Под знаком кванта. - Леонид Иванович Пономарёв
Сами Кирхгоф и Бунзен уже в следующем году с помощью спектроскопа открыли два новых элемента: рубидий и цезий.
В дальнейшем из скромного наблюдения над желтой двойной D-линией натрия родился спектральный анализ, с помощью которого мы сейчас можем узнавать химический состав далеких галактик, измерять температуру и скорость вращения звезд и многое другое.
Все это действительно интересно, но сейчас нам важно понять другое: что дали открытия Кирхгофа и Бунзена для науки об атоме и какова их связь с нашими прежними знаниями о нем?
Мы знаем теперь два вида спектров: сплошной (или тепловой) и линейчатый. Тепловой спектр содержит все длины волн, излучается он при нагревании твердых тел и не зависит от их природы. (Именно этот спектр описывается формулой Планка.) Линейчатый спектр состоит из набора отдельных резких линий, возникает при нагревании газов и паров (когда малы взаимодействия между атомами), и — что особенно важно — этот набор линий уникален для любого элемента. Более того, линейчатые спектры элементов не зависят от вида химических соединений, которые из этих элементов составлены. Следовательно, причину и объяснение спектров надо искать в свойствах атомов.
То, что элементы однозначно и вполне определяются видом линейчатого спектра, вскоре признали все; но то, что этот же спектр характеризует отдельный атом, осознали не сразу, а лишь в 1874 г. благодаря работам знаменитого английского астрофизика Нормана Локьера (1836—1920), хотя еще раньше те же мысли высказывали Максвелл (1860 г.) и Больцман (1866 г.). А когда осознали, сразу же пришли к неизбежному выводу: если линейчатый спектр возникает как следствие процессов внутри атома, то атом должен иметь структуру!
ИОНЫ
В 1865 г., когда появились работы Йозефа Лошмидта, об атомах знали немного: их представляли себе в виде твердых шариков с диаметром 10-8 см и массой от 10-24 до 10-22 г. Каждому такому «шарику» приписывали «атомный вес» — число, которое показывает, во сколько раз он тяжелее атома водорода. Например, атомный вес кислорода равен 16, а гелия — 4. Отсюда просто заключить, что в 1 г водорода, в 4 г гелия или в 16 г кислорода содержится одинаковое число атомов водорода, гелия, кислорода. Это число = 6,022·1023 (названное числом Авогадро в честь итальянского ученого XIX века) связано с числом Лошмидта соотношением
NΑ = L∙22414,1,
то есть число Авогадро равно числу молекул газа в объеме 22,4 л при температуре таяния льда и нормальном атмосферном давлении.
Представлений об атомах — твердых шариках — было достаточно для объяснения многочисленных фактов из химии, теории теплоты и строения материи. Однако уже к 1870 г. вполне оформилась мысль, что атом состоит из еще более простых частиц, и физики принялись их искать. Прежде всего они стали исследовать электрические свойства атома.
Все вещества, как правило, электрически нейтральны (если, конечно, специально не натирать стекло шелком, янтарь шерстью и тому подобное). Однако при некоторых условиях они обнаруживают электрические свойства, например в явлениях электролиза.
Если в расплав какой-либо соли (например, поваренной NaCl) опустить два электрода и подключить их к полюсам батареи, то в расплаве произойдут изменения: на катоде (электроде, который подключен к отрицательному полюсу батареи) начнет выделяться чистый металл натрий, на аноде — газ хлор. Это означает, что в расплаве атомы натрия заряжены положительно, а атомы хлора — отрицательно, и поэтому под действием электрического поля они двигаются в противоположных направлениях.
Майкл Фарадей (1791 —1867) в 1834 г. установил количественные законы этого явления. Оказалось, что если через растворы различных веществ, молекулы которых построены из одновалентных атомов, пропускать одно и то же количество электричества, равное
96 485 Кл =2,895∙1014 ед. СГСЭ,
то на электродах всегда выделяется одинаковое число атомов, равное 6,022∙1023. Масса выделившегося вещества будет при этом, конечно, разной, поскольку массы атомов различаются между собой. Например, из расплава соли при этом выделится 23 г металла натрия и 37,5 г газа хлора. Величина, равная произведению постоянной Авогадро NA на элементарный электрический заряд электрона е, называется постоянной Фарадея:
F = NA е=96 485,3 Кл/моль.
Закон электролиза Фарадея легко понять, если предположить, что в расплаве NaCl с каждым атомом связан определенный заряд, причем для ионов Na+ и Сl- эти заряды равны и противоположны по знаку. (Название ион — «странник» — таким «заряженным» атомам дал Фарадей по совету известного историка науки Уильяма Уэвелла (1794—1866), автора знаменитой «Истории индуктивных наук», который предложил также термины анион и катион и столь привычные теперь анод и катод.)
Зная закон Фарадея, не составляет труда вычислить заряд, который переносит с собой каждый одновалентный ион; легко сообразить, что он равен
Это значение очень мало, но мы уже немного привыкли к таким малым числам. Более удивительно другое: заряда меньшего, чем этот элементарный заряд е, обнаружить в природе до сих пор не удалось. С легкой руки Джонстона Стонея (1826—1911) в 1891 г. это наименьшее количество заряда получило название «электрон».
ЛУЧИСТАЯ МАТЕРИЯ
Первоначально со словом «электрон» не связывали понятия о частице. Оно служило лишь для обозначения того наименьшего количества заряда, которое может переносить с собой ион любого атома. Однако подспудно мысль о том, что электрон — частица, всегда жила. Действительно, проследите мысленно процесс электролиза: вот ион натрия Na+, двигаясь в расплаве под действием электрического поля, подходит к катоду; на катоде избыток отрицательных зарядов, поэтому в момент, когда ион Na+ его касается, он забирает от катода один отрицательный заряд и, не меняя массы, выделяется в виде нейтрального атома натрия. Попробуйте теперь вообразить сам момент перехода отрицательного заряда от катода к иону Na + : что добавляется к иону, когда он без изменения массы становится нейтральным?
Представить себе этот процесс довольно трудно, если не предположить при этом, что элементарный заряд может существовать и вне атома. Эту трудность сознавали, конечно, все, но признать атомарное строение электричества было еще труднее, ибо при этом рушились
