Почему атомы светятся?
Свет рождается в веществе. Таково происхождение и видимого света, и инфракрасного, и ультрафиолетового, и рентгеновских излучений, и гамма-излучений. Естественно, что, изучая свойства света, можно в конечном счете узнать, при каких условиях атомы излучают свет, и таким путем проникнуть в тайну строения атомов. Недаром Д. И. Менделеев говорил, что свет «обещает многое выяснить в области атомов и частиц».
В конце XIX века физикам казалось, что они знают, как образуется свет в атомах: в результате колебания электрических зарядов. Ведь именно так образуются радиоволны. Чтобы получить радиоволны, мы создаем электрические колебания, например, при искровом разряде. А ведь атомы тоже излучают электромагнитные волны, только частота (длина волны) этих волн не такая, как у радиоволн. Можно предположить, что и в атомах есть электрические заряды, и когда заряды колеблются, атомы испускают свет.
Физики, конечно, стремились убедиться в этом опытным путем. Идея опыта была очень проста. Она опирается на аналогию со звуком. Известно, что если зажать (укоротить) звучащую струну, она изменит характер колебания и благодаря этому изменит тон, т. е. частоту колебаний. Этот прием применяется при игре на струнных инструментах.
Возникает вопрос: а что, если повлиять на характер движения зарядов в атоме? Если и в самом деле свет есть результат движения зарядов, то это должно сказаться на частоте излучаемого света.
Эффект Зеемана
Повлиять на характер движения зарядов в атоме — дело вполне возможное. Для этого нужно поместить излучающее вещество между полюсами очень сильного магнита. Между полюсами магнита создается очень сильное магнитное поле. Оно подействует на заряды, движущиеся внутри атомов, и изменит характер их движения. Тогда надо наблюдать, что делается с линиями спектра, который испускается данным веществом. Это был трудный опыт. Он дал определенный результат лишь тогда, когда физики научились создавать сильные магнитные поля и стали применять дифракционные решетки, широко разбрасывающие спектр лучей.
Рис. 34. Расщепление одной из линий цинка на три под влиянием сильного магнитного поля
Опыт показал, что магнитное поле действительно изменяет излучение: каждая линия в спектре под действием сильного магнитного поля расщепляется при одних условиях на две, при других — на три линии (рис. 34). По имени немецкого ученого, открывшего это явление, оно было названо эффектом Зеемана.
Эффект Зеемана убедительно показал, что свет рождается в результате движения электрических зарядов в атомах.
Природа солнечных пятен
В наше время были исследованы спектры солнечных пятен. Было обнаружено, что линии поглощения этих спектров расщеплены точно так же, как расщеплены линии испускания в опыте Зеемана. Из этого ученые сделали вывод, что атомы в области солнечных пятен находятся под воздействием сильных магнитных полей. Таким образом природа солнечных пятен стала ясней.
Задача расшифровки природы солнечных пятен, как видим, по ходу выводов обратна той, которая ставилась в опыте Зеемана: там с помощью сильного магнитного поля воздействовали на атомы и наблюдали расщепление линий (испускания); здесь по расщеплению линий (поглощения) сделали вывод о наличии сильного магнитного поля, воздействующего на атомы.
Существенно то, что открытие факта воздействия магнитного поля на характер излучения позволяет затем по спектрам излучения (расщепление линий) расшифровывать процессы, которые непосредственному наблюдению недоступны.
Надежды на быстрое раскрытие тайн строения атомов
Факт воздействия сильных магнитных полей на атомные спектры был установлен в 1896 году. Уже тогда расчеты показали, что заряды, движущиеся в атомах,— это электроны, мельчайшие частицы вещества, обладающие отрицательным электрическим зарядом, только что перед тем открытые.
Первая тайна возникновения света в атомах была раскрыта. Физики были полны надежд, что скоро они раскроют и другие тайны: узнают, как движутся электроны в атомах, какие возможны колебания электронов и как эти колебания связаны с излучаемым светом, почему атомы испускают не одну, а много световых волн.
Обычно, исследуя новую область явлений, физики опираются на уже известные знания, на хорошо изученные и проверенные законы физики. Эти законы служат им надежным компасом в еще не изведанных областях природы.
Оказалось, что в области атомных явлений этот компас кое в чем стал отказывать.
Новый закон частот
В XIX веке в физике уже имелось, казалось бы, законченное учение о колебаниях. Согласно этому учению, всякое колеблющееся тело возбуждает волны той частоты, какова частота колебаний тела. Например, если струна колеблется с частотой 400 циклов, от нее идет звуковая волна той же частоты. Это — основной тон струны. Кроме основного тона, струна может одновременно издавать и другие тоны, так называемые обертоны. Частоты их в 2, 3, 4, вообще в целое число раз больше частоты основного тона.
Физики предполагали, что то же самое должно иметь место и в случае колебаний электронов в атомах. Если в атоме какого-либо элемента имеется один электрон, то между частотами излучений у таких атомов должны быть те же соотношения, что и у струны. Если же у атомов по нескольку электронов, то частоты их излучений должны представлять набор тонов и обертонов, аналогичный тому, какой имеет музыкальный инструмент с подходящим количеством струн. Так полагали физики на основе ранее известных теорий.
Что же оказалось в действительности?
Измерив частоты спектральных излучений у атомов различных элементов, физики стали изучать их. В спектре атомов водорода имеется около полусотни излучений. Но физики не нашли среди них таких, частоты которых относились бы друг к другу, как целые числа. Среди атомных излучений не нашлось «обертонов».
Зато был обнаружен другой закон — закон разностей частот. Вот, например, ряд частот излучений водородных атомов: 24,7·1014; 29,2·1014; 30,9·1014; 4,6·1014; 6,2·1014; 1,6·1014 (десятичные знаки в числах округлены). Если из второй частоты вычесть первую, то получится четвертая частота. В самом деле: 29,2·1014 — 24,7·1014 = 4,5·1014. Разность третьей и первой частот дает пятую частоту: 30,9·1014 — 24,7·1014 = 6,2·1014. Вычитание второй частоты из третьей приведет к шестой частоте. Ту же шестую частоту дает и разность пятой и четвертой частот.
Физика еще не знала таких соотношений частот; струна, например, их никогда не могла дать. Естественно, встал вопрос: применимы ли внутри атомов законы колебаний, которые до сих пор знала физика?
В чем же состоят особенности строения атомов?
Чтобы ответить на эти вопросы, нужно было прежде научиться производить опыты с самими атомами, проникнуть в их недра.
Но есть ли в природе такие орудия, которые позволили бы проникнуть в глубь атомов, размеры которых составляют доли ангстрема, т. е. стомиллионные доли сантиметра?
Составные части атомов
Орудия для проникновения в недра атомов нашлись. Они нашлись в недрах самих атомов.
В 1896 году французские физики Анри Беккерель (1852—1908) и супруги Мария Кюри (1867—1934) и Пьер Кюри (1859—1906) открыли и исследовали явление радиоактивности некоторых тяжелых элементов. Атомы радиоактивных элементов выбрасывают из себя наряду с гамма-излучениями поток электронов и, кроме того, поток альфа-частиц. Каждая альфа-частица обладает положительным зарядом. По величине ее заряд вдвое больше, чем у электрона (про частицы с такими зарядами говорят просто: заряд равен двум). А по весу альфа-частица тяжелее электрона почти в 8 тысяч раз. Она в 4 раза тяжелее атома водорода и примерно равна по весу атому гелия.
Тяжелые, положительно заряженные альфа-частицы сыграли большую роль в исследовании атомов. Они оказались хорошими снарядами для проникновения в глубь атомов. В 1911 году английский физик Эрнест Резерфорд (1871—1937) обстрелял этими снарядами атомы многих веществ.
Обнаружились интересные свойства атомов.
Прежде всего подтвердились предположения физиков о том, что не только в атомах радиоактивных веществ, но и в атомах всех веществ имеются электроны, а следовательно, отрицательные заряды. В обычном состоянии атом является незаряженным или, как говорят, электрически нейтральным. Это потому, что в атоме есть не только отрицательные заряды, но и положительные, и они нейтрализуют друг друга. Альфа-частица, пролетая мимо электронов, выбивает их из атома. Тогда атом, потеряв один или несколько электронов, оказывается положительно заряженным. Такой атом называют ионом, а выбивание из атомов электронов — ионизацией.
Опыты показали, что частицы, составляющие атом, занимают чрезвычайно малую долю объема всего атома. Поэтому альфа-частицы, пролетая сквозь атом, лишь изредка налетают на положительный заряд. И тогда они отклоняются от своего пути и даже отбрасываются назад. Редкость такой встречи означает, что положительный заряд сосредоточен в атоме в очень небольшом объеме. Это так называемое ядро атома.
Физики стали сравнивать атом с солнечной системой. Ядро атома подобно Солнцу. Электроны подобны планетам; они обращаются вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца.
Бомбардируя атомы различных веществ альфа-частицами, физики установили еще одно важное свойство атомов: чем тяжелее атом, тем больше заряд его ядра, тем больше у атома и электронов. Заряд ядра у водородного атома равен единице. И вокруг этого ядра обращается один электрон. Заряд ядра и число электронов у гелия равны 2, у лития — 3 и т. д.
Заряд ядра и число электронов у атома каждого элемента в точности совпадают с тем порядковым местом, которое этот элемент занимает в таблице Менделеева.
Итак, ученые проникли в мир атома, узнали его состав.
Однако знать, из чего состоят атомы, это еще не значит знать строение атома. Составные части атомов не свалены в кучу. Они взаимодействуют между собой по каким-то определенным законам. Познать строение атома — это означает познать закон взаимодействия составляющих его частей. Ведь каждый атом — это прочная, устойчивая система. Как же взаимодействуют между собой составные части атома, чтобы образовать такую систему?
Физики снова попробовали применить уже известные им законы взаимодействия — механические и электродинамические.
Почему атомы устойчивы?
По законам механики электрон в атоме необходимо должен обращаться вокруг ядра. Иначе он упадет на ядро, с атомом произойдет какая-то катастрофа. В самом деле, массивное положительно заряженное ядро притягивает отрицательно заряженный электрон, как Солнце притягивает планеты. Если планеты не падают на Солнце, то только потому, что они обращаются вокруг него. Значит, если электроны не падают иа ядра, то необходимо предположить, что они не находятся в покое в атоме, а обращаются вокруг ядра.
Электродинамика, наука о движении зарядов, давно установила, что когда электрические заряды меняют направление движения или скорость, они излучают электромагнитные волны. Следовательно, электроны при обращении вокруг ядра должны порождать электромагнитные волны, т. е. световое излучение. Так, по крайней мере, следует из законов, найденных физикой для мира больших тел.
Однако если применить эти законы к атомам, опять возникают противоречия. В самом деле, если электрон неизбежно должен обращаться вокруг ядра и если он при этом неизбежно должен излучать, то также неизбежно он должен терять энергию. А потеря энергии неизбежно приведет к тому, что электрон будет быстро приближаться к ядру. Через какие-нибудь миллионные доли секунды должна неминуемо произойти катастрофа — электрон упадет на ядро.
Таким образом, законы механики требуют: чтобы избежать катастрофы, электрон в атоме должен обращаться вокруг ядра. А законы электродинамики утверждают: раз обращение заряда — значит излучение; раз излучение — значит потеря энергии и катастрофа.
Но катастрофа не происходит. Из опыта мы видим, что атомы большинства элементов в обычных условиях вполне устойчивы. А неустойчивость радиоактивных атомов связана не с характером движения электронов, а со свойствами ядер. Впрочем, и атомы радиоактивных элементов в конце концов превращаются в очень устойчивые атомы новых, нерадиоактивных элементов.
Почему же атомы устойчивы?
Не действуют ли в атомах какие-то новые законы излучений, которые были неизвестны ранее?
Физики вооружаются электронной пушкой. На помощь ученым вновь пришел свет, точнее, изучение условий, при которых возникают излучения в атомах.
Внимание физиков привлек один очень существенный факт: атомы излучают определенные частоты не в любом состоянии. Они излучают, когда вещество нагревается до очень высокой температуры или когда через него пропускают электрический ток (если речь идет о газах), или когда атомы обстреливаются потоком электронов или рентгеновских лучей, словом, когда атомы вещества «возбуждаются», т. е. когда их внутренняя энергия возрастает.
Этот факт известен давно. Он говорит о том, что в обычном, «нормальном» состоянии атом не излучает, каковы бы ни были движения электронов в нем. По-видимому, излучения атома связаны не с движениями электронов, а с особыми «потрясениями» в атоме.
Не узнаем ли мы более подробно о характере излучения атомов, если изучим процесс возбуждения атомов?
Прежде всего надо научиться управлять возбуждением. Это значит, надо научиться передавать атомам ровно столько энергии, сколько мы хотим.
Годится ли для этого газовая горелка? Нет, не годится. В газовой горелке атомы какого-либо вещества получают энергию при ударе их атомами газов, образующих пламя. А в пламени атомы газа движутся с самыми различными скоростями. И энергия у них поэтому различна. При столкновениях в пламени один атом вещества получит одну порцию энергии, а другой, может быть, в сотни раз больше. И этого никак не избежишь.
Но вот около полусотни лет назад физики научились получать поток электронов, в котором все электроны имеют одну и ту же скорость, а следовательно, и одинаковую энергию. Для этой цели была построена специальная «электронная пушка». Источником электронов в ней служила металлическая проволочка. Она накаливалась током, и тогда из нее- вылетали электроны. По вылете электроны попадали в специально созданное электрическое поле, которое ускоряло их движение, доводило их энергию до необходимого, точно определенного уровня. Изменяя разность потенциалов поля, можно было по желанию уменьшать или увеличивать энергию электронов. Так как энергия, полученная таким путем электронами, очень мала, то ее стали измерять не обычными единицами, а «электрон-вольтами». Эта единица энергии равна энергии, которую приобретает электрон, ускоренный электрическим полем с разностью потенциалов в один вольт.
Такая электронная пушка и была использована для возбуждения атомов.
Как атомы обмениваются энергией?
В первом опыте были взяты пары ртути. Энергия снарядов-электронов увеличивалась постепенно. Оказалось, что при малых энергиях электронов никакого возбуждения атомов ртути не наступало. Электроны ударяли в них, но отскакивали с той же скоростью, не отдавая им своей энергии. Атомы ртути были безучастны к ударам электронов. Они не возбуждались и не испускали никакого излучения.
Но так было только до тех пор, пока электроны не достигали определенной «критической» энергии, равной 4,9 электрон-вольта.
Как только электроны в пушке достигали этой критической энергии, атомы ртути при ударе захватывали у электронов их энергию и после этого начинали испускать излучение с частотой 11,8·1014 циклов. В результате излучения атомы теряли захваченную ими энергию и вновь приходили в нормальное состояние; излучение прекращалось.
Изменяя условия опыта, физики убедились, что атомы ртути способны захватывать также и большие порции энергии, но тоже совершенно определенные. После этих захватов шары ртути начинали испускать излучения также и других частот, тоже строго определенных. Поглощенная каждым атомом энергия затем полностью отдавалась при излучении. При этом всегда осуществлялся закон: частоты излучения были тем больше, чем больше была порция энергии, которая была сначала захвачена у электрона, а затем излучена атомом.
Атомы других веществ вели себя совершенно так же. Только порции энергии, которые они захватывали, были другие. Но всегда они были определенными для атомов одного и того же вещества.
Эта закономерность не была неожиданной. Физики уже знали, что свет излучается и поглощается только порциями, получившими название квантов света или фотонов. Когда атом отдает излишек энергии, он отдает его сразу в виде одной порции света — фотона. А энергия фотона тем больше, чем больше частота света. Следовательно, по частотам излучаемого света можно судить о величине порций энергии, отдаваемых атомом.
Каждый атом в нормальном состоянии всегда имеет определенный запас энергии. Это его минимальный запас, который не изменяется, если атом по каким-либо причинам вовсе не разрушается. В этом состоянии атом не излучает. При возбуждении запас энергии атома увеличивается. Возбужденный атом, излучая свет, теряет из запаса часть энергии в виде фотонов, соответствующих определенной частоте, и в конце концов возвращается в нормальное состояние. Физики выражают ту же мысль и иначе; они говорят: каждый атом находится в определенном «энергетическом состоянии». Излучая фотон, атом переходит в другое энергетическое состояние, с меньшей энергией. Значит, по частотам излучения атомов можно судить о том, какие энергетические состояния могут быть у атомов, какие возможны переходы из одного энергетического состояния в другое.
Этот вывод физики использовали для изучения строения атомов.