были убеждены, что истинная причина этих движений — толчки молекул жидкости, которые сами невидимы даже в лучший микроскоп. Но удивительные по изяществу опыты Перрена не просто доказали справедливость этих утверждений — из них следовало нечто большее: непонятное движение частиц в жидкости есть точная модель истинного движения невидимых молекул, увеличенная в несколько тысяч раз. Поэтому, изучая броуновское движение частиц, мы тем самым получаем наглядную картину движений невидимых молекул. (Точно так же, как знание свойств радиоволн дает нам представление о волнах света и даже о рентгеновских лучах.) После этих работ гипотезу об атомах признали все, даже ее знаменитый противник Вильгельм Оствальд (1853—1932). А в 1909 г. тот же Резерфорд, который доказал сложную структуру атома, вместе с Ройдсом дал и наиболее убедительное доказательство атомистической структуры вещества. Вот как это произошло.
Уже давно было замечено, что в минералах, содержащих радиоактивные вещества — торий, уран, радий,— скапливается гелий. Измерили даже, что из 1 г радия в состоянии радиоактивного равновесия выделяется 0,46 мм3 гелия в день, то есть 5,32 -10“9 см3/с. После установления природы а-частиц ничего чудесного в этом факте не было. Но Резерфорд и Ройдс на этом не остановились: они сосчитали число а-частиц, которое вылетает в секунду из 1 г радия. Оно оказалось большим, но вполне определенным: 13,6- 1О10 с-1. Все эти а-частицы, вылетевшие за секунду, захватив по два электрона, превращаются в атомы гелия и занимают объем 5,32-10“9 см3. Следовательно, число атомов в 1 см3
Но ведь это и есть та самая постоянная Лошмидта, которую он вычислил на основании молекулярно-кинетической гипотезы! Действительно, один моль гелия (как и любого одноатомного газа при 0 °C и атмосферном давлении) занимает объем 22,4 л и содержит 6,02 • 1023 атомов, то есть
6,02-Ю23моль
см
-з
22,4 • 103 см3/моль
Совпадение убедительное.
К 1912 г. насчитывалось уже более десяти способов определения постоянной Авогадро и от ее значения зависело объяснение многочисленных и на первый взгляд не связанных между собой явлений, таких, как броуновское движение и голубой цвет неба, вязкость газов и спектр абсолютно черного тела, радиоактивность и законы электролиза. Число Na оказалось очень большим, и, чтобы продемонстрировать его огромность, лорд Кельвин предлагал провести мысленный эксперимент: стакан воды с каким-то образом помеченными атомами вылить в океан и, хорошо перемешав его, вновь зачерпнуть воды из океана на другом краю Земли — в стакане окажется 200 меченых молекул воды (в действительности еще больше: около тысячи). Как и количество людей на Земле, число Авогадро не может быть дробным. Более того, это число мы знаем сейчас значительно точнее, чем численность жителей Земли: МА = 6,022136 • 1023.
«Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания вдруг оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это — атомная гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом — это ничего не меняет): все тела состоят из атомов — маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому.
В одной этой фразе содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения».
Эти слова принадлежат Ричарду Фейнману, нашему современнику, лауреату Нобелевской премии 1965 г. И хотя они почти дословно повторяют Демокрита, понятия и образы, которые мы с этими словами связываем теперь, совсем другие: за 25 столетий об атоме узнали много нового. Это было непросто — просты только результаты науки.
ВОКРУГ КВАНТА
Неразрезаемый атом
На фоне успехов новейшего знания старые аргументы в пользу существования атомов прочно забыты и представляют теперь только исторический интерес. Однако вспомнить некоторые из них небезынтересно.
Прежде всего верующие в атомы задавали своим противникам простой вопрос: «Каким образом одно и то же количество вещества, если оно не построено из атомов, может занимать разные объемы, как мы это наблюдаем, например, при сжатии и расширении газов?» Далее они приводили доказательства малости атомов и огромности их числа, например: кристаллик красителя индиго может окрасить тонну воды. Вспоминали случай, когда один гран (0,062 г) мускуса наполнял большую комнату запахом в течение 20 лет и при этом остался без видимых изменений.
Развитие точных наук подорвало доверие к рассуждениям, даже правдоподобным,— их заменили количественные оценки.
Уже Ньютон оценил толщину мыльных пленок и показал, что она в 50 раз меньше длины световой волны и составляет 10—5 см=100 А. Вслед за ним многие (включая и лорда Кельвина) неоднократно обращались к изучению мыльных пузырей, и в начале нашего века было доказано, что толщина самой тонкой мыльной пленки всего в 2 раза превышает размеры молекулы.
С тех пор как Бенджамен Франклин вылил ложку масла на поверхность пруда вблизи Лондона, его опыт многократно повторяли в различных вариантах. В частности, Рэлей приготовлял масляные пленки толщиной до 16 А в Рентгену в 1890 г. удалось довести толщину таких пленок до 5 А, что всего в 5 раз превышает диаметр атома водорода.
Фарадей изготовлял из золота листки толщиной до 10“6 см, а осаждением из раствора на стекле получал золотые пленки толщиной 10“7 см, то есть в 10 раз тоньше средних оболочек мыльных пузырей. Такие пленки золота прозрачны, а их толщина всего в 10 раз превышает диаметры атомов.
Среди других попыток определить размеры атомов следует упомянуть несправедливо забытую работу Томаса Юнга (1773—1829): еще в 1805 г., изучая явления капиллярности и поверхностного натяжения жидкостей, он пришел к выводу, что размеры атомов не превышают 10-8 см.
Дифракционная решетка
Неизвестно, как обернулась бы история атома, если бы физики не изобрели дифракционную решетку. Фраунгофер в своих опытах использовал ее уже в 1822 г., Ангстрем сделал главным инструментом своих исследований, и, наконец, Роуланд придал ей почти современную форму. Принцип действия решетки основан на явлении дифракции, то есть способности волн огибать препятствие, если оно сравнимо с их длиной. Волны различной длины осуществляют это по-разному, что позволяет разделить их и точно измерить. Благодаря этому прибору в спектроскопии достигнуты точности измерений, удивительные даже для физики. Уже в начале века удавалось
