улицы, где проезжают тяжелые экипажи». Оно не зависит даже от вида частичек, а только от их размеров и массы и, что самое главное, никогда не прекращается. (Почти за двадцать веков до Броуна свойства этого движения мысленно представил себе и подробно описал в своей поэме Лукреций Кар.)
Надо сказать, что первое время странное движение не обратило на себя должного внимания. Большинство физиков о нем вообще не знали, а те, кто знал, считали его неинтересным, полагая, что это явление аналогично движению пылинок в солнечном луче. Лишь сорок лет спустя впервые оформилась мысль о том, что видимые в микроскоп беспорядочные движения пыльцы растений вызваны случайными толчками маленьких невидимых частиц жидкости. После работ Гуи в это поверили почти все, и гипотеза об атомах приобрела множество последователей.
Конечно, и до Броуна немало людей были убеждены, что все тела построены из атомов. Для них некоторые свойства атомов были очевидны уже без дальнейших исследований. В самом деле, все тела в природе, несмотря на огромные различия между собой, имеют массу и размеры. Очевидно, у атомов этих тел также должны быть и масса, и размеры. Именно эти их свойства положил в основу своих рассуждений Джон Дальтон (1766—1844) — скромный учитель математики и натуральной философии в городе Манчестере и великий ученый, определивший развитие химии примерно на сто лет вперед. В 1804 г., тщательно анализируя известные в то время данные о химических соединениях, Джон Дальтон сформулировал понятие о химическом элементе: вещество, которое состоит из атомов одного типа.
При этом сразу же возникал вопрос: не означает ли многообразие веществ такого же многообразия атомов, как это утверждал Демокрит? Оказалось, что нет. Вскоре выяснилось, что элементов в природе не так уж много: в то время их знали около 40 (сейчас 105). Все остальные вещества построены из молекул — разнообразных сочетаний этих атомов. Сами атомы разных элементов также различаются между собой, и прежде всего массой. Самые легкие из них — атомы водорода, атомы кислорода тяжелее их в 16 раз, железа — в 56, и т. д. Так в науку об атоме впервые проникли числа.
Однако по-прежнему об абсолютных размерах и массах атомов ничего не было известно.
Первой удавшейся научной попыткой оценить размер и массу атомов следует считать работу преподавателя физики Венского университета Йозефа Лошмидта (1821 —1895). В 1865 г. он нашел, что размеры всех атомов примерно одинаковы и равны 10-8 см, то есть 0,00000001 см, а масса атома водорода составляет всего 10-24 г.
Впервые мы встречаемся здесь с такими малыми величинами, и у нас просто нет необходимых навыков, чтобы их осмыслить. Самое большее, на что мы способны, это сказать: тонкий, как паутина, или — легкий, как пух. Но толщина паутины (10-3 см) в сто тысяч раз больше самого большого атома, а пуховая подушка — это уже нечто весомое и вполне реальное. Чтобы хоть как-то заполнить провал между здравым смыслом и малостью этих чисел, обычно все же прибегают к сравнениям, хотя они, как правило, мало помогают и еще меньше объясняют, поскольку для столь малых объектов само понятие о размере как о величине, измеряемой прикладыванием масштаба, теряет свой первичный смысл. Поэтому лучше с самого начала оставить попытки представить себе эти числа наглядно. Важно только понимать, что, несмотря на свою чрезвычайную малость, эти числа не произвольны: именно такие малые диаметры и массы нужно приписать атомам, чтобы свойства веществ, которые из них состоят, оказались такими, какими мы их наблюдаем в природе.
Число молекул газа в объеме 1 см3 при нормальном давлении и температуре таяния льда
L = 2,68676∙1019 см-3
сейчас известно с большой точностью и называется постоянной Лошмидта. Она примерно в десять раз превышает значение, найденное им впервые.
Железо, как и всякое вещество, состоит из атомов. Если один конец железного лома поместить в печь, он, разумеется, начнет нагреваться. Мы теперь хорошо знаем, что тепло — это энергия движущихся атомов и увеличение их энергии при нагревании просто обнаружить, коснувшись, например, другого конца лома. Но это далеко не все. По мере нагревания постепенно меняется цвет нагретого железа: от вишнево-красного до ослепительно белого. Причем к лому теперь нельзя не только прикоснуться, но и просто подойти близко. Последнее уже непонятно, если пользоваться только представлением о движении атомов: действительно, мы не касались лома, атомы железа не ударялись о нашу руку — почему же нам стало жарко?
Здесь мы впервые встречаемся с новым явлением и должны ввести соответствующее ему понятие — излучение, которое на первый взгляд никак не связано с идеей атома.
Мы говорим: лучи солнца осветили поляну, то есть свет — это излучение. Но мы говорим также: греться в лучах солнца. Следовательно, и тепло может распространяться в виде лучей. Вообще, с излучением мы имеем дело постоянно: когда сидим у костра, наблюдаем закат, вращаем ручку настройки приемника или проходим флюорографию. Тепло, свет, радиоволны и рентгеновские лучи — различные проявления одного и того же электромагнитного излучения.
Однако мы все-таки их различаем не только качественно и субъективно, но и количественно. По какому признаку? У электромагнитного излучения их много, но нам особенно важен сейчас один из них — волновая природа излучения.
Явление распространения волн настолько привычно каждому из нас, что пояснять его вновь кажется излишним. Тем не менее мы все-таки напомним здесь основные свойства волнового движения, по той же самой причине, по которой даже в солидные академические словари иностранных слов помещают вполне понятные обиходные слова.
«Волна» — одно из самых необходимых слов физики. Каждый представляет себе ее по-разному: один сразу же видит волны от брошенного в пруд камня, другой — синусоиду. Поскольку синусоиду рисовать проще — воспользуемся ею. У этой схематической волны четыре свойства: амплитуда А, длина волны λ, частота ν и скорость распространения υ. Амплитуда волны — это наибольшая ее высота. Что такое длина волны — понятно из рисунка. Скорость ее распространения, по-видимому, особых пояснений не требует.
Чтобы выяснить, что такое частота, проследим за движением волны в течение секунды. При скорости υ (см/с) она за это время пройдет расстояние υ (см). Подсчитав, сколько длин волн уместилось на этом отрезке, мы найдем частоту излучения: ν = υ/λ (с-1).
Важнейшее свойство волн — их способность интерферировать, то есть способность волн уничтожать или усиливать
