Техника - молодёжи 1958-05, страница 10

«Дьявол Максвелла», регулирующий движение молекул череа перегородку, заставляет эти молекулы вращать «вечный двигатель».

Невозможность создания вечного двигателя второго рода была доказана в прошлом веке физиками Клау-зиусом и Томсоном. А пример, приведенный здесь, был придуман великим английским физиком Максвеллом, чтобы сделать это совсем очевидным. Создать механизм, о котором говорится в этом примере, нельзя Молекулы будут в среднем переходить справа налево так же часто, как и слева направо. Воображаемый механизм, сортирующий молекулы так, чтобы отобрать у них энергию, с тех пор стали называть «дьяволом Максвелла».

Думали ли в 1951 году молодой аспирант Николай Геннадиевич Басов и немного старше его по возрасту Доктор физико-математических наук Александр Михайлович Прохоров о «дьяволе Максвелла»?

Неизвестно. Они были увлечены одним очень интересным явлением, которое, казалось бы, не имеет никакого отношения ни к нашим вопросам, ни к «дьяволу Максвелла». Но...

ЛУЧИ В ПЛЕНУ

Все началось с того, что специалисты, занимающиеся созданием радиолокаторов, столкнулись с одним загадочным обстоятельством.

Пучок радиоволн длиною в 1,3 см, посланный радиолокатором в поисках цели, «растворялся» в пространстве. Создавалось такое впечатление, что кто-то невидимый ставил на пути лучей «ловушку» и большая часть радиоволн захлопывалась в ней.

Причина этого явления была неясна. Было лишь очевидно, что из-за сильного поглощения применять радиоволны длиною около 1,3 см для радиолокации невозможно.

Странное явление очень заинтересовало ученых. Начались поиски «разгадки».

Пропуская радиоволны через раз

6

реженные газы, ученые убедились в том, что многие газы сильно поглощают короткие радиоволны. Но не все. Азот и кислород, например, пропускают без изменения радиоволны длиною в 1,3 см, а водяные пары поглощают их. Различные газы поглощают не все проходящие через них радиоволны, а лишь те, которые имеют определенную длину. Остальные они пропускают, не задерживая.

Создавалось впечатление, что молекулы как-то настроены на эти волны и поэтому поглощают только их. Этим своим свойством молекулы напоминают радиоприемники. Ведь радиоприемники, как мы знаем, обладают способностью отделять сигналы одной радиостанции от сигналов остальных. И молекулы, подобно радиоприемникам, принимают лишь те волны, на которые они «настроены».

Явление поглощения газами радиоволн определенной длтсны натолкнуло ученых на мысль использовать радиоволны для анализа различных смесей. Так возникла новая область науки — радиоспектроскопия, открыв много нового зб «отношениях» между радиоволнами и молекулами.

Дальше у ученых возникла и такая мысль: если молекулы способны поглощать радиоволны, значит они могут и излучать их?

Если за счет радиоволн они пополняют свой запас энергии, значит они могут и отдавать ее опять-таки в виде радиоволн?

Долгое время эта задача казалась неразрешимой. Не было известно даже путей, по которым можно было бы надеяться подойти к этой цели. Это и увлекло молодых физиков Басова и Прохорова.

НЕЗРИМАЯ ПИРАМИДА

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 и измеряли их линейкой и циркулем.

Представьте себе маленькую трехгранную пирамиду. В трех ее нижних вершинах расположено по атому водорода, а в четвертой помещается атом азота. Так построена молекула аммиака. Расстояние между атомом 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.

Атомы, образующие молекулу аммиака, удерживаются на местах силами электрического взаимодействия. Это значит, что они не закреплены намертво, а могут колебаться

около положения равновесия, как будто их связывают невидимые пружины.

Если бы мы могли увидеть молекулу аммиака, то атомы представились бы нам туманными пятнышками, размеры которых зависят от размаха этих колебаний, от запаса колебательной энергии молекулы. Присмотревшись внимательней, мы заметили бы, что в некоторых молекулах размеры туманных пятнышек внезапно увеличиваются. Это значит, что энергия их колебаний возрастает скачком. Но энергия не может возникнуть из ничего. Молекулы получают ее от электромагнитных волн. В других молекулах размеры туманных пятнышек столь же внезапно уменьшаются. Это значит, что молекула отдает часть своей энергии проходящей волне.

Изменения колебательной энергии молекул происходят всегда вполне определенными скачками. Это основной закон микромира. Внутренняя энергия молекулы, атома или другой системы микромира может изменяться лишь определенными порциями — квантами. Каждая микросистема характеризуется строго фиксированными величинами или уровнями энергии. Они зависят от строения системы. Это же относится и к энергии электромагнита го поля.

Однако если бы наше зрение обрело способность заглянуть в микромир молекулы аммиака, мы заметили бы поразительную картину. Молекула иногда внезапно меняет свой вид. Она вдруг выворачивается наизнанку, как перчатка! Атом азота, который находится над треугольником атомов водорода, вдруг оказывается под ним. Затем столь же внезапно он оказывается опять на первоначальном месте.

Мы как бы видим молекулу и ее зеркальное изображение.

В привычном нам макромире это было бы невозможно. В этом легко убедиться, сделав модель молекулы аммиака из четырех шариков, соединенных пружинками. Чтобы продавить в этой модели «атом азота» на другую сторону от «атомов водорода», нужно совершить некоторую работу. Такую же работу необходимо затратить и на обратный переход.

Но в 'микромире это не обязательно: такие переходы, называемые инверсией, происходят без какой-либо затраты энергии.

Возможность инверсии приводит, однако, к важному результату: количество возможных ступеней-уровней энергии молекулы аммиака увеличивается по сравнению с тем, которое имелось, если бы инверсия была невозможна. Новые, обусловленные инверсией уровни расположены близко от старых Разность между новыми и близлежащими старыми уровнями мала, она как раз соответствует квантам энергии радиоволн длиной около 1,25 см.

Если бы молекулы аммиака свободно летали в пустом пространстве, не сталкиваясь между собой и не взаимодействуя с электромагнитными волнами, все они со временем совершили бы переход в состояние с меньшей энергией.

Но молекулы сталкиваются между