Охотники за частицами
Шрифт:
Через два месяца рисунок «солнечного атома» появится на страницах «Философского журнала», издаваемого Кембриджским университетом. А оттуда начнет свое полувековое шествие по страницам бесчисленных книг…
Атом, подобный Солнечной системе, как-то сразу и бесповоротно входит в сознание физиков. Странный, всем своим видом бросающий вызов классической физике, еще далеко не сдавшей своих позиций, — и все же… Иногда красота научной идеи сразу поражает в сердце, минуя слабые протесты ума.
Но надо еще доказать, что эта «красота» имеет право на существование. Электроны не могут вращаться
Помните? Ускоренно движущийся заряд должен непрерывно излучать. Излучая, он теряет энергию. Теряя энергию, он должен замедлять свое вращение. Замедляя свое вращение, он должен в конце концов остановиться.
И в этот момент сила электрического притяжения электрона к ядру атома станет безраздельным хозяином положения. Мгновение — электрон исчезает в ядре, за ним второй, третий. И с ними прекращает свое существование сам атом.
Что-то здесь не так… Снова исследователь оказывается, подобно Планку, подобно Эйнштейну, перед тяжелейшим выбором: либо неверна модель, либо неверна… старая физика. На сей раз эта альтернатива стоит перед Резерфордом и молодым датчанином Нильсом Бором. Он только третий год работает с Резерфордом, но уже успел проникнуться глубочайшим уважением к своему учителю.
Обидно будет, если любимое творение учителя отвергнет строгая критика. Но она необходима. «Платон мне друг, но истина дороже!» Бор ищет истину. И в клещах трудного выбора, что ни говори, ему все же легче, чем его предшественникам, дерзнувшим первыми посягнуть на старую физику.
Уже идет 1913 год. Уже позади теория квантов и теория относительности. И великие эти примеры не могут не придать Бору смелости.
Электрон можно сохранить от гибели в ядре, а с ним сохранить и сам атом, если электрон не будет излучать на орбите электромагнитные волны. Другого выхода нет. Так пусть это и будет выход. Запретить электрону излучать на орбите! На какой бы орбите он ни был. Ибо, как показывает несложный подсчет, таких орбит может быть много.
Запретить — и без всяких! Бор пока не знает, как обосновать свой запрет. И поэтому скромно называет его постулатом, то есть предложением, принимаемым без доказательств.
Но атом все же испускает излучение — свет, например. Надо в запрете, выходит, оставить лазейку? Что-то вроде «нет правил без исключений»? Так Бор приходит ко второй находке. Правда, чтобы не покривить душой, он должен признать долю участия в этой находке за своим «научным дедом» Томсоном.
Электрон испускает излучение в тот неуловимо короткий миг, когда прыгает с орбиты на орбиту. И в этот момент на свет рождается… фотон.
Вот когда атом Резерфорда обретает физическую плоть! Не беда, что второе положение Бора тоже постулат, что оно пока что столь же недоказуемо, как и первое. Притягательная сила новой теории атома столь велика, что перед ней не может устоять ни один физик. Не проходит и трех лет, как она, подобно палочке-считалочке, уже выдает ответы на сотни вопросов, которыми ее забросали физики. И правильные ответы!
Сразу удалось разрешить серьезнейшую
Эта повторяемость и легла в основу созданной им периодической системы химических элементов. Чем объяснить ее? — Менделеев не знал. Конечно, к тому времени уже были известны атомы. И Менделеев установил, что свойства химических элементов периодически зависят от веса их атомов.
Но почему? На этот вопрос в те годы ответа дать было нельзя. Еще не были известны электроны, еще не знали, как устроены атомы.
Теперь же, в десятые годы нашего века, «солнечноподобная» атомная картина Резерфорда и Бора без промедлений объясняет периодический закон Менделеева. Химические свойства атомов — а о периодичности именно этих свойств идет речь — определяются просто числом электронов на самой внешней, наиболее удаленной от ядра оболочке атома.
Сколько в ней может быть электронов? Наблюдения показывают, что не более восьми. От одного до восьми электронов, а значит, всего восемь типов химического поведения атомов, восемь валентностей. Когда атомы соединяются в молекулы, в игру вступают электроны на самых наружных атомных орбитах.
Вот здесь и лежит ключ к валентностям, заключает в 1914 году немецкий химик Вальтер Коссель. Это заключение и образует ту основу, на которой начинает развиваться новая, современная химия. Не та, что вслепую колдует у пробирок, а зрячая, вооруженная точным представлением и расчетом.
И это только малая доля открытий, которые вдруг хлынули из нового атома, как из рога изобилия. В этом быстром потоке нового знания ядро может считать себя обойденным. Не до него! Физики удовлетворяются пока самыми общими сведениями о нем: ядро положительно заряжено; в нем сосредоточена почти вся масса атома; оно имеет размеры, в десятки тысяч раз меньше, чем те орбиты, по которым вокруг него вращаются электроны.
Из чего оно состоит? Самое легкое ядро — это, как показывает опыт, ядро атома водорода. Вероятно, оно содержит в себе одну положительную частицу. Ядро простейшее, а потому переносит свое название и на свою частицу. Ее называют протон, что по-гречески и означает «простейший». Следующее — ядро атома гелия — вчетверо массивнее. Значит, в нем четыре протона и так далее.
А чтобы ядро могло долго и устойчиво существовать, несмотря на взаимную вражду его положительных частиц, в него нужно добавить цемента. Как и двадцатью годами раньше, когда физики пытались сдержать в атоме разлетающиеся электроны.
Пусть эти же электроны и будут цементом для протонов. Тогда ядро гелия можно составить, с его двойным положительным зарядом, из четырех протонов и двух электронов.
Вот пока и все внимание, которое уделили физики ядру. Третья выдающаяся частица атомного мира — протон — на сей раз открыта как-то «заурядно». Словно некий прочный продукт резерфордовского атома. И тут же большинство физиков забывает о нем. Забывает надолго. В следующее двадцатилетие физики заняты совсем другими вещами.