Ирина Радунская - Безумные идеи
Атом – своеобразный естественный генератор радиоволн!.. К этой мысли надо было привыкнуть. Ведь с понятием радиотехнического прибора связаны громоздкие ящики, набитые электронными лампами, катушками индуктивностей, трубочками сопротивлений, конденсаторами, источниками электропитания.
А тут невидимая крупица материи. Но с какими необыкновенными свойствами! Электронные лампы и детали изнашиваются, портятся. Атом же вечен! Он не старится, не срабатывается. Если его изолировать от внешних воздействий, он никогда не изменит длину излучаемой волны. Это генератор, созданный самой природой, самый устойчивый и неизменный в своей работе прибор. А сколько труда стоят попытки сконструировать неизменные, или, как говорят инженеры, стабильные, генераторы радиоволн!
Да, атом в роли радиопередатчика – идея заманчивая...
Надо сказать, что она приходила на ум не только Прохорову. Когда ученые убедились, что излучающие радиоволны атомы космического водорода не химера, было естественно оценить, нельзя ли добиться того же в лаборатории. Нельзя ли использовать эти атомы в виде реальных генераторов радиоволн для практических целей.
Действительно, а если собрать в сосуде столько атомов водорода, чтобы излучение от них составило изрядную величину? Можно ли таким путем создать земной атомный генератор радиоволн?
К сожалению, нет. Упрямая природа протестовала против такого намерения. Заключенный в сосуд газ не был бы столь разреженным, как в межзвездном пространстве. Атомы водорода непременно сталкивались бы между собой и со стенками сосуда. В результате, каково ни было бы начальное состояние, вскоре число поглощающих атомов стало бы большим, чем число излучающих. Кроме того, в результате взаимных столкновений атомы водорода неизбежно соединились бы в молекулы. А молекулам водорода природа придала совершенно иную структуру, неспособную к излучению радиоволн.
Таким образом, атомы водорода, соединившись в молекулы, теряют свое замечательное свойство.
Надо признаться, такой опыт ученые не проводили. Бессмысленность его постановки была совершенно ясна. Зато теоретики предсказали, что генераторами радиоволн могут быть молекулы других веществ.
Корм подешевле
Впрочем, эта мысль была не нова. Еще Эйнштейн открыл, что молекулы, попавшие в электромагнитное поле, способны не только впитывать энергию в виде порций квантов, но и выделять поглощенные кванты под действием внешнего поля. Но какой в этом прок? Энергия одиночного кванта так ничтожно мала, что не заслуживает внимания практика. Разве одной электрической лампочкой можно осветить город? Только тысячи одновременно сияющих ламп могут выполнить эту задачу.
Как бы заставить молекулы вспыхнуть разом! Это так увлекало, что не жаль было многих и многих часов, отданных размышлениям. А размышления зачастую окутывались в одежды, сотканные из формул и уравнений. Формулы спорили, часто противоречили одна другой и приводили в отчаяние ученых, которые их писали. А иногда формулы вдруг соглашались друг с другом, ободряли и сулили надежду.
Уравнения подтвердили, что молекулы могут излучать такие постоянные по частоте радиоволны, каких не дает ни один из ранее созданных приборов. Что молекулы никогда не старятся и всегда будут вести свою радиопередачу на строго фиксированной волне, что молекула – самая совершенная и долговечная в природе радиостанция. Словом, если заставить молекулы дружно высвечивать радиоволны, то они будут обладать чрезвычайно ценными свойствами. За это стоило бороться.
Басов и Прохоров оказались в положении людей, которые знают, что струны скрипки способны чарующе звучать, но не могут научиться извлекать из них нужные звуки.
Иногда размышления принимали такие реальные очертания, что казалось, сами молекулы подсказывали ученым: «Чтобы отдать людям свою энергию, мы должны обладать ее запасом. А ведь мы разные. Есть среди нас совсем слабенькие, и слабых больше, чем сильных».
Действительно! В толпе на улице есть энергичные люди, шагающие бодрой походкой, и просто гуляющие, и старушки, с трудом преодолевающие даже ровную дорогу. Так же и молекулы в веществе. Химически они подобны, они все молекулы одного и того же вещества, но обладают различной энергией. Чтобы все молекулы стали энергичными, в них надо вселить бодрость!
Может возникнуть вопрос: что же это за переливание из пустого в порожнее? Снабдить молекулы энергией, чтобы они потом ее же и отдали? Ну, нет! Чтобы получить гусиное сало, гуся вовсе не кормят салом. Для этого есть более дешевые продукты. Чтобы получить от молекул радиоволны, их совсем не обязательно кормить радиоволнами такой же ценности. Для этого можно найти корм попроще. Их можно и освещать, и нагревать, и снабжать энергией другими способами. Все дело в том, чтобы дешевыми средствами получить радиоволны, драгоценные по качеству. А с точки зрения радистов основная ценность радиоволн заключается в их стабильности – постоянстве излучаемой частоты.
«А что, если пойти по другому пути? Что, если разделить молекулы, обладающие разной энергией?» – мелькнула догадка у молодых исследователей.
Так они взвалили себе на плечи задачу, которая была не по силам даже дьяволу Максвелла.
Эн-аш-три
Все дальнейшее в этом рассказе будет связано с аммиаком. Неприятный резкий запах нашатырного спирта – это запах аммиака. Для радиоспектроскопии аммиак так же важен, как рычаг для механики. Молекулы аммиака поглощают сантиметровые радиоволны гораздо сильнее, чем все другие молекулы. Поэтому эти молекулы исследованы очень подробно. Почти все новые идеи в радиоспектроскопии проверяются с помощью молекул аммиака.
Радиоспектроскописты знают их строение так хорошо, как будто они не только видели, но измеряли их линейкой и циркулем. Молекула аммиака проста и изящна. По сравнению с громоздкими формами некоторых иных молекул она устроена предельно лаконично.
Атом азота и три атома водорода. Вот и все. Представьте себе маленькую трехгранную пирамиду. В трех ее нижних вершинах расположено по атому водорода. Расстояние между атомами азота и каждым из атомов водорода равно примерно одной десятимиллионной доле миллиметра (точнее 1,014 этой доли). Угол при вершине пирамиды тоже хорошо известен – он равен 106 градусам и 47 минутам.
Не правда ли, сухие цифры, и их при чтении хочется пропустить? Но не торопитесь. Вспомните, того, что так точно измерено, никогда не касалась рука человека, не видел глаз!
Молекулы аммиака, собранные в сосуде, вращаются наподобие волчков. И чем быстрее вращается молекула, тем более активной, более сильной она является. Тем большим запасом энергии она обладает.
А кто же снабжает ее этой энергией? Ее же сестры. Они так суетятся, беспорядочно снуют в разные стороны, что не мудрено и столкнуться друг с другом. И вот одна, обессиленная, приостановится, а другая закрутится еще быстрее.
Впрочем, бывают и встречи с электромагнитной волной, с которой молекула может обменяться энергией. Например, если молекула аммиака попадет в поле радиоволны длиной около 0,5 мм, она с удовольствием проглотит часть энергии этой волны и за этот счет ускорит свое вращение.
Но возможен и противоположный процесс: радиоволна может затормозить вращение молекулы, отобрать у нее часть энергии и за ее счет пополнить свои запасы.
И насколько важен именно этот случай, насколько близки мы при этом к вожделенной мечте ученых – созданию молекулярного генератора радиоволн, – будет ясно из дальнейшего.
Помните? Обмен энергией между электромагнитным полем и молекулой подчиняется особым законам. Каждая молекула может взаимодействовать не с любыми радиоволнами, а только с некоторыми, обладающими подходящей длиной волны.
Наблюдая отношения молекул аммиака с радиоволнами, замечая, как они выбирают из множества типов радиоволн определенные, ученым удалось набросать черты характера и портрет невидимой молекулы аммиака. Удалось разузнать кое-что о ее строении. Но заставить ее излучать радиоволны длиною 0,5 миллиметра все же не удалось. Сила излучения оказалась слишком ничтожной, чтобы ее можно было заметить.
Незримая пирамида
Физики не только определили форму молекулы аммиака и измерили величину этой мельчайшей пирамиды, но и установили, что она не может считаться чем-то подобным твердому телу.
Атом азота и три атома водорода, входящие в эту молекулу, удерживаются на своих местах силами электрического взаимодействия. Когда эти атомы объединяются в молекулы, они делятся своим имуществом. Электроны, ранее принадлежащие атомам водорода, обобществляются. В молекуле аммиака эти электроны одновременно принадлежат и атомам водорода и атому азота. Эти электроны как бы стягивают невидимыми пружинами ядра всех четырех атомов.