§ 3. Успехи в изучении микроскопических явлений и появление квантов в физике

На рубеже нового века усилия экспериментаторов были направлены на разрешение двух тесно связанных проблем: выяснения истинной микроскопической структуры вещества и законов взаимодействия материальных корпускул между собой и с электромагнитным полем.

Первые данные, касающиеся строения вещества, были получены при исследовании лучей, возникающих при электрических разрядах в разреженных газах, так называемых катодных и каналовых лучей, которые в действительности оказались потоками электрически заряженных корпускул, движущихся с большей или меньшей скоростью. Так был открыт электрон (Дж. Дж. Томсон, 1897 г.) — частица катодного излучения; было изучено его поведение в присутствии электромагнитного поля и построена полная теория взаимодействия между электроном и электромагнитными волнами (теория электрона Лоренца).

Постепенно само существование атомов и молекул, которое долгое время рассматривалось только как удобная рабочая гипотеза, было осознано как объективная реальность. Наиболее убедительным доказательством явилось изучение броуновского движения — беспорядочного движения очень малых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в жидкости или газе; это

движение возникает благодаря многочисленным беспорядочным столкновениям частиц с молекулами окружающей среды, оно как бы воспроизводит наглядно молекулярное движение и может быть количественно связано (Эйнштейн, Смолуховский, 1905 г.) со статистическими законами движения самих молекул среды.

Систематические измерения Перрена (1908 г.) подтвердили эту гипотезу и позволили произвести новые и согласующиеся между собой измерения числа Авогадро. После этого решающего успеха физики более не сомневались в существовании атомных и субатомных частиц. Были разработаны экспериментальные методы разной степени сложности, позволяющие наблюдать отдельные явления на микроскопическом уровне и считать отдельные микроскопические частицы (измерение элементарного заряда электрона Милликеном в 1910 г., первые наблюдения траекторий заряженных частиц в камере Вильсона в 1912 г., первый счетчик Гейгера в 1913 г.). Эти методы «прямого» наблюдения продолжали совершенствоваться в дальнейшем, они и в наше время составляют важную часть экспериментальной техники для изучения микроскопических явлений.

В то же время новая глава физики была открыта при обнаружении радиоактивности (1896 г.) - первого известного проявления свойств атомных ядер. Важное само по себе, это открытие дало в руки физиков мощное орудие исследования структуры атома, а именно — -излучение, состоящее из ядер атомов гелия, движущихся с большой скоростью. Направляя -излучение на различные мишени, Резерфорд (1911 г.) произвел систематическое исследование рассеяния а-частиц атомами и сумел таким путем построить первую современную модель атома.

Атом Резерфорда состоит из центрального ядра крайне малых размеров ( см), вокруг которого движется некоторое число электронов. Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. Ядро обладает положительным электрическим зарядом который в точности компенсирует полный заряд совокупности электронов — так что в целом атом оказывается электрически нейтральным. Атом Резерфорда похож, таким образом, на солнечную систему в миниатюре, где гравитационные силы заменены на силы электромагнитные. Под действием этих сил — кулоновского притяжения со стороны ядра и кулоновского взаимного отталкивания — электроны движутся вокруг ядра по устойчивым орбитам, размеры которых порядка атомных размеров, т. е. см.

Параллельно с упрочением корпускулярных представлений о строении вещества происходит углубление знаний об электромагнитном излучении. Спектр известных электромагнитных волн расширяется в направлении более коротких длин волн с открытием рентгеновских лучей (Рентген, 1895 г.), волновая природа которых устанавливается опытами по дифракции в кристаллах (фон Лауэ, 1912 г.). Для полноты упомянем еще -излучении радиоактивных веществ, электромагнитная природа которого была установлена только значительно позже (на рис. 1 представлена полная шкала электромагнитного излучения различных длин волн). Совершенствуются методы спектрального анализа, позволившие накопить большое количество информации относительно процессов испускания, рассеяния и поглощения света веществом, т. е. относительно взаимодействия между веществом и излучением на микроскопическом уровне. Уже упомянутая теория электронов Лоренца, т. е. теория заряженных частиц во взаимодействии с электромагнитным полем, позволяет в принципе объяснить все эти явления. Но именно в сравнении предсказаний этой теории с результатами эксперимента проявились первые противоречия между классической теорией и опытом.

Рис. 1. Шкала длин волн электромагнитного излучения.

Первые трудности возникли при изучении спектрального распределения электромагнитного излучения, находящегося в термодинамическом равновесий с веществом. Типичным примером является случай абсолютно черного тела; по определению — это тело, поглощающее все падающее на него излучение. Самые общие термодинамические рассуждения показывают, что излучение, испускаемое абсолютно черным телом, зависит только от температуры этого тела. Спектральное распределение интенсивности излучения абсолютно черного тела имеет, таким образом, всегда один и тот же вид и может быть выведено методами статистической термодинамики из общих законов взаимодействия между веществом и излучением. Формула, получаемая классической теорией, находится в резком противоречии с опытом. В 1900 г. Планку удалось устранить это противоречие, но ценой отказа от классического

закона взаимодействия между веществом и излучением. Он выдвинул гипотезу о том, что обмен энергией между веществом и излучением происходит не непрерывным образом, а путем передачи дискретных и неделимых порций энергии, или квантов энергии. Планк показал, что квант энергии пропорционален частоте излучения

и получил согласующееся с опытом выражение для спектрального распределения, выбирая соответствующим образом постоянную пропорциональности. Эта постоянная с тех пор называется постоянной Планка. Она имеет размерность действия (энергия X время или импульс X длина). В дальнейшем мы будем использовать постоянную

При появлении гипотезы Планка она казалась неприемлемой, подавляющее большинство физиков видело в ней только удобный математический прием, который в дальнейшем удастся объяснить на основе классической доктрины. Даже видимый успех теории Планка в объяснении результатов опыта не мог служить неопровержимым доказательством того, что обмен энергией между веществом и излучением действительно происходит квантами — закон распределения Планка есть макроскопический закон, полученный на основе гипотезы о квантах статистическими методами; он может служить лишь косвенным подтверждением гипотезы. Можно было поставить под сомнение квантовую гипотезу, подобно тому как многие годы из-за отсутствия прямых экспериментов на микроскопическом уровне вызывала сомнения гипотеза об атомном строении вещества. Однако гипотеза Планка была в дальнейшем подтверждена и дополнена целой серией опытов, позволивших анализировать элементарные процессы и доказать скачкообразность и прерывность эволюции физических систем на микроскопическом уровне, где классическая теория предсказывала непрерывную эволюцию.