Занимательная квантовая физика - Матвей Бронштейн

Ведь мы знаем, что заряд электрона е связан с числом атомов в грамме водорода (N) и с массой атома водорода (М) соотношением Nе = e/M = 2,895 × 1014 абс. ед., а с массой электрона (m) соотношением e/m = 5,307 × 1017 абс. ед.

Так как теперь е известно, то из этих уравнений можно легко вычислить m, М и N.

Вычисление дает N = 6,062 × 1023, что находится в полном согласии с тем результатом, который получил Перрен, изучая броуновское движение. Масса водородного атома оказывается равной М = 1,662 × 10–24 г, а масса электрона m = 9,01 × 10–28 г.

О том, как мала масса электрона, выраженная в граммах, можно судить из следующего сопоставления: отношение массы электрона к одному грамму почти в два раза меньше, чем отношение грамма к массе 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 десятой процента) 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 не на основании каких-либо очень специальных и натянутых гипотез, — напротив, эти заключения можно считать весьма прямыми и непосредственными следствиями наблюдаемых явлений: ведь наблюдения Милликена относились к отдельным электронам (заряд капли во многих опытах равнялся величине е или удвоенной, утроенной и т. д.). Эти опыты являются убедительнейшим доказательством реальности электронов и атомов. Всего убедительнее в этом доказательстве полное совпадение, которое существует между результатами опытов Милликена и результатами опытов Перрена: ведь те и другие опыты основаны на совершенно разных идеях и на первый взгляд ничего не имеют общего друг с другом. Числам, полученным из этих опытов, приходится верить, — по той же самой причине, по которой на суде верят двум свидетелям, если они, не имея никакой возможности предварительно сговориться друг с другом, оба утверждают одно и то же.

Мы знаем теперь, что все вещи состоят из атомов и что атом не является чем-то абсолютно неделимым; наоборот, атом — это какая-то сложная система, от которой могут отделяться крохотные части — отрицательно заряженные электроны. Таков, в общих чертах, был тот запас знаний, которым обладали физики на рубеже XIX и XX столетий. И, опираясь на этот, в сущности очень скудный, запас знаний о веществе, физики должны были разгадать головоломную загадку, которая отпугнула бы от себя самого самонадеянного сыщика на свете, — загадку радиоактивности.

Мы возвращаемся к нашей детективной истории.

Самое поразительное, самое чудесное в радии — это его неутомимость. Днем и ночью, зимой и летом, без устали, без передышки радий посылает в пространство свои невидимые лучи. Каждый час грамм радия испускает столько тепла, сколько нужно, чтобы растопить примерно полтора грамма льда. Много ли это? Это не очень много: грамм угля, сгорая, испускает тепла почти в пятьдесят раз больше, но зато он ведь сгорает и перестает быть углем, а грамм радия, испуская тепло в течение часа, в течение суток, в течение года, остается совершенно таким же, каким был раньше, — его способность испускать лучи Беккереля и вместе с ними энергию остается прежней, и он, как и раньше, готов безостановочно испускать энергию в течение новых и новых лет. Вот это-то и есть самое неслыханное, самое беспримерное из всего, что физикам когда-либо приходилось слышать и видеть. Когда топится печка, в ней сгорают дрова, и, если не подбрасывать дров, печка погаснет. Когда идут часы, в них все время раскручивается пружина или опускается гиря, и, если их не заводить, они остановятся. Во всей природе только радий оказывается каким-то странным исключением: ничего в нем не тратится, ничего не сгорает, никогда он не стареет, он вечно молод. Он похож на волшебный кошелек в старой сказке: сколько раз ни вынимать из такого кошелька золотую монету, в нем всегда остается еще одна.

Другой не менее странный факт, относящийся к радию, — это его полная независимость от внешних влияний, полное равнодушие к ним. С тех пор как радий впервые был получен в лаборатории, физики неоднократно пробовали повлиять на его радиоактивность, применяя самые разнообразные способы, но ни сильный жар, ни сильный холод, ни самые высокие давления, какие только можно осуществить средствами современной техники, — ничего не оказывало влияния на радиоактивность: лучи, испускаемые радием, не становились ни сильнее, ни слабее. Для того чтобы охарактеризовать то огромное впечатление, которое произвели на физиков оба эти свойства радия — его неутомимость и его равнодушие ко всем внешним воздействиям, — достаточно процитировать слова, сказанные одним из первых исследователей радиоактивности (Содди): «В крошечном кусочке радия нет ничего, что напоминало бы громадные масштабы и размеры Вселенной, а между тем он выделяет энергию в такой пропорции, в какой ее не выделяет ни Солнце, ни одна из звезд. Предположим, например, что наше Солнце вместо тех веществ, из которых оно состоит теперь и которые, как нам известно из спектрального анализа, входят и в состав Земли, состояло бы из чистого радия. Если допустить, что каждая частица такого Солнца выделяет энергию в той же пропорции, что и равная ей по массе частица радия, то нетрудно будет учесть количество выделяемой им энергии. Короче говоря, количество света и теплоты, выделяемых таким Солнцем, было бы в миллион раз больше, чем теперь»[3].

Еще и по другой причине наша мысль почти бессознательно обращается от радия к высшим явлениям Вселенной: ведь только в отношении этих явлений мы оказываемся в положении зрителей, бессильных влиять на них и управлять ими. Все могущественные ресурсы современной лаборатории — крайние пределы тепла и холода, а также давления, сильные химические реактивы, действие сильных взрывчатых веществ, наиболее сильные электрические поля — не влияют на радиоактивность радия и на количество выделяемой им энергии ни в малейшей степени. Радий черпает свои запасы энергии из неизвестного до сих пор источника и подчиняется неоткрытым пока законам. Есть что-то сверхъестественное в его отделенности от окружающей среды и в его безразличии к ней. Он как будто принадлежит другим мирам, за пределами нашего, питается тем же неугасимым огнем и движется тем же не поддающимся контролю механизмом, который поддерживает свет великих солнц в мировом пространстве в течение безграничных периодов времени.