Электрон не укладывался в рамки первоначальных упрощенных представлений о нем. Так, например, опыты неопровержимо доказывали, что два электрона, находящиеся в атоме на одном и том же энергетическом уровне, все же чем-то отличаются один от другого.
Приблизиться к объяснению этого различия в движении электронов физике помогла астрономия. Ведь планеты не только обращаются вокруг Солнца, они одновременно вращаются вокруг своих осей. Может быть, и электроны вертятся, как волчки?
Многие наблюдения хорошо объясняются таким допущением. Однако против него есть и серьезные возражения.
Зато магнитные свойства электрона доказаны несомненно. Электрон имеет магнитную ось, он представляет собой маленький магнитик; это доказано прямыми опытами.
Не так-то оказывается проста эта «простейшая частица», и много задач задает она ученым, много задач задаст и в будущем.
В те же годы, то есть в первой четверти XX века, зародилась мысль, что электроны не всегда ведут себя как частицы вещества. Иногда они обнаруживают волновые свойства, которые роднят быстролетящие электроны со световым лучом.
Чтобы проверить это предположение, в 1926 году повторили опыт с просвечиванием кристаллического вещества, только вместо рентгеновских лучей, какие обычно применяют для этой цели, употребили электронный луч, то есть заменили рентгеновские лучи потоком электронов и посмотрели, что получится от такой замены (рис. 117).
Рис. 117. Схема опыта, которым было доказано сходство между рентгеновскими лучами и электронным пучком. В — тонкий металлический листок, сквозь который проходил электронный поток.
Рентгеновские лучи, проходя сквозь листок металла, который состоит из множества мелких кристалликов, дают на фотографической пластинке своеобразный рисунок: в центре появляется круглое пятно, отпечатанное теми лучами, какие прошли сквозь кристалл без рассеяния, а вокруг этого центрального пятна вырисовываются концентрические круги, которые делают фотоснимок похожим на стрелковую мишень или на вид луны, когда она светит сквозь тонкие облака.
Эти кольца дают возможность судить о внутреннем строении вещества, сквозь которое прошли рентгеновские лучи.
И эти же кольца неопровержимо доказывают колебательную, волновую природу рентгеновских лучей, позволяют определить длину волны исследуемых лучей: проходя сквозь одну и ту же пластинку, рентгеновские лучи разной длины волны дают кольца различного диаметра.
Велико же было удивление ученых, когда электронный луч, то есть поток быстро летящих частиц, пройдя сквозь тончайший металлический листок, тоже отпечатал на фотографической пластинке концентрические кольца. Поток электронов в этом опыте вел себя так же, как рентгеновский луч определенной длины волны (рис. 118).
Рис. 118. Электронный луч, пройдя сквозь металлический листок, отпечатал на фотопластинке концентрические кольца.
Дальнейшие исследования показали, что поток электронов действительно обладает всеми особенностями луча с очень малой длиной волны.
Это открытие сразу же приобрело практическое значение, оно позволило применить электроны для исследования строения вещества. Были построены приборы — электронографы, которые в ряде случаев дают лучшие результаты, чем рентгеновские аппараты.
Именно с помощью электронографов химики убедились, что молекулы шерсти, шелка, целлюлозы, древесины, искусственного волокна и многих пластмасс имеют форму нитей или цепочек, состоящих из отдельных звеньев.
Открытие волновых свойств электронов еще больше увеличило сумбур в воззрениях западноевропейских и американских физиков. Электрон стал казаться им чем-то вроде двуликого Януса или сказочного оборотня, который может оборачиваться по своему желанию то волной, то частицей.
Этот сумбур усугубляли новые исследования природы света. Свет, такое типично волновое, колебательное явление, в то же время оказался состоящим из отдельных частичек — фотонов.
В волновой природе света никто не сомневался, но и в то же время никто не мог объяснить, почему синяя обложка школьной тетради на свету становится серой, почему под солнечными лучами постепенно выцветают ткани, изменяются краски и многие другие вещества.
Когда морская волна накатывается на песчаный пляж, прибрежный песок, накрытый волной, сразу становится мокрым. Не может быть такого положения, чтобы при этом одна песчинка намокла, а другая, лежащая рядом, осталась бы сухой. Так бывает только, когда начинается дождь. Песчинки, на которые упали первые капли, намокают, а остальные остаются сухими до тех пор, пока на них в свою очередь не упадут дождевые капли.
В окрашенной ткани распределены мельчайшие частицы — молекулы краски, которые можно уподобить песчинкам на берегу. На окрашенную ткань падает свет. Под его воздействием частицы краски разрушаются — краска выцветает. И всем прекрасно известно, что частицы краски распадаются не сразу, не одновременно, а по очереди, постепенно. Чтобы обложка тетради полностью выцвела, ей надо пролежать на солнце несколько месяцев. Словом, свет действует на частицы краски не как накатившаяся волна, а как капли дождя. Только прямое попадание световой «капли» — фотона раскалывает молекулу краски, а бесчисленное множество фотонов пролетает мимо молекул, не причиняя им никакого вреда.
«Капельность» света наблюдал и Столетов, исследовавший явление фотоэффекта. Только благодаря «капельности» света возможны фотография и кино. Сотни примеров подтверждают вывод о прерывистой природе света.
Световые волны оказались не только волнами, но и частицами, а электроны — не только частицами, но и волнами.
Тут, конечно, было над чем призадуматься.
И некоторые физики поспешили объявить электроны не частицами вещества, а чем-то промежуточным между веществом и светом. Но это предположение только глубже заводило физику в тупик.
Ученые наблюдали движение потоков не электронов, а более тяжелых частиц — протонов, то есть ядер водородных атомов. В их вещественности уж никто сомневаться не мог. Мощным электрическим полем разгоняли протоны до очень большой скорости. Оказалось, что и они при этом тоже проявляют волновые свойства.
И тогда пришлось признать, что между светом и веществом, которые так непохожи друг на друга, есть много общего: то и другое обладает свойствами и волн и частиц.
Более того, оказалось, что свет обладает массой. Собственно говоря уже из опытов знаменитого русского ученого Π. Н. Лебедева, доказавшего, что свет давит на те предметы, на какие он падает, следовало вывести такое заключение. Но всеобщее признание оно получило несколько позже.
В наше время уже не только установлен самый факт существования массы света, но и найден точный способ вычисления этой массы. Так, например, подсчитано, что Солнце посылает на Землю каждую секунду около двух килограммов света.
«Существующий материальный мир — движущаяся материя— представляется нам в двухосновных формах — как вещество и свет», — говорит академик С. И. Вавилов.
Свет — одна из форм движущейся материи. В этом смысле вещество и свет едины. Но между ними есть и существенное различие.
Частицы вещества — электроны, протоны, нейтроны, атомы, молекулы — так же как и большие тела, могут двигаться, как с очень малыми, так и с большими скоростями. Ограничение для них одно — они не могут достигать скорости света.
Частицы света — фотоны — наоборот в вакууме могут двигаться только с одной скоростью — со скоростью света, около 300 000 километров в секунду.