«Безумные» идеи

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.

В молекуле не утихает борьба двух противоположных сил. Электрические силы, которыми электроны стягивают ядра атомов, встречаются с противодействием других невидимых сил. Положительные заряды ядер отталкивают друг друга и не дают ядрам сблизиться вплотную. Можно представить себе, что между ядрами натянуты невидимые пружинки, так что ядра оказываются как бы закрепленными между набором сжимающих и расталкивающих их пружин.