|
100 великих научных открытий
Дмитрий Самин
Основы мироздания
Электрон
Ясные и
четкие идеи об атомном строении электричества появились у В. Вебера, которые
он развивал их в ряде работ, начиная с 1862 года: «При всеобщем
распространении электричества можно принять, что с каждым весомым атомом
связан электрический атом». Он развивает в связи с этим воззрения на проводимость
тока в металлах, которые отличаются от электронных только тем, что он считает
подвижными атомы положительного электричества. Им была высказана и мысль о
молекулярном истолковании тепла Джоуля—Ленца:
«Живая
сила всех содержащихся в проводнике молекулярных токов увеличивается при
прохождении тока пропорционально сопротивлению и пропорционально квадрату
силы тока».
Эти и
подобные им высказывания Вебера дали повод А.И. Бачинскому назвать Вебера
одним из творцов электронной теории, а О.Д. Хвольсону поместить его имя в
начальном параграфе главы об электронной теории проводимости металлов. Но
надо заметить, что Вебер еще не связывает своего «электрического атома» с
конкретными фактами электролиза. Эта связь впервые была установлена
Максвеллом в первом томе его «Трактата». Но Максвелл не стал развивать этой
важной идеи. Наоборот, он утверждал, что идея молекулярного заряда не
удержится в науке.
В 1874
году ирландский физик Стоней на заседании Британской ассоциации обратил
внимание на существование в природе трех «естественных единиц»: скорости
света, постоянной тяготения и заряда «электрического атома». По поводу этой
последней единицы он сказал:
«Наконец
природа одарила нас в явлениях электролиза вполне определенным количеством
электричества, не зависимым от тел, с которыми оно связано». Стоней дал
оценку этого заряда, разделив количество электричества, выделяемое при
разложении кубического сантиметра водорода, на число его атомов по тогдашним
данным, и получил значение порядка 10 в минус двадцатой степени
электромагнитных единиц. Этот электрический атом Стоней предложил назвать
«электроном».
5
апреля 1881 года Гельмгольц в своей известной речи заявил: «Если мы допускаем
существование химических атомов, то мы принуждены заключить отсюда далее, что
также и электричество, как положительное, так и отрицательное, разделяется на
определенные элементарные количества, которые играют роль атомов
электричества».
В 1869
году Гитторф, получив в разрядной трубке вакуум со степенью разрежения ниже
одного миллиметра, заметил, что темное катодное пространство быстро
распространяется по всей трубке, вследствие чего стенки трубки начинают
сильно флюоресцировать. Он подметил, что свечения трубки смещаются под
действием магнита.
Через
десять лет после наблюдений Гитторфа появились работы В. Крукса. По
предположениям Крукса, частичка лучистой материи выбрасывается из электродов
с огромной скоростью. Темное катодное пространство — это пространство, в
котором свободно движутся отрицательные молекулы газа, летящие от катода и
задерживаемые на его границе встречными положительными молекулами. Однако
немецкие физики не приняли точку зрения Крукса. Э. Гольдштейн в 1880 году
показал, что отождествление размеров темного катодного пространства с длиной
свободного пробега неправильно. Он показал, что катодные лучи вовсе не
заканчиваются на границе темного слоя, они при больших разрежениях
пронизывают и светящееся пространство анода.
Австрийский
ученый В.Ф. Гинтль в том же году высказал гипотезу, что катодные лучи
представляют собой поток металлических частиц, вырываемых из катода
электрическим током, которые движутся прямолинейно. Эту точку зрения поддержал
и развил далее Пулуа. В том же 1880 году Э. Видеман отождествил катодные лучи
с эфирными колебаниями столь короткой длины волны. По его мнению, они не
производят светового действия; однако, падая на весомую материю, замедляются
и превращаются в видимый свет.
Решающее
значение в укреплении эфирной волновой теории катодных лучей сыграли опыты Ленарда.
Он убедительно доказал, что катодные лучи могут выйти наружу при сохранении
вакуума в трубке, т. е. эти лучи не могут быть частичками газа, как предполагал
Крукс. Но этого мало. Катодные лучи в воздухе производят люминисцирующее и
фотографическое действие. Ленарду удалось получить в выпущенном им потоке
фотографию предмета, закрытого герметически алюминиевой коробочкой с тонкими
стенками. Наблюдая отклонение выпущенного пучка магнитом, он установил, что
это отклонение не зависит от рода газа, а главное, что остается часть лучей,
не отклоненных магнитом.
Ленард
был первым физиком, наблюдавшим действие рентгеновских лучей и даже
получившим первую рентгенограмму. Но он не сумел понять в должной мере своего
открытия и характеризовал его как доказательство волновой природы катодных
лучей. Его эксперимент таил в себе большие возможности, которые ученый не
использовал.
Теория
Видемана — Герца — Ленарда была сильно поколеблена в 1895 году опытом Перрена
(1870—1942), который попытался обнаружить заряд катодных лучей. С этой целью
он в разрядной трубке поместил против катода фарадеевский цилиндр,
соединенный с электрометром. При прохождении разряда цилиндр зарядился
отрицательно. Отсюда Перрен сделал вывод, что «перенос отрицательных зарядов
неотделим от катодных лучей».
Перрен
с несомненностью установил перенос заряда катодными лучами и полагал, что
этот факт трудно совместить с теорией вибраций, тогда как с теорией истечения
он согласуется очень хорошо. Поэтому он полагал, что «если теория истечения
может опровергнуть все возражения, которые она вызвала, она должна быть
признана действительно пригодной».
Однако
для того чтобы опровергнуть все возражения, необходимо было коренным образом
изменить взгляды на строение материи и допустить в природе существование
частиц меньших атомов.
В
историю науки английский физик Джозеф Томсон (1856—1940) вошел как человек,
открывший электрон. Однажды он сказал: «Открытия обязаны остроте и силе
наблюдательности, интуиции, непоколебимому энтузиазму до окончательного
разрешения всех противоречий, сопутствующих пионерской работе».
Джозеф
Джон Томсон родился в Манчестере. Здесь, в Манчестере, он окончил Оуэнс-колледж,
а в 1876—1880 годах учился в Кембриджском университете в знаменитом колледже
святой Троицы (Тринити-колледж). В январе 1880 года Томсон успешно выдержал
выпускные экзамены и начал работать в Кавендишской лаборатории.
Первая
его статья, опубликованная в 1880 году, была посвящена электромагнитной
теории света. В следующем году появились две работы, из которых одна положила
начало электромагнитной теории массы.
Томсон был
одержим экспериментальной физикой. Одержим в лучшем смысле этого слова.
Научные успехи Томсона были высоко оценены директором лаборатории Кавендиша
Рэлеем. Уходя в 1884 году с поста директора, он, не колеблясь, рекомендовал
своим преемником Томсона.
С 1884
по 1919 год Томсон руководил лабораторией Кавендиша. За это время она
превратилась в крупный центр мировой физики, в международную школу физиков.
Здесь начали свой научный путь Резерфорд, Бор, Ланжевен и многие другие, в
том числе и русские, ученые.
Программа
исследований Томсона была широкой: вопросы прохождения электрического тока
через газы, электронная теория металлов, исследование природы различного рода
лучей...
Взявшись
за исследование катодных лучей, Томсон прежде всего решил проверить,
достаточно ли тщательно были поставлены опыты его предшественниками,
добившимися отклонения лучей электрическими полями. Он задумывает повторный
эксперимент, конструирует для него специальную аппаратуру, следит сам за
тщательностью исполнения заказа, и ожидаемый результат налицо.
В
трубке, сконструированной Томсоном, катодные лучи послушно притягивались к
положительно заряженной пластинке и явно отталкивались от отрицательной. То
есть вели себя так, как и полагалось потоку быстролетящих крошечных
корпускул, заряженных отрицательным электричеством. Превосходный результат! Он
мог, безусловно, положить конец всем спорам о природе катодных лучей. Но
Томсон не считал свое исследование законченным. Определив природу лучей
качественно, он хотел дать точное количественное определение и составляющим
их корпускулам.
Окрыленный
первым успехом, он сконструировал новую трубку: катод, ускоряющие электроды в
виде колечек и пластинки, на которые можно было подавать отклоняющее
напряжение. На стенку, противоположную катоду, он нанес тонкий слой вещества,
способного светиться под ударами налетающих частиц. Получился предок
электроннолучевых трубок, так хорошо знакомых нам в век телевизоров и
радиолокаторов.
Цель
опыта Томсона заключалась в том, чтобы отклонить пучок корпускул
электрическим полем и компенсировать это отклонение полем магнитным. Выводы,
к которым он пришел в результате эксперимента, были поразительны.
Во-первых,
оказалось, что частицы летят в трубке с огромными скоростями, близкими к
световым. А во-вторых, электрический заряд, приходившийся на единицу массы
корпускул, был фантастически большим. Что же это были за частицы: неизвестные
атомы, несущие на себе огромные электрические заряды, или крохотные частицы с
ничтожной массой, но зато и с меньшим зарядом?
Далее
он обнаружил, что отношение удельного заряда к единице массы есть величина
постоянная, не зависящая ни от скорости частиц, ни от материала катода, ни от
природы газа, в котором происходит разряд. Такая независимость настораживала.
Похоже, что корпускулы были какими-то универсальными частицами вещества,
составными частями атомов.
«После
длительного обсуждения экспериментов — пишет в своих воспоминаниях Томпсон, —
оказалось, что мне не избежать следующих заключений:
1.
Что атомы не неделимы, так как из них могут быть вырваны отрицательно
заряженные частицы под действием электрических сил, удара быстро движущихся
частиц, ультрафиолетового света или тепла.
2. Что
эти частицы все одинаковой массы, несут одинаковый заряд отрицательного
электричества, от какого бы рода атомов они ни происходили, и являются
компонентами всех атомов.
3.
Масса этих частиц меньше, чем одна тысячная массы атома водорода. Я вначале
назвал эти частицы корпускулами, но они теперь называются более подходящим
именем «электрон».
Томсон
принялся за расчеты. Прежде всего, следовало определить параметры
таинственных корпускул, и тогда, может быть, удастся решить, что они собой
представляют. Результаты расчетов показали: сомнений нет, неизвестные частицы
не что иное, как мельчайшие электрические заряды — неделимые атомы
электричества, или электроны.
29
апреля 1897 года в помещении, где уже более двухсот лет происходили заседания
Лондонского королевского общества, состоялся его доклад. Слушатели были в
восторге. Восторг присутствующих объяснялся вовсе не тем, что коллега Дж. Дж.
Томсон столь убедительно раскрыл истинную природу катодных лучей. Дело
обстояло гораздо серьезнее. Атомы, наипервейшие кирпичики материи, перестали
быть элементарными круглыми зернами, непроницаемыми и неделимыми, частицами
без всякого внутреннего строения... Если из них могли вылетать отрицательно
заряженные корпускулы, значит, и представлять собой атомы должны были
какую-то сложную систему, систему, состоящую из чего-то заряженного
положительным электричеством и из отрицательно заряженных корпускул —
электронов.
Теперь
стали видны и дальнейшие, самые необходимые направления будущих поисков.
Прежде всего, конечно, необходимо было определить точно заряд и массу одного
электрона. Это позволило бы уточнить массы атомов всех элементов, рассчитать
массы молекул, дать рекомендации к правильному составлению реакций.
В 1903
году в той же Кавендишской лаборатории у Томсона Г. Вильсон внес важное
изменение в метод Томсона. В сосуде, в котором производится быстрое
адиабатическое расширение ионизируемого воздуха, помещены пластинки
конденсатора, между которыми можно создавать электрическое поле и наблюдать
падение облака, как при наличии поля, так и в его отсутствии. Измерения
Вильсона дали значение для заряда электрона как 3,1 умноженную на 10 в минус
десятой степени абс.эл. ед.
Метод
Вильсона был использован многими исследователями, в том числе и студентами
Петербургского университета Маликовым и Алексеевым, которые нашли заряд
равным 4,5 умноженную на 10 в минус десятой степени абс.эл. ед.
Это был
наиболее приближающийся к истинному значению результат из всех полученных до
того, как Милликен начал с 1909 года измерения с отдельными каплями.
Так был
открыт и измерен электрон — универсальная частица атомов, первая из открытых
физиками так называемых «элементарных частиц».
Это
открытие дало возможность физикам, прежде всего, по-новому поставить вопрос
об изучении электрических, магнитных и оптических свойств вещества.
|
