Из квантовой теории следует вывод, что линии водорода тоже должны быть дублетными, поскольку протону при захвате электрона безразлично направление вращения последнего. Поэтому в любой порции водорода присутствуют атомы, где ядро и электрон вращаются в одну сторону, и атомы, где они вращаются в разные стороны. При наложении спектров этих атомов их линии попадают на близкие, но разные участки. Для выявления такого расщепления требуются чувствительные спектрометры.
Из курса химии известно, что за гелием следует атом лития, который в нейтральном состоянии содержит три электрона. Два из них, имеющие противоположные магнитные моменты, образуют внутреннюю двойную оболочку, как у гелия. Для третьего электрона здесь места уже нет. Поэтому третий электрон занимает место на внешней сферали, образуя наружную сферическую оболочку. Эта структура, похожая на атом водорода, должна иметь водородоподобный спектр. Так как связь внешнего электрона с ядром ослаблена, линии спектра лития должны быть смещены в инфракрасную область.
С увеличением порядкового номера атомов вещества возрастает его плотность. В плотном (сконденсированном) состоянии внешние оболочки атомов начинают влиять друг на друга так, что меняется их форма. Так в атоме углерода (порядковый номер 6) четыре внешних электрона образуют не сферические, а веретенообразные оболочки. Это как если взять слабо надутый воздушный шар и растянуть его вдоль диаметра. Характеристикой такой оболочки является длинная ось. Атом углерода интересен тем, что длинные оси четырех оболочек внешних электронов располагаются в пространстве симметрично вдоль воображаемых диагоналей куба. Этим объясняется твердость алмаза, так как куб раздавить нелегко.
Глава 9. Волна или частица?
Мы уже говорили о волне как о форме передачи энергии через материальную среду. При определенных условиях можно наблюдать, как волны, например, на воде, усиливают или гасят друг друга. Это явление называют интерференцией. По направлению колебаний частиц среды волны могут быть продольными или поперечными. Например, при накачивании колеса ручным насосом возникают продольные волны, так как частицы воздуха колеблются вдоль движения поршня. В волнах на воде частицы среды колеблются поперек направления волны. Как это происходит? Свежий ветер морщинит водную поверхность, вздымая гребни. За каждым гребнем следует впадина. Чем выше гребень, тем больше он давит весом на поверхность воды. Когда давление ветра сравнивается с давлением воды на дне впадины, рост гребня прекращается. Так энергия ветра переходит в энергию поперечной волны (напомним, что в физике волной называют всю последовательность гребней и впадин). Энергия волны пропорциональна весу гребня, умноженному на одну треть его высоты. В этой «картине маслом» ясно одно: волна на воде поперечна потому, что её снизу подпирает давление глубины. Гребню просто некуда деваться, как выпучиваться вверх, в воздух. Очевидно, поперечная волна возникает только на границе между средами с разными плотностями. В однородной среде таких волн быть не может. Возникает естественный вопрос: при чём тут свет? Обратимся к истории.
Кто-то из корифеев (наверное, Джинс) сказал, что свет – это самое тёмное место в физике. Ещё Ньютон установил, что при определённых условиях лучи света могут усиливать или гасить друг друга. Считалось, что свойство волн. Затем Максвелл предсказал существование электромагнитных волн, перемещающихся со скоростью света. Из его теории следовало, что свет – это электромагнитная волна. Пропуская луч света через особые кристаллы, ученые доказали, что если свет это волна, то волна поперечная. Возникает вопрос: что за среда колеблется при переносе электромагнитной энергии? Сначала предположили, что колеблется эфир – прозрачное однородное невесомое вещество, в которое погружены все тела. Майкельсон поставил эксперимент, который прямо показал, что «эфира» вокруг Земли не существует.
Тогда ученые предположили, что электромагнитная волна сама себе среда, а перемещается она следующим образом. В течение первого полупериода волны колебание потока электрического поля создаёт колебание циркуляции магнитного поля. Во время второго полупериода колебание циркуляции магнитного поля создаёт перед собой колебание потока электрического поля. Затем всё повторяется. Так в вакууме выстраивается дорожка света. Эта теория была признана и вошла в учебники, хотя вопрос, почему электрическое поле колеблется поперек движения волны, остался без ответа. Проблема обострилась, когда Эйнштейн легко объяснил свойства фотоэффекта, предположив, что луч света является не волной, а потоком фотонов. Вопрос был поставлен ребром: свет это волна или частица? Волновую теорию пытались дополнить, предположив, что фотоны так взаимодействуют в потоке, что их плотность меняется волновым образом.
Тогда Тейлор взял установку для демонстрации дифракции света и немного доработал её. Напомним, что дифракцией называют свойство волны огибать препятствия. Например, морская волна легко проходит сквозь рыбачью сеть и огибает столбики. Ничего особенного в этом нет. Но если волна мелкая и частая, а столбик толстый, он разделяет волну на две части, которые сходятся за столбиком. Если при схождении частей волны гребень попадает на гребень, получается гребень двойной высоты. Если впадина попадает на впадину, получается впадина двойной глубины. Если гребень попадает во впадину, поверхность воды сглаживается. Таким образом, дифракцией называют явление, когда на некотором участке за препятствием для волны получается устойчивое чередование гребней и впадин, причем непосредственно за препятствием (где для потока частиц должна быть мертвая зона и гладь), при схождении полуволн образуется самый высокий гребень. Похожая картина возникает, когда волну заставляют проходить через ряд близко расположенных щелей. Это явление принято называть дифракцией на щелях. Заметим, щели можно рассматривать как промежутки между близко расставленными столбиками, а дифракцию на столбике мы уже «проходили».
В установке Тейлора имелась лампочка, луч света от которой направлялся на экран. Препятствием для луча служила очень тонкая иголочка. На экране получалась дифракционная картина. Прямо напротив иглы на экране возникала светлая полоска, как при складывании гребней волны. В стороны от неё чередовались темные (впадины) и светлые (гребни) полоски, чем дальше, тем слабее.
«Если свет это поток фотонов», – подумал Тейлор, – «Я смогу сделать его ничтожно редким». Он уменьшил накал лампочки до минимума и установил перед иглой несколько светофильтров. По расчетам Тейлора, в секунду на иголку попадало не больше одного фотона. Значит, ни о каком коллективном взаимодействии частиц не могло быть и речи. Он поместил установку в светонепроницаемый кожух, установил вместо экрана фотопластинку, повесил табличку «Не выключать!», взял отпуск и уехал кататься на яхте. Когда Тейлор вернулся через месяц, отдохнувший и загорелый, он проявил фотопластинку и увидел, что следы двух миллионов фотонов, поочередно попадавших в мишень в течение месяца, сложились на фотопластинке в классическую дифракционную картину. Для тех, кто успел поверить в теорию квантов, это был настоящий шок.
§ 55. Волна-частица или частица-волна?
Опыт Тейлора показал, что даже одиночные фотоны создают дифракционную картину. Выходит, один фотон тоже обладает свойствами волны. Напомним, что ещё до теории Максвелла было доказано, что если свет и является волной, то эта волна поперечная. В таких волнах частицы среды колеблются «поперёк» направления переноса энергии, которая сконцентрирована в гребнях. Известно, что частота света составляет (по Максвеллу) в среднем 6*1014 Гц. С другой стороны, расстояние между началом и концом фотона равно почти 3 м. Легко подсчитать, что фотон, допустим, зеленого цвета должен содержать 6*106 гребней. Это очень много. Даже волны в океане имеют гребней в тысячи раз меньше. Следует вывод, что каждый фотон сам себе волна. Очевидно, в опыте Тейлора игла разделяла каждый фотон-волну на две полуволны. Затем эти полуволны сходились и складывались на фотопластинке, создавая чередование светлых и темных полос, причем напротив иглы получалась светлая полоска, ведь именно там сходились гребни. Так возникла классическая дифракционная картинка. Опыт Тейлора серьёзно укрепил позиции сторонников волновой теории света.
Но вот за дело взялся Комптон, который незадолго до этого получил доступ к новейшему рентгеновскому спектрографу. Комптон поставил опыт, где рентгеновское излучение (частота до 1019 Гц – дальше уже начинается область гамма-лучей) пропускалось через пластинку графита, где имеется довольно много свободных электронов. После выхода из графита икс излучение направлялось в рентгеновский спектрограф. Опыт показал, что рентгеновский луч ведет себя как поток квантов, которые рассеиваются свободными электронами в графите. При этом в ряде случаев частота рассеянных квантов уменьшалась. Это явление назвали «покраснением квантов» в том смысле, что их частота смещалась в красную часть спектра. При этом в графите обнаружились электроны, у которых скорость превышала значение, среднее для данной температуры по тепловой теории. Измерения показали, что количество «горячих» электронов равно числу «покрасневших» квантов. Тогда Комптон предложил теорию, согласно которой при рассеивании кванта на свободном электроне последний забирает часть импульса у кванта. Таким образом, из теории Комптона следует, что кванты рентгеновского излучения, хотя не имеют массы покоя, обладают импульсом, аналогично импульсу электрона p=mev.
