кать их поодиночке. Когда один фотон пролетал через лист с щелями и попадал на экран, экспериментаторы фиксировали точку, куда он прилетел (да, фотоны «врезаются» в экран как частицы, и можно зафиксировать конкретное место их попадания), и только после этого выпускали следующий фотон. Конечно, от одного или двух фотонов никакая интерференционная картина не образуется. Поэтому ученым пришлось очень долго запускать одиночные фотоны, пока из отдельных точек на экране не стали четко вырисовываться те самые интерференционные полосы, которые получаются и при пропускании через две щели целого пучка фотонов. Таким образом, получается, что каждый отдельно взятый фотон проходил как бы через две щели одновременно и после этого интерферировал сам с собой, т. е. волновая природа присуща не только целым группам фотонов, но и одиночным частицам.
Дальнейшие исследования поведения других элементарных частиц (таких, например, как электроны) показали, что и частицы материи также могут проявлять волновые свойства. Так что принцип корпускулярно-волнового дуализма можно распространить и на материальные объекты. Но об этом мы поговорим чуть позже, в главе «Могут ли частицы быть волнами» (стр. 174).
Вопрос 35. Из чего всё состоит? (Часть 1)[54]
Когда мы смотрим вокруг, мы видим огромное разнообразие цветов, красок, форм, материалов. Но за всем этим разнообразием стоят довольно простые структуры, из которых всё это состоит. Первым о составных частях всего сущего задумался основоположник древнегреческой философии Фалес Милетский (предположительно 624–547 гг. до н. э.). Его философские работы заложили основу всей европейской науки, потому что были сосредоточены в основном на вопросах о сущности природных явлений и общих принципах, которые ими управляют. Фалес считал, что первоначало всего сущего – это вода. Всё рождается из воды, всё возникает из воды и в нее превращается. Постулирование этого принципа символизирует собой переход человечества от мифологического сознания и способа описания природы к научному, где всё сущее имеет некую единую основу.
После Фалеса свои предположения о первооснове всего высказывали его ученики и последователи, греческие философы: Анаксимандр, Анаксимен и многие другие. Они предлагали рассматривать в качестве основы землю, воздух, огонь и т. д. И чем дальше развивалась наука, чем больше накапливалось экспериментальных данных о различных природных явлениях, тем больше субстанций претендовало на роль того, из чего всё состоит.
Рис. Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева
Сегодня такими составными элементами считаются атомы. Открыто уже более ста видов атомов различных химических веществ, составляющих основу всей материи. Объединяясь друг с другом, атомы образуют молекулы различных химических веществ. Все возможные сорта атомов перечислены в периодической таблице химических элементов, предложенной в 1869 году российским ученым Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834–1907).
Однако значение этого открытия стало понятно лишь в контексте дальнейшего развития атомно-молекулярного учения. Сама идея атомов также берет свое начало в Античности. Наиболее подробно ее сформулировал древнегреческий философ Демокрит (предположительно 460–370 гг. до н. э.). Он рассуждал так. Что будет, если раздробить песчинку на несколько частей? Получится несколько маленьких песчинок. А если взять одну из них и еще раз раздробить? Получим еще более мелкие песчинки. А можно ли их еще раз раздробить? А потом раздробить получившиеся осколки? И до каких пор можно продолжать их делить на части? Возможны два варианта: 1) мы сможем продолжать дробить осколки до бесконечности, с каждым шагом получая всё более мелкие частички; 2) в какой-то момент дробления мы дойдем до таких частиц, которые более невозможно будет разделить на части.
Тут следует отметить, что древние греки очень не любили всякие там бесконечности, поэтому Демокрит, конечно же, отверг первый вариант и постулировал, что в конечном итоге все предметы состоят из мельчайших неделимых частичек. Он назвал их атомами (что в переводе с греческого как раз и означает «неделимый»). Эти атомы, согласно Демокриту, постоянно хаотично движутся в пространстве, сталкиваются друг с другом, после чего сцепляются или разлетаются в разные стороны. Когда атомы сцепляются вместе, они образуют большие тела, которые мы можем видеть вокруг себя. А различные свойства разных тел обуславливаются различиями атомов, из которых они состоят.
Согласитесь, это очень похоже на основное положение молекулярно-кинетической теории. Тем не менее эта идея была далеко не самой популярной даже среди ведущих физиков конца XIX века. И таким ученым, как Людвиг Больцман, приходилось ее отстаивать в жарких научных дебатах. Но время расставило всех по местам, и сегодня ни у кого из ученых не вызывает сомнение тот факт, что всё состоит именно из атомов, количество сортов которых чуть более ста, и все они перечислены в таблице Менделеева. Каждая ячейка этой таблицы обозначает отдельный сорт атомов со своими свойствами, способностью соединяться с другими атомами, давая новые химические соединения. Различных химических соединений на сегодняшний день известно уже несколько миллионов. Но это уже относится к другой науке – химии, о которой мы в этой книге не говорим.
Но физика не стояла на месте, и через некоторое время выяснилось, что атомы на самом деле не такие уж и неделимые. У атомов есть своя внутренняя структура, и их тоже можно разделить на составные части: электроны и ядра[55]. А ядра состоят из протонов и нейтронов. А протоны и нейтроны состоят из кварков[56]. Но чтобы всё это понять, ученым потребовалось еще несколько десятилетий исследований совершенно загадочного (на тот момент) явления радиоактивности.
Вопрос 36. Откуда берется радиация?
Радиация – это любое излучение, способное ионизировать вещество, т. е. оторвать электроны от атомов. Атомы без одного или нескольких электронов называются ионами. Поэтому другое название радиации – ионизирующее излучение. Важно понимать, что далеко не любое излучение будет ионизировать. К примеру, свет или микроволны, хоть и представляют собой электромагнитное излучение, ионизировать атомы не способны, энергии их фотонов для этого недостаточно. Поэтому их нельзя отнести к ионизирующим видам излучения. Однако в природе существуют и другие виды излучений, о которых мы поговорим в этой главе. Их открытие оказало существенное влияние на развитие всей физики ХХ века, поскольку именно оно дало начало современным исследованиям фундаментальной структуры атома.
Все началось в 1895 году, когда руководитель физического института Вюрцбургского университета Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923) экспериментировал с катодными трубками. Они изготавливались из тонкого стекла, а внутрь трубки помещались два металлических электрода: анод и катод. Если из трубки откачать воздух и подать на электроды высокое напряжение, то от катода будут исходить некие невидимые лучи (названные катодными лучами), вызывающие свечение стекла, мела и других веществ[57]. Впоследствии выяснилось, что эти лучи представляют собой поток электронов, летящих от катода к аноду.
8 ноября 1895 года Вильгельм Рентген, как обычно, засиделся допоздна в своей лаборатории. Он включил одну из катодных трубок, обернутую со всех сторон светонепроницаемым черным картоном, чтобы через него не могли «просочиться» электроны. А рядом с трубкой чисто случайно оказался лист бумаги, покрытый солью бария. И вдруг Рентген заметил, что этот лист начинает светиться зеленоватым светом. Когда же он выключал напряжение на катодной трубке, свечение сразу прекращалось. Это означало, что из катодной трубки исходит какое-то новое невидимое излучение. Дальнейшие исследования показали, что это точно были не катодные лучи, а совершенно новый вид излучения, которое Рентген назвал икс-лучами. В английском языке рентгеновские лучи до сих пор так и называются: X-rays.
Несколько недель подряд Рентген детально изучал свойство нового вида излучения. Выяснилось, что в отличие от катодных лучей новые икс-лучи вообще не взаимодействуют с электрическими и магнитными полями. А самое главное, эти лучи способны проходить сквозь различные материалы, непроницаемые для обычного света, в том числе сквозь мягкие ткани человеческого тела, но при этом задерживаются в более плотных костных тканях. И 22 декабря 1895 года Рентген сделал первый в истории рентгеновский снимок – он «сфотографировал» правую руку своей жены Анны Берты Людвиг.
Рентген отправил снимки своим коллегам-ученым, одним из которых был его старый приятель Франц Экснер. Тот был просто поражен этим открытием и продемонстрировал его своим гостям, собравшимся в его доме. Так об этом узнал редактор престижной венской газеты Die Presse, и уже 5 января 1896 года новость об открытии разошлась по всем ведущим газетам Вены и Лондона. Журналисты указали на то, чего сам Рентген даже не мог себе представить – новые лучи можно использовать в медицине. А всего через пару недель, 20 января 1986 года медики из Нью-Гемпшира сделали рентгеновский снимок перелома руки первого пациента и использовали эти данные для выбора способа лечения.
В 1901 году Рентгену «в знак признания необычайно важных заслуг перед наукой, выразившихся в открытии замечательных лучей, названных впоследствии в его честь», присудили самую первую в истории Нобелевскую премию по физике.
Впоследствии выяснилось, что рентгеновские лучи, так же как свет и микроволны, являются еще одним видом электромагнитного излучения. Только длина волны у него еще меньше, а частота еще больше, чем у видимого света. А потому и проникающая способность гораздо выше. Но, что самое важное в контексте нашего обсуждения, энергия квантов рентгеновского излучения настолько высока, что они способны отрывать электроны от атомов, превращая их в ионы, чего не может делать, например, видимый свет, микроволны или инфракрасное излучение. Поэтому рентген является ионизирующим излучением.