Атомы и электроны

Бронштейн Матвей Петрович

Из всего сказанного видно, какие простые и ясные представления вносит гипотеза атомов и молекул в физику. Основным в этой атомно-молекулярной картине газов, жидкостей и твёрдых тел является представление о том, что с возрастанием температуры растёт и скорость движения атомов. Это представление сыграло очень большую роль в истории атомистического учения.

До XIX столетия среди физиков господствовало мнение, что теплота есть какое-то невесомое вещество — «теплород», — которое может соединяться с обычными веществами. Нагретое тело, согласно этой точке зрения, — это такое, в котором много теплорода; при охлаждении тела теплород из него уходит. Это широко распространённое представление о вещественности тепла было опровергнуто, как только физики стали изучать связь между теплотой и движением. Наличие этой связи очевидно: при трении, которым сопровождается движение, возникает тепло, — этим издавна пользовались для добывания огня народы, стоящие на низких ступенях культуры, — с другой же стороны, теплота, выделяющаяся при сжигании угля в топке парового котла, является основной причиной возникающего в паровой машине движения поршня в цилиндре, махового колеса, шатуна и т. д.

В 1798 году некий Бенджамин Томпсон, американец, авантюрист, прежде сражавшийся

на стороне Англии во время войны за независимость Соединённых Штатов, а затем поступивший на службу к баварскому королю, от которого, он получил титул графа Румфорда, наблюдал в мюнхенском арсенале сверление пушечных жерл. Сверление сопровождалось выделением очень большого количества тепла. Когда Румфорд погружал просверливаемую металлическую болванку вместе с работающим в ней сверлом в воду, то вода через два с половиной часа начинала кипеть. Поражённый этим огромным выделением тепла, Румфорд подробно исследовал все условия, при которых тепло возникает. Оказалось, что если просверлить в болванке жерло острым сверлом, а затем заменить его тупым сверлом, которое уже не может отделять от металла стружки, но всё же поворачивается с большим трением, то дальнейшее вращение сверла позволяет извлечь из болванки любое количество тепла — стоит только вращать сверло достаточно долго. Это было несовместимо с представлением о вещественности тепла: если бы теплота была веществом («теплородом»), то из данной болванки нельзя было бы извлечь больше тепла, чем в ней в действительности содержалось. Поэтому Румфорд решил, что теплота не вещество, а движение. Теплота — это движение невидимых глазу атомов, из которых состоит любое вещество. Нагреть какое-нибудь тело — это значит привести его атомы в более быстрое движение, чем то, в котором они находились раньше. Охладить тело — значит замедлить движение атомов. Так возникла механическая теория тепла (термодинамика), получившая своё окончательное обоснование уже только в последней четверти XIX века — в работах Людвига Больцмана и Уилларда Гиббса, которые доказали, что все законы тепловых явлений могут быть выведены теоретически, если применять теоремы механики к движению невидимых глазу атомов. Это был такой же триумф атомистической теории, как и тот, который ей доставили работы Дальтона в химии: не только химические, но и физические явления легко объяснялись с помощью предположения, что все тела состоят из мельчайших, невидимых глазу атомов.

И всё же атомистической теории в это время (к концу XIX столетия) ещё не хватало многого. Представление об атомах всё ещё не было достаточно конкретным. Пусть мы знаем, что существуют такие-то и такие-то атомы — атомы кислорода, железа, фосфора, серы и т. д., — но много ли мы знаем о самих этих атомах? Мы можем только сравнивать их друг с другом, можем говорить, что масса атома кислорода в 16 раз больше массы атома водорода, а масса атома серы в два раза превышает массу атома кислорода, но о каждом из этих атомов в отдельности мы ничего не можем сказать. Мы не можем сказать, какова масса атома водорода и каковы его размеры; мы знаем, что капелька воды состоит из молекул H₂O, но не можем сказать, из скольких молекул, и т. д. И постепенно у многих начинало складываться впечатление, что этого мы так-таки никогда и не узнаем и что ничего, кроме отношений химических элементов друг к другу, в природе нет, а те атомы — атомы водорода, кислорода, азота, которые Дальтон так ясно представлял себе и рисовал на бумаге в виде кружочков, — те атомы являются чистейшей фантазией — мы никогда не сумеем их взвесить, измерить и понять их настоящие свойства. Жесточайшим нападкам подвергалась атомистическая теория со стороны многих философов. Артур Шопенгауэр утверждал в своём сочинении «Мир как воля и представление», что химические атомы Берцелиуса являются лишь формой выражения тех относительных количеств, в которых вещества вступают друг с другом в химические соединения; поэтому следует считать атомы, по существу, лишь арифметическими понятиями, лишь «расчётными единицами» (Rechenpfennige). В другом сочинении — «О философии естествознания» — он бранит химиков, называя их «невежественными аптекарями, занимающими профессорские кафедры», и говорит, что они

«с таким детским самомнением и с такой уверенностью толкуют об эфире и его колебаниях, об атомах и о прочих глупостях, как если бы они всё это видели и трогали руками».

В конце XIX столетия возникла целая школа физиков и философов, которая осуждала все попытки атомистической теории проникнуть во внутренний механизм явлений: эти философы признавали достойным изучения только непосредственное ощущение предметов внешнего мира и отвергали всякие стремления объяснять их наблюдаемые свойства (их цвет, твёрдость, температуру и т. п.) при помощи атомов, которые настолько малы, что наши органы чувств не могут их наблюдать непосредственно. (Уничтожающую критику учений этой философской школы можно найти в книге В. И. Ленина «Материализм и эмпириокритицизм».) Выдающиеся представители этой школы (Мах, Дюгем, Оствальд) выставляли против теории атомов те же самые возражения, какие в своё время выставил Шопенгауэр. Все они единодушно сходились в том, что «атомистической теории следовало бы уже давно истлеть в пыли библиотек», как выразился Вильгельм Оствальд в своих лекциях по философии природы, которые он читал в Лейпцигском университете летом 1901 года.

Но сторонников атомистической теории не смущали злые нападки философов. Они упорно стремились найти убедительные доказательства реальности атомов. Увидеть атом, взвесить его, измерить его размеры — вот что стало заветной мечтой атомистов. Но как это сделать, если атомы настолько малы, что ускользают не только от наших невооружённых органов чувств, но и от самых усовершенствованных микроскопов! Жигмонди и Зидентопф построили и усовершенствовали так называемый «ультрамикроскоп», позволяющий обнаружить в коллоидном растворе золота золотые частички, масса которых чуть ли не в миллиард раз меньше грамма. Но в том же растворе присутствуют и более мелкие частички золота — значит, атом золота весит ещё меньше. Каким же образом можно взвесить атом? Не следует ли отказаться от этой задачи, признать её принципиально неразрешимой? Если мы признаем эту задачу принципиально неразрешимой, т. е., если мы признаем атомы принципиально ненаблюдаемыми, то тогда Оствальд и компания окажутся правы, потому что принципиально ненаблюдаемое

не может служить объектом изучения в физике и должно считаться лишь результатом неправильного образования понятий. Вот почему атомисты не хотели примириться с таким решением вопроса и не захотели утверждать, что «атомы существуют, но их наблюдать, взвесить и измерить никогда не удастся». Если бы они это утверждали, то это означало бы капитуляцию перед философами, считавшими, что книги по атомистической теории должны сгнить в пыли библиотек.

И в конце концов атом действительно удалось взвесить. Этому помогло одно странное явление, которое было открыто ещё в первой половине XIX века и на которое физики в своё время не обратили должного внимания. Это явление называется броуновским движением.

В 1828 году знаменитый английский ботаник Роберт Броун проделал одно в высшей степени интересное наблюдение. Испытывая только что присланный ему новый усовершенствованный микроскоп с ахроматическим объективом, Роберт Броун вздумал рассмотреть с помощью этого микроскопа ничтожную каплю жидкости, содержащейся в крохотных зёрнышках пыльцы растений. В такой жидкости всегда имеется большое количество микроскопических твёрдых частиц. Как удивлён был Броун, когда увидел, что эти частицы не остаются на месте, а движутся, движутся непрерывно, точно исполняя какой-то фантастический танец! Когда в поле зрения микроскопа было видно много таких частиц, то получалось такое же впечатление, как от тучи каких-то мельчайших мошек. Твёрдые частицы микроскопических размеров, находящиеся в жидкости, движутся, как если бы они были живыми, и, действительно, у наблюдателя остаётся именно такое впечатление. Но уже Роберт Броун, который первым наблюдал это хаотическое движение микроскопических частиц, получившее своё название от его имени, пришёл к другому заключению: частицы движутся не потому, что они живые. Частицы мёртвого вещества, обладающие такими же размерами, тоже должны совершать аналогичное движение, если только они окружены со всех сторон жидкостью. Так утверждал Броун, и это было полностью подтверждено многочисленными последующими наблюдениями.

Можно было бы думать, что броуновское движение микроскопических частиц вызывается какими-то потоками в самой жидкости, связанными с разностью давления в различных точках жидкости. Каждому приходилось наблюдать движение пылинок в воздухе, освещённом падающими сбоку солнечными лучами. Это движение действительно связано с токами воздуха, но броуновское движение имеет совершенно другой характер. В самом деле, если внимательно наблюдать за движением пылинок в солнечном луче, то легко заметить, что соседние пылинки, попавшие в небольшую струю воздуха, движутся в одну и ту же сторону. А если наблюдать за броуновским движением микроскопических частиц, то оказывается, что между направлением движения соседних частиц нет решительно ничего общего: частицы движутся совершенно независимо друг от друга, даже если им случится подойти друг к другу на самое крохотное расстояние, равное диаметру отдельной частички. Значит, совсем не от токов жидкости происходит это непостижимое и фантастическое движение микроскопических твёрдых частичек.

Во второй половине XIX века броуновское движение подробно исследовал французский физик Гуи. Он проделал целый ряд опытов, которые убедили его в том, что причина броуновского движения скрыта в самой жидкости. Не от внутренних токов жидкости, вызванных ничтожными разностями температур, и не от внешних толчков и сотрясений происходит броуновское движение. Гуи пробовал сравнивать броуновское движение в лаборатории, расположенной на шумной улице, по которой проезжают тяжёлые экипажи, с тем же броуновским движением, наблюдаемым ночью в глухом подвале, в деревне, — разницы не получалось никакой. Толчки от экипажей заметны, но они сказываются не на хаотическом движении броуновских частиц, а на движении всей капельки жидкости в целом: двигаясь как целое, капелька увлекает за собой все частицы в одном и том же направлении, и это движение очень легко отличить от накладывающегося на него хаотического движения броуновских частиц, происходящего по всем возможным направлениям. Гуи убедительно доказал, что броуновское движение, как уже предполагал и сам Броун, нисколько не связано с тем, что жидкость, в которой оно наблюдается, взята из живого существа — из растений: искусственно приготовленные жидкости с взвешенными в них микроскопическими частицами, в которых нет ничего живого, тоже обнаруживают броуновское движение.

В 1881 году польский физик Бодашевский показал, что броуновское движение происходит и в газах, а не только в жидкостях. Для того чтобы наблюдать броуновское движение, он рассматривал при боковом освещении микроскопические частички, образующие табачный дым. Крохотные частички угля, из которых состоит дым, плясали во все стороны совершенно таким же образом, как плясали твёрдые частички, наблюдавшиеся Робертом Броуном в жидкости.

Настоящую причину броуновского движения угадал в 70-х годах прошлого столетия бельгиец Карбонель. Его объяснение, гениальное по своей простоте, состоит в следующем: микроскопические частицы движутся потому, что они испытывают толчки со стороны невидимых молекул и атомов окружающей их жидкости. Рассматривая движение броуновских частичек, мы получаем некоторое представление о том, как движутся невидимые молекулы жидкости, — совершенно таким же образом, как мы узнаём о волнении на море, когда, стоя далеко от берега, видим качание лодки, швыряемой волнами во все стороны. Броуновское движение является поэтому мостом, соединяющим невидимый мир атомов и молекул с миром, доступным восприятию при помощи наших органов чувств.

Почему броуновское движение можно наблюдать только в том случае, когда частички очень малы? Очень просто, отвечает на этот вопрос Карбонель: если поверхность частицы велика, то количество толчков, получаемых ею справа, всегда окажется приблизительно равным количеству толчков, получаемых ею же слева, и ничтожное различие в количестве толчков будет совершенно недостаточно для того, чтобы сдвинуть с места большую и тяжёлую частицу. Если же частица имеет ничтожный вес и ничтожные размеры, то в хаосе молекулярных движений жидкости всегда может случиться, что с одной стороны частицы будет в данный момент случайно больше толчков, чем с другой, а поэтому легкоподвижная частица двинется в ту сторону, куда её толкнут молекулы. Через какой-то очень короткий промежуток времени избыток молекулярных толчков будет сдвигать броуновскую частицу уже по другому направлению, ещё через какой-то короткий промежуток времени — по третьему и т. д., и т. д. Вот почему броуновская частица и совершает своё движение, напоминающее пляску дикарей.