина или опускается гиря, в топке котла сгорает уголь и т. д. Вообще, когда какое либо тело совершает работу, то изменения, с ним происх дящие, таковы, что его энергия (т. е. его способность к совершению дальнейшей работы) все время уменьшается: этого требует один вз наиболее основных и надежных физических законов— з а к о н сохранения энергии. Если радий или какое либо другое радио-активное вещество беспрерывно отдает в окружающее пространство энергию, то в нем тоже должны происходить какие-то изменения. На первый взгляд такие изменения как-будто и не происходят вовсе: отдавал энергию, радиоактивный препарат как будто остается совершенно одинаковым. Поэтому в связи с открытием радиоактивности появились даже голоса в пользу тою взгляда, что закон сохранения энергии не верен и что препарат радия представляет воплощение давнишней мечты человечества—вечного двигателя, т. е. машины, совершающей работу, по при этом никогда не теряющей способности совершать работу и дальше. Кеуж ли кусочек радиоактивного вещества и есть тот легендарный кошелек Форгунага, из которого можно вынимать
25
до бесконечности золотой за золотым — кошелек Фортуната не пустеет никогда? Увы, сказка не осуществилась; точнее говори, осуществилась не эта сказка, а другая. В 1902 году ан. лийские ученые Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди высказали смелую мысль, что при испускании лучей Беккереля атомы радиоактивных веществ подвергаются превращению: они распадаются на составные части, при чем эти составные части являются тоже атомами. Так. наир, в соединениях урана всегда возможно обнаружить некоторое количество радия: по Резерфорду и С «дди это объясняется просто тем, что атом радия является одним из продуктов распада атома урана. Распадение большинства атомов радио-активных веществ совершается настолько медленно, что очень тру :но заметить непосредственно как один химический элемент превращается в другой. Но в 1903 году Содди и Рамзай произвели интересный опыт, доказывающий, что такое превращение действительно происходит. Ели в стек-ля иную трубочку с впаянными в нее электродами поместить небольшое количество газа, называемого „эманацией радияа, то при пропу»кании электрического разряда через эту трубочку появляется свечение, спектр которою состоит из спектральных линий, характерных для эманаппи радия (рис. 2). Если изо дня в день изучать этот спектр, то окажется, что спектральные линии эманации радия все время ослабевают, но зато появляются спектральные линии другого газа — гелия. Следовательно один химический элемент — эманация радия — превратился в другой химический элемент — гели й. II ревращение происходит настолько быстро, что от первоначального количества эманации через 93 часа остается только половина, еще через 93 часа только четверть и т. д. и т. д. Не все радиоактивные элементы изменяются так быстро: для радия напр. требуется 1G00 лет, чтобы от его первоначального количества осталась только половина, а для урана даже 41/., милшарда лет. Вот почему их превращение оставалось сперва незамеченным. Но и они превращаются, и вообще все радиоактивные элементы отучаются тем свойством, что их атомы один за другим превращаются в атомы иных элементов (радиоактивных или нерадиоактивных); таким об-
разом возможно установить целую родословную радиоактивных э 1ементов,напоминающую „Авраам роди Исаака, Исаак роди Иакова" и т. д. Наиболее тяжелый из химических элементов (по своему атомному весу) металл уран превращается в так называемый уран далее идет уран Х2, затем „уран второй % затем ионий, который дальше превращается в радий. Радий превращается в газ эманацию, дальше идут химические элементы, носящие однообразные названия:радий А, радий/? радий С-, радий С\ , радий 7), радий Е, радий F (иначе называемый полонием) и наконец радий G, который дальше-уже не изменяется, никаких лучей не испускает и на поверку оказывается обыкновенным свинцом. Свинец—вот пбеледний и уже далеко не царствен ный отпрыск династии радиоактивных элементов (см. таблицу II). Все эти превращения идут с неодинаковой быстротой, напр. радий разлагается наполовину за одну миллионную долю секунды, а уран за четыре с половиной миллиарда лет. Кроме того при некоторых из этих превращений выделяется также и гелий (напр. атом эманации радия не просто „превращается" в атом радия Л, но распадается на атом радия А и атом гелия); при других же превращениях гелий не образуется. Кроме династии урана есть и другие династии радиоактивных элементов; взаимоотношения между ними довольно сложны, и мы их касаться не будем. Нас зде< ь интересует только тот поразительный факт, что некоторые химические элементы способны превращаться в другие
Таблица II.
27
элементы; что в корне противоречит химическим представлениям, сложившимся в конце 18-го и в начале 19-го века и подтверждает старые, казавшиеся нелепыми, идеи алхимиков. В этом и заключается та „сказкаа, которая стала реальностью в работах Резерфорда и Содди.
Радиоактивные превращения явились первым указанием на то, что между различными элементами периодической системы существует связь, напоминающая открытую Дарвином связь между видами животного и ра» тигельного мира: после открытия радиоактивности стало возможным говорить об эволюции химических элементов. Превращения химических элементов несомненно играют чрезвычайно важную роль при огих
Рис. 3
в эволюции небесных светил; энергия, выделяющие превращениях, является одним из источников тех потоков тепла и света, которые расточаются звездами. В первое время после открытия радиоактивности ученые полагали, что радиоактивными явлениями можно объяснить происхождение всей Л	испускаемой звездами лучи-
15	стой энергии; теперь призна-
но, что расход лучистой энергии звезд слишком велик для того, чтобы покрываться энергией радиоактивных превращений полностью и без остатка. Значительная часть этого расхода должна покрываться теми таинственными превращениями частиц вещества в лучистую энергию, о которых ученые еще гак мало знают (см. стр. 62) и которые еще ни разу не наблюдались в лабораторных условиях. Тем не менее и радиоактивные превращения, происходящие в глубоких внутренних слоях звезд, должны быть приняты во внимание при объяснении происхождения испускаемой звездами лучистой энергии. На этом особенно настаивает Джинз. По его мнению планеты отделились от приливной волны, образовавшейся некогда в раскаленной массе нашего солнца при приближении к нему одной из ввеяд Млечного пути. Материалом,
28
ий которого сформировались планеты, дослужило вещество внешних слоев солнца: тяж 'лые и весьма активные элементы, входящие в состав внутренних слоев солнца, не участвовали в образовании планет и потому не попали и в доступные нам слон земли. В глубинах солнца, по мнению Джинза, неизвестные химические элементы, радиоактивность которых больше, чем у всех известных нам элементов, должны находиться в значительных количествах; наши радиоактивные элементы представляют „лишь всплеск т-й пламенной волны"’
Как происходит превращение радиоактивных элементов? Для получения 01вета на этот вопрос мы должны обратиться к тем самым лучам Беккереля, которые изучались с самых первых дней открытия радиоактивности. Если толстостенную свинцовую коробочку (рис. 3), содержащую препарат радия и имеющую одно лишь отверстие для выхода лучей Беккереля (свинец поглощает эти лучи), поместить в сильное магнитное поле, то окажется, что выходящий из отверстия пучок расщепится на три —один отклонится в одну сторону, другой в другую, а трешй сохранит свое прежнее направление. Отсюда следует, что лучи, испускаемые радиоактивными веществами, не однородны, но состоят из лучей различной природы. Способность отклоняться в магнитном поле указывает на то, что мы имеем дело с потоками заряженных электричеством частиц; при этом отклонение в ту или другую сторону показывает, что среди частиц есть заряженные положительно и есть отрицательно заряженные. Лучи, отклоняющиеся таким образом, что их электрический заряд судя по направлению отклонения должен быть положителен, были названы а-лучами (греческая буква а читается „альфа"); лучи, отклоняющиеся в другую сторону и обладающие следовательно зарядом отрицательным, получили название {3-лучей (р-греческая буква „бета"). Но кроме этих двух сортов лучей есть еще в у-лучи (греческая буква „гамма“), не отклоняющиеся в магнитном поле вовсе и не обладающие следовательно никаким зарядом. Их отличие от обыкновенных световых лучей состоит только в том, что длина их волны в десятки и сотни тысяч раз меньше, чем у видимых человеческим глазом световых лучей. Мы видели выше, что наблюдения за отклонением в электрическом и магнитном поле
29
позволяют установить величину скорости движущихся »а-рядов, а также и отношение заряда к массе. Эти измерения, производнвш щся для а—и р— лучей многими учеными показали, чго дл.1 р- лучей отношение заряда к массе оказывается таким же, как у электродов катодных лучей и только скорость их гораздо больше, чем обычные скорости электронов в катодных лучах. Для а-лучей отношение
е заряда к массе оказалось вдвое меньше, чем отношение
о кот-ром мы говорили выше. Заключение о природе р— лучей, вытекающее из этих опытов, очень просто: р-лучи есть ие что иное как поток электронов, вырывающихся из недр радиоактивного атома и летящих в пространство с чудовищными скоростями (уже почти приближающимися к скорости света). Что касается а-лучей, то после некоторых колебаний было признано, что каждая заряженная частица, движущаяся в а-лучах (короче, а— частица), обладает массой в четыре раза большее, чем масса во дородного атома, и положительным зарядом равным 2е, т. е. вдвое большим по величине, чем заряд электрона. Энергия движения каждой а — частицы в несколько десятков раз больше, чем энергия движения электрона р-лучей Все это с несомненностью указывает на то, что атомы вещества обладают более или менее сложным устройством, что они представляют целые системы, способ ые иногда (в слу iae радиоактивных элементов) распадаться, перестраиваться и выбрасывать из своих таинственных недр такие быстро летящие снаряды, как а — частицы и электроны р-лучей.
Так возникла величайшая научная задача, поставленная физикой в 20-м стоявши, — как устроен атом? Из чего состоит этот невидимому не слишком простой механизм? Вот к каким последствиям привело открытое Беккерелем, казалось бы столь вези1чительное и неиптере ное, свойство урановой руды производить почернение фотографической пластинки.
Искусственное разложение элементов. Открытие радиоактивно ли показало, что атгмы химиче кпх эле\енгов в состоянии преврата'Ь'Я руг в друга Но значит ли это, что старинная мечта алхимиков осуществлена? Правда, подтвер-
30
дплись их взгляды на способность элементов к взаимному превращению; но дело не только в этом. Искатели „философского камня", спюобного превращать неблагородные металлы в золото, желали научиться управлять превращением элементов и даже вызывать это превращение. Открытие радиоактивности показалось бы им злой шуткой: ведь радиоактивные превращения происходят сами соб,й, независимо от участия экспериментатора. Быстрота распадения радия такова, что за 1 GOO лег половина всего имеющегося количества атомов радия превратится в элементы с меньшим атомным весом: ускорить или замедлить это превращение мы не можем. Физики применяли великие усилия для того, чтобы этого добиться, но из этого ничего не получилось. Ни страшный жар, ни холод, ни чрезвычайно большие давления, ни сильнейшие электрические и магнитные поля — ничто не могло увеличить или уменьшить быстроту радиоактивного распада. Положение казалось безнадежным, пока в 1919 году все тот же Эрнест Резерфорд не нашел искомый „философский камент/. Этим камнем оказались а-частицы.
Альфа-частицы радия С вылетают со скоростью 2. 109 ел/ в секунду, т. е. со значительно меньшей скоростью, нежели та, с которой нередко летят электроны р-лучей. По если вспомнить, что масса а-частицы в семь с половиной тысяч раз больше массы электрона и что а-частицы обладают чрезвычайно малыми размерами, то придется согласиться с тем, что в них мы имеем дело с величайшими концентрациемн энергии на чрезвычайно малом пространстве. Альфа-частицы и были тем могучим тараном, которым Резерфорд ударил в неприступные ворота нерадиоактивных атомов. И ворота распахнулись!
Если а-частицы радия С летят в воздухе при атмосферном давлении, то семи сантиметров пути в воздухе вполне достаючно для того, чтобы скорость а-частиц чрезвычайно сильно уменьшилась, настолько, чго они уже не могут производить вспышки па поверхности сернистого цинка (при своих обычных скоро тях они производят достаточно яркие вспышки, с помощью которых возможно обнаружить присутствие а-лучей и даже считать отдельные а-часзицы). Но если па пути а-частиц встречается водород пли водяной пар, то вспышки

происходят даже тогда, когда поверхность сернистого диака отодвинут на целых 28 сантиметров. Это показывает, что а-частицы, сталкиваясь с некоторыми молекулами, „вышибают^ из них водородные атомы (или, точнее говоря, водородные ядра, см. ниже). Во всем этом нет ничего удивительного. Удивительно зато другое: когда на пути а-чаитиц нет пи малейших следов водяного пара или других содержащих водород веществ, во встречается азот, то водородные частицы, способные вызывать вспышки на поверхности сернистого цинка, появляются и в этом случае. Следовательно а-частицы могут „вышибать^ водородные частицы не только пз молекул воды, но и пз атомов обыкновенного азота. Иными словами под ударом а-частицы атом азота иногда разбивается вдребезги, и водородная частица является одним из осколков. Так Резерфорду удалось разложить азотпый атом и еле ховательно впервые осуществить искус» ствевное превращение элементов.
Вслед за азо ом были искусственно разложены „бомбардировкой а - лучами" следующие элементы: бор, фюр, натрий, алюминий и фосфор.
Объем книжки не позволяет остановиться на дальнейших работах по искусственному разложению элементов; в виде курьеза упомянем только о том, что в 1928 году как будто удалось получить искусственное золото пропусканием весьма мощных электрических разрядов через ртуть (опыты немецкого физика Митэ и японского физика II ага ока). Разумеется ни о каком практическом применении открытия Митэ и Нагаока, даже если эго открытие подтвердится, речи быть не может, так как для получения по этолу способу ничтожнейших количеств золита приходится затратить весьма много энергии. То же самое относится и к вопросу об пспотьзова-рии внутриатомной энергии, которую, будто-бы, возм -жно освободить при искусственном превращении элементов. Не каждой а-частице посчастливится ударить наир, азотный атом „в лоб" и еаставпть его взорваться; большая чазть а-частиц, которыми фпзик обстреливает искусственно разлагаемые атомы, пропадает впустую. Поэтому приходится затрачивать гора:добольше энергии, чем удается получить из разрушаемого атома. Вот 32
почему в настоящее время большинство теоретиков смотрит на возможность практического использования внутриатомной энергии весьма безнадежно.
Измерение заряда электрона.
Из предыдущего видно, что стоит только определить на опыте одну из величин е (заряд электрона), т (масса электрона), А (масса водородного атома), N (число Авогадро), как сейчас же станут извести и все остальные. Достаточно ухватиться за одно звено цепи, чтоб суметь вытащить и всю цепь.
Рис. 4
Весьма точным способом сумел это сделать американский, физик Роберт Милли кэн Способ его заключается в следующем: в пространство между двумя пластинами конд- нсатора 1 и 2 (см. рис. 4) помощью особого пульверизатора вбрызгивались мельчайшие капельки масла. Манипулируя заслонкой 5, можно было на коротк е время пэдв ргать воздух между пластинами конденсатора действию лучей рентгеновской трубки 4. Как только рентгеновские лучи (см. ниже,) начинают освещать пространство между пластинами, воздух в этом пространстве ионизуется, и легко может случиться, что одна из масляных капелек соединяется с каким-либо попом, становясь таким образом заряженной. Если пластины конденсатора не заряжены электричеством, то па такую масляную капельку будет действовать только сила тяжести (т. е. ее вес) и она будет медленно падать (медленно потому, что для тел таких маленьких размеров сопротивление воздуха их движению играет очеиь большую роль). Освещая пространство МеЖДУ ПЛасТПНаМИ ВОЛЬТОВОЙ ДУГОЙ 5, ЛуЧИ КОТОРОЙ Собира-
ет роевне атома,—3,
33
ются в нужную точку выпуклым стеклом б, Милликэн мог следить в микроскоп за падением масляной капельки. Как только пластины конденсатора заряжались, в движении капельки происходило изменение: если напр. она была заряжена отрицательно^ конденсатор заряжался так,чтоверхпяя пластина полу чала положительный заряд, то капля начинала притягиваться к верхней пластине и отталкиваться от нижней; поэтому падение капли замедлялось пли даже заменялось поднятием. Вес капли конечно нельзя было определить простым взвешиванием, но его можно было вычислить, измерив скорость, с ко юрой капля падает в отсутствии электрического поля, (это делается иа основании законов гидромеханики, позволяющих расчитать сопротивление воздуха движению шарообразных капелек различных размеров). Так как из опытов Милликэна можно было заключить, при какой величине электрического поля в конденсаторе электрические силы уравновешивают действующую па данную каплю силу тяжести, то отсюда было легко вычислить и заряд капли. Оказалось, что в разных случаях заряды капелек бывали различны, по
4 771 всегда они представляли целое кратное величины -	-
абсолютных электростатических единиц заряда (т. е. равнялись или этой величине просто, или ей удвоенной, пли ей утроенной и т. д., но никогда не равнялись этой величине помноженной на какое-либо дробное число). Отсюда Милликэн заключил, что величина
е —	абсолютных электроста-
тических единиц представляет наименьшее возможное в природе количество электричества, т. е. „порцию" или „атом“ электричества. Эта величина следовательно и есть заряд электрона. Точность, опытов Милликэна такова, что невероятно ожидать ошибки большей, чем одна ты-ячная измеряемой величины. Таким образом величина е найдена, и это позволяет определить значения и других важных постоянных. Для числа Авогадро мы получаем
А = 6,062 X 10
34
Поэтому масса водородного атома равна ;	1,662
д я» -™-- грамма.
Масса электрона следовательно равна
9,01 т гРамма‘
В переводе на обыкновенный язык отношение веса электрона к весу одного грамма даже меньше (почти в два раза), чем отношение веса грамма к весу всего земного шара. Если великого удивления заслуживает то искусство, с которым физики и астрономы сумели взвесить земной шар и небесные светила, то еще большее удивление должны возбуждать те физические опыты, из которых можно с такой уверенностью (вероятная ошибка не больше одной тысячной) заключать о массе ничтожного электрона — самой мелкой единицы, входящей в состав материальных тел.
Всего поразительнее во всем этом то обстоятельство, что заключения о заряде и о массе электрона сделаны пе на основании каких-либо очень специальных и натянутых гипотез— напротив, эти заключения мол но считать весьма прямыми и непосредственными следствиями наблюдаемых явлений: ведь наблюдения Милликана относились к отдельным электронам (заряд капли во многих опытах равнялся одной величине «, или удвоенной, и т. д.). Эти и другие подобного рода опыты являются убедительнейшим доказательством реальности электронов и атомов.
Вильсон разработал интересные методы, позволяющие даже „видеть" (в особом смысле разумеется) пути отдельных заряженных частиц и фотографировать эти пути. Способ его заключается в том, что а - и р - лучам радиоактивного препарата дают распространиться в особой камере, наполненной пересыщенным водяным паром. Сталкиваясь с молекулами, а-частицы, обладающие большой энергией движения, разбивают эти мо екулы на положительно и отрицательно заряженные ионы, при чем на пути каждой а-частицы образуется огромное количество таких ионов, пока энергия ее движения не станет настолько малой, что дальнейшее образование ионов должно прекратиться. Если очень быстро увеличить объем камеры в несколько раз (напр. выдвигая
3*	35
поршень), то пересыщенный пар частично превратится вводу, при чем центрами, вокруг которых произойдет образование водяных копелек, окажутся как раз положительные и отрицательные ионы. Весь путь, по которому прошла а-частица, будет у еян такими водяными капельками, сливающимися в сплошную водяную нить. Вильсону удалось фотографировать эти водяные нити и получить таким образом наглядное изображение путей, по которым пронеслись со своей колоссальной скоростью а-частицы радиоактивных веществ. Об этих фотографиях обыкновенно говорят, что Вильсону удалось заснять летящие at — частицы. Ото выражение не вполне точно, так как фотографировались собственно не сами а-частицы и даже не об, азовэвные ими ионы, а водяные капельки, осевшие па этих ионах прп внезапном увеличении объема пересыщенных водяных паров. Но по этим водяным капелькам, густо расположенным па приблизительно прямой линии, можно заключить, что здесь только что пронеслась а-частица, подобно тому, как вид потоптанных полей и дымящихся развалин свидетельствует о том, что через страну прошли полчища великого завоевателя.
Рентгеновские лучи.
, В 1895 году было произведено замечательное открытие, которое независимо от всех своих мноючисленных практических приложений, оказало весьма большое влияние на развитие наших представлений о строении вещества. В этом году немецкий физик В. К. Рентген, производя исследования над катодными лучами, неожиданно обнаружил, что та часть стеклянной стенки трубки Крукса, которая подвергается ударам со сто] оны падающих на нее электронов катодных лучей, сама становится источником особого рода лучей. Эти лучи распространяются от трубки во все стороны и обладают удивительной способностью проникать на сравнительно очень большую глубину в тела, непрозрачные для лучей витимого света. Изучение этих лучей показало, что их источником может служить всякое твердое тело, на которое падают достаточно быстрые электроны. Для более удобного изучения открытых Рентгеном и названных его именем лучей пришлось построить специаипые „рентгеновские/1
36
трубки. В них источником рентгеновских лучей служит металлическая пластинка (антикатод), на которую направляется сходящийся пучок катодных лучей. Так как температура тола, по -тоянпо подвергаемого ударам электронов, леиящих с большими скоростями, сильно повышается, то антикатод делается из массивного куска тугоплавкого металла (напр. вольфрама). На антикатод может быть нанесен слой какого-либо иного вещества. Это важно потому, что, как мы увидим впоследствии, рентгеновские лучи, испускаемые различными веществами, различны по своим свойствам. Дальнейшие подробности устройсква рентгеновских трубок нас едесь интересовать не могут, почему мы их и опускаем. Из свойств же рентгеновских лучей для пас здесь всего важнее их способность делать воздух проводником электричества, ионизуя его, с чем мы уже столкнулись при описании опытов Милликэна, а также способность этих лучей действовать па фотографическую пластинку.
Природа рентгеновских лучей долгое время вызывала споры. В конце кондов физики прешли к заключению, что рентгеновские лучи представляют собой электромагнитные волны такого же рода, как лучи видимого света, но лишь с той разницей, что они обладают во много раз меньшей длиной волны. То, что длина волны рентг невских лучей чрезвычайно мала, отчасти подтверлпается и тем обстоя ельст-вом, что онч так свобод по проходят в промежутках между
37
атомами большого Киличестна тел. Но разумеется это все же нельзя считать доказательством и физики очень долго искали способов измерить длину волны рентгеновских лучей. Это удалось только в 1912 году берлинским физикам Лауэ, Фридриху и Кипи и ингу.
Основная идея Лауэ заключалась в том, что тела, известные под именем кристаллов и характеризующиеся (как думали и до Лауэ) правильным расположением атомов в пространстве,, могут явиться ве< ьма удобным инструментом для измерения длины волны рентгеновских лучей. Атомы кристаллического тела, рюполагаясь в пространстве, образуют правильную „решетку": если мы проведем плоскость через какие-либо три атома, то в той же плоскости окажется бесконечное коли.
чество таких же атомов, образующих правильную „сетку", и через равные промежутки по ту и по другую сторону от нашей сетки будут чередоваться такие же плоские сетки атомов, ей параллельные. Эти плоские сетки являются возможными гранями кристалла. Пусть (рис. 5) на грань кристалла падает пучок параллельных рентгеновских лучей. Лучи будут отражаться от грани, но несложный расчет показывает, что ото отражение может происходить не при всякой величине угла между лучами и гранью, а только при некотором вполне определенном ряде значений этой величины, зависящем также и от длины волны лучей и от расстояния между соседними плоскими сетками атомов. Поэтому изучение отражения рентгеновских лучей от кристаллических граней дает возможность измерить их длину волны. Осно анный на этой идее опыт Лауэ, Фридриха и Книппинга заключался в сле
зя
дующем: на кристалл сернистого цинка, определенным образом установленный, направлялся узкий пупок рентгеновских лучей. Пройдя через кристалл, он падал на фотографическую пластинку. На. фотографической пластинке запечатлелась картина, которую мы воспроизводим на рис. 6. Объяснение этой картины заключается в следующем: так как кристалл был поставлен под определенным углом к лучам и во время опыта не вращался, то пучок рентгеновских лучей встретил
Рис. 7
внутри кристалла определенные грани под определенными углами. Так как сам пучок содержал лучи с различной длиной волны, то для каждой грани и для каждого угла падения нашлась такая длина волны, которая при этих условиях смогла отразиться. Лучи с этой длиной волны и отразились, вследствие чего на фотографической пластинке кроме центрального пятна, вызванного лучами, прошедшими насквозь без отражения, появился также и ряд точек, соответствующих отраженным лучам. По положению этих точек очевидно воз можно судить о том, как расположены плоскости атомных сеток внутри кристалла. Изучая такие снимки, Лауэ мог получить подробные сведения о строении кристаллической решетки сернистого цинка, а зная его плот
ность и массы атомов серы и пинка можно было вычислить и
расстояния между различными сетками внутри кристалла. Отсюда уже можно вычислять и длину волны лучей, соответствующих различным точкам фотографии Лауэ. Так одним ударом Лауэ убил двух зайцев; получил возможность измерять длину волны рентгеновских лучей и вместе с тем изучать пространственное расположение атомов в кристаллах.
Блестящее открытие Лауэ вызал) работы английских физиков У. Г. Брэгга и У. Л. Брэгга (отцаи сына), ко
торые придумали способ фотографировать спектры рент в’ новских лучей. Построенный ими рентгеновский спектро” граф (рис, 7) имеет следующее устройство. Лучи рентгеновской трубки /, выделенные б узкий пучок, падают на кристалл 2 и затем, отражаясь от него, на фотографическую фильму 3. Кристалл может вращаться, при чем с поворотом его меняется конечно и угол, под которым рентгеновские лучи падают на грань, параллельную осп вращения кристалла. Поэтому при поворачивании кристалла процессу отражения подвер аются все новые и новые волны, в результате чего па фотографической п щпке 3 разворачивается спектр рентгеновских лучей. Исследование по методу Брэггов спектра рентгеновских лучей, получаемых от обыкновенной рентгеновской трубки, показывает, что кроме неирерывиого фона, т. е. лучей с самыми разнообразными и непрерывно меняющимися длинами волны, в спектре присутствуют еще отдельные резкие линии, выделяющиеся на этом непрерывном фоне. Положение этих линий зависит от того вещества, из которого состоит поверхность антикатода; совокупность линий называется х а р а к-т е р и с т и ч е с к и м спектром того химического элемента, которому принадлежат эти линии. В следующей главе мы увидим, что изучен ие характеристического спектра является мощным орудием исследования глубин ачома (измерение заряда ядра по Мозели, см. ниже).
Изучение строения кристаллов позволило получить чрезвычайно точные сведе
ния о пространственном расположении атомов. Мы ограничимся только одним маленьким примером. На рис. 8 изображено пространственное расположение атомов в кристалле поваренной соли. I емные и белые шарики изоб-»
4П
ражают атомы натрия и атомы хлора. И те и други6 атомы образуют кубическую решетку; обе решетки как бы вдвинуты друг в друга. При этом отмеченная на рисунке длина равна —- см. Ни один атом натрия не связан с каким - либо одним атомом хлора в молекулу, изолированную от всех остальных частиц; поэтому уместно сказать, что весь кристалл поваренной соли представляет одну гигантскую молекулу. Такие же сведения были добыты и о громадном количестве других кристаллических тел. Заметим также, что огромное количество тел, которые до сих пор считались аморфными (некристаллическими) оказались „микрокристаллическими": их кристаллы слишком малы, чтобы быть обнаруженными каким-нибудь иным путем и только рентгеновские лучи дают возможность их исследовать.
В заключение приведем несколько числовых данных, относящихся к длине волны рентгеновских лучей: методы рентгеновской спектроскопии позволяют измерять длину волны лучей примерно в промежутке от 0,1 А до 15 Л (1 А, или онгстрем,
1 '
равен —сл<.). Точность, с которой возможно изморить длину волны характеристических линий, совершенно потрясает: после работ шведского ученого Зпгбана стало возможным измерять их с точностью до одной стотысячной доли
1	, . 1
онгстрема, т. е. до -W1— см (заметим, что -удтг см есть длина приблизительно порядка радиуса электрона). Длина волны рентгеновских лучей раз в тысячу меньше, чем длина волны лучей видимых: так наир, кальций имеет в видимом спектре линию с длиной волны 3933,83 А, а длина волны его наиболее жесткой ха-о
рактерпстической рентгеновской линии равна 3,35169 А. Заметим также, что у — лучи радиоактивных веществ, о которых мы говорили выше, являются лучами такой же самой природы, как п рентгеновские лучи, но длина волны их еще меньше: атомы радиоактивных веществ представляют как бы природные рентгеновские трубки, дающие еще более проникающее излучение, чем обычные трубки, конструируемые физиками.
ГЛАВА III
Строение атома
Загадка спектральных серий
С тех пор как был открыт спектральный анализ, известно, что существуют спектральные линии, по которым Можно заключить о присутствии в составе светящегося тела того или иного химического элемента. Это происходит не ави-симо от того, в каком химическом соединении с другими элементами он находится. Напр., известная желтая линия натрия появляется и в спектре паров чистого натрия и в спектре поваренной соли (соединение натрия с хлором) и т. д. Отсюда можно заключить, что эти спектральные линии испускаются самими атомами данного химического элемента, независимо от того в каких молеку iax эти атомы находятся. Поэтому изучение таких спектральных линий должно дать ключ к пониманию устройства самого а:ома.
Нем характеризуется спектральная линия? Ее можно характера овать или ее частотой (числом колебаний в секунду) или же длиной волны. Между этими двумя величинами существует связь, которую нетрудно обнаружить. На рис. 9 показано волнообразн с колебание, распространяющееся вдоль прямого луча. Скорость распространения волн одинакова, независимо от их частоты.
Поэтому ясно, что чем ч ще следуют друг за другом волны, тем они (называются короче (см, рис. 9, фиг. А и Б). Более подробное рассмотрение вопроса покажет, что длина волны обратно пропорциональна частоте колебаний и что произведение этих двух величин друг на друга равно ско

рости, с которой распространяюсся волны. Если мину волны обозначить буквой X, частоту буквой *, скорость распространения буквой с, то
с = )у.
В 1885 году швейцарский школьный учитель Бальмер открыл удивит) 1ьн .ifi закон, смысл которого был полностью объяснен лишь через много лет. Дело в том, что среди
Длина золны
—।
Адина волны
Рис. 9
линий видимой части солнечного спектра есть четыре линии с длиной волны 6562,8 Л, 4861,3 А, 4340,5 А и наконец, о а
4101,7 А (А есть краткое обозначение употребляемой спектроскопистами единицы длины, называемой „овгстрем“ и равной одной стомиллионной доле он). Эти четыре линии испускаются атомами водорода, что доказывается их присутствием Haf,p. в спектре электрического разряда, пропускаемого через разреженный водород. Бальмер нашел, что если в выражении
43
положить К == 109678 и давать величина п целые значении л==3, п = 4, п = 5, п = 6, а после этого делить 5 на полученные числа, то получатся как раз длины воли четырех водородных линий, выраженные в сантиметрах. Это правило указывает на то, что между четырьмя водородными линиями существует какая-то тесная связь: как говорят, они образуют серию спектральных линий. В чем же заключается эта связь и чем объясняется закон Бальмера? В этом законе встречаются целые числа (п принимает только целые значения 3, 4, 5, 6), а это пе может не быть многозначительным. Открытием своего закона Бальмер поставил физикам загадку, которой они долго не умели разрешить. Подобные же зависимости были найдены в спектрах других элементов. Повсюду оказывались спектральные серии, в которых играет роль все та же постоянная R = 109678 (названная постоянной Ридберга) и неизбежно встречаются целые числа. Было ясно, что законы спектральных серий теспо связаны с законами, по которым устроен атом; найти эти законы, разобрать таинственные письмена спектральных серий — вот чю стало одной из важнейших задач физики.
Кванты и фотоэлектрический эффект.
В 1900 году известный немецкий физик Макс Планк выдвинул смелую гипотезу, которая, как мы увидим ниже, и стала ключом к разгадке спектральных иероглифов. Гипо 1еза заключалась в том, что атомы испускают лучистую энергию не непрерывно, а скачками, т. е. вполне определенными „порциями". Величина каждой порции зависит от того, сколько совершается колебаний в секунду: лучистой энергии каждой определенной частоты соответ ствует своя величина этой „порции".
Если частота равна v, то порция лучистой энергии, согласно гипотезе Планка, равна hv, где h —какая-то совершенно определенная и одинаковая для всех частот величина. Эта постоянная величина получила название „постоянной Планка"; порции лучистой энергии были названы квантами. Таким образом на рубеже двух столетий была создана теория, которой было суждено преобразо] ать всю
44
физику — теория квант. Гипотеза Планка была развита другими учеными в особенности Эйнштейном, который (в 1905 году) выдвинул гипотезу о том, что лучистая энергия не- только испускается определенными порциями, но также и распространяется в пространстве в виде отдельных световых квант, как бы комков лучистой энергии, и поглощается тоже сразу целыми комками. Наилучшим подтверждением взгляда Эйнштейна служит так называемый „фотоэлектрический эффект*, который вместе с тем и дает один из лучших способов измерения „постоянп й Планка". Фотоэлектрический эффект представляет явление, открытое еще в прошлом веке и заключающееся в следующем: если на чистую металлическую поверхность падают световые лучи, то из металла начинают вырываться электроны; скорость, с которой вылетают эти электроны, зависит только от рода металла и от частоты падающего света, но совершенно не зависит от силы этого света. Этот закон, совершенно необъяснимый с точки зрения прежних представлений, нашел в гипотезе Планка и Эйнштейна самое простое объяснение: если обозначить буквой Р работу, которую нужно затратить для того, чтобы вырвать электрон из металла, то энергия кванта идет отчасти на совершение этой работы, осталь-' ная же часть энергии кванта идет на сообщение электрону энергии движения (кинетической энергии). Если обозначить эту кинетическую энергию буквой К, то получится соотношение
К = Ь — Р, называемое соотношением Эйнштейна. Величина Р будет разной для разных металлов, поэтому энергия движения электрона ia значит и его скороеib) будет зависеть только от рода металла и от частоты колебаний. Кинетическая энергия a.eKTjOua может быть измерена (мы видели во второй главе, как м-жно измерить скорость электрона, а так как его масса нам уже известна, то отсюда можно вычи-с.1ить и кинет вескую энергию). Этим обстоятельством воспользовался Милли кэн для измерения постоянной Планка. В его опытах вырывание электронов происходило из поверхности металла лития; если на чертеже откладывать по горизонтальной оси частоты тех лучей света, которыми освещался металл, а по вертикальной оси соответствующую
4л
величину кинетической энергии, то по формуле Эйнштейна связь между ними представился прямой линией. На рис. 10 приведем чертеж, снятый Милликаном; измеренные им значения нанесены в виде кружков. Мы видим, что эти кружки прекрасно укладываются на прямую линию, чем и подтверждается cooiHOJHtHue Эйнштейна. Из наклона этой прямой
можно вывести значение постоянной Планка. Из этих опытов Милликэна, а также из других подобных опытов вытекает, что постоянная Планка равна
,	6,55
11	= ’-]ыт" °1,г секунд.
Отсюда можно вычислить и величину порций энергии для каждой частоты: напр. для лучей золеной части спектра °	5
X == 5000 Л = см, следовательно из формулы с = Xv вытекает v = 6-10H колебаний в секунду (скорость света с равна 3 • 1О10 см/сек); поэтому кванг энергии для этих лу-3 9
чей равен hv == —эрга.
Сравнительно недавно (в 1923 году) новое подтверждение гипотезы световых квантов получил американский физик
X. Комптон. Он нашел, что при рассеянии рентгеновских лучей их жесткость (способность проникать внутрь поглощающих пх тел) уменьшается. Это явление было объяснено 11. Дебаем и самим Комптоном на основе представлений о световых квантах. Жесткость рентгеновских лучей тем больше, чем больше их частота. Когда квант рентгеновских лучей сталкивается с электроном и отскакивает от него в сторону (а в этом и заключается явление рассеяния), то электрон тоже приходит в движение, при чем на это тратится часть энергии самого кванта. Энергия кванта должна поэтому уменьшиться, а зпа шт уменьшается и частота: ведь для того, чтобы квант стал меньше, нужно чтобы уменьшилась частота. Значит должна стать меньше и жесткость. Измерения вполне подтвердили такое объяснена»-не только с качественной, но и с количественной стороны.
Теория водородного зтома по Вору.
В 1913 году молодой датский ученый Нильс Бор, живший тогда в Англии, показал, что введение постоянной Планка в механику в состоянии объяснить sikoh спектральной серии Бальмера. Для этого Бор сделал следующее предположение. Водородный атом состоит из положительного заряженного ядра и бегающего вокруг этого ядра отрицательно заряженного электрона. Так. как полный заряд а ома равен нулю, то заряд ядра н заряд электрона равны по величине, но обратны по знаку: заряд ядра равен 4- а заряд электрона равен — е. Так как масса, электрона, как мы видели во второй главе, составляет всего лишь всей массы водородного атома, то следовательно в ядре заключена почти вся масса атома. Поэтому ядро можно считать почти неподвижным: электрон вращается вокруг ядра, как п.1анета вокруг солнца. Разница лишь та, что планета притягивается к солнцу силой всемирного тяготения, между тем как электрон притягивается к ядру в силу того, что оба они заряжены электричеством разного знака' а разноименные электрические заряды всегда друг друга притягивают. Для того, чтобы электрон мог вращаться по kdvtv. нужно. чтобы сила
47
притяжения,, возникающая согласно закону Кулона (см. примечание в кояде книжки), уравновешивала центробежную силу. Во всем этом пока нет противоречия обычным правилам механики, но к ним Бор сделал неожиданное добавление в виде следующего правила: не всякие орбиты
электрона вокруг ядра возможны; допускаются только такие орбиты, при движении ио которым произведение скорости электрона на его массу и на длину окружности (в случае кр говой орбиты) равно целому числу постоянных Планка. Это правило Бира кажется удивительным и странным; по если сделать эго допущение и кроме того принять, что электрон в состоянии перескакивать с одной „дозволенной" орбиты на другую, то мы сможем вычислить длины волн испускаемых атомом спектральных линий. Если
Рис. 11
известно количество энергии, которое атом теряет при перескоке электрона с одной гдозволенной" орбиты па другую, то, разделив это количество энергии на постоянную Планка, мы получим частоту испускаемого света (ведь потерянная атомом энергия должна быть испущена в виде светового „кванта"). От частоты легко перейти и к длине волны, если вспомнить зависимость
существующую между этими величинами (см. стр. 43). Мы не будем приводить всех деталей вычисления Бора, а укажем только па результаты. Самый маленький радиус допустимой в водородном атоме электронной орбиты равен 0,532	,
~jQ—	(около половины стомиллионном доли сантиметра в
Другие допустимые радиусы образуют ряд числ в 4, 9, 16, 25 и т. д. раз больше (4, 9, 16. 25 ... . представляют квадраты чисел 2, 3. 4, 5 и т. д.). Никаких промежуточных значений радиус принимать не мож|лт. Получается так, как будто бы внутри атома были проложены рельсы по кругам
48
на определенных расстояниях от ядра и электрон может двигаться только по этим „трамвайным кольцам". Возможные в водородном атоме орбиты электрона изображены на рис. 11. Рисунок увеличен против действительности примерно в 20 миллионов раз.
Перенумеруем орбиты по порядку, начиная с самой внутренней, которую обозначим номером 1. Из вычислений Бора вы'оклег, что если электрон перескакивает с более далекой орбиты па менее далекую, то атом испускает лучистую энергию. При этом для вычисления длины волны света здесь получается такая же формула, как у Бальмера с той лишь разницей, что вместо
получается более общее выражение
где п — номер орбиты, с которой перескакивает электрон, а к — помер орбиты, на которую он перескакивает.
Я; по поэтому, что четыре водородные липни, с которыми имел дело Бальмер, испускаются при перескоках электрона с 3-ей, 4 ой, 5-ой и б-оп орбиты на орбиту № 2. Таков оказался смысл Б кемеровского иероглифа.
Но почему электрон перескакивает на 2-ую орбиту только с 3 ей, 4 ой, 5-ой и 6-ой орбит? Почему он не может перескакивать на 2-ую орбиту с 7-ой, 8-оЙ, 9-ой и т. д.? Если произвести вычисления для таких случаев, то мы получим длины волн которые соответствуют уже ультрафиолетовой области спектра. Исследования в ультрафиолетовой части водородного спектра в самом деле подтвердили присутствие этих линий, которые вместе с прежними четырьмя образуют серию Бальмера. По почему электронам не скакать напр. па орбиту № 1? Производя вычисление, мы получим серию спектральных линий, которые в самом деле были обнаружены в далекой ультрафиолетовой области спектра. Если считать, что перескок происходит на трепло или четвертую орбиту (с пятой или с шестой и т. д.), то мы получим линии в невидимой глазом инфракрасной части
Строение атома.- 4.
49
спектра и т. д. При проверке такие линии действительно оказались.
В элементарной книжке нельзя описать всю ту обширную область спектроскопических фактов, которую удалось охватить и объяснить теорией Бора. Если касаться только водородного атома, то нужно упомянуть о той поправке, которую сделал сам Бор и которая относится к движению ядра: хотя ядро в 1840 раз тяжелее электрона, тем не менее оно не неподвижно, а должно вместе с электроном вращаться вокруг общего центра тяжести всей системы, подобно тому как луна вращается вместе с землею вокруг общего их центра тяжести. Это приводит к некоторой очень маленькой поправке к вычисляемым длинам волн; опыты подтверждают это теоретическое заключение со всей возможной для них точностью. Немецкий физик Зоммерфельд разработал теорию водородного атома еще дальше. Он привлек к рассмотрению не только возможные круговые орбиты электрона в атоме, но и орбиты эллиптические. Применяя при этом механику, основанную на принципе относительности Эйнштейна, он сумел объяснить распределение яркости в пределах самой спектральной линии (никакая спектральная линия пе является линией в строгом смысле слова, а представляет некоторый, х-гтя и весьма узкий, участок спектра}. Данное Зоммерфельдом объяснение строения спектральных линий (теория „тонкой структуры*') удовлетворительно подтверждается опытом. Не менее значительные успехи были достигнуты теорией Бора и в области hvtoiko-вания тех изменений, которые происходят со спектральными линиями в сильном электрическом поле (я в л е н и е III т а р к а) и в магнитном поле (явление Зеемана). Наконец не только по отношению к водородному атому, но и по отношению к атомам иных элементов, теория Бора сумела весьма успешно объяснить целый ряд фактов пз области спектроскопических измерений.
Правда, при этом все же встретились и очень сильные затруднения; некоторых из них теория Бора так и не сумела преодолеть. Тем не менее, хотя теория Б >ра и была вынуж юна подвергнутые i впоследствии очень существенным преобразованиям-, но даже и в своей первоначальной форме
5С
она приводила к такому громадному количеству совпадений с данными опыта, что ее можно без всякой натяжки считать наиболее плодотворной вз всех физических теорий, появившихся в 2О-м столетии. Благодаря теории Бора густой туман, окутывавший область атомных явлений, начал редеть; фи-зики наконец получили в свои руки путеводную нить, с помощью которой они смогли быстро продвигаться вперед в этом тумане.
Теория периодической системы элементов*
Бе менее удивительной, чем достигнутое Бором объяснение спектров химических элементов, является данная им же теория периодической системы. Главные положения этой теории следующие: каждый атом представляет собою миниатюрное подобие солнечной системы, в которой солнцем служит положительно заряженное ядро, а планетами — вращающиеся вокруг него отрицательные электроны. Заряд ядра ио величине равен сумме зарядив электронов; таким образом если напр. атом в своем нормальном состоянии имеет 3 электрона, то это значит, что ядро обладает электрическим зарядом в три положительные единицы: полный заряд такого атома, очевидно равен пулю. Число электронов соответствует порядковому номеру химического элемента. У водорода порядковый номер равен единице, так как в обы 'ном (незаряженном) состоянии атом обладает всего лишь одним электроном. Порядковым номером 2 обладает гелий: в обычном состоянии атом гелия содержит вне ядра всего два отрицательных электрона. Литий имеет вне ядра 3 электрона и его порядковый номер—три. Чем больше порядковый номер элемента, тем больше в нем электронов и тем больше заряд его ядра а также и масса этого ядра (немногочисле 1ные отступления от этого правила не могут здесь нас интересовать). Поэтому если мы „расположим химические элементы в порядке возрастания порядкового номера,то получится тот же самый ряд (водород, гелий, литий, бериллий, бор, углерод, азот, кислород, фтор и г. д. и т. д. вплоть до урана) который лежит и в основе периодического закона Менделеева. Почему же в этом ралу свой тва элементов
4 *
51
распределены периодически? Почему на известных интервалах встречаются благородные газы (гелий, пеон, аргон, криптон и т. д.), вслед за благородным газом всегда идет щелочной металл, а за щелочным металлом — щелочно-земельный? Бор объясняет это следующим образом; если мы будем переходить от каждого атома к атому со следующим порядковым номером, то мы должны будем прибавлять к наружной толпе электронов один электрон Эти электроны располагаются так, что у водорода его единственный электрон Юльшей частью находится на ближайшей к ядру орбите и олько у сравнительно немногих водородных атомов этот электрон располагается на бо.,ее высокой орбите (второй, третьей, четвертой и т. д) и то лишь па очень короткое время, по истечении которого он перескакивает все ниже и ниже к ядру, испуская при этом лучистую энергию, пока снова не окажется на ближайшей к ядру орбите. У гелия имеется снаружи два электрона; в нормальном (как говорят, оптически не возбужденном) состоянии о< а электрона вращаются по ближайшей к ядру орбите. Но если мы перейдем к следующему по порядку элементу —литию, то окажется, что у пего в нормальном состоянии всею липть два электрона бегают по первой орбите, а третий имеющийся у лития электрон вращается по следующей, второй орбите. Эго объясняется те и, что ближайшая к ядру орбита или, как говорят, ближайший к ядру уровень или слой не может вместить больше двух электронов (‘разу — для третьего электрона остается место только на орбите № 2. Эта втирая орбита оказывается более просторной, чем первая: за литием идет бериллий, у которого 2 электрона движутся по орб rie А? 1 и столько же по орбите А» 2, затем идет бор с 2 электронами на первой и с тремя па 2-ой орбите, затем углерод с 2 электронами на первой и с 4 электронами на второй и т. д. и т. д., пока мы не подойдем к неону, у которого порядковое число 10 п соответственно этому имеется 2 электрона на первой и 8 эле тронов на второй орбите. Но число восемь оказывается как раз нормой для второй орбиты; поэтому, если мы перейдем к следующему за неоном элементу— натрию (порядковое число 11), то найдем, что из его и электронов 2 находятся па первой орбите, 8 на вто
52
рой, а 11“й враш&етея по третьей орбите. Переходя я сле" дующим затем элементам —магнию, алюминию, кремнию и т. д—мы }видим, что количество электронов на третьей орбите все растег и растет, пока наконец у аргона не окажется на третьей орбите 8 электронов (из 18 электронов аргона 2 кружатся по ближайшей к ядру орбите, 8 ио второй и 8 по третьей). У следующего за аргоном элемента — калия 19-ый электрон вынужден кружиться по четвертой от ядра орбите, у кальция по четвертой орбите обращаются два электрона и т. д. Посмотрим в каком согласии это находится с химическими фактами. Согласно Бору полный комплект электронов, присущий данному уровню (т. е. 2 электрона для самого близкого к ядру уровня, 8 электронов для следующего и т. д.), обладает весьма большой устойчивостью, поэтому атом, обладающий таким полным комплектом (как наир, гелий или аргон), не теряет своих электронов н не принимает к себе новых. Иное де.то такой элемент, как навр. натрий: у него имеется законченная группа электронов на 1-ой орбите, столь же законченная на 2-ой я сверх того один лишний электрон на 3-й орбите. Ясно, что атому натрия очень легко потерять этот свой электрон; но тогда у него останется лишь 10 электронов, между тем как заряд ядра будет попрежнему 11. В результате электрическое равновесие будет нарушено и атом натрия окажется положительно заряженным. Если мы теперь рассмотрим атом хлора, у которого имеется 2 электрона на первой, 8 электронов на второй в всего лишь 7 электронов на третьей орбите, то ясно, что он будет охотно принимать к себе *в гостиu еще один электрон для того, чтобы на третьей орбите образовалась устойчивая группа ив восьми электронов. При образовании такой группы атом хлора будет заряженным отрицательно, потому что на варяд ядра, равный 17 единицам, у него окажется целых 18 отрицательных электронов. Что же произойдет, когда атом натрия встретится с атомом хлора? У атома натрия на 3-6Й орбите болтается лишний электрон, от которого он готов избавиться при всяком удобном случае; у атома же хлора как раз имеется помещение для одного электрона. Поэтому лишним электрон натрия перейдет к хлору. Но тогда атом натрия, зак мы ни деди, окажется
О
иоможятоько аарязкепным, а атом хлора заряженным отрицательно; поэтому оба атома будут притягиваться друг ко другу к. связавшись, образуют молекулу. Вот почему хлор соединяется с натрием и при том именно в такой пропорции (атом на атом). Возьмем теперь например кальций, у которого имеются на четвертой орбите целых два лишних электрона. Устойчивая молекула здесь образуется лишь в том случае, когда он встретится по с одним, а с двумя атомами хлора. Тогда он отдаст каждому из них по одному злектропу к з результате у каждого из трех атомов будет снаружи устойчивая группировка электронов; ио кальций окажется заряженным двумя зарядами е, так как при заряде ядра в 20 единиц он будет обладать всего лишь 18 электронами, каждый же атом хлора будет иметь отрицательный заряд — е. Нейтральная молекула образуется лишь б том случае, когда атом кальция соединится с двумя атомами хлора. Вот объяснение той пропорции, в которой кальпий соединяется о хлором. Совершенно ясно также, почему элементы, обладая, щне в нормальном незаряженном состоянии закопченными внешними группировками электронов, не будут соединяться с другими элементами: мы видели, что химические соединения связаны с перегруппировками электронов, которых в этом случае, очевидно, уже быть не может. Поэтому то гелий, неон, аргон, криптон и т. д. оказываются „благородными" газами, воздерживающимися от химических соединений. Мы видим таким образом, что теория Бора весьма непринужденно объясняет ряд химических свойств элементов, а то обстоятельство (правда не объясняемое ею, а принп-маемор.без доказательства), что на каждой орбите не может быть больше некоторого вполне определенного числа электронов, объясняет и самый факт периодичности свойств элементов, открытый Менделеевым, и длину периодов.
Кроме химических, ряд физических фактов тоже находится в прекрасном согласии с теорией Бора: льгко теряя отрицательные электроны, элементы, следующие в вашем ряду на благородными газами, становятся при этом положительно заряженными; вот почему в электролизе они всегда фигурируют как положительные ионы. Легко отрываясь от остального атома, ,лишн.и0и (или, как говорят, валентные) м
электроны участвуют в явлениям электропроводности и тепло проводности, участвуют они и в оптических явлениях. Та ом образом получается ряд свойств, характерных для металлов. Аналогичным образом объясняется, почему перед благородными газами в нашем ряду стоят всегда метал» лоиды (не металлы). Мы не имеем возможности входить здесь в Дальнейшие подробности Боровской теории периодической системы: заметим, что так просто все получается только в начале ряда; дальше дело становится гораздо сложнее, но и тпм теории Бора удалось объяснить длины периодов, различные особенности периодического закона (напр. объяснять вклинивающиеся в периодическую систему группы алев атов, нарушающие периодичность, как напр. группа так называемых редких земель). При этом Бор сумел не только объяснить свойства уже известных химических элементов, но также и предсказать свойства химического элемента, который тогда еще не был открыт: речь идет об элементе гафнии (А’ 72). Теория Бор^ оказалась в превосходном согласии с фактами.
Итак мы видим, что каждый атом представляет ядро, 01 ружейное последовательными электронными ело ми, при чем каждый слой не может вместить больше определенною числа электронов.
Эти слои получили определенные названия: самый близкий в, ядру слой принято называть К — слоем, за в им идет L — слой, Л/—слой, -V—слой и т. д. Те свойства атомов, которые зависят от устройства самых внешних электронных слоев, подчиняются закону периодичное 'и. Напр у всех элементов, следующих за благородными газами (т. е. у щелочных металлов) внешний слой содержит один электрон, и поэтому ясно, что их свойства должны быть во многом сходны. К числу 1 аких свойств, периодически возвращающихся в нашем ряду, принадлежат химические свойства атомов, оптические свойства их и некоторые другие. Но ясно, что никакой периодичности по может быть у тех свойств, которые зависят от явлений, происходящих г очень глубоких электронных слоях атома.
Рассмотрим напр. испускаемые атомами рентгеновские спектры. Если каким-нибудь образом удается вышибить один адштрон из К— слоя атома, то через некоторое время от-
55
крывшаяся вакансия будет заполнена электроном, стали» in имея ив L — слоя или из М — слоя и т. д. При этом будет испущена одна из линий так называемой К— серии рентгеновского спектра. Если электрон вышиблен яе из К—, а из L — слоя, то при последующей „починке атома®, т. е. при заполнении образовавшейся прорехи будет испущена одна из линий рентгеновской L—-серии и т. д. Законы образования этих серий изучал английский ученый Мозоли в 1913 и 1914 году. Он нашел, что частота каждой определенной рентгеновской спектральной линии (напр. линии А'а, т. а. линии возникающей прн падении электрона из L — слоя в К—слой) при перехода от каждого атома к атому со следующим порядковым номером всегда возрастает. При этом корень квадратный из этой частоты увеличивается при переходе к следующему порядковому номеру на одну и ту же величину. Это открытие позволяет по частоте данной линии (напр. линии Ага) сутнть о порядковом номере элемента; оно же позволяет точно определить число химических элементов, которые могут лежать между двумя данными элементами в нашем ряду. Не будь этого закона Мозехи, наши знания о периодической системе но отличались бы такой точностью и уверенностью, как сейчас.
Остается еше рассмотреть во рос об атомных ядрах. Что такое представляют собой эти центральные светила атомных систем, окруженные хором планет-электронов? В конце концов ядро—это о вовпая часть атома. Если вырвать из электронной свиты, сопров ждакипей атомное ядро, один нлд несколько электронов, то атом данного химического элемента станет ионизованным, но не пере танет бниь атомом именно этого химического элемента. Калий, лишенный электрона, не становится аргоном, хотя его электронная оболочка при этом становится похожей на электронную оболочку аргона — волк и в овечьей шкуре остается волком. Следовательно ядро и только ядро является носителем х1 мической индивидуаль-еости атома. Значит, когда эта индивидуальность меняется, как это имеет место в радиоактивных превращениях элементов, то именно с я гром происходят при этом изменения: и-з ядра должны вырываться вое эти а-и р-частицы радиоактивных излучений* То, что это действительно так, м
возможно проверить простым ра^оуждмгиом: fJ-частица представляет обыкновенный электрон, следовательно когда из ядра вылетает $ — частица, положительный заряд ядра должен возрасти на величину е (отнять единицу отрицательного заряда е это значит прибавить положительную единицу, +е)> масса же ядра при этом должна остаться почти без перемен, так как масса р-частицы ничтожна. Когда же вылетает а-частица, несущая положительный заряд равный 2 е и обладающая массой, равной массе четырех водородных атомов, то заряд ядра должен на 2 е уменьшиться, а масса его уменьшиться на массу а-частицы. Теперь становятся понятны „пра ила радиоактивного сдвига*, открытые в 1911 и 1912 году Содди и Фаянсом: когда радиоактивный элемент испускает д - лучи, то его атомный ьес уменьшается на 4, а порядковый номер на 2; когда же он испускает ₽ - лучи, его атомный вес не меняется, а порядковый номер возрастает на 1, Итак а-и 3-лучи вырываются из атомных ядер. Значит эти ядра представляют какие-то сложные системы, способные распадаться на составные части. Из чего же они состоят? Прежде всего в их состав входи электроны, что доказывается возможность») вылета из них 3-частиц. Затем в их состав должны входить и а-частицы, которые, как нетрудно убедиться, представляют собой не что иное, как гелиевые ядра, так как их вес в 4 раза больше веса водородного атома, а заряд рав и + 2е (ясно,, что всякая частица, обладающая этими свойствами, будет решительно во всех случаях вести себя как ядро гелия). В 1920 г ду появились работы Ф. В. Астона, пролившие еше более яркий ев' Т на устройство ядер. Разрабо1ав необычайно точный метод намерения относительных масс тех разнообразных атомных осколков, ионизованных атомов и молекул, которые всегда присутствуют при электрическом разряде в разреженном газе, наполняющем Круксову трубку, Астон сумел доказать, что многие химические элементы, считающиеся простыми телами, в действительности представляют смеси между двумя или несколькими „ляогопамиа, т. е. между сортами атомов, обладающих одинаковым порядковым номером (одинаковым зарядом ядра), но разными атомным весами.. При этом атомные вега изотопов окааы-
S7
вартсл всегда целыми числами, .так напр хлор, у которого атомный вес равен 85,45 на самом дело представляет смесь •По крайней мерс двух изотопов с атомными весами 35,00 а 37,00. В виду этого была выдвинута гипотеза о том, что все атомные ядра (в том числе и гелиевое, т. е. а — частила) состоят из электронов и водородных ядер и что всякий элемент с дробным атомным весом является смесью изотопов с целыми атомными весами. Ядро с тем же самим порядковым номером может быть составлено различными способами: если мы добавим несколько водородных ядер и столько же электронов, то порядковый номер не изменится, а аеомный вес возрастет. Порядковый номер определяет собою и число электронов, сопровождающих ядро (в обычном нейтральном состоянии это число должно равняться порядковому номеру), а также и строение этой электронной оболочки, следовательно и почти все свойства атома—во всяком случае все химические его свойства. Вот почему изотопы в обычных условиях почти неразличимы и неразделимы друг от друга. Но конечно свойства завися цие непосредственно от ядра, у изотопов глубоко различны—-в частности напр. один изотоп может быть нерадиоакти ен, другой изотоп того же элемента радиоактивен и т. д. Когда мы говорили о радиоактивных элементах: читатель вероятно удивлялся при виде названий многих элементов, не обозначенных в таблице периодической системы. В действительности все называвшиеся там элементы, не обозначенные в таблице, являются изотопами обозначенных, напр. радий D есть изотоп свинца. Гипотеза, по которой все атомные, ядра построены из водородных ядер и из электронов, позволяет легко охватить весьма обширную область фактов. Мы не будем останавливаться на тех трудностях, которые она на первых порах встретила, и на том, как они были преодолены. В настоящее время она принята почти всеми учеными. Девяносто два элемента периодической системы (а также конечно и те, которые вероятно следуют ва ураном, но еще не открыты) состоят по существу все-о из двух элементов — из водородных ядер, которые получили поэтому название протонов (т. е. „простей ших*) и из электронов. Мир ока* ®ался еще более простым, чем думали дрезине гроии, ко
мнению которых все тела природы состояли иэ четырех аде-ментов — земли, воды, воздуха и огня. Протоны и электроны в настоящее время считаются (надолго ли?) последними элементами, образующими материальные тела.
Новая квантовая механика.
Говоря об атомной механике, созданной Нильсом Бором и об ее изумительных успехах, мы вскользь упомянули и о том, что наряду с громадным количеством объясненных ею фактов имелись и такие, перед которыми она оказалась беспомощной. Так папр. вычисл» иная на основе теории Бора величина той энергии, которую нужно затратить, чтобы вырвать из атома гелия один электрон, оказалось в противоречии с опытом; теория Бора но сумела справиться и с целым рядом особенностей гелиевого спектра, а также я со многими весьма важными фактами, относящимися к явлению Зеемана (т. о. к тем изменениям, которые происходят со спектральными линиями, когда источник света помещен в сильное магнитное поле). Правда в области явления Зеемана намечались кое-какие возможности выхода — к их числу принадлежит предложенная Гаудсмит^м и Уленбеком замечательная теория вращающегося электрона — тем не менее положение в общем следовало признать весьма тяжелым.
К этому присоединялось и то, что физика как будто ня умела дать прямой и точный ответ на вопрос., что же тткое представляет собою свет — волны ли в эфире, как думали Гюйгенс, Юнг и Френель, или поток частиц, как думал Исаак Ньютон? (предположения Ньютона, ио мнению многих, вновь возрождались в форме теории световых квантов). Все это привело к тому, что в физике создалось настроение тяжелого и затяжного кризиса (примерно 1920 —1925 г.г.). Требовались сильные средства, но долгое время никто не умел их найти.
Выход пз создавшегося положения был найден только в 1925 году геттингенским физиком Вернером Гейзенбергом, а также и вскоре присоединившимися к мему другими геттингенскими физиками Максом Борном и Паскуалем И орденом. Эти ученые обратили внимание на
59
то, что в теории Бора фигурировал целый ряд велячмя, которые не только не были измерены до сих поп, во которые вообще никогда не могут быть намерены. Когда мы говорим напр, о том, что радиус самой близкой к ядрх орбиты зле-0,532
ктрона в водородном атоме равен - см, то что мы, собственно, под этим подразумеваем? Ведь с точки зрения физика расстояние есть результат некоторого измерения— грубо говоря расстояние есть то, что может быть измерено линейкой, между тем венная линейка сама обязательно состоит из атомов, т. е. из электронов и протонов, и пытаться ею измерить радиус электронной орбиты —все равно что пытаться измерить кирпичом длину мушиных лапок. По мнению Гейзенберга, Борна и Иордана теория Бора была засорена такими .принципиально недоступными измерению^ величинами, и в этом была причина ее неудач. Поэтому они задались целью построить такую теорию, которая состояла бы исключительно из математических соотношений между величинами, доступными измерению, ь не говорила бы ни о чем ином (в частности не оперировала бы такими „наглядными* представлениями, как представление атома в виде миниатюрной планетной системы с солнцем-ядром и планетами-электронами). Такую теорию они построили; она полу шла название матричной механики, так как в ней постоянно приходится пользоваться особым отделом математики—так называемым исчислением матриц, созданным еще в пришлом веке, но с чех пор сравнительно мало применявшимся, а потоку в плохо известным среди физиков. Матричная механика сумела притти к результатам, согласным с опытом и там, где теории Бора это не удавалось.
Почти в то же самое время (в начале 1926 г.) швейцарский физик Эрвин Шредингер выступил с новой теорией, которая исходила из совершенно иного круга представлений, но приводила к там же результатам, что и матричная механика, и впоследствии оказалась совершенно ей равнозиачу-щей. В той форме теории Шредингера, в которой она существует теперь, основной задачей мсхачикя является но вычисление действительного перемещения часгмц (дротшаоя 60
< мектронив) а ляодъ счисление вероятноетн того что частица будет в такой-то момент времени в той или иной области пространства. Эти вероятности подчиняются особому математическому уравнению, названному уравнением Шредингера или волновым уравнением, потому что оказалось, что уравнения такого же точно внешнего вида встречаются и в теории распространения волн (напр. в <лн звука) Грубо говоря, вероятность присутствия частицы распространяется в пространстве волнами.
Волновая механика (так была названа теория Ш реляягера) привела к таким результатам, прекрасно подтвердившимися па опыте, которые показывают, что в целом ряде случаев материальные частицы ведут себя совершенно подобно волнам: Девиссон и Джермер в самом деде сумели наблюдать явления интерференции и диффракции, происходившие с потоком электронов таким же точно образом, как они происходят напр. с ревтхеновскими лучами (см. паву II).
Кроме того удалось примирить такие, казалось бы, непримиримые представления, как волновую теорию света и представление о свете, как о летящих частицах — глинтах. С точки зрения волновой механики лучистая энергия действительно заключена в частицах — квантах, но законы распространения этих частиц определяются волновым уравнением. С этой точки зрения главным отличием между квантами лучистой энергии и материальными частицами (притонами и электродами) явтяется то, что первые не несут с собою электрического заряда, а вторые несут. Пропасть между обычной материей и лучистой энергией оказалась не столь глубокой, как думали раньше, н вероятно недалек тот час, когда протоны, электроны и кванты будут признаны тремя формами одной и той же субстанция, тремя ипостасями одеой и той же физической троицы — материя— способными переходить друг в дпугя.
Ках мы уже упоминали выше, волновая механика Шредингера оказалась математически совершенно равноценной матричной механике Гейзенберга, Борна и Иордана, благодаря чему уже не имеет смысла говорить об этих теориях в отдел внести, а следует говорить об единой квантовой мех ан а же. В таком вяд» она разрабатывалась, вслед «а
61
Шредингером н геттингенцами, многими другими учеными, среди которых следует особенно упоминать английского физика П. А. М. Дирака. Дирак показал, что многие математические выводы ив квантовой механики могут быть по-лучены при пользованиии особенным (им же придуманным) видом арифметики, который можно назвать квантовой ариф-метикоЙ. Отличие квантовой арифметики от обычной заключается в том, что величина произведения может меняться при перестановке множителей, чего в обычной арифметике, как известно, никогда не бывает. В своих работах Дирак сумел дать квантовую теорию испускания, поглощения, рассеяния к дисперсии света, а также объяснить новой квантовой механикой те явления, для объяснения которых была придумана теория вращающегося электрона (ем. выше). Квантовая механика была применена и к кинетической теории газов, и к теории электропроводности металлов и к химии. Повсюду она сумела одержать блестящие победы.
В настоящее время подвергаются разработке сложные и трудные вопросы квантовой эле ел роди намеки, дель которой дать последовательную в согласную с квантовой механикой теорию электромагнитного поля и взаимодействия этого поля с обычной материей. В этом направлении сделаны работы Иорданом, Паули и Гейзенбергом. В частности квантовая электродинамика должна дать ответ на вопрос может ли происходить превращение протонов и электронов в кванты лучистой энергии (по мнению многих астрофизиков, напр. Эддингтона, такое превращение материи в лучистую энергию происходит в недрах звезд и служит главным источником расточаемой звездами энергии) и происходит ли обратное превращение.
В ином направлении лежат работы Эддингтона. Он обра-hc тает внимание па то, что величина 5 является отвлеченным числом, не зависящим от выбраных единиц (Ь из нервется в	с » —, следовательно Ьс измеряется в
как и е2; 2^ есть отвлеченное число, значит отношение ,	~ о	гр. см? гр. см?\
he к есть отвлеченное число — отвошение ---	к --—х- )
сек? сек? А В пределах той точности, с которой еле могут бытьмьме-
репы, величина иодеаддет о целым числам 137. Там, где встречаются целые числа, наверно зарыта какая- то крупная собака; lot Эддингт< и и питается ее откопать (впрочем пока не очень удачно), применяя при этом весьма своеобразный математический аппарат—-им же самим придуманную геометрию пространства шестнадцати измерений. Если его работы приведут к цели, то это значит, что из квантовой механики можно будет теоретически вывести связь между е, h и с, иными словами объяснить заряд ьлегсрона, а значит и природу электрических сил.
Задачей ближайшего будущего является также и установление связи между квантовой механяь й и теорией тяготения. Если все это будет выполнено, то по мнению многих физика сможет быть построена по образцу геометрии, т. е. сумеет выводить законы всех наблюдаемых явлений из некоторого конечного числа аксиом на подобие того, как геометрия выводит свои теоремы. Осуществимо ли это, сказать пока Tpv£Ho.
Физическая теория находится в периоде бури н натиска; каждый год ставит новые проблемы, приносит новые триумфы, а иногда п равочаро алия. Когда эта буря у покоится, результаты будут громадны. Революции, происходящие в физике, всегда оказывают громадное влияние на мировоззрение. Хотя это влияние и не всем заметно, оно совершенно несомненно. Если бы Ньютон но написал „Математических начал натуральной философии41, то Вольтер не написал бы „Кандида41, а Руссо „Социального договора11. Какие духовные силы заключены в разрушительных и парадоксальных теориях, клокочушдх в современной физике, никто пока сказать не может; и во всяком случае это дело уже не физика, а философа.
Приложение
При аечанме .1
Некоторые из ^п-тателей этой книжки, возможно, незнакомы с латинскими и греческими буквами. Чтобы помочь им правильно читать встречай щиеся в сочинениях по физике формулы, приводим таблицу латинского я греческого алфавитов.
Латинский алфавит
Еолъплж Oj ква
А В С D Е
G И
I J К L М N О Р Q R S т и V W X
2
Малая
6} кв*
а b с d О
f
i *
1 IQ И О р
4 г
& t U V W
X у Z
Пьавамка
а бэ ПЭ до а эф гэ аш и ЙОТ ка эль эм он о ПЭ КУ ар эс тэ
У вэ дубль ЕВ икс игрок зет
Греческий алфавит
Е сил. m ал	Малм	1 i * » ц д Ш &
6/КВ&	бухла	
А	а	альфа
В	&	бэта
Г	7	гамма
А	В	дельта
Е	&	ЭПСИЛОН
Н		эта
Z		дзота
О	и	тета
I	i	пога
к	X	кип па
А	к	ланода
М	Р	ми
К	ч	ни
£	С	КСИ
О	ь	омикрон
п	п	пи
р	р	ро
2	а	сигма
Т	т	тау
Г	а	ипсилон
ф	7	фи
X	X	хи
у	6 1	и СИ
<2		омега
Стрскня Ла А<г<гЬ*	А
df>
Л?
Едг ицы нзмер* йия физических величии. Учение о строчном вещества* как и все другие отделы физики, основано на физических измерениях. Измерение—верховный судья всякой физической теории; самая глубоком ысленн; я и продуманная теория должна быть изменена или отброшена, если измерение не подтвердит ее выводов. Вот почему в предыдущем изложении мы должны были остановиться на важнейших для атомной теории измерениях ^измерение заряда электрона, постоянной Планка и др.). Все эти измерения были бы совершенно невозможны и результаты их совершенно неполятны, если бы нс существовало предварительного условия о тех единицах измерения (т. е. о тех мерах), которыми измеряется рассматриваемая фазическая величина.
Все употребляемые в теоретической физике единицы связаны между собою рядом соотношений — иными словами они образуют систему. В Осло на нив этой системы лежат: 1) единица длины сантиметр; 2) единица массы грамм; 3) единица времени секунда и 4} единица разности температур градус Цельсия. Все эти единицы общеизвестны, и о них можно подробнее не говорить. Сокращенные обозначения сантиметра, грамма и секунды таковы: см, г, сек. Исходя из этих единиц, возможно определить целый ряд других. Так напр. единицей скорости будет скорость такого тела, которое, двигаясь равномерно, проходит каждую секунду один сантиметр. Если известно, что тело двигаясь равномерно, прошло 40 сантиметров за 5 секунд, то зп каждую секунду оно 40
проходило у сантиметров; следовательно его скорость 8 раз превосходит выбранную нами единицу скорости. Отсюда видно, что скорое 'ь этого тела равна 8 единицам скорости: значит для того, чтобы получить скорость тела в наших единицах, необходимо делить число сантиметров аа число еектид. Вот почему условное обозна-чение для единицы скорости пишется в виде дроби-------, которая
сек.
читается так: сантиметр в секунду. Подобно этому определяется и единица ускорения: если тело .нижется так, что скорость его равномерно возрастает, при че.м увеличение скорости в течение одной секун ш равно одной единице скорости, т. е. одному то говорят, что у скорей не такого движения равно единице
ускорения. Если же за 16 секунд скорость во расла на 32- 'А, то очесах
видно за одну секунду приращение скорости будет в 16 раз меньше; поэтому ускорение такого движения равно двум единицам ускорения. Значит для того, чтобы получить ускорение в пз.гаих единицах, нужно разде нтъ число cmIccx. на число секунд; вот почему единица ускорения обозначается и читается так: сантиметр в секунду в секунду. Отсюда легко получить м принятую в физике

единицу силы. Единицей для измерения сил выбрана такая сила, которая при действии на тело с массой 1 грамм сообщает ему ускорение 1 сж.с№. (т. е. единицу ускорения). Такая единица силы называется диной. Если сила действует напр. на тело с массой 15 грамм и сообщает ему ускорение 5 см, сек., то она. согласно одному из основных законов механики, должна быть в 15 X 5 ~ 75 раз больше чем сила, сообщающая одному грамму ускорение один см сс№., иными словами она равна 75 дин Напр сила тяжести, действующая на тело с массой один килограмм (1000 г), в состоянии сообщить ему при свободном падении ускорение 980 см/сек2; поэтому эта сила (вес одного килограмма) равна 980 000 дин. Для получения, числа дин нужно помножить число грамм на число сж/ссх.3; вот почему условное обозначение дины будет —с~. Единицей работы сек.
считается работа, совершаемая силой в 1 дппу. когда она проталкивает по своему направлению тело на расстояние одного сантиметра. Такая единица работы называется о р г. Если 9 единиц силы (9 дин) протгыгкивают тело, на которое онп действуют, на расстояние 6 см, то совершаемая ими работа будет в 9хб — 51 раза больше эрга. Если же нзпр. мы поднимаем на расстояние 1 метра (100 еле) по вертикальному направлению тело, весящее один килограмм, то мы должны приложить к нему силу, нейтрализующую его вес, т. е. равную 980 000 дин и направленную вертикально кверху. Работа при поднятии 1 кг на высоту 1 м (так называемый „килограммометр) ра вна поэтому 98 000 000 эргов. Так как для полу :енкя числа эргов нужно множить число дин на число см, то условное обозна-,	г. см2 „
чение эрга выбрано такое: —---f- • Эрг служит не только единицей работы, но и единицей энергии: если какое-нибудь тело за счет своей собственной энергии совершило один эрг работы, го говорят, что его энергия уменьшилась на один эрг. Дадим теперь определение единицы частоты: если какое-нибудь колебательное движение совершается так, что полная продолжительность одного колебания равна одной секунде, то частота такого колебательного движения считается единицей частоты; если же продолжительность одного колебания будет напр. 6 секунд, то считается, что частота в 6 раз меньше, т. е. что частота этого колебательного движения 1
равна -g- единице частоты. Обозначение единицы частоты будет 1
-— (так как на секунды, как мы видели, приходятся делить). Если ССК
имеется квант света (см. выше), то его энергия равна произведению частот ы на некоторое постоянное количество (постоянная Планка). Б каких единицах следует измерят^ постоянную Планка? Очевидно z 1
в таких, чтобы частота света, выраженная в —помноженная сек
на постоянную Планка давала бы энергию кванта и эргах, т. в.
5е	67
в *	• Потому wa ядиавоа	шк; —в — Когда тд
43^М
иишем соотношение
Е=^ v
где К — энергия свеювого кванта, v —частота, k —• постоянная
Планка, то мы подразумеваем, что Е выражено в эргах, v — в---
С£К
г см%
А —в — - -. Когда мы пишем соотношение сек
X у = с
(произведение длины волны света на его частоту равно скорости света), то мы подразумеваем, что длина волны X измерена в см, 1
частота в -, скорость света с — в см/ctк
Остается объяснить какой смысл имеют применяемые нами я л е к т р я ч с- с к и е единицы. Когда мы имеем два наэлектризованных тела, то они. как известно, притягиваются иля отталкиваются смотря по знакам их электрических зарядов: если оба заряда положительны, или если оба отрицательны, то происходит отталкивание; если же один заряд положителен, а другой отрицателен. то она друг ко другу притягиваются. Таким образом н а-правленио возникающих сил (притяжение или отталкивание) зависит от знаков электрических зарядов (плюс плч минус); величина же этих сил зависит от величины зарядов. Условимся считать единицей для измерения заряда такой зарм, который, будучи помещен в пустоте на расстояния 1 еле от равного ему по величине заряда, отталкивает его с силой равной одной дине (пли притягивает, смотря по знакам зарядов). Измерения, производившиеся французским физиком Кулоном (18-й век), показали, что если дан не заряд, равный единице, на расстоянии 1 см от другого заряда, равного единице, а напр. 5 единиц заряда, поме-ищнные на расстоянии 2 см от 4 единиц заряда, то сила будет в	—5 раз больше; то, что в знаменателе стоит квадрат
расстояния, приводит к тому, что при увеличении расстояния между зарядами в 2 раза сида взаимодействия между Ними уменьшается в 4 раза; при увеличении рассгояния в 3 раза, сила уменьшается в 9 раз и т. д.
Если заряды раины друг другу, то сила /, с которой они отталкиваются или (в случае разных знаков) притягиваются на расстоя-яки г друг ст друга, равна /= —, где е величина того или другого заряда. Поэтому €*«=//*; значит для вычисления квадрата заряда (гр. см.х
} ия квадрат числа елг, сзддл-
вательпо единица, в которой измеряется заряд, является как бы гр. см.3
квадратным корнем из -
Единицы для измерения физических величия, применяемые в теоретической физике (в частности и в теории строения атома) весьма неудобны на практике. Ото мы уже могли видеть на примере единицы работы; эрг, как видно из предыдущего, представляет почти одну стомиллионную долю той работы, которую мы должны совершить, чтобы поднять один килограмм на высоту одного метра; эрг представляет, следовательно, совсем уж крохотную, „мушиную” работу. Единица электрического заряда, которую мы только что определили я которая называется „абсолютной электростатической единицей заряда“ также очень мала и неудобна для практических измерений, вот почему электротехники применяют для своих измерений единицу в 3 миллиарда раз большую, которая названа кулоном.
Перечш лепные нами единицы конечно не исчерпывают всего обширного списка тех единиц, которые применяет физик для выражения результатов своих измерений, по это все, что нужно для понимания тех результатов измерений, которые приведены в этой книжке. Нам остается добавить несколько слов о том способе обозначения длинных чисел, который применялся выше в тексте книжки и мог иного непривычного читателя поставить в тупик. Что значит напр. что для нагревания одного грамма воды на градус Цельсия требуется затратить 4’2 X эргов энергии? Суть дела очень проста: 106 (десять возведенное в шестую степень) равно очевидно 1 U00 ООО; поэтому-42 X Ю'1 значит 42 миллиона. Такое обозначение принято для краткости; ведь гораздо короче написать чем JOOOUOOOOO; короче написать, что скорость света равна 3 X Ю10 ^см/сек, чем написать, что она равна 30 000 000 000 см/сек. Удобство такого рода записей совершенно очевидно: если бы мы не. придерживались такого сокращенного способа .записи длинных чисел, то вместо того, чтобы написать, „	,	6,55 г см?	л
что постоянная Планка h равна —	, нам пришлось бы
JU* сек писать
, _	6,55	г см3
" “‘Т ОООобООООоби000 000 000 000 000 ~ек~
при этом мы совершили бы великий грех против режима экономии’ В качестве примера действий вад такими сокращенно записанными числами приведем такой вопрос: чему равна частота света, у которого длина водны -vt'.- см? Очевидно в формулу
10®
нужно подставить с — 3 X Ю10 см/сек, К = см. Предлагаем lva
читате лю убедиться, что в результате будет v = 6 X 1014—. Если сек
в качестве единицы длины применять не сантиметр, а „онгстрем" (единица длины, равная одной стомиллионной доле сантиметра), то
5
та же самая длина волны л = - - - см окажется равной бОООопг-стремов.
Список рекомендуемых читателю книг о строении вещества
(Эти книги требуют знания элементарной физики и математики не менее, чем в объеме курса школы девятилетки).
1.	ИГ Перрен— Атомы. Гос. Изд. М. 1924.
2.	„Наука XX века“. Физика, ч. Т (сборник статей И. Тамма, А. Рабиновича, С. Вавилова, Э. Шпольского, С. Ковобеевского). М. 1929.
3.	0. Хвольсои— Строение атома и рентгеновы лучи. Научное К-во. И. 1923.
4.	0. Хвольссн — Курс физики. Оба дополнительных тима („Физика с 1914 года“).
5.	А. Зоммерфельд — Строение атома и спектры. Гос. Изд. М. 1926.
6.	К. Фаяно — Радиоктивность. Гос. Изд. М. 1922.
7.	Ф. 8 Астон — Изотопы. Гос. Изд. М. — 11. 1923.
8.	И. Бор —Три статьи о спектрах и строении атомов. Гос. Изд. М.-И. 1923.
9-	У. Г. Брэгг и У. Л. Брэгг —Рентгеновские лучи и строение кристаллов. Гис. Изд. М. — .1. 1929.
1U.	Р- Милликэн — Электрон. Гос. Изд. 1924.
11.	3. Резерфорд — Строение атома и искусственное разложение элементов. Гос. Из:. М. — II. 1923.
12.	0. Хвольсон— Физика наших дней. Гос. Изд. М. — Л. 1929.
13.	А. Гааз—Волны материи. Гос. Изд. М.-Л, 1930
О Г Л А В Л Е Н И Е
Стр.
Введение . ............................................3
Глава I. — Атом и молекула...........................	. 7
Глава II. — Разрешение	атома .........................16
Глава Ш. — Строение атома- ...........................42
Примечания .	  65
Список литературы	 71

НАУЧНО - ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА
журнала „НАУКА и ТЕХНИКА*4
о ft
1)	Воздушные мотоциклетки*
2)	Чудеса современной хирург ян.
3)	Что надо знать о женских болезнях.
4} Мир Луны.
6) Первобытный человек.
6) Мировой океан.
If Автомобиль.
8} Силы Природы.
У» Кв* паять и лудить.
10)	Основы радио-техники.
11)	Газовая сварка и резка металлvB.
12	Происхождение Земли.
13)	Борьба с огнем.
14)	Как построить модель аэроплана.
15)	Беременность и средства против беременности.
16)	Как установить раано-нрнеминк. Заземление и антенна.
17)	Железо в природе и технике.
18)	Самодельный радио-приемник в ею частя.
1S)	Что должна знать мать о грудном ребенке.
2U) Как самому построить буер.
21) Астрономическая обсерватория любителя,
22) Химия в технике отарой Руси.
231 169 практвч. рецептов к советов.
?4) Ветро-электрич. станция любителя.
2Ь) Никкелнрлванне.
261 Спутник краеведа.
27)	Воздушные сообщения.
28)	Кино-трюки,
29)	Электротехник-любитель.
30)	Гипноз в внушение.
31)	Гадьвьннческие элементы.
82) Как построить парусную жлюок*
831 Каж выбрать курорт.
34] Техника и война.
35) Как переплетать книг*.
86) Справочник радно-любит<₽ля.
371 Самодельный телефон » телеграф.
38) Хнынк-любнтель.
39) Своим* руками.
li t Как наблюдать небесные сяетал*.
41) Заразные болезни.
42> Потонувшие материки.
43} Прошииххение земледелия.
44) Электрические аккумуляторы.
45-46-47) Словарь научных и технических терминов (распродан).
48) Переливааже крови.
49) Как сделать инкубатор.
50; Самодельные волшебные фонари
Ы) Завоевание пустыни.
52)	Коллекционер-любитель.
53)	Краски и лаки, Ч. I.
54)	Самодельный велосипедный »лвк-трическнй фонарь.
55)	В мастерской любителя, ВЫГ. 1.
56)	Судьба под контролем.
57)	Справочник мер.
58« Краски и лаки, ч. И.
59)	Как шьют паруса м палатки.
60)	Планер любителя.
61)	Самодельный токарный стааи*-
62)	Яблоня в маленьком саду.
63i Гравер-любитель
64)	Происхождение человека от обезь ины.
65)	В мастерской любителя, вып. U.
66)	Аборт и притмвозачат. средства
67)	Сквозь льды.
68)	0. В. хим. оружие и защита от него.
69)	Лаборатория химика-любителя.
70)	Электронная лампа.
71)	Краски и лаки, вып. III.
72)	Работы и.) фанеры.
73)	Как предохранять себя от заражения венерическими болеаням.к.
71) Как красках.
7а} Ai«reopo.Tor-.w6ffr«m.
76)	Как научиться чертить.
77)	Состав и «.троение эемногм
78)	Города под землей.
79)	Работы и» проволоки.
»0) Нервность и борьба о aeft.
81)	Км бороться с вредителями сельского хозяйств*.
82)	Геолог-любитель,
83)	Техника безопасности трудяь-
84)	Воронение,
85)	Фитограф-любвте ть.
«6) Птиц крылые машины.
87} Производство детских р лзив, шаров.
К8> ’’устарь красильщик.
89) Береги св •« сердце.
90) Защита от газ в х ьтач.
911 Дешевое рацнокализиров. жилище.
92} Столяр любитель.
93)	Использование отбросов примышл.
94)	100 схем
95)	Инструменты ст ляра-любителя-
Вояне *ынммм> аз Глаиеэй Новторы Иждатвльстаа--Ленинград. 2 Фонтанна, 57
$
Цчхложл,яе к журналу „Наука м Техника" Лй 12