Установлена физиками XX века и структура различных молекул. На рисунке 19 для примера показано строение молекул воды, углекислого газа и нафталина.
Рис. 19. Так соединяются атомы в молекулах воды, углекислого газа и нафталина.
Основоположником этой отрасли знания является А. М. Бутлеров, который еще в 50-х годах прошлого века разработал свою знаменитую теорию строения молекул органических веществ. Многие известные иностранные учёные того времени такие, как Жерар и Бертело, утверждали, что наука никогда не сможет узнать, как располагаются атомы в молекулах. Русский учёный разбил эти взгляды. Он показал, что, испытывая вещество различными физико-химическими методами, можно очень точно установить, как именно располагаются атомы в его молекулах, то-есть определить строение, структуру молекул.
Свойства органических веществ определяются прежде всего строением их молекул, их структурой — такова суть структурной теории А. М. Бутлерова.
Структурная теория Бутлерова объяснила загадку так называемых изомеров — веществ, имеющих одинаковый состав, но резко различные свойства. Оказывается, различные свойства изомеров объясняются различным расположением атомов в молекулах этих веществ.
Так было подтверждено гениальное предвидение Ломоносова о зависимости свойств вещества от расположения атомов в его молекулах!
Вместе с тем структурная теория А. М. Бутлерова необычайно облегчила задачу искусственного получения новых органических веществ. Ведь теперь стало возможным строить молекулы сложных органических веществ «с открытыми глазами», — приступая к синтезу нового вещества, химик имел перед собой структурную формулу его молекул.
2. Частицы-волны
Итак, физики установили, как располагаются электроны в атомах.
Было доказано, что электроны вращаются вокруг ядер по замкнутым орбитам, образуя электронные оболочки атомов.
Но, установив это, современные физики отнюдь не исчерпали всего того, что таит в себе атом. Наоборот, именно теперь они оказались на пороге необычайных и удивительных открытий.
Еще задолго до того, как люди убедились в реальном существовании атомов, многие учёные искали ответа на вопрос: что такое свет?
Многочисленными работами физиков прошлого века на этот вопрос был дан совершенно определённый ответ: свет — это электромагнитные волны, распространяющиеся от светящегося тела во все стороны.
Что такое электромагнитная волна?
Если в какой-либо точке пространства происходит изменение электрического состояния, например по проводу проходит переменный электрический ток, постоянно меняющий своё направление, то вокруг этого провода, в пространстве, возникает так называемое электромагнитное поле, напряжение которого будет также постоянно меняться. Иными словами, здесь возникает колебание магнитных и электрических сил, причём это-колебание, как только оно возникает в каком-либо месте, сразу вызывает подобное же себе колебание и в соседних точках пространства. Таким путём и возникает в пространстве электромагнитная волна, то-есть периодически изменяющееся электромагнитное состояние пространства.
Такое колебание электрических и магнитных сил напоминает собой колебание частичек воды, когда по ней идут волны. Как на воде отдельные частички её не передвигаются вместе с волной, а лишь колеблются вверх и вниз, образуя таким образом гребни и впадины волн и передавая это колебательное движение дальше, так и в случае электромагнитных волн в каждой точке пространства происходит как бы волнообразное изменение электрического состояния с образованием «гребней» и «впадин», приводящее к передаче энергии от одной точки пространства к другой.
Исследование таких электромагнитных волн показало, что они подобны световым лучам.
Как и свет, они распространяются в пространстве со скоростью 300 тысяч километров в секунду, как и свет, они отражаются, преломляются, как и свет, они дают явление, называемое дифракцией.
Что это за явление?
Известно, что световые лучи распространяются прямолинейно. Но бывают и исключения из этого правила: при определённых условиях световые лучи как бы начинают изгибаться.
Посмотрите на рисунок 20. Это — фотография тени небольшого винта.
Рис. 20. На рисунке изображена тень от маленького винтика; расстояние от источника света до винта и от винта до экрана составляет более десяти метров.
Но что же это за странная тень, почему она так расплывчата?
А вот это и есть тот случай, когда нарушается закон прямолинейного распространения света.
Чтобы получить такую тень, надо сильно увеличить расстояние между источником света и винтом, а также между винтом и экраном, на котором появляется тень от винта. На приведённой фотографии, например, расстояние от источника света до винта и от винта до экрана составляет более 10 метров. А диаметр источника света — всего 0,2 миллиметра.
При таких условиях становится ясно видным нарушение закона прямолинейного распространения света.
В самом деле, посмотрите внимательно на рисунок. Вы видите, что граница тени от винта расплывчата, нерезкая. Это говорит о том, что отдельные световые лучи огибают края винта и проникают в область самой тени.
Столь же показательно и образование тёмных полос вокруг тени винта — там, где, казалось бы, должно быть полностью освещённое место.
Чёрные полосы говорят о том, что здесь есть места, куда свет не проникает. А это также говорит о том, что свет распространяется непрямолинейно.
Описанный пример лишь один из многих случаев непрямолинейного распространения света.
Все такие явления, при которых наблюдается отклонение от прямолинейного распространения света, и называют явлениями дифракции света.
Явление дифракции легко наблюдается у водяных волн. Заметить его совсем нетрудно.
Вот, скажем, бегущие по воде волны встречают на своём пути какое-либо большое препятствие, например скалу. Волны в этом случае разбиваются о камень, и позади него создаётся «тень» — спокойная поверхность (рис. 21).
Рис. 21. Дифракция водяных волн.
Но иное дело, если на пути водяных волн встречается небольшое по размерам препятствие, например колышек или шест. Здесь волны обогнут препятствие и пойдут дальше. Это и есть дифракция водяных волн. Учёные доказали, что это загибание волн в область «тени» является характерным их свойством.
И вот то, что свет способен дифрагировать подобно волнам на воде и убедило окончательно физиков в том, что по своей природе свет — это также волны. Дальнейшие исследования показали, что они могут быть только волнами электромагнитными.
Такое объяснение природы света во второй половине прошлого века было общепризнанным.
Но вот неожиданно в конце XIX столетия учёные столкнулись с новыми явлениями, необъяснимыми с течки зрения волновой природы света.
Вспомните опыты А. Г. Столетова. Свет, падая на различные тела, «выбивает» с их поверхности электроны, рождает электрический ток. Столетов установил, что фотоэффект зависит от длины световой волны. Например, из одного и того же тела световые волны с длиной 1–2 стотысячных доли сантиметра «выбивали» поток электронов, а волны с длиной 5–6 стотысячных долей сантиметра не могли «выбить» ни одного электрона.
Объяснить эту закономерность фотоэффекта очень трудно, если считать, что свет представляет собой электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве. В самом деле, если свет — это поток электромагнитных волн, то очевидно, что падающие на тело волны должны сообщать каждому электрону энергию, раскачивать их, и тем самым давать им возможность вылететь из вещества в окружающее пространство. Но почему же тогда фотоэффект зависит от длины волны световых лучей? Ведь любая световая волна при достаточно длительном облучении должна бы вырывать электроны!
Еще более загадочные явления встретились и совершенно необъяснимые противоречия возникли перед физиками, когда они стали определять скорости вырванных электронов, то-есть тот запас энергии, который приобретает под действием света каждый электрон в отдельности. Здесь был установлен поразительный факт, что хотя число вырываемых электронов зависит от силы света, но энергия каждого отдельного вырываемого электрона от силы света не зависит. Будем ли мы освещать тело светом очень сильным или ничтожно слабым, вылетающие из тела электроны будут иметь одну и ту же скорость, а значит, одну и ту же энергию.
Как понять этот факт, если мы считаем свет волной? Ведь с точки зрения волновой теории увеличение силы света означает, что энергия, которую приносит в данном месте водна, то-есть размах колебаний световой волны, стала больше. Почему же в таком случае электрон, вырываемый в этом месте волной, всегда имеет одну и ту же энергию, независимо от силы света?
Что же получается? Получается, что, с одной стороны, свет — это электромагнитные волны, но, с другой, — закономерности фотоэффекта, установленные чисто опытным путём, утверждают, что свет — это что-то иное, более сложное.
Уже в начале XX века из этих противоречий физики сделали замечательный вывод. Свет — это не просто электромагнитные волны; испускание и поглощение их происходит не непрерывно, как думали физики прошлого века, а отдельными порциями — квантами. Иными словами, свет — это не только поток электромагнитных волн, но в то же время это и поток частиц-фотонов, несущих с собой световую энергию в виде отдельных порций — квантов.
Была установлена и зависимость между квантами и длиной волны. Оказалось, что величина энергии каждого кванта не одинакова — чем длиннее волна, тем меньше энергия присущего ей кванта. Таким образом, например, квант красного излучения, с длиной волны в 7 стотысячных долей сантиметра, несёт с собой меньшую энергию, чем, скажем, квант синего света, длина волны которого около 4 стотысячных долей сантиметра.
И вот, с этой новой, квантовой, точки зрения стало возможным объяснить и явление фотоэффекта. Все особенности этого явления оказались легко объяснимыми. Так, если энергия кванта достаточно велика, чтобы вырвать из тела электрон, то ясно, что чем больше квантов, то-есть чем больше света будет падать на тело, тем больше будет вырвано электронов.