Матвей Петрович Бронштейн

Этой книгой Академия наук СССР начинает издание новой серии научно-популярных книг. Предназначены эти книги главным образом для школьников - учеников старших классов. Но мы надеемся, что большинство книг будут интересны и многим другим читателям - учителям, студентам, всем тем, кто интересуется естественными науками, их успехами и историей.

Серия создана по инициативе редколлегии популярного в нашей стране журнала «Квант» и ставит перед собой те же цели, что и этот журнал. Главные из них - формирование у читателя марксистско-ленинского мировоззрения, коммунистических черт личности, пробуждение интереса к активным занятиям физикой, математикой, астрономией и оказание помощи в этих занятиях.

Для того чтобы эти цели были достигнуты, читателю нужно не просто читать книги, но и работать над ними - решать задачи, доказывать теоремы, ставить описанные опыты.

Мы надеемся, что эта серия поможет нашей молодежи в овладении знаниями, необходимыми теперь в любой сфере их будущей деятельности.

Мы ждем от читателей предложений, замечаний и советов, какие книги следует издать, на какие темы. Все эти предложения будут приняты с благодарностью.

Редколлегия серии

Книга, предлагаемая вниманию читателей, впервые увидела свет в 1935 г. Она предназначалась для школьников старших классов, а ее автор был примерно в два раза их старше: Матвею Петровичу Бронштейну в то время не было еще 30 лет. Он работал в Ленинграде, в теоретическом отделе прославленного Физико-технического института, который справедливо называют колыбелью советской физики. Исследования Бронштейна охватывали целый ряд областей теоретической физики - астрофизику, физику полупроводников и атомных ядер.

Сейчас вошло в моду слово «хобби» - увлечение, часто не имеющее ничего общего с основной профессией человека. Одним из самых сильных увлечений М. П. Бронштейна была популяризация физики. К 1936 г. вышли четыре его книги для юношества. Одна из них особенно полюбилась читателям и сделала имя автора известным далеко за пределами того сравнительно небольшого в 30-е годы круга физиков, в котором Матвея Петровича и без того хорошо знали.

Эта книжка - «Солнечное вещество» - о необыкновенной истории открытия благородного газа гелия - была переиздана в 1959 г. В предисловии к ней Л. Д. Ландау, товарищ Бронштейна по Ленинградскому университету и Физико-техническому институту, писал: «Книга «Солнечное вещество», принадлежащая перу безвременно погибшего талантливого физика Матвея Петровича Бронштейна,- незаурядное явление в мировой популярной литературе. Она написана с такой простотой и увлекательностью, что читать ее, пожалуй, равно интересно любому читателю - от школьника до физика-профессионала. Раз начав, трудно остановиться и н дочитать до конца». Л. Д. Ландау убедился в этом на собственном опыте, подготавливая книгу к переизданию. В это время он был ведущим в нашей стране физиком-теоретиком, «профессионалом» самого высокого класса, академиком, Героем Социалистического Труда; в 1962 г. его работы по исследованию жидкого гелия Шведская Академия наук удостоит Нобелевской премии по физике.

Книга М. П. Бронштейна «Атомы, электроны, ядра» отличается теми же высокими достоинствами и блеском, что и «Солнечное вещество». Матвей Петрович сравнивает в ней ученых с искусными сыщиками, умеющими по самым незначительным и незаметным следам раскрывать картину физического явления, задавать Природе такие вопросы, чтобы ответы на них восстанавливали всю цепь событий, приводящих к результату, зафиксированному в искусном эксперименте. Эта книга читается как талантливо, прекрасным языком написанный детективный роман. Только действующие лица этого романа, за которыми следят внимательные и проницательные ученые, не преступники, а атомы, электроны, ядра.

Есть два рода хороших книг. От одних через много лет сохраняется общее благоприятное впечатление, другие же запоминаются даже в деталях. Быть может, это индивидуальная особенность памяти, но, так или иначе, книгу Матвея Петровича, впервые прочитанную более 30 лет тому назад, я сразу же запомнил во всех подробностях. Еще одно наблюдение: книги, понравившиеся в детстве, могут произвести совершенно иное впечатление при повторном чтении, уже в зрелые годы. Многие из опасения утраты таких впечатлений воздерживаются от перечитывания когда-то любимых авторов и книг - вне зависимости от того, относятся ли эти книги к жанру художественной или научно-популярной литературы. В последнем случае, пожалуй, такие опасения особенно основательны. Ведь за годы, прошедшие от юности до «взрослости», быстро развивающаяся наука может настолько далеко уйти вперед, что упрощенными оказываются сами теории и концепции, а не только популярная их трактовка, как бы хорошо она ни была выполнена.

Книги М. П. Бронштейна блестяще выдерживают испытание временем. Через тридцать с лишним лет после первого знакомства с «Атомами, электронами, ядрами» я с не меньшим удовольствием прочел эту книгу, хотя и по-другому оценивая те или иные ее разделы и абзацы. Причина здесь, помимо очевидного таланта Матвея Петровича, которого - вслед за С. И. Вавиловым, Я. И. Перельманом, А. Е. Ферсманом - следует считать одним из пионеров советской научно-популярной литературы, еще и в том, что из прогресса науки совсем не следует необходимость отказа от всех ее предшествующих завоеваний. Развитие исследований в области микромира может служить тому хорошим подтверждением. Открытия Рентгена, Беккереля, супругов Пьера и Марии Кюри, Резерфорда по-прежнему составляют фундамент ядерной физики, являясь первой и замечательной главой ее истории.

Необычайно углубились наши сведения об элементарных частицах, из которых построена материя, были открыты - с тех пор, как книга Бронштейна увидела первое издание - десятки новых удивительных частиц, обнаружено явление цепного распада урана, синтезированы заурановые элементы периодической системы Менделеева, нашли техническое применение силы, заключенные в ядрах атомов. Но все это не поколебало значения всколыхнувших воображение современников открытий, сделанных в последние годы прошлого и первые десятилетия нашего века, о которых и рассказано в книге Бронштейна. В настоящем выпуске «Библиотечки «Квант» публикуется ее первая часть; вторая часть, содержащая увлекательный рассказ о ядрах и их штурме, будет издана позднее.

Теперь - небольшая биографическая справка о Матвее Петровиче Бронштейне. Он родился в 1906 г. в Виннице в семье врача. Его детство пришлось на годы первой мировой войны, революции и гражданской войны - он практически не учился в средней школе и прошел ее программу самостоятельно. Работая на заводе в Киеве, молодой человек заинтересовался физикой; первые его шаги на этом поприще направлял известный советский физик Петр Саввич Тартаковский. Девятнадцатилетним юношей, студентом электромеханического техникума, Бронштейн опубликовал свою первую работу, посвященную спектру рентгеновского излучения. Она была напечатана в известном в те годы немецком физическом журнале. Именно на его страницах - и примерно в то же время - были опубликованы знаменитые работы Гейзенберга и Борна, с которых началась современная квантовая механика. В нем постоянно печатались в 20-е годы советские физики; иногда их статьи занимали около трети объема журнала: экспериментальная и теоретическая физика страны Советов выходила на международную арену.

Творческая активность Бронштейна была удивительной: три статьи оп опубликовал в 1925 г., еще три - в следующем. Двадцатилетним студентом первого курса физико-математического факультета Ленинградского государственного университета оп был, таким образом, автором шести статей по квантовой физике!

Блестяще закончив университет, Бронштейн в 1930 г. поступил в теоретический отдел Физико-технического института.

В ноябре 1935 г. - в год выхода книги «Атомы, электроны, ядра» - Матвей Петрович Бронштейн защитил докторскую диссертацию на тему о квантовании гравитационного поля. Одним из оппонентов Бронштейна был член-корреспондент АН СССР И. Е. Тамм, впоследствии - академик, Герой Социалистического Труда, лауреат Нобелевской премии по физике. В своем отзыве о работе диссертанта он писал: «В диссертации М. П. Бронштейна впервые, и притом совершенно последовательным и исчерпывающим образом, произведено квантование поля тяготения - путем соответствующего изменения и обобщения методов квантовой электродинамики». Матвей Петрович ввел понятие о квантах гравитационного поля _ гравитонах, аналогичных квантам электромагнитного поля - фотонам. Подобно тому, как квантовая электродинамика рассматривает электромагнитное взаимодействие как результат обмена фотонами, так и тяготение, по Бронштейну, есть результат обмена гравитонами между тяготеющими массами: гравитоны испускаются одним телом и поглощаются другим.

К этим работам Бронштейна в наши дни вновь обращаются в связи с успехами современной астрофизики. Во всем мире идут настойчивые поиски гравитационных волн и разрабатываются утонченные методы их регистрации. Внешним показателем значительности вклада Матвея Петровича в развитие этой области теории тяготения может служить то обстоятельство, что его статья, содержавшая изложение основных результатов докторской диссертации, опубликованная в 1936 г., включена в сборник основополагающих работ по теории тяготения, изданный в 1979 г. в нашей стране в связи со 100-летним юбилеем со дня рождения Альберта Эйнштейна.

Время прихода М. П. Бронштейна в ФТИ совпало с развитием в институте исследований по атомному ядру и физике полупроводников. В работах обоих этих направлений Матвей Петрович принимал деятельное участие. Он был одним из руководителей и, пожалуй, самым активным участником ядерного семинара ФТИ.

Бронштейн пользовался большим авторитетом не только у своих коллег: его талант оценил Нильс Бор во время своего первого визита в нашу страну в мае 1934 г. Ранняя смерть (1938 г.) трагически оборвала его работу в области теоретической физики как раз тогда, когда от него можно было ожидать особенно больших свершений: это было время «бури и натиска»- в ядерной физике и физике полупроводников, это была заря современной астрофизики.

Прекрасный физик, Матвей Петрович был человеком блистательных гуманитарных способностей и удивительной памяти. Ему никогда и ничего не надо было перечитывать: прочитав, он запоминал навсегда. Корней Иванович Чуковский в шутку говорил, что, если бы погибла цивилизация, Матвей Петрович мог бы заново написать всю энциклопедию - от первого и до последнего тома.

Бронштейн читал в подлиннике «Дон-Кихота» и физические статьи на японском языке, переводил с латинского на русский стихи замечательного поэта Древнего Рима - Катулла и украинских поэтов. Прекрасно знал и любил русскую поэзию и выделял из поэтов нашего века Александра Блока.

В этой книжке вы найдете рассказы о проницательных сыщиках, разгадывающих самые головоломные загадки, самые непонятные тайны на свете. Нo только не думайте, что эта книжка будет похожа на другие книжки о сыщиках - на книжки об отважном Нате Пинкертоне или о хладнокровном Шерлоке Холмсе, о которых вы с таким увлечением читали в детстве. Сыщики, которых вы встретите здесь, очень мало напоминают обычных героев детективных книжек. Они не служат в полиции, не преследуют по пятам знаменитых преступников, не носят револьвера в кармане и полицейского значка под отворотом пиджака. Возможно, что они даже удивились бы, если бы узнали, что их называют сыщиками. Они - ученые люди, по целым дням сидящие в лабораториях, склоняясь над своими приборами, фотографическими снимками, листами с вычислениями. Да и тайны им приходится раскрывать не такие, как Шерлоку Холмсу или Нату Пинкертону. В этой книжке не будет ни загадочных пятен крови на измятой траве, говорящих о нераскрытом убийстве, не будет таинственных подземелий, адских машин, поддельных банковских чеков. Тайны, с которыми имеют дело герои нашей книжки, совсем не такие: это тайны невидимых маленьких частиц, из которых построено все на свете: вода, воздух, лед, железо, дерево, да и мы сами,- это тайны электричества, тайны лучей света, тайны далеких мерцающих звезд. Многие из этих тайн еще и до сих пор не разгаданы; другие разгаданы уже давно, третьи - совсем недавно. Для того чтобы разгадать эти тайны, нашим сыщикам понадобилось еще больше проницательности, остроумия, упрямства, настойчивости и мужества, чем понадобилось бы самому Шерлоку Холмсу для того, чтобы раскрыть самое загадочное преступление на свете.

Как и всякая другая книжка о сыщиках, наша книжка начинается с головоломной загадки, которую нашим сыщикам предстояло разгадать. Дело было зимой, в самом начале 1896 года. Эта зима была одной из самых замечательных зим в истории: в течение этой зимы немецкий профессор Рентген сделал поразительное открытие, навеки обессмертившее его имя,- открытие лучей, которые теперь всем известны под названием рентгеновских. Сейчас уже все привыкли к этим лучам, которые свободно проходят через дерево, через человеческое тело, через тонкие металлические листики,- все мы много слышали о рентгеновских лучах и давно перестали им удивляться,- но представьте себе, как удивились люди, слышавшие об этом открытии в первый раз!

Среди людей, которых восхитило и поразило до глубины души великое открытие Рентгена, был и тот, с приключений которого начинается наша книжка. Он был профессором химии в Париже. Звали его Анри Беккерель.

20 января 1896 года - день, когда начинается история, которую мы хотим рассказать,- Анри Беккерель отправился, по своему обыкновению, на собрание Парижской Академии наук. Собрание должно было быть очень интересное: все знали, что один из академиков - знаменитый математик Пуанкаре - получил от самого Рентгена подробное письмо о только что открытых лучах. К письму Рентген приложил фотографические снимки: это были первые фотографии, сделанные не обыкновенными видимыми лучами света, а рентгеновскими лучами. В повестке, которая была заранее разослана всем парижским ученым, было напечатано, что на этом собрании Пуанкаре прочитает вслух полученное им письмо и покажет фотографии. Задолго до начала заседания огромный зал Парижской Академии наук был переполнен. Сюда пришли не только профессора, но и студенты многочисленных высших школ города Парижа, пришли с неизменными своими блокнотами и маленькими фотографическими; аппаратами корреспонденты всех газет, чтобы в тот же день поместить в вечерних выпусках сенсационные отче ты о заседании Академии и о письме знаменитого Рентгена, пришла и просто любопытствующая публика -«публика с улицы», как ее презрительно называли студенты и профессора. Когда в наступившей тишине Пуанкаре начал громко читать по-немецки получении им письмо, все присутствующие приложили к уху ладони чтобы получше расслышать (а особенно внимательны вид был у тех, которые ни слова не понимали по-немецки но ни за что не хотели в этом признаться). Но вот чтение окончилось и среди известных парижских ученых, сидевших в первых рядах кресел, началось публичное обсуждение письма Рентгена. В этом обсуждении принял участие и Беккерель. Его очень заинтересовал вопрос о том, из какого именно места рентгеновской трубки выходят открытые Рентгеном лучи. А нужно сказать, что эта трубка была не такая, как те усовершенствованные рентгеновские трубки, которые употребляются теперь. В теперешних трубках то место, из которого во всё стороны расходятся рентгеновские лучи,- это массивный кусок тугоплавкого металла. А в первой трубке, которую построил Рентген, лучи расходились от одного местечка на стекле трубки. Когда трубка работала, на ее стеклянной стенке появлялось маленькое светящееся пятнышко. Оно светилось холодным зеленовато-желтым светом, и как раз от него во все стороны расходились рентгеновские лучи. Сами рентгеновские лучи невидимы глазу, но зелено-желтое свечение на стекле трубки, конечно, видимо, и, значит, одно и то же местечко на стекле трубки испускает и видимые глазу лучи зеленовато-желтого света, и невидимые рентгеновские лучи. Вот это-то холодное зелено-желтое свечение на стеклянной стенке трубки, о котором говорил в своем письме Рентген, страшно поразило Беккереля - он даже прервал чтение Пуанкаре и попросил его снова перечесть поразившее его место письма. И Беккерелю пришла в голову неожиданная мысль: а что, если свечение стекла рентгеновской трубки как раз и есть настоящая причина испускания рентгеновских лучей? Эта мысль взволновала Беккереля. Холодное зеленовато-желтое свечение, испускаемое стеклянной стенкой трубки, о котором говорилось в письме Рентгена, напомнило Беккерелю другой, хорошо ему знакомый свет - свет, испускаемый «флюоресцирующими» веществами. Флюоресцирующие вещества - вот что было любимой научной специальностью Анри Беккереля, постоянным предметом его мыслей, разговоров и даже ночных снов, что же это за такие вещества, изучению которых Беккерель посвятил несколько десятков лет своей жизни?

Флюоресцирующие вещества - это такие, которые в темноте не светятся, но стоит только поставить их на яркий солнечный свет, как они начинают светиться. Существует, например, такой минерал флюорит (его еще иначе называет плавиковым шпатом); сам по себе он не светится, но, как только на него попадут яркие солнечные лучи, он тотчас же начинает испускать синевато-фиолетовый свет. Флюорит - это одно из самых известных флюоресцирующих веществ; даже самое слово «флюоресцировать» происходит от слова «флюорит»: оно, собственно говоря, означает «вести себя как флюорит». Многие другие вещества тоже сильно флюоресцируют: например, раствор сернокислого хинина, выставленный на солнце, светится голубыми лучами, раствор хлорофилла - красными. Флюоресцирует даже и обыкновенный керосин, хотя довольно слабо: если бутылку с керосином поставить на солнце, то она начинает испускать слабенькое синее сияние.

Обо всех этих веществах вспомнил Анри Беккерель, как только услышал о зеленовато-желтом свете, похожем на свет флюоресцирующих веществ (так и писал Рентген в своем письме), которым сопровождается испускание рентгеновских лучей. «Как знать,- подумал Беккерель,- может быть, флюоресценция и рентгеновские лучи всегда неразлучны; может быть, не только стекло рентгеновской трубки, флюоресцируя, испускает рентгеновские лучи, но и плавиковый шпат, и сернокислый хинин, и хлорофилл, и даже самый обыкновенный керосин, который торговцы развозят в своих тележках по парижским улицам и продают домашним хозяйкам,- может быть, даже и этот керосин испускает рентгеновские лучи в то время, как флюоресцирует на солнечном свету». Вот какая мысль запала в голову Беккереля, и он в волнении ушел домой, решив поскорее приступить к опытам, чтобы проверить свою догадку.

Несколько дней размышлял Беккерель о том, какой бы сделать опыт, чтобы узнать, действительно ли флюоресцирующие вещества испускают и рентгеновские лучи в то самое время, пока они светятся. В конце концов Беккерель придумал вот что: он возьмет фотографическую пластинку, завернет ее в черную бумагу для того, чтобы ни один солнечный луч не мог упасть на эту пластинку, положит сверху кусок какого-нибудь флюоресцирующего вещества, а затем выставит все это на солнце. Если верно, что флюоресцирующее вещество, освещенное солнцем, не только светится видимым светом, но и испускает невидимые глазу рентгеновские лучи, то эти лучи пройдут через черную бумагу и отпечатаются на фотографической пластинке. Если же рентгеновских лучей нет, то ничего на пластинке не отпечатается - ведь от всех видимых лучей она прекрасно защищена обверткой из черной бумаги. Надо сказать, что за много лет своей работы над флюоресцирующими веществами Анри Беккерель собрал огромнейшую коллекцию этих веществ: нигде в мире, ни в одном музее не было такой. Долго стоял Беккерель перед своим шкафом с флюоресцирующими веществами, желая выбрать такое, которое флюоресцировало бы посильнее. «Вероятно,- думал Беккерель,- чем сильнее вещество флюоресцирует, тем больше оно испускает рентгеновских лучей, а значит, мне будет тем легче и удобнее их обнаружить». Наконец, после долгих колебаний, он остановился на веществе, которое он когда-то - лет за пятнадцать перед этим - сам приготовил в своей химической лаборатории. Это вещество называлось «двойная сернокислая соль урана и калия». У Беккереля было несколько лепешек этого вещества с таким длинным названием. Все они прекрасно флюоресцировали: стоило только им попасть на солнце, как они начинали испускать яркое зеленое сияние. Беккерель положил лепешку с двойной сернокислой солью урана и калия на фотопластинку, завернутую в черную бумагу, и выставил все это на солнце. Через несколько часов он проявил и отфиксировал пластинку. К его радости, оказалось, что на пластинке действительно отпечаталось изображение лепешки. Выходило, что он был прав: флюоресцирующие вещества действительно испускают рентгеновские лучи.

Беккерель был очень доволен собой: ведь столько лет никто (да и он сам) не замечал, что флюоресцирующие вещества испускают рентгеновские лучи, и вот теперь ему впервые посчастливилось это заметить. Но все-таки он не торопился напечатать в журнале Академии наук сообщение о своем открытии. Как часто бывает, что самое несомненное, казалось бы, открытие потом оказывается просто ошибкой! Поэтому Беккерель решил повторить свой опыт еще раз, и еще раз, пока, наконец, он не убедится, что все это действительно так и что никакой ошибки быть не может. Он взял несколько еще нетронутых фотопластинок, завернул их в черную бумагу и стал их выставлять на солнце, положив на каждую из них кусочек флюоресцирующего вещества. Такие опыты он делал довольно долго - несколько недель, как вдруг случилось странное происшествие, которое показало Беккерелю, что дело не так просто, как ему казалось раньше. Произошло вот что: пока Беккерель трудился в своей лаборатории, придумывая все новые и новые опыты для изучения тех рентгеновских лучей, которые испускает флюоресцирующая, лепешка двойной сернокислой соли урана и калия, наступили пасмурные дни. Напрасно Беккерель выносил на балкон свои фотографические пластинки с лепешками сернокислой соли,- солнце было закрыто тучами, и лепешки упорно не хотели флюоресцировать. Пришлось Беккерелю прекратить свои опыты, запереть все свои пластинки и лепешки в ящик стола и ждать солнечных дней.

1 марта 1896 года Беккерель (от скуки или от нечего делать) вздумал проявить одну из таких фотопластинок, положенных им в ящик письменного стола. Эту фотопластинку он пробовал за несколько дней перед этим - 26 февраля - выставить на солнце вместе с лепешкой сернокислой соли; пластинка была, как всегда, завернута в черную бумагу, а между ней и лепешкой он еще положил маленький медный крестик для того, чтобы узнать, смогут ли рентгеновские лучи, испускаемые лепешкой, пройти не только через черную бумагу, но и через слой меди. Солнце показывалось из-за туч очень редко, а потому Беккерель очень скоро убрал свою пластинку в ящик вместе с лежащим на ней крестиком и лепешкой.

Когда через несколько дней, 1 марта, Беккерель вздумал проявить эту пластинку, он ожидал, что изображение лепешки, которое отпечатается на пластинке, будет очень слабенькое: ведь солнце появлялось на короткое время," и лепешка флюоресцировала очень недолго. Но когда пластинка была проявлена и Беккерель на нее взглянул, он едва от удивления не выронил ее из рук: на пластинке отпечаталось резкое темное изображение лепешки - такое резкое, какое никогда не получалось в прежних опытах Беккереля, в которых лепешка ярко флюоресцировала в течение нескольких часов. А на фоне темного изображения лепешки выделялось светлое изображение креста: лучи, испускаемые лепешкой, не смогли пройти сквозь медь креста, как прошли через черную бумагу, и поэтому под крестом пластинка осталась такой, какой была,- незачерненной.

Удивление Беккереля было безгранично. Ведь, лежа в темном ящике стола, лепешка не могла флюоресцировать, как она флюоресцирует на солнечном свету, а между тем изображение па фотопластинке получилось резкое и отчетливое, как будто бы невидимые лучи, проходящие через черную бумагу, действовали на пластинку очень долго. Выходило, что лепешка продолжала и в темноте посылать свои невидимые глазу лучи, действующие на фотографическую пластинку. Зачем же было тогда выставлять лепешку на солнце, когда даже в темноте она испускает те же самые лучи? Лепешка двойной сернокислой соли урана и калия - и на солнце, когда она ярко флюоресцирует, .и в темноте, когда она не светится вовсе,- одинаково испускает какие-то невидимые глазу лучи, похожие на лучи Рентгена. Вот какой неожиданный для себя вывод должен был сделать Анри Беккерель в этот пасмурный день 1 марта 1896 года. Его первоначальная догадка о том, что флюоресценция неразлучно связана с испусканием рентгеновских лучей, все-таки в конце концов оказалась неверной. Ио вместе с тем Беккерель увидел, что двойная сернокислая соль урана и калия обладает каким-то загадочным свойством, о котором до тех пор никто не подозревал.

И вот Беккерель принимается за новую работу: он должен исследовать открытое им свойство двойной сернокислой соли урана и калия, найти, с чем это свойство связано, какие особенности двойной сернокислой соли урана и калия делают ее способной испускать невидимые глазу лучи. И Беккерель роется в своей коллекции флюоресцирующих веществ, берет оттуда одно вещество за другим и делает с каждым таким веществом опыт: не испускает ли и оно такие же лучи, какие испускает двойная сернокислая соль урана и калия? Несколько недель напряженной работы, и Беккерель приходит к следующему заключению: из всех флюоресцирующих веществ, взятых им для опыта, только те испускают невидимые глазу лучи, в состав которых входит уран (уран - это металл, который вместе с другим металлом - калием - входит в состав двойной сернокислой соли урана и калия). Флюоресцирующие вещества, в которых нет урана, не испускают никаких невидимых глазу лучей,- держать ли их па солнце или в темном шкафу,- а те флюоресцирующие вещества, в которых содержится уран, всегда испускают невидимые лучи, заставляющие -фотографическую пластинку чернеть,- даже если она завернута в плотную бумагу. И они испускают эти невидимые лучи и днем и ночью, совершенно независимо от того, освещены ли они и светятся ли они или нет.

Оставалось сделать еще последний шаг - взять какое-нибудь вещество, которое содержит в себе уран, но никогда не флюоресцирует, и посмотреть, будет ли оно испускать невидимые лучи. Уран - довольно редкий и дорогой металл, но все же в лаборатории Беккереля нашлась щепотка чистого урана в виде .порошка, и еще несколько кусочков урана ему на время дали знакомые химики. Сам уран никогда не флюоресцирует, сколько бы его ни освещали- солнечные лучи. Но когда Беккерель положил кусочек урана на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу, то пластинка, проявленная через несколько часов, почернела от действия невидимых лучей, которые испускал уран. Значит, эти таинственные лучи, которые открыл Беккерель и которые так похожи на лучи, открытые Рентгеном, не имеют ровно ничего общего с флюоресценцией. Сам металл уран обладает чудесным свойством испускать эти лучи; он испускает их и когда находится в чистом виде, и когда соединен с какими-нибудь другими веществами (например, в двойной сернокислой соли урана и калия, где уран соединен с калием, серой и кислородом). Уран испускает эти лучи совершенно независимо от того, освещает ли его в это время солнце или нет. Испускание лучей зависит только от количества самого урана - чем больше урана, тем больше и лучей - и ни от чего другого не зависит. Когда Беккерель, слушая чтение письма Рентгена, вообразил, что испускание рентгеновских лучей связано о флюоресценцией, то в этой мысли не было ничего верного. И если бы он взял для своего опыта не флюоресцирующую сернокислую соль, содержащую в себе уран, а плавиковый шпат или раствор хлорофилла, то из его опытов решительно ничего не вышло бы. Но по счастливой случайности Беккерель выбрал из всей своей огромной коллекции именно сернокислую соль урана и калия, и это помогло ему открыть удивительное свойство урана: способность без всякой видимой причины испускать лучи, похожие на лучи Рентгена.

Отличаются ли лучи, открытые Беккерелем, чем-нибудь существенным от лучей Рентгена - этого и сам Беккерель в первое время не мог решить. Лучи Беккереля, как и лучи Рентгена, невидимы глазу, проходят через, бумагу, дерево, тонкие слои металла, чернят фотографическую пластинку. Очень скоро Беккерель открыл еще одно замечательное свойство лучей, испускаемых ураном (и каждым веществом, содержащим в себе уран),- способность действовать на заряженный электрометр. Электрометр - это такой прибор, в котором свисают рядом два тоненьких золотых листочка.

Рис. 1. Фотография алюминиевой медали в лучах урана, снятая Беккерелем. Экспозиция - две недели.

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.

В глубокой древности, больше чем 2000 лет тому назад (в 5-м 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.

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.

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».

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[ 3 ] 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.

В конце XVIII века знаменитый американец Бенджамин Франклин, прославившийся не только своим участием в борьбе британских колоний в Америке за независимость, но и своими- электрическими опытами и в особенности изобретением громоотвода, предложил теорию электричества, согласно которой электрические явления вызываются присутствием особого электрического «флюида», находящегося во всех телах природы. Если в каком-нибудь теле электрический «флюид» (электрическая «жидкость») находится в количестве, превышающем некоторую норму, то такое тело кажется нам заряженным электричеством одного знака, а если количество электрической «жидкости» меньше нормы, то это тело заряжено электричеством другого знака. О самой электрической «жидкости» или электрической «материи» Франклин говорил: «Электрическая материя состоит из частичек, которые должны быть чрезвычайно мелкими, так как они могут проникать в обыкновенную, даже самую плотную материю так легко и свободно, что не встречают при этом заметного сопротивления». Если внимательно прочесть эти слова Франклина, то в них можно увидеть следующие утверждения: 1) существует особая электрическая «материя» или электрический «флюид»; 2) электрический «флюид» состоит из атомов; 3) атомы электрического флюида мелки и ничтожно малы даже по сравнению с такими мелкими частицами, как атомы обыкновенного вещества, потому что они очень легко и без особенного сопротивления проникают внутрь жидких и твердых тел, в которых атомы плотно упакованы и соприкасаются друг с другом; тем не менее атомы электрического флюида легко шныряют в промежутках между атомами обыкновенных тел (стоит только вспомнить о том, как легко электрический заряд перемещается по металлической проволоке).

Эти идеи Франклина имели чисто умозрительный характер,- это была гениальная догадка, не имевшая в то время никаких серьезных опытных обоснований. Но в 1833 году гениальный английский ученый-самоучка Михаил Фарадей открыл замечательный факт, который можно считать подтверждением теории Франклина. Этот факт заключается в следующем. Фарадей изучал явление электролиза, которое было известно уже давно (с последней четверти XVII века) и которое состоит в том, что прохождение электрического тока через некоторые жидкие тела (расплавленные или растворенные в воде соли, щелочи, кислоты) приводит к разложению этих тел (электролитов) на их составные химические части. Фарадей измерил электрический заряд, проходящий через электролит в течение всего того времени, пока из электролита выделяется определенное количество водорода, или калия, или серебра, или меди и т. п. Обнаружилась замечательная вещь: для того чтобы из любого электролита выделился грамм водорода, необходимо пропустить через него 96 500 кулонов электрического заряда (кулон - единица для измерения электрического заряда, которой всегда пользуются электротехники). Иными словами, 1 г водорода всегда переносит с собой через электролит одно и то же количество электричества, а именно 96 500 кулонов. Такое же самое количество электричества, как показали точные измерения Фарадея, переносят с собою и 23 г натрия, и 35,45 г хлора, и 39,1 г калия, и 107,87 г серебра. Если мы заглянем в список химических элементов, который был помещен в предыдущей главе, то мы увидим, что эти числа - 1, 23, 35,45, 39,1, 107,87 - являются нечем иным, как атомными массами водорода, натрия, хлора, калия, серебра. Легко сообразить, что в 107,87 г серебра должно содержаться столько атомов серебра, сколько атомов водорода имеется в 1 г. водорода, сколько атомов калия есть в 39,1 г калия и т. д., и т. д. Значит, все эти вещества (водород, калий, натрий и др.) переносят через электролит одно и то же количество электричества на одинаковом числе атомов, откуда сразу же вытекает, что один атом водорода переносит с собою через электролит такой же электрический заряд, какой переносит с собой и атом хлора, и атом серебра, и атом калия. Чему же этот заряд равен? Ясно, что он равняется частному от деления всего заряда 96 500 кулонов, который переносится одним граммом водорода, на число атомов в грамме водорода. Попробуем записать это в виде математического уравнения (эта книжка написана так, что для ее чтения не нужно знать никакой сложной математики; поэтому пусть читатель, незнакомый с математикой, не пугается: от него требуется только, чтобы он умел применять четыре правила арифметики и десятичные дроби и знал, что величины иногда обозначаются буквами). Итак, обозначим заряд, который переносится через раствор электролита одним атомом водорода, буквой е (такой же заряд переносится и атомом калия, или натрия, или серебра). Этот заряд получается от деления 96 500 кулонов на число атомов в одном грамме водорода. Поэтому, если обозначить число атомов в одном грамме водорода буквой N, то выйдет, что Ne (т. е. произведение заряда е на число N) равно 96 500 кулонам. Это, по существу, и есть та формула, которую мы хотели написать, но только ее обыкновенно пишут в несколько измененном виде, а именно вот как: вместо того чтобы измерять электрический заряд кулонами, как это делают электротехники, физики обыкновенно выбирают другую единицу измерения, которая в три миллиарда раз меньше кулона. Такая единица называется абсолютной единицей. Ясно, что заряд 96 500 кулонов равен 96 500 X 3 000 000 000 абсолютных единиц. Если произвести перемножение, а затем применить обычный способ сокращенной записи длинных чисел, которым мы уже пользовались в предыдущей главе, то выйдет, что это произведение равно 2,895 * 10й. Поэтому, измеряя заряд е, переносимый одним граммом водорода, не в кулонах, а в абсолютных единицах, мы получим

Ne = 2,895-1014 абс. ед.

Мы говорим, что 1 г водорода, и 23,0 г натрия, и 35,45 г хлора, и 39,1 г калия, и 107,87 г серебра переносят через электролит один и тот же электрический заряд, а именно 96 500 кулонов, и мы обращаем внимание на то обстоятельство, что числа 1, 23,0, 35,45, 39,1, 107,87 являются как раз атомными массами этих веществ, что можно видеть из таблицы, которая приведена в предыдущей главе. Все это - результаты измерений Фарадея. Но не со всеми веществами у Фарадея получилось то же самое. Когда он стал измерять количество электричества, которое нужно пропустить через электролит, чтобы выделить из него 24,31 г магния, или 40,08 г кальция, или 65,38 г цинка (эти числа суть атомные массы упомянутых веществ, в чем всякий может убедиться, взглянув на нашу таблицу), то оказалось, что оно одно и то же и для 24,31 г магния, и для 40,08 г кальция, и для 65,38 г цинка, но только оно совсем не равно 96 500 кулонам, как мы могли бы ожидать. Измерения Фарадея показали, что оно равно 193 000 кулонов, т. е. вдвое больше, чем 96 500 кулонов. Сообразим, что все это значит. Ведь в 24,31 г магния или в 65,38 г цинка содержится столько же атомов, сколько в одном грамме водорода. Но эти атомы переносят с собою не такое количество электрического заряда, какое переносит с собой один грамм водорода, а ровно вдвое больше. Значит, и каждый атом магния, или цинка, или кальция переносит с собой не такой электрический заряд, а ровно вдвое "больше, т. е. не е, а 2е. Итак, из измерений Фарадея вытекает следующее:

Каждый атом водорода, или натрия, или калия, или серебра и т. д. переносит с собой через электролит количество электричества, равное е.

Каждый атом магния, или калия, или цинка и т. д. переносит с собой через электролит количество электричества, равное 2е.

Аналогичные измерения Фарадей проделал и для целого ряда других химических элементов, и при этом всегда оказывалось, что один атом любого химического элемента при прохождении через электролит несет с собой электрический заряд, который может быть равен или е, или 2е, или 3е, или 4е и т. д., но никогда не может быть равен дробному числу е, например заряду е, умноженному на целое число с половинкой. Заметим, что сам Фарадей, формулируя открытый им количественный закон электролиза, ничего не упоминал об отдельных атомах, а только говорил, что если взять число граммов водорода, или калия, или натрия и т. д., равное их атомной массе, то это число граммов рассматриваемого химического элемента переносит с собой через электролит всегда один и тот же заряд, а именно 96 500 кулонов; а если сделать то же самое с кальцием или с магнием, то получится не 96 500 кулонов, а ровно вдвое больше, и т. д., и т. д.

Все это очень легко перевести на язык атомов, как это мы и сделали выше, но впервые это сделал не Фарадей, а ирландский физик Джонстон Стоней в 1874 году, через сорок лет после Фарадея. Еще более ясную форму придал этим соображениям знаменитый немецкий физик Герман фон Гельмгольц, который в 1881 году прочитал в Лондоне, в Королевском институте, лекцию, посвященную памяти Фарадея. В этой лекции он очень отчетливо выразил ту мысль, что существует некоторая «порция» электрического заряда, равная е, и что атом вещества, проходящий через электролит, может нести на себе или одну такую порцию, или две, или три такие порции, но никак не дробное число и не целое число с дробью. Заряд е - элементарная порция электрического заряда или «элементарный электрический заряд», как обыкновенно говорят» является чем-то вроде атома электричества: ведь для понятия атома всего характернее, что он не делится на части, а встречается - по крайней мере в какой-то определенной области явлений - только в целом виде, так что можно отделить от вещества один атом, или два, или три, или четыре и т. д., но не дробную часть атома и не целое число с дробью. Вот каким образом возродилась старая мысль Франклина об «атомах электрического флюида». В своей лекции, посвященной памяти Фарадея, Гельмгольц говорил: «Самым поразительным следствием закона Фарадея является, быть может, следующее: если мы примем гипотезу, что обыкновенные вещества состоят из атомов, то мы не сможем избежать и того заключения, что электричество, как положительное, так и отрицательное, тоже состоит из определенных элементарных порций, которые ведут себя как атомы электричества».

Чему равна величина заряда такого «атома электричества»? На этот вопрос Гельмгольц не сумел бы ответить. Он сказал бы только, что элементарный электрический заряд е связан с числом N (числом атомов в одном грамме водорода) уравнением

N*e=2,895-10¹⁴ абс. ед.

и что если ему скажут, чему равен множитель N, то только тогда он сумеет сказать, чему равно е. В предыдущей главе мы видели, что изучение броуновского движения, произведенное Перреном, дает ответ на вопрос о том, чему равно N: мы видели, что N=6*10²³. Но в 1881 году, когда Гельмгольц написал это уравнение, число N известно не было; о нем можно было только догадываться. Заметим, что связь N и е двусторонняя: если нам скажут, чему равно N, то мы вычислим из нашего уравнения в, но ведь совершенно таким же образом, если мы сумеем каким-нибудь образом узнать и измерить е, то из нашего уравнения мы вычислим, чему равно N, т. е. число атомов в грамме водорода,- иными словами, чему равна масса атома водорода. В конце этой главы мы увидим, каким образом действительно удалось показать на опыте, что электричество состоит из неделимых порций, и измерить величину такой порции. Это дало возможность вычислить с помощью нашего уравнения массу атома водорода, и в результате получилось такое же число, какое совершенно другим способом уже получил Перрен.

Из рассуждений Гельмгольца и Стонея как будто вытекало, что электрический заряд действительно состоит из каких-то «атомов электричества», как предположил чуть ли не за сто лет до этого Бенджамин Франклин. Но все-таки это заключение еще не было достаточно убедительным. Необходимо было выделить «атомы электричества» в чистом виде, освободив их от обыкновенных атомов вещества; необходимо было найти физическое явление, в котором «атомы электричества» принимали бы такое непосредственное участие, чтобы стало возможным открыть их и изучить их свойства. Это удалось ученым, изучавшим прохождение электрического тока через разреженные газы.

В стеклянный сосуд, из которого выкачан почти весь воздух (так что остающийся там воздух производит давление не больше тысячных долей миллиметра ртутного столба), впаяны две металлические пластинки, соединенные с полюсами источника постоянного тока. Будем называть пластинку, соединенную с отрицательным полюсом, катодом, а с положительным - анодом. В 1859 году немецкий физик Плюккер открыл, что если При таком сильном разрежении пропускать электрический разряд между катодом и анодом, то с поверхности катода выходят особые лучи, заставляющие светиться те части стеклянных стенок сосуда, на которые они падают. Таинственные лучи, открытые в 1859 году Плюккером, служили после него предметом исследования ряда ученых, в особенности Гитторфа, Гольдштейна (давшего им название катодных лучей) и других.

В 1874 году гениальный английский ученый Крукс прочел в Шеффильде доклад под заглавием «Лучистая материя, или четвертое состояние вещества», в котором высказал смелую гипотезу о том, что катодные лучи представляют поток материальных частиц, движущихся с колоссальной скоростью и заряженных отрицательным электричеством. Эти частицы, по мнению Крукса, входят в состав каждого химического атома. Таким образом, они представляют «осколки» атома, который, следовательно, не может уже считаться «неделимым» в обычном узком смысле этого слова.

Мы знаем теперь, что все вещи состоят из атомов и что атом не является чем-то абсолютно неделимым; наоборот, атом - это какая-то сложная система, от которой могут отделяться крохотные части - отрицательно заряженные электроны. Таков, в общих чертах, был тот запас знаний, которым обладали физики на рубеже XIX и XX столетий. И, опираясь на этот, в сущности очень скудный, запас знаний о веществе, физики должны были разгадать головоломную загадку, которая отпугнула бы от себя самого самонадеянного сыщика на свете,- загадку радиоактивности.

Мы возвращаемся к нашей детективной истории.

Самое поразительное, самое чудесное в радии - это его неутомимость. Днем и ночью, зимой и летом, без устали, без передышки радий посылает в пространство свои невидимые лучи. Каждый час грамм радия испускает столько тепла, сколько нужно, чтобы растопить примерно полтора грамма льда. Много ли это? Это не очень много: грамм угля, сгорая, испускает тепла почти в пятьдесят раз больше, но зато он ведь сгорает и перестает быть углем, а грамм радия, испуская тепло в течение часа, в течение суток, в течение года, остается совершенно таким же, каким был раньше,- его способность испускать лучи Беккереля и вместе с ними энергию остается прежней, и он, как и раньше, готов безостановочно испускать энергию в течение новых и новых лет. Вот это-то и есть самое неслыханное, самое беспримерное из всего, что физикам когда-либо приходилось слышать и видеть. Когда топится печка, в ней сгорают дрова, и, если не подбрасывать дров, печка погаснет. Когда идут часы, в них все время раскручивается пружина или опускается гиря, и, если их не заводить, они остановятся. Во всей природе только радий оказывается каким-то странным исключением: ничего в нем не тратится, ничего не сгорает, никогда он не стареет, он вечно молод. Он похож на волшебный кошелек в старой сказке: сколько раз ни вынимать из такого кошелька золотую монету, в нем всегда остается еще одна.

Другой не менее странный факт, относящийся к радию,- это его полная независимость от внешних влияний, полное равнодушие к ним. С тех пор как радий впервые был получен в лаборатории, физики неоднократно пробовали повлиять на его радиоактивность, применяя самые разнообразные способы, но ни сильный жар, ни сильный холод, ни самые высокие давления, какие только можно осуществить средствами современной техники,- ничего не оказывало влияния на радиоактивность: лучи, испускаемые радием, не становились ни сильнее, ни слабее. Для того чтобы охарактеризовать то огромное впечатление, которое произвели на физиков оба эти свойства радия - его неутомимость и его равнодушие ко всем внешним воздействиям,- достаточно процитировать слова, сказанные одним из первых исследователей радиоактивности (Содди): «В крошечном кусочке радия нет ничего, что напоминало бы громадные масштабы н размеры Вселенной, а между тем он выделяет энергию в такой пропорции, в какой ее не выделяет ни Солнце, ни одна из звезд. Предположим, например, что наше Солнце вместо тех веществ, из которых оно состоит теперь и которые, как нам известно из спектрального анализа, входят и в состав Земли, состояло бы из чистого радия. Если допустить, что каждая частица такого Солнца выделяет энергию в той же пропорции, что и равная ей по массе частица радия, то нетрудно будет учесть количество выделяемой им энергии. Короче говоря, количество света и теплоты, выделяемых таким Солнцем, было бы в миллион раз больше, чем теперь»[ 13 ].

Еще и по другой причине наша мысль почти бессознательно обращается от радия к высшим явлениям Вселенной: ведь только в отношении этих явлений мы окалываемся в положении зрителей, бессильных влиять на них и управлять ими. Все могущественные ресурсы современной лаборатории - крайние пределы тепла и холода, а также давления, сильные химические реактивы, действие сильных взрывчатых веществ, наиболее сильные электрические поля - не влияют на радиоактивность радия и на количество выделяемой им энергии ни в малейшей степени. Радий черпает свои запасы энергии из неизвестного до сих пор источника и подчиняется неоткрытым пока законам. Есть что-то сверхъестественное в его отделенности от окружающей среды и в его безразличии к ней. Он как будто принадлежит другим мирам, за пределами нашего, питается тем же неугасимым огнем и движется тем же не поддающимся контролю механизмом, который поддерживает свет великих солнц в мировом пространстве в течение безграничных периодов времени.

Непрерывное излучение крупинки радиоактивного вещества, которую мы держим в руке, напоминает многие из странных тайн, давно позабытых.

В лабораториях всего мира физики жадно набросились на иpучение радиоактивности. Можно. смело сказать, что в это время (в 1900 году или около того) не было ни одного физика на свете, который бы не ломал голову над этой трудной загадкой: что же такое, в конце концов, эта радиоактивность? Каков ее внутренний механизм, внутренний смысл? Отчего она происходит? И каждый физик, по мере сил, пробовал догадаться о том, каково решение этой загадки. Одни говорили: если радий все время испускает свои лучи и они не становятся от этого слабее, то, значит, он эти лучи, это тепло, эту энергию все время откуда-то снова получает. Например, возможно, что во всем пространстве распространяются какие-то лучи, которые свободно проходят через все тела и даже через всю толщу земного шара. Не только мы не видим этих лучей, но их даже не замечает фотографическая пластинка, и только радий имеет особенную способность поглощать эти лучи и затем их испускать вновь, но уже в измененном виде -в виде лучей Беккереля. Выходит, что если сравнить радий с часами, то эти часы на самом деле все время «заводятся», заводятся таинственными лучами, которые поглощаются радием и затем перерабатываются им в лучи Беккереля.

Другие говорили: никаких таких лучей, которыми «заводится» радий, не существует. В радии все время что-то тратится, но только очень медленно, и потому мы этого никак не замечаем. Если бы взять грамм радия и очень долго ждать, десятки лет (а если понадобится, то и сотни), то в конце концов можно будет заметить, что лучи радия стали слабее, чем раньше.

Рис. 9. Трубка, наполненная виллемитом, для опытов с эманацией радия.

Заметим, что радиоактивность тория и его соединений одновременно с Марией Кюри или даже немножко раньше открыл немецкий физик Шмидт. Но дальнейшие работы Шмидта оказались менее замечательными, чем дальнейшие работы Марии Кюри, а поэтому мы здесь ограничимся рассказом об открытиях, сделанных Марией Кюри.

Катанга - в настоящее время провинция Шаба в Заире (Прим. ред.)

Фунт - единица массы старой русской системы мер, 1 фунт=409,5 г.

Церий. (Прим. ред.)

См, примечание на следующую таблицу (Примеч. ред.)

Значения атомных масс, данные М. П. Бронштейном, за последующие годы были уточнены и приведены в соответствие с попы си данными. В примечании к таблице М. П. Бронштейн указывал, что в скобках в ней приведены названия тех элементов, открытие которых «еще сомнительно». Это элементы: 85, который, назывался тогда алабамий и 87 - Виргинии; их атомные массы не были известны (ныне это астат и франций соответственно). Подверглись изменению и названия 43-го (мазурий), 61-го (иллиний) и 71-го (Кассиопей) элементов. Наконец, таблица пополнилась трансурановыми элементами, о которых в предположительных тонах говорит М. П. Бронштейн на стр. 56. (Прим. ред.)

Отступления от целочисленности связаны с существованием изотопов одного и того же химического элемента таблицы Менделеева, различающихся атомными массами. Открытие изотопов подтвердило правильность гипотезы Праута, (Прим. ред.)

Ряд таких «трансурановых» элементов был получен искусственно. (Прим. ред.)

Здесь и далее оставлено старое название «микрон» вместо современного «микрометр». (Прим. ред.)

Здесь и в дальнейшем М. П. Бронштейн оперирует со значениями некоторых физических величин: заряда электрона е, удельного заряда электрона (отношения заряда к массе) e/m, постоянной Авогадро N и т. д. Приведем уточненные значения этих величин, полученные к нашему времени в результате возросшей точности измерений:

заряд электрона e=4,80325*10^-10 ед. СГС,

масса электрона m=9,10956*10^-28 г,

удельный заряд электрона e/m=5,27276*10¹⁷ ед. СГС/г,

масса атома водорода M= 1,67352*10^-24 г,

отношение массы протона к массе электрона М/m=1836,11,

число Авогадро W=6,02217-10²³ моль^-1. (Прим. ред.)

Фонограф - изобретенный в 1877 году Эдисоном аппарат, записывающий и воспроизводящий всевозможные звуки. (Прим. ред.)

Аналогичные опыты (независимо от Милликена) были проведены академиком А. Ф. Иоффе. (Прим. ред.)

Как ни странно звучит это утверждение, тем не менее оно совершенно справедливо. Попробуем проверить его. По измерениям астрономов, наше Солнце испускает каждую секунду 9*10²⁵ калорий энергии (калория - это то количество энергии, которое тратится на нагревание одного грамма воды на один градус Цельсия). Каждый грамм радия испускает энергию в количестве около 0,04 калорий в секунду. Известно, что масса Солнца 2*10³³ г. Значит, если бы оно состояло из чистого радия, то испускало бы около 0,04*2*10³³=8*10³¹ калорий в секунду. Это почти в миллион раз больше той энергии, которую оно испускает в действительности.

Числа не вполне сходятся, но это ведь может быть результатом некоторой неточности в измерениях.

С такой скоростью летят альфа-частицы, испускаемые так называемым радием С, одним из продуктов распада радона (см. ниже).

Или двух фотоаппаратов, если нужно получить стереоскопические снимки.

За прошедшее с 1935 г. время камера Вильсона была существенно модифицирована; появились и новые типы камер, позволяющие фиксировать траектории заряженных частиц: пузырьковая (1952 г.) и искровая (1957 г.) камеры. (Прим. ред.)

Ln - натуральный логарифм. Он равен десятичному логарифму, деленному на 0,4343. (Тот, кто не умеет вычислять с логарифмами, может при чтении пропустить все промежуточные выкладки и просто принять результат на веру.).

Под «продолжительностью жизни» радиоактивного элемента мы всегда понимаем тот промежуток времени, в течение которого наличное количество атомов этого элемента должно уменьшиться вдвое.