Естественные единицы материи

В мире мы находим несметное множество различных веществ с невероятно сложными свойствами и строением; особенно сложна живая материя. Для того чтобы подойти к наиболее важным особенностям строения материи, следует начинать с изучения простых веществ. Сначала оставим в стороне органические вещества, такие, как дерево или кожа человека, так как они обладают сложной структурой и представляются комбинацией субструктур. Мы начнем рассмотрение с однородных веществ, таких, как воздух, вода, нефть, кусок металла или минерала. Эти вещества встречаются в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном (в виде пара). В твердом и жидком состояниях вещество выглядит плотно упакованным: в этих состояниях его чрезвычайно трудно сжать. Сжать вещество, находящееся в газообразном состоянии, очень легко; отсюда можно заключить, что в газообразном состоянии оно разрежено, т. е. что между единицами материи есть пустое пространство.

Что же такое единицы материи? Существуют ли они на самом деле? Можно ли бесконечно делить известное количество данного вещества, не изменяя его свойств, или же есть какое-то наименьшее его количество? Ответ на этот основной вопрос в настоящее время хорошо известен. Существует какое-то наименьшее количество любого вещества, которое называется молекулой, а в некоторых веществах— атомом. Разница между атомом и молекулой будет рассмотрена в конце настоящей главы. Раньше нам не придется делать различии между этими двумя типами наименьших единиц. Такие единицы очень малы, и в большинстве случаев простые вещества производят впечатление однородных. Однако исследования, проведенные очень тонкими методами, обнаруживают наличие какой-то молекулярной структуры. На фото III, например, показано строение кончика очень острой вольфрамовой иглы, снятого при помощи так называемого ионного микроскопа — устройства, позволяющего локализовать очень мелкие детали на некоторых металлических поверхностях.

Здесь мы видим правильное, упорядоченное расположение единиц, из которых состоит вольфрам. Зная увеличение микроскопа, можно найти размер этих единиц; оказывается, что он примерно равен 3·10-8 см, Следовательно, один грамм вольфрама должен содержать около 3·1021 таких единиц.

На этой же фотографии мы видим, что в твердом состоянии единицы вещества образуют правильную, хорошо упорядоченную решетку.

Молекулярную природу газа, например воздуха, можно продемонстрировать весьма убедительным образом. Мы знаем, что воздух может двигать легкие предметы, так, движение воздуха заставляет шелестеть листья. Однако если воздух находится в покое в резервуаре, в котором нет ни ветра, ни течений, то мы не должны ожидать, что нам удастся заметить какое-либо движение объектов, взвешенных в неподвижном воздухе. Однако если объекты очень малы и легки — это могут быть, например, мелкие частички пыли или дыма, — то наши ожидания не оправдаются. Если рассматривать в микроскоп взвешенные в воздухе частички, то мы увидим, что они испытывают небольшие беспорядочные смещения в разные стороны (рис. 19).

Рис. 19. Броуновское движение. Легкая частица испытывает беспорядочные смещения, видимые в микроскоп.

Это выглядит так, как если бы по ним стреляли крошечными невидимыми снарядами, беспорядочно выпускаемыми во всех направлениях. Такое движение впервые обнаружил в 1827 г. ботаник Роберт Броун, увидевший в свой микроскоп хаотический танец маленьких частиц. Он вел наблюдения в воде, а не в воздухе, но причина движения от этого не изменяется. Наличие «броуновского движения» служит прямым доказательством того, что воздух не непрерывен, а состоит из множества маленьких единиц, летящих в пространстве по всем направлениям весьма произвольным образом. Любой предмет в воздухе беспорядочно обстреливается со всех сторон молекулами, и этот обстрел создает давление воздуха. Обычно число ударов столь велико, что они действуют, как постоянное давление. Однако если наш предмет очень мал, то он испытает значительно меньше ударов, и, следовательно, отдельные удары могут время от времени вызывать дополнительное действие. Это и есть причина броуновского движения.

Мы можем определить наименьшую единицу жидкости, задавая следующий вопрос: сколь большую площадь можно покрыть тонкой пленкой жидкости, если в нашем распоряжении имеется ограниченное ее количество? Если бы не существовало наименьшей единицы, то одним граммом можно было бы покрыть площадь какого угодно размера, так как тогда любую площадь можно было бы удвоить, уменьшая толщину пленки вдвое. Но если есть наименьшая единица, толщину пленки нельзя сделать меньше нее, и, следовательно, для данного количества жидкости должна существовать определенная наибольшая площадь, по которой можно распределить ату жидкость.

Подобный опыт легко произвести, давая нефти растекаться по поверхности воды. Оказывается, что маленькая капелька нефти диаметром 1 мм растекается по площади около 3 м2, но никогда — по большей площади. Отсюда мы заключаем, что есть наименьшая единица нефти. По размерам площади можно рассчитать, чему она равна; мы снова получаем около 3·10-8 мм, т. е. примерно столько же, как и для единицы (атома) вольфрама.

Существование определенной наименьшей единицы любого вещества дает нам некую абсолютную меру количества. Обычно мы говорим об одном килограмме железа, об одном литре воды, об одном кубическом метре воздуха при атмосферном давлении. Все эти меры определяются произвольным выбором единиц измерения. Но, говоря о миллионе атомов железа, миллионе молекул воды или воздуха, мы тем самым применяем абсолютную меру, характерную для данного вещества и не зависящую от выбора человеком тех или иных единиц измерения. Вещество можно «сосчитать», вместо того чтобы измерять или взвешивать.

Для нас молекулы или атомы чрезвычайно малы, и поэтому химики предпочитают пользоваться в качестве абсолютной меры «молем» вещества. Молем называется некое определенное число наименьших единиц; из практических соображений для определения моля выбрано число атомов в 1 г водорода. Это число, знаменитое число Авогадро, равно 6,03·1023. Один моль воды, содержащий 6,03·1023 молекул воды, заполняет около 18 с; один моль горной породы (кварца) имеет объем, примерно равный 24 см3, а один моль воздуха при нормальных условиях — 22,4 л. Объемы одного моля воды и одного моля кварца приблизительно одинаковы, и, следовательно, должны быть приблизительно одинаковыми и размеры их наименьших единиц. Однако один моль воздуха заполняет гораздо больший объем, чем один моль воды или кварца. Это объясняется не большим размером единицы воздуха, а тем, что воздух представляет собой газ, молекулы которого находятся далеко друг от друга и свободно движутся в пространстве. Если охладить воздух до такой низкой температуры, что он станет жидким (при этом его молекулы касаются друг друга), то объем одного его моля будет примерно равен объему одного моля воды.

 

Тепло

Что делает предмет горячим или холодным? В течение многих лет считалось, что тепло — это некое вещество, содержащееся в нагретом предмете. Полагали, что при соприкосновении с холодным предметом тепловое вещество проникает из горячего предмета в холодный и выравнивает их температуры. Но в середине прошлого века стало ясно, что тепло есть энергия, а именно энергия неупорядоченного движения молекул и атомов. При нагревании куска вещества все изменение состоит в том, что его наименьшие единицы совершают более быстрые и беспорядочные движения.

Рассмотрим несколько примеров. Мы видели, что в вольфрамовой игле атомы расположены в виде правильного узора. Как же они могут совершать беспорядочные движения? Будучи нагреты, они колеблются вокруг предписанных им мест, совокупность которых образует упорядоченную структуру. Конечно, это возвратно-поступательное движение частично обусловливает размытость картины на фото III.

При более высокой температуре ее размытость еще увеличивается. При очень высокой температуре размах колебаний становится сравнимым с расстоянием между соседними атомами и их расположение перестает быть упорядоченным. Это происходит при нагреве металла до температуры его плавления.

В газе, например в воздухе, тепловое движение молекул — это обычное прямолинейное движение, когда каждая молекула перемещается в пространстве хаотическим образом, сталкиваясь с другими молекулами и со стенками. Чем выше температура, тем быстрее движение. В холодный день (—18 °C) средняя скорость молекул воздуха примерно равна 400 м/сек (1440 км/час), а в жаркий день (38 °C) — приблизительно 440 м/сек (1600 км/час). Разница между очень холодным и очень жарким днем дает различие скоростей, равное лишь 10 %. Мы замечаем эту разницу в скоростях по изменению давления в автомобильных шинах. Давление воздуха обусловливается ударами его молекул о стенки (сосуда); передаваемый стенкам импульс пропорционален квадрату скорости. Уменьшение скорости молекул на 10 % вызывает уменьшение импульса на 20 %, и поэтому при снижении температуры с +38 °C до —18 °C давление в шинах падает на 20 %.

Несмотря на огромную скорость движения молекул при обычных температурах, они не «улетают» очень далеко. Их «полет» постоянно прерывается столкновениями с другими молекулами. В воздухе их средний свободный и непрерываемый путь составляет только одну стотысячную долю сантиметра. Поэтому их полет больше всего напоминает беспорядочное метание с указанной выше скоростью, причем направление движения изменяется через каждую стотысячную сантиметра пути.

Тепловое движение в любом веществе, твердом или газообразном, полностью прекращается при —273 °C, так называемом абсолютном нуле температуры. При этой температуре все беспорядочное движение молекул прекращается, и ясно, что она является наименьшей возможной температурой.

 

Молекулы и атомы

Можно ли разделить описанные выше наименьшие единицы материи на еще меньшие? Можно, но тогда эти части уже не будут принадлежать тому же веществу. Молекула воды есть наименьшая единица воды. Части этой молекулы окажутся уже не водой, а водородом и кислородом.

Разбить молекулу на ее составные части значительно труднее, чем разбить само вещество на молекулы. Например, когда мы кипятим воду и получаем пар, мы разделяем вещество воды на молекулы. Вода в форме пара — это газ, частицы которого, молекулы, летают в пространстве каждая в отдельности, но оставаясь неразделенной, целой единицей. Но если через пар пропустить мощный искровой разряд, то часть молекул раздробится, и мы получим водород и кислород. Искра — значительно более сильный источник энергии, чем процесс кипячения. В некоторых случаях сильное нагревание тоже расщепляет молекулы и превращает одно вещество в другое.

Опыт, накопленный за все время развития химии, показал, что некоторые вещества можно разложить в другие интенсивным нагреванием, электрической искрой или другим сильным воздействием и что два вещества можно соединить, получая при этом новое химическое соединение. Водород и кислород можно соединить в воду, а кусок кварца можно разложить на кислород и кремний.

Один из самых важных моментов в истории человечества наступил, вероятно, около 3000 лет до нашей эры, когда человек впервые поместил некоторые похожие на землю вещества (вероятно, куприт или свинцовый блеск) на раскаленные угли. При этом получилось новое вещество — медь или свинец. Большинство металлов, например железо, медь, свинец, цинк и т. д., суть воистину вещества, приготовленные человеком; они редко встречаются в природе; исключением служат очень мелкие самородки (например, меди) и железоникелевые сплавы, приходящие из космического пространства в виде метеоритов. Объясняется это очень просто: чистые металлы не сохраняются, если они подвержены действию кислорода воздуха. Большинство металлов с течением времени связывается с кислородом и образует химические соединения, представляющие собой те же похожие на землю вещества, из которых сами металлы были извлечены. Человек может превратить эти руды в чистые металлы на период времени, достаточный для практических применений, но очень короткий по сравнению с возрастом Земли.

Изучение процессов, в которых одни вещества превращаются в другие, позволило установить очень важный факт: все, действительно все существующие вещества можно разложить на 92 основных вещества, называемых элементами. Каждый кусок вещества, где бы он ни был найден и в каком бы агрегатном состоянии он ни находился, всегда или сам представляет собой элемент, или состоит из элементов. Вещество, наименьшая единица которого является комбинацией нескольких элементов, называется химическим соединением.

Многие хорошо известные нам вещества представляют собой настоящие элементы. Все чистые металлы, например золото, серебро, железо, свинец, алюминий и т. д., суть элементы. Многие газы, например водород, кислород или азот, также являются элементами, но другие газы, такие, как светильный или углекислый газы, суть химические соединения. Большинство хорошо известных жидкостей — это химические соединения. Наименьшая единица элемента называется атомом; наименьшая единица химического соединения — молекулой. Так как все химические соединения можно разложить на элементы, наименьшая единица химического соединения должна быть составлена из наименьших единиц элементов. Следовательно, каждая молекула представляет собой конгломерат атомов; она состоит из атомов тех элементов, из которых состоит само химическое соединение. Они как-то подходят друг другу и образуют устойчивую единицу, молекулу, наделенную всеми химическими свойствами того вещества, чьей единицей она является.

Вода — это химическое соединение водорода и кислорода. Наименьшими единицами элементов водорода и кислорода служат атомы водорода и кислорода. Наименьшей единицей воды служит молекула воды, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода (Н2O); они связаны так прочно, что разъединить их может только электрическая искра.

Существуют как большие молекулы, так и маленькие. Молекула воды состоит только из трех атомов; молекула этилового (винного) спирта — из девяти атомов: одного атома кислорода, двух атомов углерода и шести атомов водорода. Некоторые молекулы, встречающиеся в живом веществе, например белки, состоят из сотен и тысяч атомов.

Открытие 92 элементов и их атомов было самым важным шагом в понимании строения материи. Потребовалось очень много времени, чтобы выработались ясные представления и были поняты факты. Представление об основных веществах, из которых можно сделать все другие, столь же старо, как и натурфилософия. Целый ряд греческих философов развивал спекулятивные идеи такого рода. Первые заключения, близкие к нашим нынешним, были сделаны в XVII веке Робертом Бойлем; однако многие вещества, которые он считал простыми (т. е. элементами), оказались химическими соединениями. Знаменитый французский химик Антуан Лавуазье, казненный во время французской революции, составил список, содержащий 33 элемента. Современный список элементов и представление о молекулах как о соединении атомов были выработаны в XIX веке, причем наиболее важный вклад в это был сделан английским химиком Джоном Дальтоном.

Постараемся понять все колоссальное значение этого открытия. Мы окружены бесконечным множеством веществ, находящихся в различных и даже постоянно изменяющихся формах, с разными свойствами: горячих и холодных, живых и неживых. Несмотря на это колоссальное многообразие, все известные нам объекты состоят только из атомов 92 сортов, причем каждый сорт принадлежит своему, хорошо определенному элементу. Ни в живой, ни в неживой материи нельзя найти ничего такого, что нельзя было бы разложить каким-либо способом на некоторые из 92 элементов. Это открытие обнаружило основную простую черту в строении материи. Мы имеем дело со сравнительно малым числом фундаментальных единиц. Поэтому есть надежда, что принципы, лежащие в основе строения материи, достаточно просты, чтобы их мог понять человек.

Рис. 20. Иллюстрация из книги по металлургии XVI века (гравюра на дереве). Показана доменная печь для плавления медных и свинцовых руд. А, В — две печи, С — передний горн; D — тигель. Мастер стоит около одной из домен и снимает шлак железной вилкой. Е — железная вилка, F — деревянный гребок, которым снимают спекшиеся куски расплавленных пиритов, G — тигель переднего горна, половина его показана открытой на другой печи, Н — половина, выступающая из печи, I— помощник подготовляет горн; последний отделен от печи, чтобы его было лучше видно, К — чушка, L — трамбовка, М лестница, N — черпак.

 

Строение атомов

Очень важно больше узнать о строении самих атомов. Надо выяснить, что же существует в 92 различных формах и наделено способностью соединяться, образуя самые разнообразные известные нам вещества; мы должны понять, почему определенные комбинации элементов возможны, а другие — нет, и наконец, мы должны попытаться выяснить, откуда произошли столь высоко организованные системы, как живая материя.

Атомы 92 видов обладают весьма различными свойствами. В обычных условиях одни из них образуют газы, другие — металлы; некоторые, например атомы углерода, способны легко соединяться с другими атомами и образовывать скелет целого ряда химических соединений, тогда как другие, например атомы гелия, неона, аргона, почти никогда не дают соединений. Несмотря на такие различия, атомы имеют примерно одинаковую величину. Это можно показать следующим способом.

Если известно атомное строение молекулы вещества, то легко определить, сколько атомов содержится в данном количестве вещества. Вспомним, что 1 моль воды содержит 6,03·1023 молекул и что это количество занимает около 18 см3.Так как молекула воды состоит из трех атомов (два атома водорода и один атом кислорода), то в 1 моле содержится 18 1023 атомов. Следовательно, в 18 см3 воды содержится примерно это число атомов. Мы получим аналогичное, но несколько меньшее число атомов в равном объеме горной породы: 1 моль кварца занимает 24 см3. Одна молекула кварца тоже состоит из трех атомов — одного атома кремния и двух атомов кислорода. Поэтому в строго равном объеме (18 см3) содержится 3/4 18 1023 атомов, т. е. 13,5 1023 атомов. Беря даже столь различные вещества, как золото, дерево или углерод, мы всегда получаем для числа атомов, содержащихся в 18 см3, величину, лежащую между 10·1023 и 25·1023. Так как в жидких и твердых телах молекулы плотно упакованы и внутри молекул атомы тоже плотно упакованы, мы заключаем, что все атомы имеют примерно одинаковый размер: в объеме 18 см3 помещается от 10·1023 до 25·1023 атомов, т. е. диаметр атома приблизительно равен 10-8 см. Что мы знаем о внутреннем строении атома? Здесь мы приходим к основному вопросу: механизм, действующий в атоме, должен служить ключом к пониманию свойств окружающих нас объектов. В предыдущей главе мы ясно показали важную роль, которую играют электрические заряды, и установили, что электроны составляют существенную часть атома. Решающий опыт был сделан в 1910 г. Эрнестом Резерфордом, Гансом Гейгером и Э. Марсденом; они выполнили «зондирование» атома альфа-частицами — очень быстрыми, электрически заряженными частицами, испускаемыми некоторыми радиоактивными веществами. Они направляли пучок этих частиц на металлическую пластинку и наблюдали, как и насколько изменится направление движения частиц после их прохождения сквозь металл (рис. 21).

Рис. 21. Схема опыта Резерфорда.

Эти измерения говорят кое-что о том, как распределен электрический заряд в атомах металлов. Если бы он был равномерно распределен по всему атому, то при пролете альфа-частиц сквозь атом они никогда не отклонялись бы заметным образом от своего пути. Если же электрический заряд сосредоточен в определенных точках атома, то, подходя к этим точкам, альфа-частицы должны испытывать сильное отклонение. Здесь стоит провести описание опыта, данное самим Резерфордом:

«…Я хотел бы воспользоваться этим примером, чтобы показать, как часто мы наталкиваемся на факты случайным образом. Я уже давно занимался исследованиями рассеяния альфа-частиц, а д-р Гейгер, работавший в моей лаборатории, изучал это явление во всех деталях. Исследуя тонкие образцы тяжелых металлов, он нашел, что рассеяние. оказывается обычно малым, порядка одного градуса. Однажды Гейгер пришел ко мне и сказал: „Не думаете ли Вы, что молодому Марсдену, которого я учу методике исследований радиоактивности, следовало бы начать небольшую исследовательскую работу?“ Я согласился с ним и сказал: „Почему бы не предложить ему выяснить, могут ли рассеиваться альфа-частицы на большие углы?“ Должен сознаться Вам, что я сам не верил в такую возможность. Действительно, как мы знаем, альфа-частицы — это очень быстрые и массивные частицы с большим запасом энергии, и можно показать, что если бы рассеяние было обусловлено эффектом накопления целого ряда незначительных рассеяний, то вероятность рассеяния альфа-частиц в обратном направлении окажется очень малой. Затем я вспоминаю, что два или три дня спустя Гейгер пришел ко мне очень возбужденным и сказал: „Мы получили несколько альфа-частиц, летящих в обратном направлении…“ Это было самое невероятное событие, когда-либо происходившее в моей жизни. Это было почти столь же невероятно, как если бы при стрельбе 15-дюймовым снарядом по куску бумаги Вас бы ранило рикошетом. Поразмыслив, я понял, что это обратное рассеяние должно происходить в результате одного-единственного столкновения, и когда я произвел вычисления, то увидел, что можно получить эффект такого порядка величины, только если допустить существование системы, в которой большая часть массы атома сосредоточена в маленьком по размеру ядре. Тогда я подумал об атоме с маленьким массивным центром, несущим заряд. Я разработал математический закон, которому должно подчиняться рассеяние, и установил, что число частиц, отклоненных на заданный угол, должно быть пропорционально толщине рассеивающей фольги, квадрату заряда ядра и обратно пропорционально четвертой степени скорости. Эти выводы впоследствии подтвердили Гейгер и Марсден рядом прекрасных опытов».

После этих опытов и целого ряда последующих стало совершенно ясно, что атом состоит из положительно заряженного, маленького, но массивного ядра (в котором сосредоточена основная масса атома), окруженного отрицательно заряженными электронами, гораздо более легкими, чем ядро. Истинный размер ядра чрезвычайно мал. Его диаметр лежит между 10-13 и 10-12 см, в зависимости от рода атома, т. е. примерно в 10 000 раз меньше диаметра самого атома; однако ядро очень тяжелое, так как в нем сосредоточена почти вся масса атома. Резерфорд и другие физики, в частности Мозли, определили число электронов в каждом атоме и положительный заряд атомного ядра. Поскольку сам атом электрически нейтрален, отрицательно заряженные электроны должны уравновешивать заряд положительно заряженного ядра. Следовательно, число электронов всегда должно равняться заряду ядра, выраженному в единицах заряда электрона. Это число характерно для атомов каждого рода. Водород, например, имеет один электрон и один положительный заряд в ядре, гелий — два электрона, литий — три и т. д., вплоть до урана с его 92 электронами и ядром, несущими 92 единицы положительного заряда. Это число называется атомным номером Z. Каждый элемент имеет свой характерный атомный номер Z, указывающий величину положительного заряда ядра и число электронов в атоме.

После этого открытия качественная разница между 92 элементами свелась к количественной. Атомы одного элемента отличаются от атомов другого только числом электронов в них, определяющим также, сколько положительных единиц заряда имеет ядро.

Можно расположить атомы в определенном порядке в соответствии с их атомными номерами Z, причем каждый номер от 1 до 92 (кроме технеция (43) и прометия (61)) отвечает элементу, находимому в природе. Ниже приведены атомные номера Z для наиболее важных природных элементов.

Существуют также и искусственно создаваемые элементы — «трансурановые», которые имеют больше 92 электронов. Они имеют короткое время жизни и не встречаются в природе при обычных условиях.

 

Важнейшие проблемы строения атома

Сведение качественных различий между девяноста двумя сортами атомов к количественным представляет огромный шаг вперед. Но каждое новое научное открытие, решая старые проблемы, сразу же создает новые. Если мы больше знаем, то у нас возникает больше вопросов. Наше знание — остров в бесконечном океане неизвестного, и, чем больше становится остров, тем больше протяженность его границ с неизвестным. Выяснение строения атома немедленно поставило перед нами новый вопрос. Как могут эти количественные различия в строении атомов привести к наблюдаемым качественным различиям в свойствах элементов? Как возможно, например, то, что бром с его 35 электронами — это коричневая жидкость, образующая много химических соединений, тогда как криптон с 36 электронами — газ, не образующий никаких соединений, а рубидий с 37 электронами — металл? Почему один лишний или недостающий электрон способен вызвать такое значительное различие в свойствах атомов? На этот вопрос не было ответа до тех пор, пока позднее не удалось понять квантовую природу материи, о которой мы будем говорить ниже, в следующей главе.

Какие типы движения мы ожидаем встретить в атоме? После того, как Резерфорд установил, что атом состоит из массивного положительного ядра, окруженного легкими отрицательными электронами, стала очевидна близкая аналогия атомов и планетной системы. Электроны притягиваются к центру атома силой электрического притяжения, действующей между зарядами противоположного знака. Эта сила значительно больше силы тяготения между ядром и электроном, но подчиняется тому же закону зависимости от расстояния, т. е. убывает, как квадрат расстояния между ними. Поэтому мы ожидаем, что электроны будут двигаться вокруг ядра примерно так же, как и планеты вокруг Солнца. Электрическое притяжение между ядром и электроном заменит силу тяготения. Атом должен быть маленькой планетной системой, и атомы каждого рода будут иметь разное количество электронов — планет. Мы можем ожидать, что в малом мире атома повторяется большой мир на небе.

В некоторых отношениях эти ожидания как будто оправдались. Например, мы можем вычислить, сколько оборотов в секунду будет совершать электрон вокруг ядра, скажем, в водороде. Нам известен размер орбиты, он примерно таков же, как и размер самого водородного атома (около 10-8 см). Кроме того, известна сила, с которой притягивается электрон. Тогда, приравнивая центробежную силу силе притяжения, можно вычислить скорость его вращения по орбите. Это дает около 1016 оборотов в секунду; отсюда следует, что «год» в атомной солнечной системе, т. е. время одного оборота электрона, равен 10-16 сек.

Правильность оценки этого промежутка времени можно подвергнуть проверке. Мы знаем, что колеблющийся электрический заряд испускает свет и что частота этого света (число гребней и впадин в секунду) должна равняться числу колебаний заряда в секунду. Поэтому следует ожидать, что свет, испускаемый водородным атомом, имеет частоту 1016 в 1 сек. Действительно, накаленный водород испускает свет такой частоты.

Однако, приняв планетарную модель атома, нам вскоре приходится сталкиваться с большими трудностями. Если бы атом действительно был планетной системой, в которой электрические заряды все время обращаются вокруг ядра, то электроны должны были бы непрерывно испускать свет как в обычном холодном водороде, так и в накаленном до очень высоких температур. Но этого не происходит. Есть и другое затруднение: свет, излучаемый газообразным водородом, да и любым другим газом, испускается и поглощается только с одной определенной частотой, характерной для элемента, из которого состоит данный газ. Иными словами, атомы каждого рода ведут себя так, как если бы они были радиостанцией со строго определенной частотой передачи и приема. Спектроскописты изучают эти характерные частоты в течение многих лет, так как, пользуясь ими, лучше всего отождествлять элементы: это то же, что отождествлять радиостанцию, находя ее по частоте в списке установок для радиопередач. Это единственный способ получения данных о химическом составе звезд.

Все рассказанное выше очень трудно согласовать с планетарной моделью атома. Вращение вокруг центра Может происходить по самым разным орбитам. По одним орбитам электрон движется быстрее, по другим медленнее. Возникает вопрос: почему электрон должен обращаться только по таким орбитам, для которых частота имеет определенную величину? Это тем более странно, так как мы знаем, что атомы газа сталкиваются 1012 раз в 1 сек (т. е. в среднем 1 раз за 10 000 «лет» водородного атома). Энергию таких столкновений можно вывести из тепловой энергии газа. Соударения достаточно сильны и должны были бы полностью изменять размер и форму орбиты, а также характерную для нее частоту. Как же они сохраняют частоту постоянной?

Чтобы проиллюстрировать эти трудности нагляднее, рассмотрим газообразный натрий. Он поглощает только свет с частотой, характерной для атома натрия. Нагретый газ испускает хорошо известный желтый свет натрия, т. е. свет определенной частоты. Сконденсируем теперь газ, охлаждая или сжимая его, до появления металлического натрия. В металле атомы соприкасаются и, следовательно, их планетарные орбиты переплетаются друг с другом. Мы не должны удивляться тому, что металл не дает специального «ответа» на излучение с частотой, характерной для свободного атома натрия. Действительно, у металлического натрия не видно избирательности к какой-либо определенной частоте; этого и следовало ожидать вследствие сложного переплетения электронных орбит в твердом теле. Теперь снова превратим металл в газ путем испарения. Газ опять приобретает те же свойства, которыми он обладал до охлаждения: он будет поглощать и испускать только излучение с типичными для натриевого атома частотами.

Это поведение резко отличается от поведения планетной системы, и его никак нельзя понять на ее основе. Есть свойства, которых никак нельзя ожидать от планетной системы. Как представить себе, что после испарения металла электроны попадут на точно те же орбиты? Для этого нет ни малейших оснований. Наоборот, кажется в высшей степени невероятным, чтобы между орбитами до и после испарения оставалось заметное сходство в чем-либо, кроме общей формы и примерных размеров. Однако на самом деле мы обнаруживаем совпадение частот и целого ряда других особенностей, совпадение в самых мельчайших подробностях. Это все равно, как если бы Венера, выбитая из своей орбиты столкновением с другой звездой, вернулась на свою прежнюю орбиту после удаления звезды.

Мы привыкли находить в природе вещества со строго определенными и воспроизводимыми свойствами. В нашем мышлении глубоко укоренилось, что это именно так, и мы совсем не удивляемся, например, тому, что два атома золота из разных месторождений, выделенные и очищенные разными способами, в конце концов оказываются совершенно тождественными. Вся наша жизнь основана на опыте человека, указывающем, что вещества имеют свои характерные свойства; мы способны распознавать металлы, минералы и химические соединения и различать их по характерным и всегда воспроизводимым свойствам. Золото всегда обладает свойствами золота, а семена циннии рождают циннии каждую весну.

Однако надо отдавать себе очень ясный отчет в том, что все, рассказанное выше, совершенно не укладывается в планетарную модель атома. Это не только необъяснимо, но и прямо противоречит большинству характерных свойств планетных систем. Строение орбит зависит от начальных условий; существует множество возможных форм орбит, и реализация той или иной формы зависит от предыстории данной системы. Если бы два атома были просто двумя планетными системами, то их свойства очень редко оказывались бы тождественными.

Подведем итог. Все вокруг нас в природе проявляет характерные для веществ свойства. Несмотря на несметное множество самых различных веществ, каждое из них воспроизводимо и его можно снова создать со всеми характерными свойствами. Существование такой ситуации требует, чтобы атомы обладали следующими тремя свойствами:

1) Устойчивость. Атомы сохраняют свои специфические свойства, несмотря на сильные столкновения и возмущения, которым они подвергаются.

2) Тождественность. Все атомы одного рода (с тем же числом электронов Z) обладают тождественными свойствами; они испускают и поглощают излучение с одними и теми же частотами, имеют равные размеры, форму, и внутреннее движение в них одинаково.

3) Воспроизводимость, вернее, способность возвращаться в исходное состояние. Если форма атома была искажена и его электронные орбиты были вынуждены изменить свой вид в результате высокого давления или соседства других атомов, то после устранения причины искажения сам атом и его орбиты снова приобретают исходную форму.

Опыты, однако, показывают, что атом есть планетная система электронов, обращающихся вокруг ядра, система, которая не может обладать перечисленными выше тремя свойствами. Следовательно, эта модель атома никак не может объяснить всю специфичность свойств вещества. Мы должны найти новую и существенную черту строения атома, которая не содержится в классической модели планетной системы. Этот новый взгляд на природу атома принесло развитие квантовой теории.