Текст книги "Покоренный электрон"

Автор книги: Михаил Ивановский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 23 страниц)

Глава третья. Электрон перестает быть незнакомцем

Свечение разреженного газа

Красивый яркий пурпурно-розовый свет, льющийся в трубках с разреженным воздухом, привлекал внимание многих исследователей. Ученые и даже просто школьные учителя физики многократно повторяли этот замечательный опыт академика В. В. Петрова. Они стремились понять причину загадочного свечения и дать ему объяснение. Они чувствовали себя, как мореплаватели, увидевшие на горизонте берег земли, не отмеченной на карте.

Для опытов изготовляли тонкостенные, стеклянные, запаянные с обоих концов трубки. Внутри трубки находились два металлических электрода, вводы которых были пропущены сквозь стекло.

Новые достаточно мощные воздушные насосы позволяли получать в трубках разрежение значительно более высокое, чем то, которого достигал в своих опытах Петров.

Присоединив проводники от электродов трубки к полюсам большой батарей, ученые постепенно откачивали воздух.

Сначала, когда насос только начинал действовать, в трубке ничего особенного заметить не удавалось. Воздух – плохой проводник электричества. Стрелка измерительного прибора – чувствительного гальванометра, отмечавшего даже самый слабый ток, включенного в цепь вместе с трубкой, оставалась недвижной: ток не шел.

Когда насос откачал большую часть воздуха, в трубке возникало красивое свечение в виде лучистой короны. Свет в короне струился и мерцал. Это были искусственно созданные эльмовы огни. Потом разряд принимал форму яркой нити, соединявшей электроды, нить превращалась в толстый шнурок, постепенно расслаивавшийся и, наконец, разряд заполнял всю трубку.

Непрерывно откачивая воздух, насос постепенно доводил давление в трубке до одной сотой нормального. Кистевой разряд к этому моменту сменялся пурпурно-розовым свечением, возникшим в конце трубки, возле анода, а у катода появлялось синеватое или фиолетовое свечение, но оно располагалось не возле самого катода, а чуть поодаль.

Между пурпурным свечением у анода и синеватым у катода неизменно появлялся темный промежуток. Гальванометр показывал, что через трубку в это время проходит значительный ток. Чем меньше оставалось в трубке воздуха, а следовательно, чем разреженнее становился он, тем сильнее отклонялась стрелка прибора. Казалось странным: если воздух не проводит электричества, то как может проводить его почти пустое пространство – вакуум?

При плотности воздуха в одну тысячную долю нормальной, свечение с анодной стороны распространилось почти на всю трубку и стало более ярким и слоистым. Оно напоминало пурпурные волны полярных сияний. Как мы теперь знаем– пурпурно-розовое свечение трубки и есть искусственно созданное полярное сияние.

Темный промежуток между синеватым свечением у катода и ярким у анода постепенно расширялся; световые явления в трубке располагались так, как это показано на рисунке 33.

Рис. 33. По мере того, как откачивают воздух из катодной трубки, характер свечения в ней меняется.

Делая опыты с трубками, физики изменяли состав газов и наблюдали, как при этом в трубке менялась окраска света. Особенно красивыми были световые явления в разреженном азоте. Трубки с азотом ярко сияли, струившийся из них пурпурно-красный свет озарял комнату. Столь же красиво, хотя и менее ярко, светился разреженный кислород.

Водород давал слабое розовато-фиолетовое свечение, а при сильном разрежении его свечение приобретало неприятный фиолетовый оттенок. Наиболее ярко светящиеся газы – аргон и неон – в те годы еще не были открыты. Свечение этих газов нам теперь хорошо знакомо: аргоном и неоном наполняют газосветные трубки, которыми освещают витрины магазинов или используют их для световых реклам и вывесок.

Открытие катодных лучей

В 1859 году давление воздуха в трубках удалось снизить до одной десятитысячной доли нормального атмосферного давления. При таком сильном разрежении в трубках пурпурно-розовое, слоистое анодное свечение меркнет, слабеет и, наконец, гаснет. При еще большей откачке воздуха анодное свечение вовсе исчезает. Фиолетовое же свечение катода заметно тускнеет, а стенки трубки принимают зеленоватый оттенок и сами начинают светиться, темное же пространство распространяется от катода по всей трубке.

Пространство внутри трубки выглядит почти темным, зато на ее стеклянной стенке, как раз напротив катода, появляется яркое изумрудно-зеленое светящееся пятно: стекло в этом месте становится похожим на драгоценный камень.

Это наводит на мысль, что теперь трубку пронизывают какие-то невидимые лучи, которые распространяются от катода и вызывают свечение стекла. Предметы, поставленные на их пути, отбрасывали резкую тень, как изображено на рисунке 34.

Рис. 34. Предмет, поставленный поперек катодного луча, отбрасывает в зеленом пятне явственную тень.

Эти лучи-невидимки получили название катодных лучей.

При изготовлении трубок мастеру-стеклодуву не всегда удавалось поместить катод строго напротив анода. Обычно катод был чуть-чуть наклонен или повернут в сторону; случалось также, что и трубка получалась слегка изогнутой. При малых разрежениях газа в трубке это совершенно не влияло на характер свечения. Свечение все равно струилось от катода к аноду и «находило» анод, где бы он ни помещался.

Когда ученые добились очень больших разрежений, нечаянные ошибки стеклодувов помогли обнаружить новые свойства катодных лучей: они шли по прямым линиям, строго перпендикулярно к поверхности катода, как бы «не обращая внимания» на анод; если анод не лежал напротив катода, то лучи миновали анод стороной.

Для опыта был сделан стеклянный сосуд в виде шара.

В нем поместили три анода и один катод.

Сначала путь разряда, заметный благодаря свечению газа, разделился на три ветви и они, изгибаясь дугами, шли каждый к своему аноду. Но при очень большом разрежении три ветви лучей слились в один поток и уперлись в стекло напротив катода (рис. 35).

Рис. 35. Три ветви лучей при сильном разрежении газа сливаются в один пучок.

Такое поведение разряда оставалось непонятным, а ученые, продолжая откачивать воздух, доводили разрежение в трубках уже до миллионных долей, стремясь узнать, какие еще неожиданности могут преподнести загадочные лучи-невидимки.

Но ожидания не оправдались. При предельно низком давлении катодные лучи ослабели, зеленое сияние в стекле померкло, а приборы отметили почти полное прекращение тока в цепи трубки.

Один исследователь попробовал нагреть катод в трубке, в которой вследствие слишком большого разрежения погасли катодные лучи. Когда катод раскалился, зеленое поле в стекле напротив катода вспыхнуло с прежней силой, и погасить его уже не удавалось, хотя воздушный насос продолжал откачивать последние остатки воздуха. Раскаленный катод испускал лучи, несмотря на почти полное отсутствие воздуха. Излучение прекратилось только, когда катод остыл.

Более странных явлений физикам прежде наблюдать, пожалуй, не приходилось. Что представляют собой эти таинственные лучи? В их электрической природе сомневаться было невозможно, приборы показывали, что через трубку течет ток. Но… что такое катодные лучи? Родственны ли они световым? Или, может быть, это струи каких-то новых неизвестных частиц?

Ученые заинтересовались катодными лучами и ставили один опыт за другим. Заказывали трубки самой различной, подчас фантастической формы.

Было замечено, что стекло в том месте, где сияло зеленое пятно, сильно нагревается. Это доказывало, что катодные лучи несут значительную энергию.

В одной из трубок ученые применили катод, изготовленный в виде вогнутого зеркала. Катодные лучи, испускаемые катодом такси формы, сходились в фокусе, как сходятся коническим пучком солнечные лучи, прошедшие сквозь выпуклое стекло (лупу). В фокусе солнечных лучей·, собранных большой лупой, можно плавить свинец, воспламенять бумагу. В фокусе вогнутого катода плавились и кипели такие тугоплавкие металлы, как платина или иридий.

Одно время ученым казалось, что катодные лучи – не что иное, как мельчайшие частички металла, отрывающиеся от катода и летящие с огромной скоростью. Действительно, после долгого пользования катодной трубкой на ее стенках оседал металлический налет. Но он появлялся не только там, где сияло зеленоватое свечение, а распространялся по всей трубке и отлагался гуще вблизи катода. Металлические частицы катода летели не струей по одному направлению, а веером, во все стороны. Большое значение при этом имел материал, из которого был сделан катод. Катодные лучи одинаково хорошо вылетали из серебряного и из медного катодов, но распыление шло по-разному – серебро распылялось быстрей, чем медь.

Было доказано, что катодные лучи к металлическим частицам, вылетающим из катода, отношения не имеют. Лучи двигаются сами по себе, а частицы – сами по себе.

Катодные лучи оставались загадкой.

Именно в этот период, характеризуя состояние учения об электричестве, Фридрих Энгельс писал:

«В учении же об электричестве мы имеем перед собою хаотическую груду старых, ненадежных экспериментов, не получивших ни окончательного подтверждения, ни окончательного опровержения, какое-то неуверенное топтание во мраке, не связанные друг с другом исследования и опыты многих отдельных ученых, атакующих неизвестную область вразброд, подобно орде кочевых наездников. Ив самом деле, в области электричества еще только предстоит сделать открытие, подобное открытию Дальтона, открытие, дающее всей науке средоточие, а исследованию – прочную основу. Вот это-то состояние разброда в современном учении об электричестве, делающее пока невозможным установление какой-нибудь всеобъемлющей теории, главным образом и обусловливает то, что в этой области господствует односторонняя эмпирия…»[4]4
  Ф. Энгельс, Диалектика природы, Госполитиздат. 1950, стр. 83–84. Дальтон ввел в пауку понятие об атомных весах.


[Закрыть]

Загадочное лучистое вещество

Новые мысли зародились в результате опытов с катодной трубкой и магнитом.

Когда к трубке поднесли магнит, катодный луч изогнулся наперерез силовым линиям магнитного поля (рис. 36).

Рис. 36. Когда к трубке поднесли магнит, то катодный луч изогнулся наперерез магнитным силовым линиям.

Лучи, как видимые – световые, так и невидимые – инфракрасные и ультрафиолетовые, не отклоняются магнитом. Светоносная же струйка в катодной трубке повинуется влиянию магнита, значит, она не световой луч, а именно струйка! Но чего? Частиц какого-то вещества?

Это вещество не может быть металлом катода. Когда катод распыляется, его частицы летят не так, как движется неизвестная материя катодного луча. И это не частицы воздуха, так как катодный луч проходит в трубке, даже при самой высокой степени разрежения воздуха.

Исследователи попробовали повернуть магнит, расположенный возле катодной трубки. Его укрепили так, чтобы северный полюс оказался на месте южного, а южный – на месте северного. От перестановки магнита катодный луч изогнулся в противоположную сторону. Если в начале опыта он отклонялся вниз, то теперь он выгнулся вверх. Словом, поведение катодного луча напоминало движение провода с током в магнитном поле (см. выше рис. 25).

Эти странные явления допускали только одно, естественное объяснение: катодный луч не что иное, как поток отрицательных зарядов – мельчайших частичек отрицательного электричества, то есть электрический ток.

Уже явление электролиза наводило на мысль о существовании элементарных зарядов. Но там эти заряды были связаны с обломками молекул – с ионами, которые служили им «лодочками». Здесь же они выступали самостоятельно, так сказать, в чистом виде и летели в безвоздушном пространстве катодной трубки «вольными птицами».

Но можно ли сказать, что заряды, путешествующие на ионах, и заряды, образующие катодный луч, – это одни и те же заряды? Равны ли они между собой по величине? Нет ли между ними какой-либо разницы?

На эти вопросы ученые смогли дать ответ только после ряда новых опытов.

Подсчет атомов

К 90-м годам прошлого столетия атомистическая теория торжествовала полную победу. Атомы существуют! Это считалось окончательно доказанным. Правда, физики того времени представляли атом несокрушимо прочным шариком или кирпичиком, который никоим образом нельзя разбить на части, но это временное заблуждение тогда еще не мешало развитию науки.

В ту пору было известно 75 различных видов или сортов атомов, иначе говоря – 75 химических элементов.[5]5
  Теперь известно 100 химических элементов, а разновидностей атомов (изотопов) значительно больше.


[Закрыть] Каждый химический элемент состоит из своих атомов: золото – из атомов золота, ртуть – из атомов ртути и так далее.

Были раскрыты законы, по которым атомы, соединяясь между собой, образуют молекулы простых веществ и химических соединений.

Ученые определили вес атомов каждого химического элемента, приняв за единицу измерения одну шестнадцатую долю веса атома кислорода.

Великий русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев в 1869 году построил свою знаменитую периодическую систему элементов, о которой речь будет впереди. Он уточнил определение атомных весов химических элементов и привел в стройный порядок все накопленные наукой знания об атомах.

Физики, совместно с химиками, сумели сосчитать число атомов, содержащихся в одном грамме любого химического элемента. Выяснилось, что 6,023∙10²³ атомов водорода весят 1 грамм, а 6,023∙10²³ атомов любого другого элемента весят столько граммов, сколько единиц в атомном весе этого химического элемента. Значит порция азота весом в 14 граммов содержит столько же атомов, сколько и порция кислорода в 16 граммов, или порция натрия в 23 грамма и так далее.

Поэтому вычисление количества атомов в одном грамме любого простого тела оказалось очень несложным делом. Надо число[6]6
  Это число называется числом Авогадро. Число Авогадро, как и многие другие большие или очень малые числа, записано здесь сокращенным способом: 6,023∙10²³ означает шесть и двадцать три тысячных, умноженные на десять в двадцать третьей степени, то есть на число, состоящее из единицы и двадцати трех нулей.
  Для изображения малых чисел пишут, например, так: 9,1∙10^-28 (масса электрона). Это значит 9,1 деленное на десять в двадцать восьмой степени, то есть на единицу с 28 нулями.


[Закрыть] 6,023∙10²³ разделить на атомный вес химического элемента. Частное от деления покажет, сколько атомов составляют один грамм. Например, атомный вес ртути равен 200,61. Делим 6,023∙10²³ на 200,61 и получаем 3∙10²¹. Это и есть число атомов в одном грамме ртути.

Столь несложным способом можно вычислить сколько атомов содержится б любом куске золота, железа, углерода или какого-либо иного простого тела.

Найденное правило действительно не только по отношению к атомам. С его помощью можно определить число молекул, составляющих один грамм любого химического соединения. Для этого вместо атомного веса надо знать молекулярный вес химического соединения. Например, молекулярный вес воды (Н₂O) равен 18, следовательно один грамм воды состоит из 3,34∙10²² молекул, так как 6,023∙10²³: 18 = 3,34∙10²².

Успехи атомистической теории чрезвычайно помогли разобраться в сущности электрических явлений.

Электрон получает признание

Ученые повторили фарадеевские опыты по разложению химических соединений электрическим током. Они заново произвели точнейшие измерения и убедились, что для разложения 6,023∙10²³ молекул какого-либо вещества, через его раствор нужно пропустить самое меньшее 96500 кулонов электричества.

Для разложения стольких же молекул некоторых других веществ требуется больше электричества, например для разложения молекул сернокислого магния (английская соль) надо затратить двойное количество электричества.

Но при этом наблюдается важная закономерность: количество электричества может превысить наименьшее либо ровно в два раза, либо в три раза, но ни в коем случае не в полтора или в два с половиной раза. Иначе говоря при электролизе на каждые 6,023∙10²³ молекул разлагаемого вещества порция электричества может быть больше 96500 кулонов только в целое число раз.

Значит, на каждую молекулу при разложении ее обязательно приходится расходовать целое число совершенно одинаковых зарядов электричества.

Стало быть, существует такая порция электричества, которая больше делиться не может, поэтому встречается обязательно целое, но не дробное число раз.

Из прерывного, атомного строения вещества необходимо следует и прерывное строение электричества.

Ученые сделали вывод, что электричество состоит из каких-то необычайно маленьких, уже неделимых порций, являющихся как бы «атомами» электричества.

Видимо, величину этой наименьшей и неделимой порции электричества можно определить, разделив число израсходованных кулонов на число разбитых молекул: 96500∙6,023∙10²³ = 1,60∙10^-19 кулона.

Это и есть заряд мельчайшей, известной современной науке порции отрицательного электричества – электрона.

Такое название этой «наименьшей порции» электричества было дано ей в 1891 году. Слово электрон быстро вошло в обиход и окончательно утратило всякую связь со своим прежним греческим значением (янтарь).

Итак, электрон получил признание и имя, но знали о нем еще слишком мало.

Он оставался таинственным незнакомцем, неизвестно где обитающим, невесть откуда появляющимся и гак же загадочно ускользающим.

Магнит и луч

Физики с новой энергией взялись за исследование явлений, происходящих в катодной трубке.

Катодный луч, который правильнее называть потоком электронов, повинуется влиянию магнита. Когда к катодной трубке подносят магнит, то под бездействием магнитного поля пути электронов, летящих от катода, искривляются, и электронный луч изгибается дугой.

Физики решили воспользоваться воздействием магнитного поля на поток электронов в разрядной трубке для того, чтобы добыть нужные сведения о массе и заряде электрона. Они рассуждали так: предположим, что в магнитном поле летит некая маленькая частичка. Если она не имеет никакого заряда, то магнитное поле на нее не подействует: частичка полетит по прямой линии.

Если же частичка несет электрический заряд, это равноценно электрическому току, ее путь в магнитном поле искривится. Чем больше будет заряд, тем сильнее отклонится в сторону частица. Но каждая частичка обладает также и некоторой массой и, следовательно, инерцией. Чем тяжелее будет частичка, тем труднее заставить ее свернуть с прямого пути. Значит, заряд содействует, а масса – инерция противодействуют искривлению пути электронов в разрядной трубке.

Для физиков это оказалось довольно досадным обстоятельством. Ведь частички с большим зарядом и большой массой отклоняются в магнитном поле точно так же, как и частички с малым зарядом и малой массой. Отличить, где какая масса или где какой заряд – невозможно.

Наблюдая отклонение электронов в магнитном поле, ученые не смогли определить отдельно ни массы, ни заряда электрона, а только узнали, какой заряд приходится на единицу массы электрона. Иными словами, удалось найти отношение заряда электрона к его массе.

Для точных измерений построили особую катодную трубку. В этой трубке, неподалеку от катода, поместили металлическую пластинку с небольшим отверстием в центре.

Металлическая пластинка предназначалась для того, чтобы задерживать большую часть электронов. Через отверстие в пластинке мог прорваться только узкий пучок лучей. Вот этот тонкий, как проволочка, пучок лучей и послужил ученым основой для необходимых опытов.

С помощью своих приборов физики измерили: магнитное поле, величину искривления электронного луча под влиянием магнита и разность потенциалов, приложенную к катодной трубке (от этой разности зависит скорость электрона).

Оказалось, что заряд электрона, выраженный в кулонах, больше его массы, выраженной в граммах, почти в 1760 тысяч раз. Иначе говоря, физики получили такую формулу:е/м = 1,76∙10³ кулонов/грамм, где буквой е обозначен заряд электрона, а буквой м – его масса. В отдельности же величины еи мпо-прежнему оставались неизвестными.

Правда, вычисление, сделанное на основании опытов Фарадея, дало величину заряда электрона: е = 1,60∙10^-19 кулона. Подставив это значение ев формулу, можно узнать, чему равно м – масса! Для этого надо 1,60∙10^-19 разделить на 1,76∙10³, и мы получим 9,1∙10^-28 грамма. Это и будет масса одного электрона.

Однако никто тогда не знал и никто не доказал, что наименьшая порция электричества, которая переносится одним атомом при электролизе, равна заряду электрона, летящего в катодном луче. Это еще предстояло доказать, а потому величина массы электрона в 9,1∙10^-28 грамма нуждалась в подтверждении и проверке опытом.

Влияние света на искру

В восьмидесятых годах прошлого столетия замечательный русский ученый, профессор Московского университета Александр Григорьевич Столетов решил разобраться в одном странном явлении, которое было замечено немецким физиком Герцем.

Во время одного из своих опытов Герцу показалось, что свет электрической искры, проскакивающей между шариками в электрической машине, облегчает образование искры в другом приборе. Герц проверил свое наблюдение и установил, что такое же действие оказывает на искру электрическая дуга. Ее яркий сильный свет, падая на искровой промежуток, как-то помогает появлению искр. На свету искры проскакивают при меньшем напряжении, чем в отсутствие дугового освещения.

Причины этого Герц не нашел и сообщение о своих наблюдениях опубликовал без всякого объяснения.

В том, что связь между световыми и электрическими явлениями существует, Столетов не сомневался, но искру он считал неподходящим объектом исследования. Искра вспыхивает на мгновение, быстро гаснет. Измеряя что-либо при столь скоротечном явлении, легко ошибиться, а исследовать, не измеряя, – бессмысленно.

Если свет облегчает электрическому току путь через воздух, думал Столетов, то его влияние должно сказаться и на слабом токе обычной гальванической батареи, а ток от гальванической батареи можно измерять с большой точностью. Для этого существуют чувствительные гальванометры.