они обна­ружили, что су­ще­ст­ву­ют два дру­гих хи­ми­че­ских эле­мен­та с

те­ми же свой­ст­ва­ми. Оба они не бы­ли ра­нее из­вест­ны нау­ке. Один из

них был на­зван по­ло­ни­ем - в честь ро­ди­ны г-жи Кю­ри, дру­гой -

ра­ди­ем.

Ка­за­лось, что ве­ли­кие клас­си­че­ские тео­рии фи­зи­ки по­тря­се­ны до

са­мо­го ос­но­ва­ния. Фи­зи­ки по­ла­га­ли, что икс - лу­чи оп­ро­вер­га­ют

за­ко­ны Мак­свел­ла, но по­том Рент­ген до­ка­зал, что они не

про­ти­во­ре­чат эфир­ной тео­рии, так как обла­дают нор­маль­ны­ми

оп­ти­че­ски­ми свой­ст­ва­ми - от­ра­же­ни­ем, реф­рак­ци­ей и

ин­тер­фе­рен­ци­ей. Яв­ле­ние ра­дио­ак­тив­но­сти, за­ме­чен­ное

Бек­ке­ре­лем, ка­за­лось, оз­на­ча­ло ко­нец кра­си­вой тео­рии

со­хра­не­ния энер­гии. Ка­ким об­ра­зом ве­ще­ст­во без ус­та­ли

вы­ра­ба­ты­ва­ет энер­гию, по всей оче­вид­но­сти, ни­как не по­пол­няя ее

за­па­сов?

Лю­бо­пыт­ное от­кры­тие бы­ло сде­ла­но в 1887 го­ду. Ген­рих Герц

об­на­ру­жил, что ультра­фиолетовый свет, па­дая на элек­трод, ко­то­рый

при­сое­ди­нен к це­пи с вы­со­ким на­пря­же­ни­ем, за­став­ля­ет ис­кру

от­ска­ки­вать зна­чи­тель­но даль­ше. Дж. Дж. Том­сон до­ка­зал, что это

проис­ходит из-за то­го, что ульт­ра­фио­ле­то­вый свет соз­да­ет на

по­верх­но­сти ме­тал­ла от­ри­ца­тель­ный за­ряд. Яв­ле­ние по­лу­чи­ло

на­зва­ние “фо­то­элек­три­че­ский эф­фект”.

От­кры­тие икс - лу­чей за­ста­ви­ло фи­зи­ков не толь­ко при­сталь­нее

при­смот­реть­ся к яв­ле­нию флуо­рес­цен­ции, но и по­бу­ди­ло их

вер­нуть­ся к при­ро­де ка­тод­ных лу­чей. Су­ще­ст­во­ва­ли две точ­ки

зре­ния. Не­мец­кие уче­ные по­ла­га­ли, что ка­тод­ные лу­чи в труб­ке

пред­став­ля­ют со­бой виб­ра­ции в эфи­ре. Анг­лий­ские фи­зи­ки склон­ны

бы­ли счи­тать эти лу­чи за­ря­жен­ны­ми электри­чеством час­ти­ца­ми, как

это пред­ска­зы­вал Бенд­жа­мен Франк­лин. Вы­даю­щим­ся вы­ра­зи­те­лем

анг­лий­ской шко­лы был Дж. Дж. Том­сон.

В 1897 го­ду Том­сон опуб­ли­ко­вал класси­ческую ста­тью под на­зва­ни­ем

“Ка­тод­ные лу­чи”, в ко­то­рой он сде­лал об­зор всех опы­тов с ка­тодными

лу­ча­ми. Ста­тья вклю­ча­ла так­же опи­сание не­ко­то­рых из его

соб­ст­вен­ных опы­тов. Он при­шел к вы­во­ду, что ка­тод­ный луч - это на

са­мом де­ле по­ток дви­жу­щих­ся при вы­со­ком на­пря­же­нии

от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ных час­тиц го­раз­до мень­ше­го раз­ме­ра, чем

са­мый ма­лый атом. Ис­поль­зуя пред­ло­жен­ное Сто­ни на­зва­ние, Том­сон

дал этой час­ти­це имя “элек­трон”. Он ут­вер­ждал, что

фо­то­элек­три­че­ский эф­фект есть не что иное, как вы­би­ва­ние этих

элек­тро­нов из ме­тал­ли­че­ской по­верх­но­сти лу­чом ультрафиоле­тового

све­та. Том­сон на­стаи­вал и на том, что элек­трон был так­же со­став­ной

ча­стью лу­чей Бек­ке­ре­ля.

Ут­вер­жде­ние Том­со­на ка­за­лось фантасти­ческим це­ло­му по­ко­ле­нию

уче­ных, ко­то­рые не хо­те­ли при­зна­вать ги­по­те­зу, что ма­те­рия

состо­ит из ато­мов. Пред­по­ло­же­ние, что су­ще­ст­ву­ет час­ти­ца еще

мень­шая, чем атом, вы­зва­ло бу­рю. Не­ко­то­рые уче­ные бы­ли го­то­вы

со­гла­сить­ся с тем, что элек­три­че­ст­во - это по­ток очень ма­лень­ких

час­тиц, имею­щих элек­три­че­ский за­ряд, но еще на­до бы­ло до­ка­зать, что

ка­ж­дая та­кая час­ти­ца об­ла­да­ла оп­ре­де­лен­ной мас­сой и

опре­деленным элек­три­че­ским за­ря­дом. Нуж­но бы­ло про­вес­ти опыт,

что­бы раз и на­все­гда до­ка­зать, что элек­тро­ны су­ще­ст­ву­ют на са­мом

де­ле.

В 90-х го­дах про­шло­го ве­ка был все же один не­мец­кий уче­ный, ко­то­рый

не раз­де­лял эфир­ную тео­рию икс - лу­чей. Его зва­ли Аль­берт Эйн­штейн.

На это­го уче­но­го про­из­вел глу­бо­кое впе­чат­ле­ние опыт Май­кель­со­на

с интерферо­метром. И еще один не­мец воз­ра­жал про­тив эфир­ной тео­рии -

Макс Планк. Он сде­лал в рав­ной сте­пе­ни ра­ди­каль­ное пред­по­ло­же­ние:

лу­чевую энер­гию, т. е. свет, сле­ду­ет пред­став­лять в ви­де “кван­тов”,

или мель­чай­ших час­тиц. Эйн­штейн ис­поль­зо­вал кван­то­вую тео­рию

План­ка для объ­яс­не­ния фо­то­элек­три­че­ско­го эф­фек­та и со­ста­вил

изу­ми­тель­ное по кра­со­те сум­мирующее урав­не­ние. Но в то вре­мя мыс­ли

Эйн­штей­на о фо­то­элек­три­че­ском эф­фек­те не встре­ти­ли до­ве­рия.

Мил­ли­кен - один из не­мно­гих американ­ских ас­пи­ран­тов, ра­бо­тав­ших

то­гда в Ев­ро­пе, - был тем че­ло­ве­ком, ко­то­ро­му су­ж­де­но бы­ло

пос­ле дол­гих лет тру­дов и раз­ду­мий по­ста­вить два важ­ней­ших

экс­пе­ри­мен­та эпо­хи: один опыт под­твер­дил пра­виль­ность элек­трон­ной

тео­рии Том­со­на; вто­рой дал до­ка­за­тель­ст­во тео­рии

фо­тоэлектрического эф­фек­та Эйн­штей­на и то­го, что кван­то­вая тео­рия -

не­что боль­шее, чем “бред” ма­те­ма­ти­ка.

Элек­трон на ка­п­ле мас­ла

“К кон­цу пер­во­го де­ся­ти­ле­тия, про­ве­ден­но­го в Чи­каг­ском

уни­вер­си­те­те (1906 год), я все еще был пре­по­да­ва­те­лем-

ас­си­стен­том, - пи­сал Ро­берт Мил­ли­кен. - У ме­ня рос­ло двое сы­но­вей.

Я на­чал стро­ить дом, рас­счи­ты­вая оп­ла­тить рас­хо­ды за счет мо­их

го­но­ра­ров, но я знал, что до сих пор не за­ни­мал сколь­ко-ни­будь

за­мет­но­го мес­та сре­ди фи­зи­ков-исследо­вателей”.

Учеб­ник, над ко­то­рым он ра­бо­тал, был уже в из­да­тель­ст­ве. На­ко­нец

он смог при­сту­пить к ин­тен­сив­ной ис­сле­до­ва­тель­ской ра­бо­те. В его

уче­ной карь­е­ре на­чал­ся но­вый этап.

“Все фи­зи­ки ин­те­ре­со­ва­лись ве­ли­чи­ной элек­три­че­ско­го за­ря­да

элек­тро­на, и, тем не ме­нее, до сих пор не уда­лось ее из­ме­рить...”

Мно­го по­пы­ток про­вес­ти это ре­шаю­щее из­ме­ре­ние уже пред­при­нял Дж.

Дж. Том­сон, но про­шло де­сять лет ра­бо­ты, и ас­си­стент Том­со­на Г.

Виль­сон со­об­щил, что по­сле один­на­дца­ти раз­лич­ных из­ме­ре­ний они

по­лу­чи­ли один­на­дцать раз­лич­ных ре­зуль­та­тов.

Пре­ж­де чем на­чать ис­сле­до­ва­ния по свое­му соб­ст­вен­но­му ме­то­ду,

Мил­ли­кен ста­вил опы­ты по ме­то­ду, при­ме­няв­ше­му­ся в Кембридж­ском

уни­вер­си­те­те. Тео­ре­ти­че­ская часть экспе­римента за­клю­ча­лась в

сле­дую­щем. Мас­са те­ла оп­ре­де­ля­лась пу­тем из­ме­ре­ния дав­ле­ния,

про­из­во­ди­мо­го те­лом под воз­дей­ст­ви­ем си­лы тя­же­сти на ча­шу

ве­сов. Ес­ли со­об­щить беско­нечно ма­лой час­ти­це ве­ще­ст­ва

элек­три­че­ский за­ряд и ес­ли при­ло­жить на­прав­лен­ную вверх

элек­три­че­скую си­лу, рав­ную си­ле тя­же­сти, на­прав­лен­ной вниз, то эта

час­ти­ца бу­дет на­ходиться в со­стоя­нии рав­но­ве­сия, и фи­зик мо­жет

рас­счи­тать ве­ли­чи­ну элек­три­че­ско­го заря­да. Ес­ли в дан­ном слу­чае

час­ти­це бу­дет сооб­щен элек­три­че­ский за­ряд од­но­го элек­тро­на,

мож­но бу­дет вы­счи­тать ве­ли­чи­ну это­го за­ря­да.

Кем­бридж­ская тео­рия бы­ла впол­не логич­ной, но фи­зи­ки ни­как не мог­ли

соз­дать при­бор, при по­мо­щи ко­то­ро­го мож­но бы­ло бы за­ни­мать­ся

ис­сле­до­ва­ния­ми от­дель­ных час­тиц ве­ществ. Им при­хо­ди­лось

до­воль­ст­во­вать­ся на­блю­де­ни­ем за по­ве­де­ни­ем об­ла­ка из водя­ных

ка­пель, за­ря­жен­ных элек­три­че­ст­вом. В ка­мере, воз­дух из ко­то­рой

был час­тич­но уда­лен, соз­да­ва­лось об­ла­ко па­ра. К верх­ней час­ти

ка­меры под­во­дил­ся ток. Че­рез оп­ре­де­лен­ное вре­мя ка­пель­ки ту­ма­на

в об­ла­ке ус­по­каи­ва­лись. За­тем сквозь ту­ман про­пус­ка­ли икс - лу­чи,

и водя­ные ка­п­ли по­лу­ча­ли элек­три­че­ский за­ряд.

При этом ис­сле­до­ва­те­ли по­ла­га­ли, что элек­три­че­ская си­ла,

на­прав­лен­ная вверх, к на­ходящейся под вы­со­ким на­пря­же­ни­ем крыш­ке

ка­ме­ры, долж­на яко­бы удер­жи­вать ка­п­ли от па­де­ния. Од­на­ко на де­ле

не вы­пол­ня­лось ни од­но из слож­ных ус­ло­вий, при ко­то­рых, и толь­ко

при ко­то­рых, час­ти­цы мог­ли бы на­хо­дить­ся в со­стоя­нии рав­но­ве­сия.

Мил­ли­кен на­чал ис­кать но­вый путь реше­ния про­бле­мы. Де­ло бы­ло не в

ап­па­ра­те, а в том, как им поль­зо­вать­ся. Он внес в его кон­струкцию ряд

не­боль­ших из­ме­не­ний, ко­то­рые “впер­вые по­зво­ли­ли про­вес­ти все

из­ме­ре­ния на од­ной и той же от­дель­ной ка­пель­ке”.

“В ка­че­ст­ве пер­во­го ша­га в об­лас­ти усо­вер­шен­ст­во­ва­ния в 1906

го­ду скон­ст­руи­ро­вал не­боль­шую по га­ба­ри­там ба­та­рею на 10 ты­сяч

вольт (что са­мо по се­бе бы­ло в то вре­мя не­ма­лым дос­ти­же­ни­ем),

ко­то­рая соз­да­ва­ла по­ле, дос­та­точ­но силь­ное для то­го, что­бы

удер­живать верх­нюю по­верх­ность об­ла­ка Виль­сона в под­ве­шен­ном, как

“гроб Ма­го­ме­та”, со­стоя­нии. Ко­гда у ме­ня все бы­ло го­то­во и ко­гда

об­ра­зо­ва­лось об­ла­ко, я по­вер­нул выклю­чатель и об­ла­ко ока­за­лось в

элек­три­че­ском по­ле. В то же мгно­ве­ние оно на мо­их гла­зах рас­тая­ло,

дру­ги­ми сло­ва­ми - от це­ло­го об­ла­ка не ос­та­лось и ма­лень­ко­го

ку­соч­ка, ко­то­рый мож­но бы­ло бы на­блю­дать при по­мо­щи конт­рольного

оп­ти­че­ско­го при­бо­ра, как это де­лал Виль­сон и со­би­рал­ся сде­лать я.

Как мне снача­ла по­ка­за­лось, бес­след­ное ис­чез­но­ве­ние обла­ка в

элек­три­че­ском по­ле ме­ж­ду верх­ней и ниж­ней пла­сти­на­ми оз­на­ча­ло,

что экс­пе­ри­мент за­кон­чил­ся без­ре­зуль­тат­но... Од­на­ко, по­вто­рив

опыт, я ре­шил, что это яв­ле­ние го­раз­до бо­лее важ­ное, чем я

пред­по­ла­гал. По­втор­ные опы­ты по­ка­за­ли, что по­сле рас­сеи­ва­ния

об­ла­ка в мощ­ном элек­три­че­ском по­ле на его мес­те мож­но бы­ло

раз­ли­чить не­сколь­ко от­дель­ных во­дя­ных ка­пель”.

Соз­да­вая мощ­ное элек­три­че­ское по­ле, Мил­ли­кен не­из­мен­но

рас­сеи­вал об­ла­ко. От не­го ос­та­ва­лось очень не­боль­шое чис­ло

час­тиц, мас­са и элек­три­че­ский за­ряд ко­то­рых находи­лись в иде­аль­ном

рав­но­ве­сии. На са­мом де­ле, имен­но те ка­п­ли, ко­то­рые бы­ли те­перь

уда­ле­ны из ка­ме­ры, на­ру­ша­ли все пред­ше­ст­во­вав­шие из­ме­ре­ния.

“Я на­блю­дал при по­мо­щи мое­го коротко­фокусного те­ле­ско­па за

по­ве­де­ни­ем этих на­хо­дя­щих­ся в рав­но­ве­сии ка­пе­лек в

элек­три­че­ском по­ле. Не­ко­то­рые из них на­чи­на­ли мед­ленно дви­гать­ся

вниз, а за­тем, по­сте­пен­но те­ряли вес в ре­зуль­та­те ис­па­ре­нии,

ос­та­нав­ли­ва­лись, по­во­ра­чи­ва­лись... и мед­лен­но на­чи­на­ли

дви­гать­ся вверх, так как си­ла тя­же­сти все умень­ша­лась вслед­ст­вие

ис­па­ре­ния... Ес­ли элек­три­че­ское по­ле вне­зап­но ис­че­за­ло, все

на­ходящиеся в рав­но­ве­сии ка­пель­ки, по­хо­жие на звез­доч­ки на тем­ном

по­ле, на­чи­на­ли па­дать - од­ни мед­лен­но, дру­гие го­раз­до бы­ст­рее.

Эти по­след­ние ка­пель­ки ока­за­лись во взве­шен­ном со­стоя­нии по­то­му,

что они не­сли на се­бе два, три, че­ты­ре, пять и боль­ше элек­тро­нов

вме­сто од­но­го... Это бы­ло, на­ко­нец, пер­вое от­чет­ли­вое, яс­ное и

не­дву­смыс­лен­ное до­ка­за­тель­ст­во то­го, что элек­три­че­ст­во еди­но

по струк­ту­ре”.

Это по­след­нее на­блю­де­ние бы­ло в то вре­мя фак­ти­че­ски зна­чи­тель­но

бо­лее важ­ным, чем из­ме­ре­ние за­ря­да элек­тро­на.

Мил­ли­кен за­кон­чил пер­вые из­ме­ре­ния за­ряда элек­тро­на в сен­тяб­ре

1909 го­да и незамед­лительно вы­сту­пил с со­об­ще­ни­ем на совеща­нии

Бри­тан­ской ас­со­циа­ции со­дей­ст­вия нау­ке в Вин­ни­пе­ге. Хо­тя его

име­ни не бы­ло в спи­ске док­лад­чи­ков, ему да­ли воз­мож­ность

вы­сту­пить. Прав­да, он не пи­тал ни­ка­ких ил­лю­зий. Он хоро­шо по­ни­мал,

что ре­зуль­та­ты его опы­тов явля­ются лишь пред­ва­ри­тель­ны­ми и что с

по­мо­щью бо­лее со­вер­шен­ных в тех­ни­че­ском от­но­ше­нии при­бо­ров

мо­гут быть по­лу­че­ны бо­лее точ­ные дан­ные.

“Воз­вра­ща­ясь в Чи­ка­го с это­го со­ве­ща­ния, я смот­рел из ок­на мо­ей

поч­то­вой ка­ре­ты на рав­ни­ны Ма­ни­то­бы и вне­зап­но ска­зал се­бе:

“Ка­кой глу­пец! Пы­тать­ся та­ким гру­бым спо­собом пре­кра­тить

ис­па­ре­ние во­ды в во­дя­ных ка­пель­ках в то вре­мя, как че­ло­ве­че­ст­во

за­тратило по­след­ние три­ста лет на усовершен­ствование мас­ла для смаз­ки

ча­сов, стре­мясь по­лу­чить сма­зоч­ное ве­ще­ст­во, ко­то­рое вооб­ще не

ис­па­ря­ет­ся!”

Ко­гда я вер­нул­ся в Чи­ка­го, у вхо­да в лабо­раторию я встре­тил

Май­кель­со­на. Мы усе­лись на по­ро­ге и на­ча­ли бол­тать. Я спро­сил его,

на­сколь­ко, по его мне­нию, точ­но из­ме­рил он ско­рость све­та. Он

от­ве­тил, что из­ме­ре­ние про­изведено с точ­но­стью при­мер­но до од­ной

де­сятитысячной. “Так вот, - ска­зал я, - я приду­маю ме­тод, при по­мо­щи

ко­то­ро­го я смо­гу опре­делить ве­ли­чи­ну за­ря­да элек­тро­на с

точ­но­стью до од­ной ты­сяч­ной, или грош мне це­на”.

Я не­мед­лен­но на­пра­вил­ся в мас­тер­скую и по­про­сил ме­ха­ни­ка

из­го­то­вить воз­душ­ный кон­денсатор, со­стоя­щий из двух круг­лых

ла­тун­ных пла­стин око­ло 10 дюй­мов в диа­мет­ре, ко­то­рые бы­ли бы

за­кре­п­ле­ны на рас­стоя­нии при­мер­но шес­ти де­ся­тых дюй­ма од­на от

дру­гой. В цен­тре верх­ней пла­сти­ны бы­ло про­свер­ле­но не­сколь­ко

по­лу­мил­ли­мет­ро­вых от­вер­стий, сквозь ко­то­рые ка­пель­ки

сма­зоч­но­го мас­ла, по­сту­паю­щие из рас­пы­ли­те­ля, мог­ли бы по­пасть в

про­стран­ст­во ме­ж­ду пла­сти­на­ми. К пла­сти­нам бы­ли подклю­чены

вы­во­ды мо­ей ба­та­реи на 10 ты­сяч вольт”... Мил­ли­кен на­ме­ре­вал­ся

за­ря­дить ка­пель­ки мас­ла при по­мо­щи по­то­ка икс -лу­чей, как он де­лал

это рань­ше с во­дой.

В те­че­ние трех лет, с 1909 по 1912 год, он по­свя­щал все свое вре­мя

опы­там над капель­ками сма­зоч­но­го мас­ла.

“Ме­ня за­ча­ро­вы­ва­ла та аб­со­лют­ная уве­ренность, с ко­то­рой мож­но

бы­ло точ­но пересчи­тать ко­ли­че­ст­во элек­тро­нов, си­дев­ших на дан­ной

ка­п­ле, будь это один элек­трон или лю­бое их чис­ло, до сот­ни

вклю­чи­тель­но. Для это­го тре­бовалось лишь за­ста­вить ис­сле­дуе­мую

ка­п­лю про­де­лать боль­шую се­рию пе­ре­ме­ще­нии вверх и вниз, точ­но

из­ме­рив вре­мя, по­тра­чен­ное ею на ка­ж­дое пе­ре­ме­ще­ние, а за­тем

вы­счи­тать наи­меньшее об­щее крат­ное до­воль­но боль­шой се­рии

ско­ро­стей.

Для то­го что­бы по­лу­чить не­об­хо­ди­мые дан­ные по од­ной от­дель­ной

ка­п­ле, ино­гда тре­бовалось не­сколь­ко ча­сов. Од­на­ж­ды г-жа Мил­ликен и

я при­гла­си­ли к обе­ду гос­тей. Ко­гда про­би­ло шесть ча­сов, у ме­ня

бы­ла все­го лишь по­ло­ви­на не­об­хо­ди­мых мне дан­ных. По­это­му я

вы­ну­ж­ден был по­зво­нить г-же Мил­ли­кен по те­ле­фо­ну и ска­зать, что

уже в те­че­ние полуто­ра ча­сов на­блю­даю за ио­ном и дол­жен закон­чить

ра­бо­ту. Я про­сил ее обе­дать без ме­ня. Позд­нее гос­ти осы­па­ли ме­ня

ком­пли­мен­та­ми по по­во­ду мое­го при­стра­стия к до­маш­не­му хо­зяйству,

по­то­му что, как они объ­яс­ня­ли, г-жа Мил­ли­кен со­об­щи­ла им, что я в

те­че­ние по­лутора ча­сов сти­рал и гла­дил и дол­жен был за­кон­чить

ра­бо­ту”(англ. “watch an ion”- на­блю­дать за ио­ном; “washed and ironed” -

сти­рал и гла­дил).

Мил­ли­кен опуб­ли­ко­вал ре­зуль­та­ты сво­их опы­тов осе­нью 1910 го­да и

ока­зал­ся в цен­тре вни­ма­ния фи­зи­ков все­го ми­ра. Не­мец­кая шко­ла, в

том чис­ле и Рент­ген, от­крыв­ший за 15 лет до это­го икс - лу­чи,

пол­но­стью из­ме­ни­ла свою точ­ку зре­ния. Пред­ста­ви­тель этой шко­лы,

ве­ликий уче­ный в об­лас­ти фи­зи­че­ской хи­мии Ост­вальд в 1912 го­ду

пи­сал: “Те­перь я убеж­ден... По­лу­чен­ные опыт­ным пу­тем

до­ка­за­тель­ст­ва... ко­то­рые лю­ди без­ус­пеш­но ис­ка­ли в те­чение

со­тен и ты­сяч лет... те­перь... да­ют воз­можность да­же са­мо­му

ос­то­рож­но­му уче­но­му го­во­рить о том, что тео­рия атом­но­го строе­ния

ве­ще­ст­ва экс­пе­ри­мен­таль­но до­ка­за­на”.

Ре­во­лю­ция в об­лас­ти све­та

В пе­ри­од с 1921 по 1945 гг. Мил­ли­кен - ди­рек­тор Ла­бо­ра­то­рии

Нор­ма­на Брид­жа Ка­ли­фор­ний­ско­го тех­но­ло­ги­че­ско­го ин­сти­ту­та.

В 1921 го­ду Аль­берт Эйн­штейн был удо­стоен Но­бе­лев­ской пре­мии за

раз­ра­бот­ку тео­рии, объ­яс­нив­шей фо­то­элек­три­че­ский эф­фект. Спус­тя

два го­да Ро­берт Мил­ли­кен полу­чил Но­бе­лев­скую пре­мию за про­ве­де­ние

опы­та, под­твер­див­ше­го тео­рию Эйн­штей­на. Тео­рия Эйн­штей­на бы­ла

вы­дви­ну­та в 1905 го­ду. Ве­ликий экс­пе­ри­мент Мил­ли­ке­на был

про­ве­ден поч­ти де­сять лет спус­тя. Двой­ное при­су­ж­де­ние пре­мии

оз­на­ча­ло ус­пех од­ной из са­мых вели­ких ре­во­лю­ций в об­лас­ти

фи­зи­ки.

Иса­ак Нью­тон обо­га­тил фи­зи­ку дву­мя тео­риями: пер­вая ка­са­лась

за­ко­нов дви­же­ния тел; со­глас­но вто­рой свет пред­став­лял со­бой

ско­пище кро­шеч­ных час­тиц све­тя­щей­ся ма­те­рии. Пер­вая тео­рия

Нью­то­на при­нес­ла ему репута­цию ге­ни­аль­но­го уче­но­го. И толь­ко

бла­го­да­ря его пре­сти­жу бы­ла при­ня­та вто­рая тео­рия - о

кор­пус­ку­ляр­ной струк­ту­ре све­та, хо­тя она бы­ла зна­чи­тель­но сла­бее

пер­вой и объ­яс­ня­ла все­го два из всех из­вест­ных свойств све­та.

По Нью­то­ну, от­ра­же­ние - это про­сто от­ска­ки­ва­ние уп­ру­гих час­тиц

све­та от отра­жающей по­верх­но­сти. Реф­рак­ция же, прелом­ление све­то­вых

лу­чей при пе­ре­хо­де из ме­нее плот­ной сре­ды, та­кой, на­при­мер, как

воз­дух, в бо­лее плот­ную, как, на­при­мер, во­да, име­ло ме­сто в

ре­зуль­та­те из­ме­не­ния ско­ро­сти частич­ки све­та в мо­мент

про­хо­ж­де­ния ее сквозь по­верхность бо­лее плот­ной сре­ды.

Нью­то­нов­ская тео­рия све­та не мог­ла объ­яс­нить интерферен­ции,

ди­фрак­ции и по­ля­ри­за­ции.

К на­ча­лу XVIII сто­ле­тия ста­ла привле­кать вни­ма­ние вол­но­вая тео­рия

све­та, выдви­нутая со­вре­мен­ни­ком Нью­то­на - Гюй­ген­сом. По этой

тео­рии свет со­сто­ит из виб­ра­ции в эфи­ре. Ве­ли­кий фран­цуз­ский фи­зик

Фре­нель ма­тематически до­ка­зал, что ес­ли свет действи­тельно вол­но­вое

яв­ле­ние, то все его наблюда­емые про­яв­ле­ния лег­ко мож­но объ­яс­нить.

Спус­тя пол­сто­ле­тия Джемс Мак­свелл под­кре­пил вол­но­вую тео­рию све­та,

тео­ре­ти­че­ски до­ка­зав, что свет яв­ля­ет­ся виб­ра­ци­ей

элек­три­че­ских и маг­нит­ных волн. До по­след­не­го де­ся­ти­ле­тия XIX

ве­ка в тео­рии Мак­свел­ла не бы­ло, каза­лось, ни­ка­ких про­ти­во­ре­чий.

В 1887 го­ду Герц за­ме­тил, что свет, осо­бенно ульт­ра­фио­ле­то­вые лу­чи,

за­ря­жа­ли ме­таллические по­верх­но­сти элек­три­че­ст­вом. Том­сон

до­ка­зал, что по­ло­жи­тель­ный за­ряд на по­верх­но­сти ме­тал­ла был

след­ст­ви­ем мгновен­ного ис­пус­ка­ния им от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ных

элек­тро­нов.

Аль­берт Эйн­штейн был един­ст­вен­ным фи­зиком, по­няв­шим, что в этом

таи­лось проти­воречие, ко­то­рое вол­но­вая тео­рия све­та не мо­жет

раз­ре­шить. В 1905 го­ду он вы­ска­зал пред­положение, что

фо­то­элек­три­че­ский эф­фект мож­но объ­яс­нить, толь­ко воз­вра­тив­шись к

кор­пускулярной тео­рии све­та, в ко­то­рую сле­ду­ет вне­сти не­ко­то­рые

важ­ные из­ме­не­ния.

По мне­нию Эйн­штей­на, про­ти­во­ре­чие за­ключалось в сле­дую­щем: чем

боль­ше све­та па­да­ет на ме­тал­ли­че­скую по­верх­ность, тем боль­ше

вы­де­ля­ет­ся элек­тро­нов; од­на­ко энер­гия ка­ж­до­го от­дель­но­го

элек­тро­на с из­ме­не­ни­ем ин­тен­сив­но­сти све­та не из­ме­ня­ет­ся,

хо­тя, по тео­рии Мак­свел­ла, ин­тен­сив­ность све­та слу­жит ме­ри­лом его

энер­гии.

Эйн­штейн пред­ло­жил сле­дую­щее объясне­ние: луч све­та со­сто­ит из

по­то­ка кро­шеч­ных кор­пус­кул, ка­ж­дая из ко­то­рых не­сет опреде­ленную

энер­гию. Энер­гия кор­пус­ку­лы пропор­циональна цве­ту, или, вы­ра­жа­ясь

клас­си­че­ским язы­ком, час­то­те све­та, а не его ам­пли­ту­де, как

за­яв­лял Мак­свелл. Ко­гда свет па­да­ет на твер­дое ве­ще­ст­во,

не­ко­то­рые из эйнштейнов­ских кор­пус­кул энер­гии по­гло­ща­ют­ся.

Коли­чество по­гло­щае­мой энер­гии в не­ко­то­рых слу­чаях ока­зы­ва­ет­ся

на­столь­ко боль­шим, что элек­тро­ны по­лу­ча­ют воз­мож­ность по­ки­нуть

ато­мы, в ко­то­рых они на­хо­ди­лись. Энер­гия этих ос­во­бо­ж­ден­ных

“фо­то­элек­тро­нов” дол­жна по­это­му быть аб­со­лют­но рав­ной энер­гии

пой­ман­ных кор­пус­кул све­та, на­зы­вае­мых “кван­та­ми”, ми­нус

ко­ли­че­ст­во энер­гии, нуж­ной для то­го, что­бы вы­рвать элек­тро­ны из

ато­мов.

Это по­след­нее ко­ли­че­ст­во, “ра­бо­та вы­хо­да”, мо­жет быть

не­по­сред­ст­вен­но из­ме­ре­но.

Эйн­штейн со­об­щит об этом в фор­ме урав­нения, в ко­то­ром бы­ла

ус­та­нов­ле­на связь меж­ду ско­ро­стью вы­ле­тев­ше­го элек­тро­на,

энерги­ей пой­ман­но­го кван­та све­та и с ра­бо­той вы­хо­да”.

“Та­кая кор­пус­ку­ляр­ная тео­рия, гово­рил Мил­ли­кен, - не бы­ла

под­твер­жде­на экспе­риментально, за ис­клю­че­ни­ем на­блю­де­ний,

про­ве­ден­ных Ле­нар­дом в 1900 го­ду и сво­дившихся к то­му, что энер­гия,

с ко­то­рой элект­роны вы­ле­та­ют из цин­ко­вой пла­стин­ки, кажет­ся, не

за­ви­сит от ин­тен­сив­но­сти све­та. Я ду­маю, пра­виль­но бу­дет ска­зать,

что мысль Эйн­штей­на о кван­тах све­та, не­су­щих­ся в про­странстве в

фор­ме им­пуль­сов, или, как мы на­зываем их те­перь, “фо­то­нов”,

при­бли­зи­тель­но до 1915 го­да не име­ла прак­ти­че­ски ни од­но­го

убе­ж­ден­но­го сто­рон­ни­ка.

То­гда, на тех ран­них эта­пах, да­же сам Эйн­штейн не от­стаи­вал эту мысль

с достаточ­ной ре­ши­тель­но­стью и оп­ре­де­лен­но­стью”.

Мил­ли­кен то­же да­ле­ко не был убе­ж­ден в пра­во­те Эйн­штей­на, но,

по­сколь­ку ла­бо­ра­то­рия в Чи­ка­го, ру­ко­во­ди­мая Май­кель­со­ном,

про­во­ди­ла очень мно­го экс­пе­ри­мен­тов, основан­ных на вол­но­вой

тео­рии све­та, Мил­ли­кен ре­шил раз и на­все­гда про­ве­рить ги­по­те­зу

Эйн­штейна.

“Как толь­ко я вер­нул­ся в свою лаборато­рию осе­нью 1912 го­да, - пи­сал

Мил­ли­кен, - я при­сту­пил к кон­ст­руи­ро­ва­нию но­во­го аппара­та, при

по­мо­щи ко­то­ро­го мож­но бы­ло бы по­лучить убе­ди­тель­ное ре­ше­ние

про­бле­мы это­го фо­то­элек­три­че­ско­го урав­не­ния Эйн­штей­на. Я поч­ти

не на­де­ял­ся, что ре­ше­ние, ес­ли толь­ко я его по­лу­чу, бу­дет

по­ло­жи­тель­ным. Но во­прос был чрез­вы­чай­но важ­ным, и най­ти ка­кое-то

ре­ше­ние бы­ло не­об­хо­ди­мо. Я на­чал фо­тоэлектрические ис­сле­до­ва­ния

в ок­тяб­ре 1912 го­да, и они за­ня­ли прак­ти­че­ски все мое вре­мя,

ко­то­рое я по­свя­щал ис­сле­до­ва­ни­ям на про­тя­же­нии по­сле­дую­щих

трех лет”.

Вся труд­ность сво­ди­лась к то­му, что­бы оп­ре­де­лить, в ка­кой

за­ви­си­мо­сти на­хо­дит­ся энер­гия от цве­та, или час­то­ты. Эйн­штейн

го­ворил, что эта за­ви­си­мость бы­ла пря­мой: энер­гия рав­на час­то­те,

по­мно­жен­ной на оп­ре­де­лен­ное чис­ло. Это “оп­ре­де­лен­ное чис­ло” бы­ло

по­стоянным для лю­бо­го пас­та. Оно долж­но бы­ло быть при­род­ной

кон­стан­той. Эйн­штейн приме­няя для это­го чис­ла обо­зна­че­ние h из

ува­же­ния к сво­ему кол­ле­ге Мак­су План­ку.

За не­сколь­ко лет до это­го Макс Планк пер­вый су­мел ре­шить тео­ре­ти­че­скую

про­бле­му в об­лас­ти ра­диа­ции, про­из­воль­но за­ме­нив в фор­му­ле член,

обо­зна­чаю­щий энер­гию, дру­гим чле­ном, в ко­то­рый вхо­ди­ли обо­зна­че­ния

часто­ты и этой са­мой по­сто­ян­ной ве­ли­чи­ны. Планк обо­зна­чил эту

ве­ли­чи­ну че­рез h и рассматри­вал всю опе­ра­цию лишь как удоб­ный

мате­матический при­ем, ко­то­рый по­мог ему ре­шить за­да­чу. Эйн­штейн же

уви­дел, что Планк не­воль­но сде­лал зна­чи­тель­но боль­ше. При по­мо­щи

“ма­те­ма­ти­че­ско­го прие­ма” План­ка про­бле­ма ре­ша­лась - зна­чит, он

точ­но от­ра­жал ис­тин­ное по­ло­же­ние ве­щей.

Эйн­штейн при­дал это­му прие­му бу­к­валь­ное зна­че­ние, и его

фо­то­элек­три­че­ское урав­не­ние ста­ло пер­вым не­по­сред­ст­вен­ным

при­ме­не­ни­ем но­вой кван­то­вой тео­рии. Мил­ли­кен ре­шил про­верить

тео­рию Эйн­штей­на, по­пы­тав­шись полу­чить от­ве­ты на сле­дую­щие три

во­про­са:

1. Дей­ст­ви­тель­но ли энер­гия кван­та све­та рав­на час­то­те све­та, взя­той

h раз?

2. Яв­ля­ет­ся ли чис­ло h дей­ст­ви­тель­но по­стоянной ве­ли­чи­ной

для всех цве­тов?

3. Со­от­вет­ст­ву­ет ли фо­то­элек­три­че­ское урав­не­ние Эйн­штей­на

то­му, что име­ет ме­сто в при­ро­де?

Для опы­тов Мил­ли­кен скон­ст­руи­ро­вал ори­ги­наль­ный ап­па­рат,

ко­то­рый он позд­нее на­звал “ва­ку­ум­ной па­рик­махер­ской”. В стеклян­ную

ва­ку­ум­ную ка­ме­ру он по­мес­тил поворот­ный диск. Этот диск мож­но бы­ло

по­во­ра­чи­вать при по­мо­щи маг­ни­та, рас­по­ло­жен­но­го за преде­лами

ка­ме­ры. С трех сто­рон на дис­ке находи­лись не­боль­шие ко­ли­че­ст­ва

трех ме­тал­лов, от­личающихся вы­со­кой ак­тив­но­стью, - на­трия, ка­лия и

ли­тия, ка­ж­дый реа­ги­ро­вал на свет толь­ко од­ной оп­ре­де­лен­ной

час­то­ты.

Вслед­ст­вие то­го, что ус­пех экс­пе­ри­мен­та в ог­ром­ной сте­пе­ни

за­ви­сел от ха­рак­те­ра по­верхности ка­ж­до­го из ме­тал­ли­че­ских

образ­цов, в ка­ме­ру бы­ло так­же по­ме­ще­но не­боль­шое при­спо­соб­ле­ние

для шли­фов­ки по­верх­но­сти об­разцов. Оно при­во­ди­лось в дей­ст­вие при

помо­щи маг­ни­тов, рас­по­ло­жен­ных вне ка­ме­ры.

Про­хо­дя сквозь лин­зы и приз­му, бе­лый свет пре­лом­лял­ся. Сквозь уз­кую

щель луч то­го или ино­го ос­нов­но­го цве­та получавшего­ся спек­тра

на­прав­лял­ся на по­верх­ность метал­лического об­раз­ца, и Мил­ли­кен мог

на­блю­дать дей­ст­вие лу­ча од­но­го цве­та на ме­талл. В то вре­мя как

ме­тал­ли­че­ская по­верх­ность освеща­лась по­сле­до­ва­тель­но лу­чом

ка­ж­до­го основно­го цве­та, Мил­ли­кен из­ме­рял ко­ли­че­ст­ва выле­тавших

элек­тро­нов и их энер­гию, оп­ре­де­ляя ко­ли­че­ст­во элек­три­че­ской

энер­гии, необхо­димой, что­бы ос­та­но­вить их. Ес­ли, на­при­мер, для

то­го, что­бы удер­жать в воз­ду­хе те­ло не­известного ве­са, не­об­хо­ди­ма

си­ла, рав­ная пя­ти фун­там, то мож­но ска­зать, что это те­ло ве­сят пять

фун­тов. Рас­су­ж­дая та­ким об­ра­зом. Мил­ли­кен оп­ре­де­лял ско­рость

элек­тро­нов пу­тем из­мерения си­лы, тре­буе­мой для пол­ной оста­новки их.

Зная ско­рость, он мог вы­счи­тать энер­гию элек­тро­нов, вы­де­ляю­щих­ся

при осве­щении ме­тал­ли­че­ской по­верх­но­сти лу­чом каж­дого цве­та.

Ко­гда этот опыт и рас­че­ты бы­ли продела­ны для всех час­тей спек­тра,

Мил­ли­кен смог вы­чер­тить кри­вую, по­ка­зы­ваю­щую зависи­мость энер­гии

элек­тро­на от цве­та лу­ча, или час­то­ты. По­лу­чен­ные им ре­зуль­та­ты

да­ли аб­солютно по­ло­жи­тель­ные от­ве­ты на поставлен­ные им три во­про­са и

под­твер­ди­ли вер­ность тео­рии Эйн­штей­на. По­сле пря­мых из­ме­ре­ний

ока­за­лось, что по­сто­ян­ная ве­ли­чи­на План­ка рав­на

Дж*се­кунд (

эрг*се­кунд).

Мил­ли­кен так­же раз­ра­бо­тал ме­то­ди­ку атом­ной спек­то­ро­ско­пии в

край­ней ульт­ра­фио­ле­то­вой об­лас­ти и ис­сле­до­вал кос­ми­че­ские лу­чи

с по­мо­щью ио­ни­за­ци­он­ной ка­ме­ры.

Он умер 19 де­каб­ря 1953 го­да в Сан-Ма­ри­но.

Аме­ри­ка дол­го жда­ла та­ко­го че­ло­ве­ка, как Мил­ли­кен. Он был

вы­даю­щим­ся исследо­вателем. Ра­бо­тая пре­по­да­ва­те­лем в Чи­ка­го, он

от­да­вал мно­го вре­ме­ни под­го­тов­ке и поощре­нию мо­ло­дых лю­дей, на

ра­бо­ту с ко­то­ры­ми у Май­кель­со­на не хва­та­ло тер­пе­ния. Вы­пол­няя

ад­ми­ни­ст­ра­тив­ные функ­ции в Ка­ли­фор­ний­ском тех­но­ло­ги­че­ском

ин­сти­ту­те, он под­го­то­вил не­сколько по­ко­ле­ний мо­ло­дых уче­ных.

Уро­вень их под­го­тов­ки был на­столь­ко вы­сок, что отпа­ла

не­об­хо­ди­мость на­прав­лять мо­ло­дых амери­канцев за гра­ни­цу для

по­лу­че­ния на­уч­но­го об­разования. Бла­го­да­ря Ро­бер­ту Эн­д­рю­су

Мил­ли­ке­ну аме­ри­кан­ская нау­ка всту­пи­ла в по­ру зре­ло­сти.

Страницы: 1, 2

Голосование

Как вы оцениваете работу нашего сайта? Отлично Хорошо Нормально Плохо Результаты