Занимательная квантовая физика - Матвей Бронштейн

Из того, что радон принадлежит к группе благородных газов, отказывающихся соединяться и между собою, и с какими угодно другими веществами, следует, что на него можно распространить все те законы, которые оказались справедливыми для остальных благородных газов. В частности, можно утверждать (все это было хорошо проверено на остальных благородных газах), что молекула радона состоит только из одного атома радона и что его атомная масса может быть вычислена из его плотности (атомные массы всех благородных газов пропорциональны их плотности). Поэтому перед Рамзаем встала задача — взвесить крохотное, почти незаметное количество радона, бывшее в его распоряжении, чтобы определить его плотность, а значит, и атомную массу.

Эту трудную задачу Рамзай и его помощник Уайтлоу-Грей разрешили следующим образом. Они построили специальные «микровесы», чувствительность которых превосходила все, что когда-либо было известно в истории измерительного искусства. Крохотное количество эманации радия было введено в пустой и очень легкий кварцевый шарик, который был подвешен к одному концу легчайшего кварцевого же коромысла весов. К другому концу был подвешен кварцевый противовес, приблизительно уравновешивавший кварцевый шарик с радоном. Для того чтобы точно уравновесить весы, Рамзай и Уайтлоу-Грей пользовались не добавочными разновесками или чем-нибудь в этом роде; а поставили микровесы под стеклянный колпак и стали менять с помощью насоса давление воздуха под этим колпаком. По закону Архимеда всякое тело, погруженное в газ, теряет в своем весе столько, сколько весит газ, занимающий такой же объем. А так как кварцевый шарик с радоном имел больший объем, чем кварцевый противовес, то он больше терял в весе, чем противовес, и это становилось тем ощутимее, чем плотнее был газ под колпаком. Поэтому Рамзай и его помощник могли управлять своими весами, не прибегая к помощи разновесок: хотят они, чтобы противовес опустился, а шарик с радоном поднялся, — для этого нужно только еще подкачать насосом под колпак воздух; а чтобы шарик с радоном опустился, а противовес пошел вверх, следует насосом немножко откачать воздух из-под колпака. С помощью этих остроумных «весов без разновесок» Рамзай и Уайтлоу-Грей сумели довольно точно взвесить свой шарик с радоном, а значит, и вычислить атомную массу радона. Когда измерения и вычисления были закончены, то в результате получилось, что атомная масса радона почти точно равна 222, т. е. тому самому числу, которое предсказали Резерфорд и Содди.

Резерфорд и Содди торжествовали победу. Теперь уже никто не мог отрицать, что их разгадка радиоактивности правильна и что атом радия действительно распадается на атом радона и атом гелия. Начиналась новая эпоха в истории физики и химии. Наряду с обыкновенными химическими реакциями, которые изображаются формулами, где справа и слева стоят те же самые атомы, но только в разных комбинациях, теперь физики и химики должны были рассматривать и такую реакцию:

Ra → Rn + Не.

В какой ужас пришел бы старый Берцелиус, если бы ему показали такую химическую формулу!

Из всего того, о чем говорилось на предыдущих страницах, читатель может заключить, что гипотеза Резерфорда и Содди о радиоактивном распаде атома радия на атомы радона и гелия несомненно верна. Не может быть неверной гипотеза, которая подвергалась такому суровому испытанию и так блестяще его выдержала. Но Резерфорд счел нужным подвергнуть ее еще и другому испытанию: он захотел определить непосредственно на опыте, чему равен заряд отдельной альфа-частицы. Ведь из догадки Резерфорда и Содди о сущности радиоактивности вытекает, что заряд альфа-частицы должен равняться двойному элементарному заряду: это обязательно должно быть верным, если альфа-частица есть заряженный атом гелия и если отношение e/m для нее, как показывает опыт, в два раза меньше такого же отношения, вычисленного для водородного иона. Но как это проверить? Альфа-частица — это атом гелия или, лучше сказать, ион гелия. Не слишком ли самонадеянны физики, вознамерившиеся поймать один-единственный атом гелия и измерить его электрический заряд? Не значит ли это — попытаться войти в мир бесконечно малого, в мир невидимого, в мир ускользающего от наших органов чувств?

И все же эта смелая попытка удалась. Физики действительно смогли увидеть невидимое. Первый, кому это удалось, был сэр Уильям Крукс. Для того чтобы совершить это чудо, он совсем не строил грандиозных и сложных приборов, при виде которых всякий неученый человек начинает чувствовать себя нехорошо, — он соорудил совсем крохотный и пустяковый приборчик стоимостью рубля в полтора. И с помощью этого приборчика он смог увидеть отдельные атомы.

Прибор Крукса — так называемый спинтарископ — имеет следующее устройство. Он состоит из небольшой трубки, напоминающей по виду и по размерам трубку от маленького театрального бинокля. Один конец трубки закрыт экраном, который покрыт (с внутренней стороны) сернистым цинком. С другого конца в трубку вставлено увеличительное стекло, с помощью которого можно рассматривать этот покрытый сернистым цинком экран. Внутри трубки укреплена иголка, конец которой расположен на оси трубки между увеличительным стеклом и экраном. На этом конце иголки имеется ничтожное количество радия, причем — и в этом состоит наиболее эффектная особенность прибора Крукса — чем меньше радия, тем лучше.

Спинтарископ Крукса: схематический чертеж (А — иголочка, В — флюоресцирующий слой, С — лупа)

Для того чтобы насадить на конец иголки нужное количество радия, поступают так: этим концом иголки слегка дотрагиваются до внутренней стенки пробирки, в которой когда-то был препарат радия. Вот и все. Неудивительно, что прибор Крукса так дешево стоит, хотя в нем имеется радий — самое дорогое вещество в мире.

Прибор готов. Как же увидеть с помощью этого прибора отдельные атомы? Для этого нужно с ним пойти в темную комнату и подождать некоторое время, пока глаза отдохнут и хорошенько привыкнут к темноте. Потом нужно посмотреть в увеличительное стекло прибора.

Странное зрелище тогда предстанет перед нашими глазами. На поверхности экрана вспыхивают и гаснут маленькие неяркие звездочки. Они загораются то тут, то там, и весь экран так и кишит ими. Его поверхность была бы похожа на звездное небо, видимое в телескоп, если бы вся картина не менялась так быстро, как в калейдоскопе. Разорванные вспышки, усеивающие экран, гаснут так же внезапно, как появляются, и все, что мы видим, производит впечатление беспрестанной бомбардировки экрана микроскопическими зажигательными снарядиками, вызывающими вспышку в той точке экрана, в которую они попадают. И это впечатление совершенно правильно — то, что мы видим, это и есть бомбардировка, ведь на кончике иглы находится крохотный, почти невесомый и совершенно невидимый кусочек радия, из которого все время вырывается поток микроскопических снарядов — альфа-частиц. Если бы радия было больше, то весь экран светился бы равномерно и ярко: отдельные вспышки сливались бы в одно сплошное свечение экрана. Но так как радия очень мало, то вспышки видны раздельно: мы видим кратковременный светящийся след, который оставляет на поверхности экрана отдельная альфа-частица, один атом гелия, перелетевший от кончика иглы к экрану с огромной скоростью в несколько десятков тысяч километров в секунду, чтобы рассказать о смерти одного атома радия. Всяким наблюдателем, впервые смотрящим в спинтарископ и понимающим, в чем состоит смысл открывающегося перед ним зрелища, поневоле овладевает странное и жуткое чувство, похожее на то, которое овладевает нами, когда мы смотрим в телескоп на особенно богатые звездами участки Млечного Пути. И в том, и в другом случае мы видим перед собой бездну, — в одном случае бездну бесконечно малого, в другом — бездну бесконечно большого, — и, глядя в обе эти бездны, одинаково далекие от нас и одинаково безразличные к нам, мы начинаем понимать смысл странных слов Паскаля о том, что «человек подвешен между двумя бесконечностями».