Рассказ о строении вещества

И вот тогда родилась догадка о существовании электрического вещества, причём вещества двух родов — положительного и отрицательного. В самом деле, когда оба рода такого электрического вещества находятся в каком-либо теле в одинаковых количествах, тело не имеет электрического заряда, положительное и отрицательное электрическое вещество нейтрализуют друг друга. Если же каким-либо образом в теле создаётся избыток одного вида электрического вещества, тело становится электрически заряженным, приобретает электрический заряд.

Если это так, то всякий процесс электризации тел сводится лишь к тому, что мы должны каким-то способом разделить частицы положительного и отрицательного электричества. При этом в одном теле окажется избыток положительного электрического вещества — положительный электрический заряд, а в другом — избыток отрицательного электричества — отрицательный заряд. По величине оба заряда будут одинаковы.

Такая догадка оказалась в известном смысле правильной, хотя никакой «тонкой электрической жидкости», наполняющей материю, о которой так много писали физики в XVIII веке, и не существует. Оказалось, что электрический заряд является свойством материи.

В конце прошлого века было твёрдо установлено, что электрический заряд не может быть бесконечно мал. Был найден и измерен самый маленький, далее уже неделимый заряд — своего рода «атом электричества». Иначе говоря, оказалось, что электрические заряды, подобно химическим элементам, состоят из мельчайших равных между собой частичек.

Правда, это можно было сказать пока только об отрицательных электрических зарядах, так как обнаружен был лишь «атом отрицательного электричества». Он получил название электрон.

Таким образом, если какое-то тело имеет отрицательный заряд, то это означает, что в нём в избытке находятся мельчайшие частички «отрицательного электричества» — электроны.

Ну, а что же тогда представляет собой заряд «положительного электричества»? И что, вообще, представляют собой эти частички электричества?

Эти вопросы возникли в науке в конце прошлого и начале нашего столетия и требовали настоятельного ответа.

В 1888 году известный русский физик профессор Московского университета А. Г. Столетов проводил очень интересные опыты.

Он наблюдал рождение электрического тока под действием света!

Установка Столетова изображена на рисунке 11.

Рис. 11. Опыт А. Г. Столетова.

В ней два небольших диска — сплошная металлическая пластинка и тонкая металлическая сетка — соединялись друг с другом проволокой. Тут же были включены электрическая батарея и чувствительный прибор для измерения слабых электрических токов — гальванометр. Таким образом получалась так называемая электрическая цепь. При этом отрицательный полюс батареи соединялся с металлической пластинкой.

Поскольку электрическая цепь была разомкнута, между дисками находился воздушный промежуток, то естественно, что электрического тока в ней не наблюдалось, хотя в цепь и была включена электрическая батарея.

Однако стоило только направить на металлическую пластинку сильный свет от электрической дуги, как стрелка гальванометра тотчас же отклонялась — в цепи появлялся ток!

Выходило, что свет как бы переносил электрические заряды с диска на диск — с пластинки на сетку.

Столетов брал для своих опытов диски из самых различных металлов — алюминиевые, цинковые, медные, серебряные, и во всех случаях он наблюдал, что под действием света электрической дуги в цепи его опытной установки возникал электрический ток. Это наблюдалось, однако, лишь в том случае, если металлическая пластинка была соединена с отрицательным полюсом батареи, а сетка — с положительным. Если же переместить полюсы батареи, то-есть металлическую пластинку соединить с положительным полюсом батареи, а сетку — с отрицательным, ток в цепи не появляется.

Таким образом, выходило, что свет способен переносить с пластинки на сетку лишь отрицательные электрические заряды.

Заинтересованный этим необычным физическим явлением, названным позднее «фотоэлектрическим эффектом» («фотос» — по-гречески «свет», а латинское слово «эффект» означает «влияние», «действие»), Столетов ставит новые и новые опыты.

И устанавливает ещё более замечательный факт.

Оказывается, что даже совершенно не заряженная пластинка при освещении её светом электрической дуги приобретает небольшой положительный электрический заряд.

В то же время было установлено, что при освещении металлической пластинки из неё вылетают «атомы отрицательного электричества» — электроны. Именно они и создавали электрический ток в цепи установки Столетова.

Но как можно объяснить это явление? Откуда здесь взялись электроны? Ведь пластинка, на которую падает свет, состоит только из атомов.

Выходит, что электроны входят в состав самих атомов.

Да. Так именно и обстоит дело в действительности. Электроны входят в состав атомов всех элементов[4]. В настоящее время в этом нельзя сомневаться. Учёные доказали этот факт самыми различными опытами. Так, те же опыты с фотоэлектрическим эффектом показали, что это явление можно наблюдать почти у всех тел природы — у твёрдых, жидких и газообразных. Нужно только подобрать соответствующее освещение. У одних тел электроны вылетают из атомов под влиянием обычного белого света, для других необходимы ультрафиолетовые лучи и т. д.

Оказалось, что можно удалять электроны из металлов и другим, ещё более простым способом — нагреванием. Достаточно, например, взять тонкую проволочку из вольфрама (из этого металла делают волоски электрических лампочек) и раскалить её докрасна, и из проволочки, как из сита, «посыплются» электроны. Если около такой нити поместить положительно заряженное тело, то электроны, вылетающие из нагретой проволочки, устремятся к нему. В то же время можно убедиться, что при вылете электронов из раскалённой нити последняя приобретает положительный электрический заряд.

Были получены электроны из атомов и другими путями. И во всех случаях электроны, как бы они ни были получены, были тождественны друг другу. Они притягивались положительно заряженными телами, отклонялись при своём движении под действием магнита, имели один и тот же заряд и одну и ту же массу. Масса электрона, определённая очень тонким и сложным способом, была во всех случаях равна 1/1840 доле массы самого лёгкого атома — атома водорода.

Таким образом, было твёрдо установлено, что в атомах всех химических элементов, а значит, и во всех телах Вселенной имеются электрически заряженные частички — электроны. Но мы знаем, что в обычном состоянии атом не имеет электрического заряда, как говорят, он нейтрален. Значит, ясно, что в нём, наряду с отрицательными частичками, должны находиться и положительные заряды.

Что же представляют собой эти положительные заряды атома? Как они располагаются в атоме вместе с электронами? Вообще, как устроен атом, эта, как долго думали, простейшая неделимая частичка материи?

2. Когда «умирают» атомы

Кто не знает в наше время рентгеновских лучей. Эти лучи обладают способностью проникать через тела и предметы, непрозрачные для лучей видимого света. При помощи рентгеновских лучей можно «просвечивать», видеть внутреннее строение человеческого тела, куска дерева, металлического предмета. Под действием этих лучей светятся в темноте некоторые химические вещества. Действуют эти невидимые лучи и на фотографические пластинки. Если фотопластинку, завёрнутую в плотную бумагу, подвергнуть воздействию рентгеновских лучей, она будет испорчена: лучи пронижут бумагу и разрушат светочувствительный слой пластинки.

Открытие рентгеновских лучей помогло сделать в конце прошлого века новое, очень интересное открытие.

Французский учёный Беккерель изучал свечение различных тел. Особенно интересовался он веществами, которые приобретали способность светиться после освещения их солнечными лучами. Желая узнать, не испускают ли эти вещества невидимых лучей, проходящих через непрозрачные тела, он каждый день брал какое-либо светящееся вещество, клал его на завёрнутую в плотную чёрную бумагу фотографическую пластинку и выставлял всё это на некоторое время на свет. Позднее в тёмной комнате он вскрывал пакет с фотопластинкой, проявлял её и смотрел, каков был результат действия лучей, исходящих из излучаемого вещества.

Много опытов уже сделал учёный. Самые различные вещества, побывавшие на солнечном свету вместе с фотопластинкой, не действовали на неё. Но вот однажды — это было в 1896 году — учёный ставил свой очередной опыт. Только он собрался выставить кусок нового светящегося вещества и завёрнутую в бумагу пластинку на солнечный свет, как набежали облака, и солнце скрылось. Учёный решил подождать, когда выглянет солнце, а пока убрал закрытую фотопластинку и кусок изучаемого вещества в тёмный шкаф. Занявшись другими делами, Беккерель вспомнил о пластинке только спустя несколько дней. Достав из шкафа пластинку, учёный решил проявить её, не выставляя на солнце — ведь на пластинке, хотя и в темноте, лежал несколько дней кусок испытуемого вещества.

Велико было изумление учёного, когда он проявил эту пластинку. На ней чётко отпечаталась форма того куска вещества, который лежал в тёмном шкафу на пластинке. Отпечаток был такой яркий, как будто кусок вещества был снят на фотопластинку обычным способом — при помощи фотоаппарата.

Обнаруженное явление заставило исследователя забыть все свои остальные дела и заняться его изучением. Прежде всего надо было повторить опыт. Но новые опыты дали тот же результат. Тогда учёный обратился к куску вещества. Это была урановая руда — минерал, содержащий самый тяжёлый химический элемент менделеевской таблицы — уран. Выходило, что этот элемент испускал какие-то невидимые лучи, которые, подобно невидимым лучам Рентгена, действуют на фотопластинку.

Что это были за лучи?

Задавшись первый раз таким вопросом, исследователь и не подозревал, что он стоял перед великим открытием.

Работы Беккереля продолжили польская ученая Мария Склодовская и ее муж Пьер Кюри. И уже через два года они сообщили о результатах своих исследований. Они нашли, что не только урановая руда испускает новые лучи. Существует несколько таких веществ, и особенно замечательно среди них одно. Действие лучей этого вещества в 2 миллиона раз сильнее, чем действие лучей, испускаемых ураном! Новое вещество супруги Кюри назвали «радием», что означает «лучистый» («радиус» — по-латыни «луч»).

Удивительны были свойства этого вещества! Постоянно испуская какие-то невидимые лучи, радий делает находящийся вокруг воздух хорошим проводником электричества. Для людей и животных его лучи очень опасны. Достаточно лишь на 15–20 секунд поднести руку к крупинке радия, и на ней спустя некоторое время образуется пятнышко, как от ожога. Более длительное облучение радием ведёт к появлению открытых язв. Листья растений желтеют и сохнут от его лучей. Как и лучи Рентгена, лучи радия проникают сквозь непрозрачные для солнечного света тела.

Изучение лучей урана и радия привело к столь же неожиданным, сколь и удивительным результатам. Оказалось, что часть лучей этих веществ есть не что иное, как поток частичек — осколков атомов! Атомы — «вечные и неизменные» основы Вселенной — распадались на глазах человека!

Вылет этих частичек можно было наблюдать воочию. Стоило лишь рядом с маленьким кусочком радия поместить небольшой экран, покрытый специальным, светящимся под ударами летящих частичек, веществом, как на нём становились видны маленькие попеременные вспышки, напоминающие собой мельчайшие звёздочки. Это ударялись об экран вылетающие из кусочка радия частички — осколки его атомов.

Позднее учёные нашли простой и красивый способ делать видимыми пути полёта таких частичек.

Известно, что в воздухе, как правило, находятся водяные пары. При этом чем выше температура воздуха, тем большее количество паров воды он может содержать. С понижением температуры избыточные водяные пары обычно превращаются в мельчайшие капельки воды, становятся видимыми. Облака, туман, утренняя роса — всё это и есть как раз охладившиеся и превратившиеся в жидкость пары воды.

Замечено, что образование капелек воды из паров происходит легче всего на пылинках, почти всегда находящихся в воздухе. Если же воздух очень чист, то сжижения водяных паров не наступает, даже если температура воздуха и сильно понижена. Однако стоит только загрязнить воздух пылью, дымом, как тут же вокруг каждой пылинки начнётся образование капелек воды Ещё лучше водяные пары конденсируются, то-есть сжижаются, на заряженных частичках вещества. Вот это-то свойство водяных паров и используется в приборе, в котором можно воочию наблюдать полёт быстро летящих заряженных частичек, вылетающих при распаде атомов (этот прибор называют камерой Вильсона).

Представьте себе небольшой закрытый цилиндрический сосуд, дно которого представляет собой как бы поршень насоса (рис. 12).

Рис. 12. Схема камеры Вильсона.

Сосуд наполнен воздухом, насыщенным водяными парами. Если теперь дно-поршень прибора быстро опустить, то воздух, находящийся в нём, расширяется, а вместе с этим в камере понижается и температура воздуха. Однако заряженных частичек, на которых могли бы образовываться капельки воды, в камере нет, и сжижение паров в ней не наблюдается.

Но совсем другую картину можно наблюдать, если в камеру Вильсона направить быстрые частички, вылетающие из атомов радия. Эти частички вещества отрывают на своём пути от молекул воздуха электроны; «пострадавшие» молекулы становятся, таким образом уже электрически заряженными (атомы и молекулы, потерявшие один или несколько электронов, называются положительно заряженными ионами; наоборот, атомы, к которым присоединены лишние электроны, называются отрицательными ионами) и в этом состоянии начинают играть роль зародышей микроскопических капелек; на электрически заряженных молекулах воздуха начинают образовываться из переохлаждённого пара капельки воды. В результате на всём пути полёта каждой такой частички образуется туманный след; таким образом становятся видимыми пути летящих частичек, вырывающихся из атомов.

Ещё лучший способ наблюдения и изучения различных радиоактивных процессов изобретён советскими учёными Л. Мысовским и А. Ждановым. Быстрые заряженные частички, подобно лучам света, действуют на фотопластинку. Этим и воспользовались изобретатели, предложив свой способ наблюдения невидимых частиц. Если через пластинку пролетит такая частица, она оставит на ней после проявления тонкий чёрный след.

Применяя специальные фотопластинки с толстым слоем светочувствительной эмульсии, можно после проявления пластинки проследить под микроскопом отдельные следы пролетевших через эмульсию быстрых частиц (рис. 13).

Рис. 13. Микрофотография следов излучения радия по способу Мысовского — Жданова.

Некоторые физики увидели в том, что атомы вещества оказались делимыми, разрушающимися, противоречие с материалистической философией, утверждающей вечность, неуничтожаемость материи. Атом перестал быть материальным, «материя исчезла» — утверждали они. Противники материализма с торжеством объявили, что новые открытия физики дали «научное опровержение» материализма.

Убедительный ответ всем этим мракобесам дал Владимир Ильич Ленин в своей замечательной книге «Материализм и эмпириокритицизм».

«Мир есть движущаяся материя, ответим мы, — писал Ленин, — …Разрушимость атома, неисчерпаемость его, изменчивость всех форм материи и ее движения всегда были опорой диалектического материализма. Все грани в природе условны, относительны, подвижны, выражают приближение нашего ума к познанию материи…».

В. И. Ленин указал, что новейшие достижения физики, разрушившие старое представление об атоме, как неделимой и неизменной частице, приблизили нас к познанию истинной природы материи.

Он указал также, что нельзя смешивать общее, философское понятие материи как объективной реальности с конкретным физическим понятием её, которое постоянно и неизбежно меняется с ростом нашего знания о мире.

Открытие разложимости атома говорит лишь о том, что мы должны расширить наше представление о материи, о её физическом строении.

«„Материя исчезает“ — это значит исчезает тот предел, до которого мы знали материю до сих пор, — пишет В. И. Ленин, — наше знание идёт глубже; исчезают такие свойства материи, которые казались раньше абсолютными, неизменными, первоначальными… и которые теперь обнаруживаются, как относительные, присущие только некоторым состояниям материи. Ибо единственное „свойство“ материи, с признанием которого связан философский материализм, есть свойство быть объективной реальностью, существовать вне нашего сознания».

«Признание каких-либо неизменных элементов, „неизменной сущности вещей“ и т. п. не есть материализм, а есть метафизический материализм, т. е. антидиалектический материализм».

По мере того, как человечество всё глубже познаёт окружающий мир, изменяются формы отображения этого мира в нашем сознании.

Вскоре после открытия распада атомов радия было установлено, что из кусочка радия выделяются три вида лучей, резко отличающихся друг от друга (рис. 14).

Рис. 14. Действие магнитного поля на излучение радия.

Один вид излучения — альфа-лучи, или альфа-частицы (альфа — первая буква греческого алфавита) — оказался потоком частиц с положительным электрическим зарядом. Вторая разновидность лучей радия — это не что иное, как поток быстро летящих электронов; этот вид лучей был назван бета-лучами (бета — вторая буква греческого алфавита). А третий вид излучения по своей природе подобен лучам Рентгена; это гамма-лучи (гамма — третья буква греческого алфавита).

Теперь уже ни у кого больше не было сомнений в сложном строении атомов, в том, что в состав атомов входят как отрицательно заряженные электрические частички, так и положительные.

Мало того, открытие радиоактивности (так было названо явление распада атомов радия, урана и других, открытых позднее радиоактивных элементов) дало в руки учёных незаменимое средство изучения строения атома. Помощниками учёных в этом деле оказались альфа-частицы, вылетающие из атомов радиоактивных веществ с огромной скоростью — до 22 000 километров в секунду. Эти частички были использованы в дальнейшем для бомбардировки атомов!

3. Атом под обстрелом

И вот началась труднейшая и увлекательнейшая работа по изучению атома. Учёные пошли на штурм невидимых крепостей.

К этому времени было уже известно, что легче всего из атомов удалять электроны. Значит, можно предположить, что эти частички находятся в атоме где-то в его наружных частях. Будь они далеко внутри атома, не так-то просто было бы их выбить. Но если это так, то внутри атома должны находиться другие частички, положительно заряженные.

Как же расположены в атоме эти отрицательно и положительно заряженные частички?

Чтобы узнать это, и были использованы «атомные снаряды» — альфа-частицы (альфа-частицы, как было установлено, представляют собой положительно заряженные ионы химического элемента гелия). Скорость этих частиц огромна, и можно ожидать, что при любом столкновении с атомом альфа-частица либо влетит в него, подобно пуле, и застрянет в нем, либо разрушит его, подобно снаряду. А о попаданиях и промахах можно будет судить по характеру путей «атомных снарядов».

И вот обстрел атома начался.

В первом опыте мишенью был листочек золота толщиной в одну полутысячную долю миллиметра. Чтобы наблюдать полёт альфа-частиц, за листочком золота был поставлен специальный экран, на котором были видны вспышки-удары отдельных альфа-частиц.

И как неожиданны оказались результаты первой атаки на атом!

Оказалось, что альфа-частицы, по своему весу в 7 300 раз более тяжёлые, чем электроны, пролетали через золотой листок так, словно это было пустое пространство! Выходило, что альфа-частицы совсем не сталкивались с атомами золота, словно этих атомов и не было на пути «атомных снарядов».

Правда, так вели себя не все «снаряды». Некоторые из них, пролетая мишень, слегка отклонялись от своего первоначального направления А отдельные, очень редкие, альфа-частицы оказывались и отброшенными в сторону.

Но все-таки основная масса частиц пролетала сквозь атомы золота свободно, и никакого разрушения атомов при этом не было. Обстрелянные альфа-частицами, они лишь теряли один или несколько электронов и становились положительно заряженными ионами.

После этого опыта можно было уже представить себе, как примерно должен выглядеть атом. В самом деле, результаты обстрела атомов золота говорят о том, что эти атомы далеко не сплошные; пустое пространство занимает большую часть атома. Это видно из того, что основная часть альфа-частиц пролетает через атомы, совершенно не отклоняясь. Второй вывод — внутри атома имеются какие-то препятствия, которые успевают отбрасывать в сторону некоторые «снаряды» даже за тот миг, в который альфа-частица пролетает сквозь атом. Что это могут быть за препятствия? При помощи каких сил они отбрасывают в сторону быстро несущуюся альфа-частицу? Ясно, что это силы электрического взаимодействия либо с положительно заряженными частицами атома, либо с его отрицательными частицами. Но мы уже знаем, что отрицательно заряженные частички атома — это электроны. Воздействовать сколько-либо сильно на альфа-частицу они не могут; наоборот, известно, что альфа-частицы легко выбивают электроны из атома. Значит, остаётся положительно заряженная часть атома. Но тогда она должна быть, во-первых, сосредоточена в совсем небольшом ядре — о небольшом размере ядра свидетельствует редкость прямых столкновений альфа-частиц с ним — и, во-вторых, в этом маленьком ядре должна находиться почти вся масса атома — иначе ядро атома не смогло бы отклонить пролетающие рядом альфа-частицы, оставаясь в то же время на своём месте.

Как же в таком случае должен выглядеть атом? А вот как. В центре атома находится атомное ядро; в нём заключены весь положительный заряд атома и почти вся его масса. Вокруг этого ядра вращаются отрицательно заряженные частички — электроны (рис. 15), образуя так называемые электронные оболочки.

Рис. 15. Схема атома водорода; вокруг положительно заряженного ядра вращается один электрон.

Пространство между электронными оболочками атома и его ядром не заполнено никакими частичками. Здесь действуют электрические силы взаимодействия между положительно заряженным ядром и отрицательными электронами.

Именно поэтому альфа-частицы, которыми учёные бомбардировали атомы, и пролетали в подавляющем большинстве случаев через атомы, как через пустоту. Однако сказать, что во время полёта альфа-частиц на них не действовал заряд ядра атома, нельзя. Чем ближе от ядра пролетают «атомные снаряды», тем сильнее сказывается действие электрических сил, исходящих из ядра.

Ведь как альфа-частицы, так и ядро атома заряжены положительно; значит, силы взаимодействия между ними отталкивают их друг от друга. Правда, силы эти становятся особенно заметными лишь в тех случаях, когда «атомный снаряд» пролетает в непосредственной близости от ядра. Во всех же остальных случаях электрические силы, исходящие из ядра, почти не успевают подействовать на быстро пролетающую частичку, не успевают отклонить ее.

Последующие опыты бомбардировки атомов дали учёным возможность вычислить и размер атомного ядра. Оказалось, что, хотя размеры ядер у различных химических элементов и отличаются несколько друг от друга, в среднем размер ядра в десятки тысяч раз меньше размера атома.

Получается, что ядро занимает приблизительно 1/100 000 000 000 000 часть объема атома!