При этом сразу же возникал вопрос: не означает ли многообразие веществ такого же многообразия атомов, как это утверждал Демокрит? Оказалось, что нет. Вскоре выяснилось, что элементов в природе не так уж много: в то время их знали около 40 (сейчас 105). Все остальные вещества построены из молекул — разнообразных сочетаний этих атомов. Сами атомы разных элементов также различаются между собой, и прежде всего массой. Самые легкие из них — атомы водорода, атомы кислорода тяжелее их в 16 раз, железа — в 56, и т. д. Так в науку об атоме впервые проникли числа.

Однако по-прежнему об абсолютных размерах и массах атомов ничего не было известно.

Первой удавшейся научной попыткой оценить размер и массу атомов следует считать работу преподавателя физики Венского университета Йозефа Лошмидта (1821 —1895). В 1865 г. он нашел, что размеры всех атомов примерно одинаковы и равны 10^-8 см, то есть 0,00000001 см, а масса атома водорода составляет всего 10^-24 г.

Впервые мы встречаемся здесь с такими малыми величинами, и у нас просто нет необходимых навыков, чтобы их осмыслить. Самое большее, на что мы способны, это сказать: тонкий, как паутина, или — легкий, как пух. Но толщина паутины (10^-3 см) в сто тысяч раз больше самого большого атома, а пуховая подушка — это уже нечто весомое и вполне реальное. Чтобы хоть как-то заполнить провал между здравым смыслом и малостью этих чисел, обычно все же прибегают к сравнениям, хотя они, как правило, мало помогают и еще меньше объясняют, поскольку для столь малых объектов само понятие о размере как о величине, измеряемой прикладыванием масштаба, теряет свой первичный смысл. Поэтому лучше с самого начала оставить попытки представить себе эти числа наглядно. Важно только понимать, что, несмотря на свою чрезвычайную малость, эти числа не произвольны: именно та

кие малые диаметры и массы нужно приписать атомам, чтобы свойства веществ, которые из них состоят, оказались такими, какими мы их наблюдаем в природе.

Число молекул газа в объеме 1 см³ при нормальном давлении и температуре таяния льда

£ = 2,68676-10¹⁹ см“³

сейчас известно с большой точностью и называется постоянной Лошмидта. Она примерно в десять раз превышает значение, найденное им впервые.

Железо, как и всякое вещество, состоит из атомов. Если один конец железного лома поместить в печь, он, разумеется, начнет нагреваться. Мы теперь хорошо знаем, что тепло — это энергия движущихся атомов и увеличение их энергии при нагревании просто обнаружить, коснувшись, например, другого конца лома. Но это далеко не все. По мере нагревания постепенно меняется цвет нагретого железа: от вишневокрасного до ослепительно белого. Причем к лому теперь нельзя не только прикоснуться, но и просто подойти близко. Последнее уже непонятно, если пользоваться только представлением о движении атомов: действительно, мы не касались лома, атомы железа не ударялись о нашу руку — почему же нам стало жарко?

Здесь мы впервые встречаемся с новым явлением и должны ввести соответствующее ему понятие — излучение, которое на первый взгляд никак не связано с идеей атома.

Мы говорим: лучи солнца осветили поляну, то есть свет — это излучение. Но мы говорим также: греться в лучах солнца. Следовательно, и тепло может распространяться в виде лучей. Вообще, с излучением мы имеем дело постоянно: когда сидим у костра, наблюдаем закат, вращаем ручку настройки приемника или проходим флюорографию. Тепло, свет, радиоволны и рентгеновские лучи — различные проявления одного и того же электромагнитного излучения.

Однако мы все-таки их различаем не только качественно и субъективно, но и количественно. По какому признаку? У электромагнитного излучения их много, но нам особенно важен сейчас один из них — волновая природа излучения.

Явление распространения волн настолько привычно каждому из нас, что пояснять его вновь кажется излишним. Тем не менее мы все-таки напомним здесь основные свойства волнового движения, по той же самой причине, по которой даже в солидные академические словари иностранных слов помещают вполне понятные обиходные слова.

«Волна» — одно из самых необходимых слов физики. Каждый представляет себе ее по-разному: один сразу же видит волны от брошенного в пруд камня, другой — синусоиду. Поскольку синусоиду рисовать проще — воспользуемся ею. У этой схематической волны четыре свойства: амплитуда А, длина волны X, частота v и скорость распространения v. Амплитуда волны — это наибольшая ее высота. Что такое длина волны — понятно из рисунка. Скорость ее распространения, по-видимому, особых пояснений не требует.

Чтобы выяснить, что такое частота, проследим за движением волны в течение секунды. При скорости и (см/с) она за это время пройдет расстояние v (см). Подсчитав, сколько длин волн уместилось на этом отрезке, мы найдем частоту излучения: v = u/X (с^-1).

Важнейшее свойство волн — их способность интерферировать,то есть способность волн уничтожать или усиливать друг друга, например, при отражении, и это именно то свойство, по которому волну всегда можно безошибочно отличить от потока частиц.

Еще одно свойство волны, которое отличает ее от частиц,— дифракция — состоит в ее способности огибать препятствия, если его размеры соизмеримы с длиной волны. Если препятствие невелико, то благодаря дифракции волна может разделиться, обойти его и, складываясь снова, усилить или погасить себя точно так же, как при сложении прямой и отраженной волн.

Именно таким способом, обнаружив интерференцию и дифракцию у рентгеновского и других видов излучения, установили, что все они — волны, только разной длины. Длина волны излучения и есть тот основной признак, по которому мы количественно различаем разные виды электромагнитного излучения. Наибольшая длина у радиоволн: от нескольких километров до нескольких сантиметров. У тепловых лучей она короче — от 1 до 10^-2 см. Еще короче волны видимого света, примерно 4-10^-5—8-Ю^-5 см. Наконец, у рентгеновских лучей длина волны составляет лишь 10~⁷ — 10“⁸ см. Все виды излучения распространяются с одной и той же скоростью — со скоростью света с = 3-1О¹⁰ см/с. Отсюда по формуле v=c/X очень просто вычислить частоту каждого вида излучения. Очевидно, для рентгеновского излучения она будет наибольшей, а для радиоволн — наименьшей.

Очень важно отдавать себе отчет в том, что, конечно, любое излучение — это не синусоида, изображенная на рисунке, а физический процесс, основные характеристики которого (например, периодичность), по счастью, можно выразить на языке таких простых моделей. У каждого вида излучения свои особенности. Сосредоточимся пока на том его виде, который для нас наиболее важен и привычен,— на солнечном излучении.

Когда вы греетесь на солнце, вы, наверное, не задумываетесь о сложном составе солнечного излучения, хотя иногда солнечные ожоги и напоминают вам об этом. Исаак Ньютон (1643—1727) жил в Англии, где солнце светит не так уж ярко, тем не менее он захотел узнать, из чего состоит солнечный свет. Чтобы выяснить это, Ньютон поставил в 1666 г. опыт, знакомый теперь каждому школьнику: пропуская луч солнца сквозь призму, он обнаружил позади нее на стене радугу — спектр солнечного света. Впоследствии его соотечественник Томас Юнг (1773—1829) выяснил, что каждому цвету радуги-спектра соответствует своя длина волны солнечного излучения: самые длинные волны у красного цвета — 650 нм; у зеленого короче — 520 нм; еще короче у фиолетового— 400 нм (1 нм = 10^-7 см).

Спектр излучения любого тела — будь то Солнце или раскаленный железный лом — полностью известен, если мы, во-первых, знаем, из каких волн он состоит и, во-вторых, какую долю они составляют в общем потоке излучения. В частности, цвет раскаленного тела определяют те волны, которых больше всего в спектре его излучения. При изменении температуры тела спектральный состав его излучения также меняется. Пока температура тела невысока, оно излучает, но не светится, то есть испускает только тепловые волны, невидимые для глаза. При повышении температуры оно начинает светиться: сначала красным, затем оранжевым, желтым и т. д. цветом. Например, при температуре 6000 °C больше всего’ излучается желтых лучей (именно по этому признаку определили температуру поверхности Солнца).