Занимательная квантовая физика

В 1912 году Парижский университет совместно с знаменитым медицинским институтом Пастера организовал в Париже так называемый Институт радия. Этот институт открылся на улице, которая была названа именем Пьера Кюри, а мадам Кюри получила должность директора этого института, которую она сохранила до самой своей смерти (в 1934 году). В этом институте производятся важные физические исследования, относящиеся к свойствам радиоактивных веществ и их лучей, но, кроме того, еще и производится лечение больных. В 1918 году Мария Кюри подарила клинике своего института грамм радия, извлеченный ею и ее мужем из иоахимстальской руды и представлявший ее личную собственность. В то время, когда был сделан этот подарок, грамм радия стоил сто тысяч долларов (полтора миллиона франков).

Практическое применение радия в медицине вызвало необходимость добывать заводским путем значительное количество радия. В 1914 году правительство Соединенных Штатов организовало завод для добычи радия так называемых карнотитовых руд, которые встречают в разных местах Соединенных Штатов и содержат в себе уран и радий. В 1921 году в местечке Кантага (бельгийские владения в Центральной Африке) были открыты богатые залежи урановой смоляной руды. Оказалось, что в этой руде есть довольно значительная примесь радия. Поэтому в 1923 году в местечке Оолен, вблизи бельгийского города Антверпен, был построен радиевый завод, куда привозили урановую смоляную руду, добытую в Катанге, и извлекали из нее радий. В течение месяца на этом заводе добывали четыре грамма радия. Способ добычи, в основном, такой же, как тот, который применяли Пьер и Мария Кюри в своих первых лабораториях на улице Ломон и на улице Кювье. Этот способ очень сложен; для интересующихся мы приводим цитату из «Курса общей химии» проф. Б. Н. Меншуткши (4-е издание, Ленинград, 1933):

«Переработка урановой смолки в Оолен ведется так: действием серной и азотной кислот извлекают из руды соединения урана, затем после удаления кремнезема обрабатывают соляною кислотою и (после прибавления необходимого количества солей бария) полученные сернокислые соли бария и радия отфильтровывают и под давлением нагревают с раствором соды для перевода сернокислых солей бария и радия в углекислые; их растворяют в чистой соляной кислоте и снова осаждают раствором угленатриевой соли. Полученные чистые углекислые соли действием чистой же соляной кислоты переводят в хлористые барий и радий, готовят почти насыщенный при 100 °C раствор последних и охлаждают его; при дробной кристаллизации сперва осаждаете труднее растворимый хлористый радий, потом уже хлористый барий. Поэтому отдельно собирают первые порции кристаллов и последующие. С маточным рассолом и этими кристаллами повторяют много раз такую перекристаллизацию, пока не получится хлористый барий со значительным содержанием хлористого радия. Тогда раствор их осаждают углекислой солью аммония, полученный осадок промывают, растворяют в бромоводородной кислоте и получают еще более различающиеся растворимостью в воде бромистые барий и радий. Их снова подвергают дробной перекристаллизации вплоть до получения чистого бромистого радия, который запаивают в стеклянные трубочки, помещенные в толстые свинцовые футляры, и сохраняют в отдаленном от жилья помещении».

Глава вторая. Атомы

Физические явления, происходящие в окружающем нас мире, представляют бесконечную цепь загадок. Вода, охлаждаясь, превращается в твердый, бесцветный лед, нагреваясь же, становится невидимым водяным паром. Если ее слегка подкислить серной кислотой и пропускать через нее электрический ток, она постепенно превращается в два газа – водород и кислород. Стоит только смешать эти газы и поджечь их искрой, как они со взрывом снова превращаются в воду.

Блестящее железо в сыром воздухе превращается в ржавчину. Горящий уголь становится углекислым газом. Подлинно, «природа находит удовольствие во всевозможных превращениях», как когда-то сказал знаменитый английский ученый Исаак Ньютон. И все эти превращения ставят перед нами все тот же вопрос: в чем заключается интимная, внутренняя сторона всех этих явлений, которые мы воспринимаем как холод, как тепло, как пламя, как взрыв и т. д.? Каков закулисный механизм всех этих театральных эффектов, которые мы все время наблюдаем и которые изучает физика и химия? С давних пор люди стремились получить ответ на этот вопрос. И еще перед тем, как наука доросла до того, чтобы суметь ответить на этот вопрос правильно, нетерпеливые философы пытались ответить на него, заменив строгое исследование простой догадкой.

Лавуазье и Лаплас проводят опыт с золой

В глубокой древности, больше чем 2000 лет тому назад (в пятом столетии до начала нашего летосчисления), греческие философы Демокрит Абдерский и Левкипп высказали замечательную догадку, которой впоследствии было суждено сыграть огромную роль в истории научного понимания мира. Демокрит и Левкипп утверждали, что все вещи в мире состоят из ничтожно малых, невидимых глазу по причине своей малости, частиц. Эти частицы уже не могут быть разрезаны на дальнейшие части, они являются последними и самыми основными частицами всего существующего на свете; поэтому они получили название «атомов» (по-гречески «атомос» значит неделимое – то, что не может быть разрезано или разорвано). Но в том рое атомов, которым является каждое тело окружающего нас мира, мы не видим отдельных атомов, подобно тому как в рое пчел мы издали не видим отдельных пчел: все пчелы сливаются для нас в одну сплошную тучу. Все явления, происходящие на свете, заключаются лишь в том, что атомы движутся в пространстве, образуют друг с другом разные комбинации, затем эти комбинации распадаются, возникают новые и т. д. Мы можем видеть пламя, ощущать холод, тепло, слышать звук и т. д., но все это лишь внешняя видимость вещей, воспринимаемая нашими несовершенными органами чувств, а на самом деле (с той самой внутренней, закулисной стороны, о которой мы говорили раньше) происходит одно только движение атомов, их перемещение в пространстве, разрушение и возникновение все новых и новых построек из того же самого вечного материала – атомов.

Демокрит записывает на глиняных табличках теорию строения мира

В этом и заключалось учение Левкиппа и Демокрита. Хотя оно было основано на простой догадке и не было подкреплено серьезными доказательствами, тем не менее оно получило широкое распространение уже в глубокой древности. Учение о том, что все тела природы состоят из атомов разной величины и разной формы, было особенно развито Эпикуром (300 лет до начала нашего летосчисления) и Лукрецием (в I веке до начала нашего летосчисления). Не только греко-римская цивилизация создала это учение, но и индийская: современник Лукреция индийский философ Канада учил, что тела состоят из атомов, отличающихся друг от друга различными свойствами. Мельчайшая пылинка солнечного луча, – так учил Канада, – состоит из шести атомов, из которых каждые два «волей бога или еще чем-нибудь» соединены в двойные атомы. Четыре пылинки солнечного луча образуют следующую по сложности частицу, – с восхитительной наглостью продолжает Канада (как будто он мог обо всем этом хоть что-нибудь знать!). Так, смешанная с фантастическими и грубо ошибочными рассуждениями, создавалась атомистическая теория – одна из наиболее глубоких и важных теорий строения вещества.

Эпикур

В Средние века атомистическая теория имела сравнительно мало сторонников. Но в XVII веке, когда наука стала огромными шагами идти вперед, когда появилась научная механика и начала появляться научная химия, атомистическая теория снова стала распространяться среди физиков и философов.

Вот что говорит об атомах Исаак Ньютон (приводим в точном переводе этот отрывок, чрезвычайно характерный для науки XVII столетия): «Мне представляется, что бог с самого начала сотворил вещество в виде твердых, весомых, непроницаемых, подвижных частиц и что этим частицам он придал такие размеры, такую форму и такие другие свойства и создал их в таких относительных количествах, как ему нужно было для той цели, для которой он их сотворил. Эти первичные частицы абсолютно тверды: они неизмеримо более тверды, чем те тела, которые из них состоят, – настолько тверды, что они никогда не изнашиваются и не разбиваются вдребезги, так как нет такой силы, которая могла бы разделить на части то, что сам бог создал неразделимым и целым в первый день творения. Именно потому, что сами частицы остаются целыми и неизменными, они могут образовать тела, обладающие той же самой природой и тем же строением во веки веков; ведь если бы частицы изнашивались или разбивались на части, то зависящая от них природа вещей изменилась бы. Вода и земля, составленные из старых изношенных частиц и осколков, отличались бы по строению и свойствам от воды и земли, построенных из еще целых частиц в начале творения. Поэтому, для того чтобы природа могла быть долговечной, все изменения тел природы могут заключаться лишь в перемене расположения, в образовании новых комбинаций и в движении этих вечных частиц. Бог мог создать частицы вещества, обладающие разными размерами и разной формой, поместить их на разных расстояниях друг от друга, наделить их, быть может, разными плотностями и разными действующими силами. Во всем этом я, по крайней мере, не вижу никаких внутренних противоречий. Итак, по-видимому, все тела были построены из вышеупомянутых твердых непроницаемых частиц, которые были в первый день творения размещены в пространстве по указанию божественного разума».

Исаак Ньютон

В 1661 году англичанин Роберт Бойль опубликовал книгу под заглавием «Скептический химик». В этой книге он дал необыкновенно ясный анализ атомистической теории с точки зрения химии. Атомы, как учил Роберт Бойль, бывают различных сортов; все тела, построенные из атомов одного и того же сорта, являются «простыми телами» (теперь говорят – химическими элементами). Атомы могут, соединяясь друг с другом, образовывать более сложные частицы. Если какое-нибудь тело состоит из одинаковых частиц, каждая из которых есть комбинация нескольких атомов разного сорта, то такое тело, по Бойлю, является «совершенной смесью» (теперь принято говорить – химическим соединением). Всякая «совершенная смесь» может быть разложена на «простые тела», из которых она состоит. Однако скудные химические познания XVII века не дали Бойлю возможности установить, какие из окружающих нас тел являются «совершенными смесями», а какие – «простыми телами». Он даже склонен был допустить, что единственным известным «простым телом» является вода, а что все другие вещества – в том числе железо, медь, золото, серебро, свинец, ртуть – это «совершенные смеси». В этом Бойль заблуждался, и больше столетия понадобилось для того, чтобы выяснить, какие тела являются сложными, т. е. «смесями», а какие – простыми.

В 1808 году в Лондоне вышел первый том книги «Новая система химической философии», написанной Джоном Дальтоном, учителем в Манчестере. В этой книге Дальтон, по существу, повторяет взгляды Бойля, но какая огромная разница между книгами Бойля и Дальтона! Не будем забывать, что между выходом этих двух книг прошло 147 лет и что в течение этих лет в химии появился Лавуазье. Уже было известно, что водород, кислород, азот, углерод, сера, фосфор, натрий и калий (открыты Дэви в 1807 году), кальций, стронций, барий и магний (открыты тем же Дэви в 1808 году), железо, цинк, медь, свинец, серебро, платина, золото и ртуть являются простыми телами, а вода, аммиак, углекислый газ и многие другие – сложными. В химии уже употреблялись весы, и целый ряд количественных анализов сложных веществ уже был произведен. Поэтому Джон Дальтон и мог поставить перед собой смелую задачу: определить относительные массы всевозможных атомов.

Водород – простое тело, рассуждал Дальтон, значит, водород состоит из атомов одного и того же сорта – атомов водорода. Обозначим атом водорода значком . Кислород – тоже простое тело; значит, кислород состоит из атомов кислорода. Введем для них значок . Вода – это химическое соединение («совершенная смесь», как сказал бы Роберт Бойль); значит, она состоит из каких-то частиц, каждая из которых представляет комбинацию определенного числа водородных атомов с определенным числом кислородных атомов. Такую частицу, состоящую из нескольких сцепленных друг с другом атомов, Джон Дальтон называл «сложным атомом»; в химии теперь предпочитают употреблять слово «молекула», которым и мы будем все время пользоваться. Итак, вода или водяной пар состоит из молекул воды. Каждая молекула воды, как решил Дальтон, руководствуясь при этом «принципом простоты», состоит из двух атомов – атома водорода и атома кислорода. Молекула воды, по Дальтону, имеет вот какой вид: .

Отсюда легко заключить, во сколько раз атом кислорода тяжелее, чем атом водорода. Каждый фунт воды – как гласили химические анализы, произведенные самим Дальтоном и другими современными ему химиками, – состоит из 1/8 фунта водорода и из 7/8 фунта кислорода. А так как все молекулы воды совершенно одинаковы, то, значит, и в каждой молекуле воды 1/8 часть ее массы – это масса атома водорода, а остальные 7/8 ее массы – это масса атома кислорода. Отсюда следует, что атом кислорода весит в 7 раз больше атома водорода. Если взять массу атома водорода за единицу, то масса атома кислорода будет равна семи.

Таким же образом Дальтон определил и во сколько раз масса атома азота, который он обозначил значком , больше массы атома водорода .

Для этого он воспользовался химическим анализом газа аммиака, который является химическим соединением азота и водорода. Руководствуясь тем же самым принципом простоты, Дальтон предположил, что молекула аммиака состоит из одного атома водорода и одного атома азота, т. е. имеет вид .

Анализы аммиака показали, что каждый фунт аммиака состоит из 1/6 фунта водорода и 5/6 фунта азота. Применяя такое же самое рассуждение, как раньше, легко заключить, что атом азота должен быть в пять раз тяжелее, чем атом водорода. Если по-прежнему считать массу атома водорода равной единице, то масса атома азота окажется, по Дальтону, равной пяти.

Большим испытанием для атомистической теории оказался случай углерода. Углерод образует с кислородом не одно, а целых два различных соединения: в одном из них (окись углерода) на заданное количество углерода приходится сравнительно мало кислорода, а в другом (углекислый газ) – гораздо больше.

Поэтому молекулу окиси углерода Дальтон предложил рисовать в виде , где значок обозначает атом углерода, а молекулу углекислого газа, в которой кислорода больше, он предложил рисовать так: .

Иными словами, по Дальтону, молекула углекислого газа состоит из трех атомов (двух кислородных и одного углеродного), а молекула окиси углерода – из двух атомов – кислородного и углеродного. Химический анализ углекислого газа показал, что фунт углекислого газа состоит из 5/19 фунта углерода и 14/19 фунта кислорода. Так как такое же самое соотношение должно быть и для массы каждой отдельной молекулы углекислого газа, то, значит, масса атома углерода равна 5/14 частям массы двух атомов кислорода, т. е. она равна 5/7 массы одного кислородного атома. Сохраняя ту же условную единицу (масса атома водорода равна единице массы) и зная, что в этих отношениях масса атома кислорода равна 7, мы найдём, что масса атома углерода должна быть равна 5.

До сих пор мы еще нигде не имели повода проверить правильность этих взглядов, сделав из них какой-нибудь вывод, который можно было бы уже затем сравнить с опытом. Но теперь такая возможность представляется: если верно то, что мы говорили о массах атомов углерода и кислорода, то в окиси углерода, молекула которой имеет вид , отношение массы кислорода к массе углерода должно быть 7: 5. Так и оказалось: опыт показал, что из 7 фунтов кислорода и 5 фунтов углерода получается 12 фунтов окиси углерода. Таким образом, взгляды Дальтона получили блестящее количественное подтверждение. Следует, впрочем, сказать, что химические анализы Дальтона были довольно неточны и цифры количественного состава химических соединений, которые были здесь приведены, несколько отличаются от правильных. Тем не менее Дальтон, несмотря на грубость своих анализов, был совершенно убежден в правильности атомистической гипотезы.

Таблица химических символов и атомных масс по Дальтону; (1808 г.)

Один биограф Дальтона говорит о нем так: «Дальтон был атомист до мозга костей. Он был глубоко убежден в правильности взглядов Ньютона. Для него его атомы – «твердые, непроницаемые, подвижные» – были такой же реальностью, как если бы он видел их собственными глазами и трогал руками. В своем воображении он видел в воздухе атомы кислорода, азота и водяного пара. Он рисовал их на бумаге».

Таковы те первичные частицы, те атомы, те «кирпичи мироздания», из которых, по Дальтону, состоят все тела на свете.

Комбинация из нескольких атомов образует молекулу («сложный атом», как говорил Дальтон); сложные тела состоят из одинаковых молекул – такие тела являются химическими соединениями, например вода или аммиак, и их состав в процентах может быть легко вычислен, если знать состав молекулы (например, в случае воды, в случае углекислого газа) и относительные массы атомов, входящих в молекулу; или же сложные тела состоят из разных молекул – такие тела являются не химическими соединениями, а смесями, например, воздух представляет смесь молекул кислорода с молекулами азота и с небольшим количеством молекул воды и углекислого газа.

Химические реакции, по Дальтону, заключаются в том, что атомы вступают друг с другом в разные комбинации, образуя «сложные атомы» (молекулы), затем эти молекулы распадаются, образуются новые молекулы и т. д., подобно тому, как танцоры, переходя от одного танца к другому, образуют новые комбинации. Но сами атомы при этом остаются неизменными и вечными: меняется только их распределение. «Каждая частица воды, – говорит Дальтон в своей «Химической философии», – в точности похожа на любую другую частицу воды; каждая частица водорода в точности похожа на любую другую частицу водорода и т. д. Химическое разложение и химическое соединение означают лишь то, что атомы удаляются друг от друга или же снова сцепляются вместе. Но химик не способен уничтожить материю или создать ее вновь. Пытаться создать или уничтожить хотя бы один атом водорода так же безнадежно, как пытаться прибавить еще одну планету к Солнечной системе или уничтожить какую-нибудь из существующих планет. Все, что мы можем сделать, – это разъединить атомы, соединившиеся или сцепившиеся друг с другом, или же соединить те атомы, которые сейчас находятся на большом расстоянии друг от друга».

«Химическая философия», изложенная в этих строках Дальтона, действительно стала философией целого ряда поколений химиков и физиков. Невозможность создания хотя бы одного нового атома данного химического элемента, невозможность превращения одних атомов в другие – все это было необходимым выводом из всего огромного опытного материала, на котором основывалась научная химия. Когда-то, в Средние века, химики – тогда они назывались алхимиками – поставили своей целью искусственное приготовление золота; но это невозможно, как следует из «химической философии» Джона Дальтона, потому что ведь золото – это химический элемент, и, значит, невозможно ни создать, ни разрушить хотя бы один-единственный атом ; можно лишь извлечь золото из какого-нибудь химического соединения, в котором оно уже находится, но невозможно создать новое золото из свинца или ртути. И в самом деле, разве из всех стараний алхимиков хоть что-нибудь вышло? Получить золото из свинца или ртути им так и не удалось. И «химическая философия» Дальтона раз и навсегда ставила крест над попытками алхимиков: эти попытки были обречены на неудачу, потому что атомы вечны и неразрушимы.

В этом пункте Дальтон не совсем сходился с Бойлем, который в 1661 году писал, что хотя атомы остаются неизменными при всех химических явлениях, но тем не менее когда-нибудь будет найден некий «сильный и тонкий агент», с помощью которого удастся разбить атомы на более мелкие части и превратить одни атомы в другие. Эта мысль Бойля казалась Дальтону чистой фантазией: ни один химический факт не указывал на то, что атомы возможно разбивать на части и превращать друг в друга. Впрочем, в 1816 году неожиданно нашелся один сторонник этой мысли Роберта Бойля, пытавшийся подтвердить ее фактами. Это был лондонский вольнопрактикующий врач Уильям Праут, который напечатал в журнале «Философские анналы» («Annals of Philosophy») статью, где обращал особенное внимание на тот факт, что все атомные массы, которые определил Дальтон и которые приведены в его «Химической философии», выражаются целыми числами. Это – очень замечательный факт, говорил Праут, ведь если бы атомы всех химических элементов были первичными, основными частицами, подлинными «кирпичами мироздания», неразложимыми на части и нисколько не связанными друг с другом, то какая могла бы быть причина того, что атом азота ровно в пять раз превосходит по массе атом водорода, а атом кислорода – ровно в семь раз? Праут предложил совсем другой взгляд на атомы, нисколько не противоречащий химическим опытам, но вместе с тем объясняющий и тот замечательный факт, что все атомные массы (измеренные в предположении, что масса атома водорода принята за единицу) оказались целыми числами. Мнение Праута вот какое: атом азота, который, по Дальтону, ровно в пять раз превосходит по массе атом водорода, – это и есть пять атомов водорода, очень тесно сцепленных друг с другом; атом кислорода – это семь атомов водорода, тесно сцепленных друг с другом; атом ртути – это 167 тесно прижавшихся друг к другу водородных атомов и т. д. Выходит, что все на свете состоит в конечном счете из водорода. А чем же объяснить, что все-таки в химических опытах никак не удается, например, разложить кислород на водород? Очень просто, отвечает Праут, все дело в том, что когда семь атомов водорода сцепляются, чтобы образовать атом кислорода, то они сцепляются гораздо теснее, чем тогда, когда, например, атом водорода и атом кислорода сцепляются, чтобы образовать молекулу воды. Поэтому-то в химических опытах и удается разложить молекулу воды на атом водорода и атом кислорода, но никак не удается разложить атом кислорода на семь атомов водорода, т. е. удается разложить воду на водород и кислород, но не удается превратить кислород в водород. Атомы всех веществ, кроме водорода, по мнению Праута, – это такие же молекулы, но только гораздо более прочные и тесно сцепившиеся, а поэтому, действуя обыкновенными химическими способами, не удается их разложить. Но что произойдет, если когда-нибудь будет найден «сильный и тонкий агент», о котором мечтал Роберт Бойль? Ведь с его помощью возможно будет превращать элементы друг в друга и даже, если угодно, осуществить идеал алхимии – получение золота: например (см. таблицу Дальтона), разбить атом на один атом и двадцать семь атомов , т. е. разложить ртуть на золото и водород.