Джим Аль-Халили – Квант (страница 29)
Более того, нам предстоит продолжить список квантовых странностей. Нас ждут еще несколько примечательных феноменов, включая квантовое туннелирование, спин и принцип исключения Паули.
Таинственные лучи повсюду
В Главе 2 я упомянул, что годы с 1895-го по 1897-й стали временем зарождения современной физики. Оглядываясь сегодня назад, можно также сказать, что эти несколько первых, волнующих лет можно точнее назвать «эпохой таинственных лучей». Лучи обнаруживались повсюду. На рубеже веков были открыты рентгеновские лучи, явление радиоактивности и электрон, и каждый из этих феноменов стал полной неожиданностью для научного сообщества[44]. В течение последующего десятилетия их первооткрыватели – Вильгельм Рентген, Анри Беккерель и Джозеф (Дж. Дж.) Томсон соответственно – получили Нобелевские премии. Если помните, в Главе 2 мы проследили зарождение и развитие квантовой теории с революционной идеи Планка, высказанной в начале XX века. Однако в то время его работа была далеко не самой интересной и волнующей среди физических исследований. Внимание научного сообщества было приковано к открытию рентгеновских лучей. Эти невидимые лучи могли проходить сквозь твердое вещество и формировать изображение на фотографической пленке по другую сторону преграды. Столь удивительное свойство тут же завладело умами людей по всему миру, и очень скоро многие увидели его огромные преимущества для медицины и промышленности.
Вскоре после этого открытия Анри Беккерель, который также интересовался происхождением рентгеновских лучей, при изучении солей урана, окруженных флуоресцентным сиянием, пришел к результатам, сходным с теми, которые получил в своем эксперименте Рентген. Беккерель обнаружил, что излучение урана тоже может проникать сквозь твердое вещество, такое как черная бумажная обертка, которую он использовал для защиты фотографической пленки от солнечного света, и оставлять на непроявленной пленке следы. Сначала он подумал, что при попадании на него солнечного света уран тоже излучает рентгеновские лучи, которые становятся частью его флуоресцентного сияния. Однако вскоре Беккерель понял, что излучение урана не имеет ничего общего ни с солнечным светом, ни с рентгеновскими лучами. Двумя годами позже Мария Кюри, которая также изучала таинственные лучи вместе со своим мужем Пьером, ввела понятие радиоактивности.
Тем временем один из гигантов экспериментальной физики англичанин Дж. Дж. Томсон открыл природу еще одних лучей. К тому моменту ученые уже много лет знали, что электрически заряженная металлическая пластина, помещенная в вакуумную трубку, испускает так называемый катодный луч. Но никто не понимал, из чего он состоит. Томсон продемонстрировал, что его составляют отрицательно заряженные частицы размером гораздо меньше атомов.
В некоторой степени подобно идее Планка о квантовании, но на целое десятилетие раньше, ирландец Джордж Стони выдвинул гипотезу, что электричество не непрерывно, а состоит из крошечных невидимых сгустков, которые он называл «электронами». Вскоре после открытия Томсона Лоренц предположил, что тот обнаружил электроны Стони. Хотя сначала Томсон возразил этому, именно он в итоге получил Нобелевскую премию за открытие электрона, первой элементарной частицы. Так часто случается с научными открытиями: Томсон не открыл катодные лучи и даже не дал им названия, но именно он получил Нобелевскую премию за то, что показал, из чего они состоят. Именно это открытие ознаменовало собой рождение субатомной физики.
Внутрь атома
Так как же обстояли дела в начале прошлого века? Томсон предположил, что электроны представляют собой части внутреннего строения атомов. Но, так как они обладали отрицательным зарядом, а атомы были нейтральны, это подразумевало, что атомы также должны содержать положительный заряд, который бы нейтрализовал заряд электронов. В результате Томсон предложил первую экспериментальную модель атома, в которой электроны были равномерно распределены по сфере положительно заряженного атомного «вещества». Размеры сферы можно было примерно рассчитать на основании известных в то время величин. Эта модель получила название «пудинговой» модели атома, так как электроны в ней напоминали изюм в пудинге. В то же время Беккерель и супруги Кюри пришли к выводу, что определенные типы атомов излучают радиацию. Таким образом, пока одни физики и химики даже не верили в существование атомов, другие уже имели некоторое представление, из чего они состоят.
Родившемуся в Новой Зеландии Эрнесту Резерфорду было суждено стать одним из самых влиятельных ученых XX века. Он приехал в Кембридж, чтобы работать с Томсоном, и вскоре заинтересовался новым вопросом радиоактивности. Он открыл, что существует три типа радиоактивности. Первый, который он назвал бета-лучами, как оказалось, составляли электроны Томсона. Второй, названный альфа-лучами, состоял из гораздо более тяжелых, положительно заряженных частиц, которые, как впоследствии продемонстрировал Резерфорд, оказались ионами гелия (атомами гелия без электронов). Он также показал, что третий, электрически нейтральный тип радиоактивности, открытый в 1900 году Полем Вилларом, представлял собой лишь форму электромагнитных лучей, подобных рентгеновским лучам[45], которые он назвал гамма-лучами. Сегодня мы, конечно, называем типы альфа и бета частицами, а не лучами.
В течение первого десятилетия двадцатого века Резерфорд сумел доказать, что возраст земной коры составляет миллиарды лет. Он сделал это, измерив содержание гелия в образцах скальных пород, заключенная в которых урановая руда медленно испускала альфа-частицы с момента формирования скал. Каждая альфа-частица оказывалась в ловушке внутри камня и быстро приобретала пару электронов, чтобы стать атомом гелия. Сторонники теории креационизма до сих пор ничего не смогли противопоставить этому обнаруженному столетие назад простому и в то же время неопровержимому доказательству, что нашей планете больше миллиарда лет.
Через несколько лет Резерфорд стал первым ученым, исполнившим мечту алхимиков о трансмутации, когда провел эксперимент, в котором преобразовал один элемент в другой. Это не стало неожиданностью, так как к тому моменту Резерфорд совместно с Фредериком Содди пришел к выводу, что радиоактивный распад представляет собой естественную форму трансмутации.
Открыв альфа-частицы, Резерфорд быстро понял, что они дают необходимый инструментарий для изучения атомной структуры. В 1911 году два его ассистента, Ханс Гейгер и Эрнест Марсден, провели серию трудоемких экспериментов, в которых пучок альфа-частиц, испускаемый радиоактивным источником направлялся на очень тонкую золотую фольгу. При столкновении с фоточувствительным экраном рассеивающиеся частицы обнаруживались благодаря крошечным вспышкам света. Несмотря на то что изначально толщина фольги составляла несколько тысяч атомов, большинство альфа-частиц проходило сквозь нее, практически не отклоняясь от своего курса. В связи с этим был сделан вывод, что атомы явно должны в основном состоять из пустоты. Более удивительным было то, что в среднем одна из восьми тысяч альфа-частиц отражалась от фольги. Если представлять атомы в соответствии с пудинговой моделью Томсона, это просто невозможно.
Резерфорд понял важность этого результата и предложил гораздо более удачную модель строения атома. Во-первых, он знал, что электроны в несколько тысяч раз легче альфа-частиц, а следовательно, не могут сбивать их с пути. Было похоже, что положительно заряженные альфа-частицы отклонялись электрическим сопротивлением положительного заряда внутри атома. Единственным способом объяснить наблюдаемое было предположить, что весь положительный заряд сконцентрирован в очень маленьком объеме для максимизации эффекта. Большинство альфа-частиц проходит мимо него, но некоторые оказываются достаточно близко, чтобы почувствовать всю силу положительного заряда атомов золота и отталкиваются от них.
Резерфорд назвал это крошечное скопление положительного заряда «ядром» атома и предложил новую модель атома. Она практически полностью состояла из пустого пространства, в центре которого находилось крошечное, положительно заряженное ядро, содержащее в себе почти всю атомную массу, а вокруг него по орбитам вращались еще более мелкие электроны.
В соответствии с теорией Резерфорда, чем ближе альфа-частица оказывается к лобовому столкновению с крошечным атомным ядром, тем больше угол отклонения. Результаты экспериментов Гейгера и Марсдена прекрасно подтвердили эту картину.
Именно в этот момент – в 1912 году – работать с Резерфордом начал молодой Нильс Бор, который первым применил квантовую теорию Планка к планетарной модели, чтобы объяснить ее стабильность (я описывал это в Главе 2). Но не забывайте, что до появления полноценной квантовой механики оставалось еще целое десятилетие. В модели Бора электроны по-прежнему считались крошечными «классическими» частицами, вращающимися вокруг ядра по фиксированным орбитам. Случившиеся в 1920-х годах открытия ученых вроде Гейзенберга и Шрёдингера показали, что такая картина атома не только наивна, но и во многом неверна. Они продемонстрировали, что квантовые законы, которым, по мнению Бора, должны были подчиняться электроны, вернее было связывать с волновыми функциями электронов. Путем решения уравнения Шрёдингера физики могли объяснить, как электроны располагаются в атоме. Только задним умом стало понятно, что выведенная для конкретного случая формула Бора на самом деле возникает из полной квантовой механики. Различие теперь заключалось в том, что отдельные электроны уже нельзя было считать локализованными частицами, вращающимися по орбите вокруг ядра; их стоило описывать с помощью волновой функции, содержащей в себе некоторые ярлыки, называемые квантовыми числами, которые определяют энергию электрона и траекторию его движения вокруг атома. Волновые функции электронов занимают весь объем атома и дают нам вероятностное распределение, которое показывает, где можно с высокой вероятностью обнаружить электрон, если мы «посмотрим туда». Возможно, вам встречались фразы «электронное облако» или «вероятностная плотность» электрона. Они просто означают трехмерный рисунок вероятности, который со временем не меняется, если только электрон не переходит из одного квантового состояния в другое (что равносильно старому представлению о «перепрыгивании» электрона с одной фиксированной орбиты на другую) при потере или получении кванта энергии или момента импульса[46]. Любое такое изменение приведет к изменению волновой функции электрона и формы соответствующего вероятностного распределения.