Текст книги "Покоренный электрон"

Автор книги: Михаил Ивановский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 23 страниц)

Свет рождает ток

Вместе со своим помощником, талантливым изобретателем И. Ф. Усагиным, Столетов построил задуманный прибор. Они вырезали из цинковой пластинки круг диаметром в 22 сантиметра, тщательно очистили его и укрепили стоймя на вертикальном изолированном штативе. Затем из металлической сетки они вырезали круг того же размера и натянули его на проволочный обод. Сетчатый кружок укрепили на стойке так же, как и цинковый.

Из лабораторного проекционного фонаря с электрической дугой Усагин вынул все линзы. Столетов знал, что стекло задерживает и поглощает ультрафиолетовые лучи, способствующие образованию электрической искры. Была также подготовлена новая батарея и подобран гальванометр (рис. 37).

Рис. 37. Когда луч света, пронизывая сетчатый электрод, падал на цинковый кружок, через воздушный промежуток между электродами шел ток.

20 февраля 1888 года А. Г. Столетов приступил к опытам. На лабораторном столе находился проекционный фонарь. В двадцати сантиметрах от него, поперек светового пучка поставили сетчатый кружок; сразу же за ним, примерно на расстоянии в двадцать миллиметров, поместили цинковый кружок. Таким образом, когда зажигали фонарь, его луч пронизывал сетчатый кружок и падал на цинковый, то есть освещал сразу оба кружка.

Провод от плюса батареи присоединили через гальванометр к сплошному кружку, а провод от минуса батареи – к сетчатому.

Оба кружка служили в приборе Столетова электродами, такими же, как и в катодной трубке, но только они не были заключены в стеклянный футляр, а располагались на открытом воздухе.

При потушенном фонаре ток через прибор не шел, потому что сетчатый электрод нигде не касался цинкового: цепь была разорвана воздушным промежутком между кружками, и стрелка гальванометра стояла на нуле.

По знаку Столетова Усагин включил фонарь. Зашипела дуга. Сильный, резкий луч яркого белого света упал на электроды. Столетов настороженно следил за гальванометром. Стрелка прибора как будто бы чуть-чуть шевельнулась, но так незначительно, так незаметно, что ее легкое колебание никак нельзя было считать предвестником удачи.

Такое поведение стрелки не обескуражило Столетова. Он поменял местами провода от батареи: отрицательный присоединил к сплошному кружку, а положительный – к сетчатому.

Снова Усагин включил фонарь. И в то же мгновение стрелка гальванометра дрогнула и отошла от нуля. Ток пошел! Воздушный промежуток между электродами перестал быть преградой.

26 февраля 1888 года Столетов отметил в лабораторном журнале первый успех.

Столетов спрашивал себя: в чем сущность этого явления? Быть может, свет, изменяя свойства воздуха, делает его проводником электрического тока? Это предположение Столетов отверг. Оно неверно. Когда плюс батареи был соединен с цинковым кружком, а минус с сетчатым – ток не шел, хотя воздушный промежуток был освещен. Значит, дело не в изменении свойств воздуха.

Столетов проверил свой вывод. Он повернул оба кружка ребром к фонарю. Теперь луч света скользил вдоль кружков, пронизывал воздушный промежуток, только слегка задевая электроды. Стрелка гальванометра оставалась на нуле. Тока не было.

Значит, причину явления следует искать в том действии, которое оказывает свет именно на электроды? Хорошо. Но на какой из них? Электродов два – сетчатый и сплошной. Может быть, свет «сдувает» электрические заряды с сетки и гонит их на цинковый кружок?

Сомнительно! Редкой сетке из тонкой проволоки достается слишком мало лучей, почти весь световой поток свободно проходит сквозь нее и падает на цинковый электрод. Ему достается подавляющее количество света. Именно в нем надо искать причину явления.

Все явление протекало так, как будто свет «вышибал» отрицательные заряды из цинковой пластинки, а затем они притягивались к положительно заряженной сетке.

Столетов записал свои выводы так: «Лучи вольтовой дуги, падая на поверхность отрицательно-заряженного тела, уносят с него заряд. Это действие лучей сказывается исключительно на отрицательно заряженной пластинке. Положительный заряд лучами не уносится».

Опять непонятная закономерность

Для серии новых опытов Усагин, по указанию Столетова, вырезал из плотного картона диск с семью круглыми одинаковыми отверстиями.

Усагин укрепил этот диск на оси так, чтобы его можно было вращать перед отверстием (оправой объектива) фонаря с нужной для опыта скоростью. Вращаясь, диск попеременно то открывал, то закрывал доступ свету из фонаря к цинковому электроду.

В то время, когда Усагин вращал картонный диск, Столетов следил за стрелкой гальванометра. Свет фонаря прорывался сквозь отверстия диска отдельными короткими порциями. При каждом воздействии светового луча, стрелка гальванометра совершала резкий скачок в сторону. Стремительность колебаний стрелки показывала, что ток в цепи прибора возникает мгновенно.

Ускоряя и замедляя скорость вращения картонного диска, Столетов установил, что никакой задержки или промедления в образовании тока не происходит: свет вспыхивает – ток возникает.

Хотя одно из явлений служит причиной, а другое – следствием, промежуток времени между ними был ничтожно мал. Можно считать, что свет и ток возникают одновременно.

Столетову удалось установить этот факт с точностью до одной тысячной доли секунды. Советские ученые, повторившие опыты Столетова с более совершенной и точной аппаратурой, доказали, что между вспышкой света и образованием тока в приборе не проходит даже одной трехмиллионной доли секунды.

Поразительное свойство прибора Столетова мгновенно отзываться на свет позволило в наши дни создать звуковое кино, читающие станки, «говорящие» часы и другие замечательные устройства.

Результаты своих дальнейших исследований Столетов записал в лабораторном журнале: «разряжающим действием обладают главным образом ультрафиолетовые лучи».

В этом Столетов убеждался неоднократно; достаточно было перегородить луч света от фонаря обыкновенной стеклянной пластинкой, и ток в приборе мгновенно прекращался. Самый сильный видимый свет не мог заменить даже слабого потока ультрафиолетовых лучей. Электрические заряды цинкового кружка были нечувствительны к лучам видимого света даже при большой их энергии.

Такая зависимость электрических зарядов, находящихся в цинковой пластинке, от лучей только определенного рода, показалась ученым очень важным признаком, теснейшим образом связанным со свойствами света и электричества.

Продолжая опыты, Столетов сделал еще одно наблюдение: та часто лучей, которая отражается цинковой пластинкой, никакого действия не производит. Важна только та часть, которая поглощается пластинкой, и чем больше поглощено ультрафиолетовых лучей, тем сильнее ток.

Эти закономерности удалось объяснить только много позже.

Но уже во времена Столетова его опыты над «распылением» электричества, как он сам выражался, подтверждали мысль о существовании элементарных отрицательных зарядов – частичек электричества. Действительно, опыты Столетова легче всего объяснялись предположением (потом подтвердившимся), что свет выбивает из металлов отдельные электроны.

Электроны вылетают из атомов

В 90-х годах прошлого столетия в биографии электрона оказались записанными ответы на три анкетных вопроса: «имя», «масса» и «заряд». Однако сведения, занесенные в две последние графы, не заслуживали безусловного доверия, их следовало подтвердить непосредственными лабораторными измерениями. Но должно было пройти почти пятнадцать лет, прежде чем нашли способ, как определить опытным путем точные значения массы и заряда электрона.

За этот промежуток времени ученые, продолжая исследовать мир предельно малых частиц, сумели приобрести сведения и для четвертой графы анкеты: «местожительство».

В 1896 году были впервые замечены явления радиоактивности урана, способность его испускать невидимые лучи. Три года спустя знаменитый физик Мария Склодовская-Кюри, совместно со своим мужем Пьером Кюри, нашла новые радиоактивные, то есть излучающие элементы. Радиоактивными оказались кроме урана: полоний, радий, торий.

Уран и торий были известны и ранее, а радий и полоний были открыты Склодовской-Кюри, которая выделила их из урановой руды.

Радиоактивные вещества привлекали внимание физиков своими необычайными, поистине волшебными свойствами. В присутствии радия драгоценные камни даже в полной темноте начинают сверкать и искриться, а краски, изготовленные с примесью сернистого цинка, излучают лунное зеленоватое свечение. Стекло пробирки с радием со временем меняет окраску и приобретает фиолетовый оттенок. Электрические машины в присутствии радия перестают действовать, так как воздух под влиянием лучей радия становится проводником электричества. Прикосновение пробирки с радием к коже вызывает тяжелые трудно заживляемые ожоги.

Радий портит фотографические пластинки, упакованные даже не в картонные, а в металлические коробки.

Самые обычные вещества, соприкасавшиеся с радием в свою очередь становятся радиоактивными. Лучи радиоактивных веществ проходят сквозь стекло и металлы (рис. 38).

Рис. 38. Излучение радиоактивных элементов проникает сквозь непрозрачные тела. На рисунке изображена медаль, сфотографированная с помощью радиоактивных лучей.

Открытие радиоактивных элементов подтвердило гениальное предвидение, высказанное Фридрихом Энгельсом и русскими передовыми учеными прошлого века – А. М. Бутлеровым и Н. А. Умовым том, что атомы лишь кажутся неделимыми, на самом же деле они представляют особые сложные миры.

Однажды в лаборатории Кюри произошел чрезвычайно интересный случай, показавший ученым одну важную особенность радия.

Крупинки радиевой соли, добытые Марией Склодовской из отходов урановой руды, супруги хранили в ампулах, – в небольших, наглухо запаянных, стеклянных трубочках. Пьеру Кюри для опытов понадобилась новая порция радия. Кюри взял в одну руку ампулу, а в другую нож, намереваясь метким и осторожным ударом отбить кончик ампулы так, чтобы не рассыпать драгоценное вещество. Намечая место удара, Пьер Кюри приложил лезвие ножа к ампуле и в тот же момент услышал характерный треск электрической искры. В стеклянной стенке ампулы появилась трещинка и маленькая круглая дырочка.

Пьер Кюри позвал жену, и они вдвоем сквозь лупу стали рассматривать отверстие, пробитое неизвестно откуда взявшейся искрой.

Пьер Кюри взял из шкафа другую ампулу, и оба исследователя, напрягая слух и зрение, склонились над ней. Пьер Кюри осторожно приблизил нож к ампуле. Как только лезвие коснулось стекла, раздался треск электрической искры. Пьер Кюри почувствовал легкий толчок в руку, а в стекле ампулы появилась крошечная круглая дырочка. Сомнений не оставалось: за время хранения радий выделил электрические заряды.

Затем было обнаружено, что радий непрерывно выделяет из себя газ радон, который со временем превращается в обычный гелий. Распад атомов больше не вызывал сомнений.

Бета-частицы оказались электронами

Так как радиоактивные элементы, распадаясь, выбрасывают какие-то частицы, то физики занялись исследованием излучения радия. Они надеялись, что в лучах радия окажутся осколки атомов, и это позволит судить об устройстве самих атомов.

Чтобы исследовать все, что вылетает из атомов радиоактивных элементов, был построен несложный прибор. Его главная часть состояла из пустотелой свинцовой «бомбочки» с очень толстыми стенками. В эту бомбочку поместили небольшое количество радиевой соли.

Свинец для изготовления бомбочки был выбран потому, что он поглощает излучение радия и, тем самым, мешает частицам разлетаться во все стороны. Излучение радия должно было проникать за пределы свинцовой бомбочки только через маленькое круглое отверстие – окошко, просверленное в стенке свинцового кубика.

На некотором расстоянии против окошка поместили экран, покрытый сернистым цинком. Когда в лаборатории потушили свет, ученые увидели на экране светящееся зеленоватое пятнышко – след лучей радия, выходящих из отверстия.

Затем к невидимой струйке, вырывавшейся из отверстия в свинцовом кубике, поднесли магнит, и тотчас на экране зеленоватое пятнышко разделилось на части. Вместо одного пятнышка заискрились три. Это наглядно свидетельствовало, что струйка частиц, излучаемая радием, под влиянием магнита распалась на три самостоятельных и разнородных луча (рис. 39).

Рис. 39. Под воздействием магнитного поля поток радиоактивного излучения разделился на три ветки.

Среднее пятнышко осталось на прежнем месте, – очевидно, в излучении радия есть нечто такое, что не имеет электрического заряда и потому не поддается влиянию магнитного поля. Ученые назвали этот вид излучения гамма-лучами. По своим свойствам гамма-лучи близки свету или ультрафиолетовым лучам.

Второе пятнышко отошло от среднего положения на очень небольшое расстояние, оно только слегка отклонилось в сторону; это указывало, что масса частиц, образующих второй луч, сравнительно велика. Направление, в котором отклонялись летящие частицы, свидетельствовало об их положительном заряде. Этот поток тяжелых, положительно заряженных частиц ученые назвали альфа-лучами, а частицы – альфа-частицами. Они оказались ядрами атомов гелия.

Третья струйка изогнулась точь-в-точь так же, как и электронный луч в катодной трубке. Эта струйка состояла из отрицательно заряженных частиц, которые получили название бета-частиц. После всесторонней проверки выяснилось, что бета-частицы обладают всеми свойствами электронов, иными словами, они и есть самые обыкновенные электроны.

Этим-то и объясняется странное явление, которое пришлось наблюдать Кюри, когда они вскрывали ампулы с радиевой солью. Быстрые электроны прорывались сквозь тонкое стекло ампул, а положительный заряд накапливался в ампуле и пробивал стекло, когда Кюри касался его ножом.

Бета-частицы содержатся в излучении многих радиоактивных элементов. Следовательно, при распаде атомов наряду с другими лучами и частицами возникают также и электроны. Ученые того времени сделали поэтому вывод, что электроны входят непременной частью в состав атомов.[7]7
  Ученые того времени сделали правильный вывод из… ошибочных предпосылок. Теперь мы знаем, что у радиоактивных атомов распадаются ядра, в которых электронов не содержится. Они именно родятся в момент распада. И все же в любом атоме действительно есть электроны, только не в ядре, а в оболочке.


[Закрыть] Это было необычайно важным открытием. Оно окончательно и бесповоротно доказало, что местообитанием электронов, а может быть даже и их родиной, являются атомы.

Идеалисты переходят в наступление

Большинство ученых XIX века представляли себе атом неделимым, абсолютно постоянным, обладающим неизменной массой. Они считали его первоначальным, извечным и неизменным «кирпичом мироздания».

И вдруг в мире привычных научных воззрений стали известны новые удивительные факты – ученые ознакомились с явлениями радиоактивности.

Атомы, казавшиеся до того времени несокрушимыми, разваливались буквально на глазах. Вещество исчезало, распадалось, а среди продуктов распада находились не только вещественные частицы – атомы других более легких химических элементов, но и частицы отрицательного электричества – электроны и даже гамма-лучи.

Все это было ново, необычно, странно. Все это под корень подрубало старые понятия и о веществе и об энергии. Прежние воззрения рушились. Казалось, пошатнулись основы физических наук.

Ученые-идеалисты воспрянули духом. В течение всего XIX века, под напором непрерывных успехов науки, они были вынуждены сдавать одну позицию за другой. Открытия Фарадея, Менделеева, Бутлерова, Максвелла, Столетова и многих других ученых разрушали идеалистические представления о мире.

Теперь же, на рубеже XX века, новые факты давали идеалистам удобный случай перейти в решительное контрнаступление и вернуть утраченный авторитет. С еще большим рвением ученые и философы идеалистического лагеря ринулись в атаку на материализм, надеясь, что им удастся раз и навсегда сокрушить материалистическое миропонимание.

Штурм начался с самых различных позиций. Одни, опираясь на незавершенные опыты Кюри, утверждали, что радиоактивные элементы являются неисчерпаемыми источниками энергии – вечными двигателями, в которых энергия рождается из ничего. И, следовательно, великий ломоносовский закон: «из ничего не может возникнуть что-то» – неверен. Идеалисты объявили этот основной закон природы недействительным.

Другие доказывали, что материя в радиоактивных элементах превращается в излучение, а излучение, рассеиваясь в пространстве, якобы бесследно исчезает. И они делали ложный вывод, что материя не вечна, она исчезает, уничтожается.

Третьи обращали свое внимание на природу электрона.

Эти физики признавали электрон не мельчайшей частицей вещества, а только простейшим элементарным зарядом, а электричество считали одним из видов энергии.

И все эти физики-идеалисты, искажая истину, говорили: атомы состоят из электронов, а электроны только заряды. Значит атомы не материальны, не вещественны. Материя в действительности не существует, а существуют одни заряды – одна энергия.

Наконец, нашлись ученые, которые, повторяя теории древних философов-идеалистов, отрицали все. Они пытались доказать, что будто бы ни атомов, ни электронов и вообще ничего на свете нет. Земля, Вселенная, атомы и электроны – это не более как наши ощущения, это только понятия, введенные для удобства мышления и рассуждений. Материи нет, есть только наши понятия, которые можно облачать в форму математических уравнений.

Весь этот вздор, оглушая и ослепляя исследователей природы, мешая разобраться в сущности новых и непонятных явлений, хлынул в науку.

Все сторонники идеалистического мировоззрения, несмотря на некоторое различие во взглядах, дружно стремились к одной цели. Они пытались доказать, что материя уничтожима, не вечна, не действительна, а бог, дух – неуничтожимы, вечны.

Гениальная книга В. И. Ленина

Подлинная наука выдерживала яростный штурм реакционной философии. Владимир Ильич Ленин в своей замечательной книге «Материализм и эмпириокритицизм» привел один из эпизодов этого штурма.

В начале нашего века известный естествоиспытатель Эрнст Геккель написал небольшую книгу под названием «Мировые загадки». Это было довольно наивное произведение, в котором Геккель вовсе не стремился показать себя материалистом. Он даже открещивался от этого названия. Но в книге Геккель описывал все так, как это есть в действительности: добросовестно, правдиво излагал сущность последних открытий, приводил убедительные факты. И его книга вызвала целую бурю.

В. И. Ленин писал: «Популярная книжечка сделалась орудием классовой борьбы. Профессора философии и теологии[8]8
  Теология – «наука» о божестве.


[Закрыть] всех стран света принялись на тысячи ладов разносить и уничтожать Геккеля. Знаменитый английский физик Лодж пустился защищать бога от Геккеля. Русский физик, г. Хвольсон, отправился в Германию, чтобы издать там подлую черносотенную брошюрку против Геккеля…

…Нет числа тем теологам, которые ополчились на Геккеля. Нет такой бешеной брани, которой бы не осыпали его казенные профессора философии. Весело смотреть, как у этих высохших на мертвой схоластике мумий – может быть, первый раз в жизни – загораются глаза и розовеют щеки от тех пощечин, которых надавал им Эрнст Геккель. Жрецы чистой науки и самой отвлеченной, казалось бы, теории прямо стонут от бешенства…

Он – материалист, ату его, ату материалиста, он обманывает публику, не называя себя прямо материалистом– вот что в особенности доводит почтеннейших господ профессоров до неистовства».[9]9
  В. И. Ленин, Соч., т. 14, стр. 334–335.


[Закрыть]

Геккелю угрожали расправой, ему присылали подметные письма, наполненные бранью, – называли ученого «собакой», «безбожником», «обезьяной» и, наконец, когда Геккель работал в своем кабинете, кто-то запустил в окно огромным булыжником, рассчитывая размозжить ученому голову…

В это смутное время, против реакционной философии, в защиту подлинной науки, в защиту материализма выступил Владимир Ильич Ленин. В своей книге «Материализм и эмпириокритицизм» он подверг уничтожающей критике реакционные теорийки буржуазных философов и физиков.

Он объяснил, что «реакционные поползновения порождаются самим прогрессом науки. Крупный успех естествознания, приближение к таким однородным и простым элементам материи, законы движения которых допускают математическую обработку, порождает забвение материи математиками. „Материя исчезает“, остаются одни уравнения»,[10]10
  В. И. Ленин, Соч., т. 14, стр. 294.


[Закрыть] – писал В. И. Ленин, высмеивая попытки ученых– идеалистов одними математическими формулами объяснить весь мир.

В. И. Ленин разоблачил старания теоретиков идеалистического лагеря «упразднить» материю или подменить ее энергией.

Материя – не только вещество

Физики старой школы считали материей только вещество, то есть только то, что состоит из молекул и атомов. Современная наука показала, что вещество не кончается атомами. Ведь и атомы делимы! Они состоят из различных мельчайших частиц. В ядрах атомов обнаружены положительно заряженные частицы – протоны и нейтральные – нейтроны. Окружающая ядро атома оболочка состоит из электронов. Все эти частицы тоже вещественны.

Но материя это не только вещество. Величайшая заслуга В. И. Ленина состоит в том, что он доказал ошибочность старого, примитивного понятия материи-вещества. Электрические и магнитные поля, свет и другие виды излучения, которые представляют собой колебания электромагнитного поля, – это тоже материя.

И тысячи примеров из повседневной жизни и промышленного производства эго подтверждают. Мы видим, как магнитное поле проволочной спирали, по которой течет сильный электрический ток, втягивает в себя железный стержень и переводит стрелки трамвайных путей.

Мы видим, как в быстропеременном электрическом поле высыхают гигантские фарфоровые изоляторы для высоковольтных линий и предостерегающие надписи предупреждают работающих об опасности попасть в такое поле.

Магнитные поля электромоторов движут наши трамваи, троллейбусы, автобусы ЗИС-154 и электропоезда.

Введите медный стержень между полосами сильного электромагнита и попробуйте вращать стержни вокруг его оси. Вам покажется, что стержень погружен в густую смолу, настолько трудно вращать его со сколько-нибудь большой скоростью в магнитном поле.

Электрические и магнитные поля невидимы, но это не значит, что они не материальны. Человек, нечаянно сунувший руку в быстропеременное электрическое поле, мгновенно почувствует, что оно не менее материально, чем кипяток или пламя.

«Материя есть то, что, действуя на наши органы чувств, производит ощущение; материя есть объективная реальность…»[11]11
  В И. Ленин, Соч. т. 14. стр. 133.


[Закрыть]

«В мире нет ничего, кроме движущейся материи»,[12]12
  В. И. Ленин, Соч., т. 14, стр. 162.


[Закрыть] – писал Ленин.

Материя и движение неразрывны. Нельзя представить материю без движения или движение без материи, одно без другого – бессмыслица.

В мире движется все – движутся млечные пути (звездные системы), звезды и пылинки, движутся молекулы, атомы и частицы, их составляющие.

Движение – это не только перемещение из одного пункта в другой, не только вращение или колебание, но и химическое соединение и разложение, теплота и электрический ток, кристаллизация, рост и распад, изменение видов. Движение – это всякое изменение, всякое развитие.

Наши органы чувств дают не кажущееся, не воображаемое представление об окружающем мире, как утверждают идеалисты, а действительное.

Наши знания о природе хотя и не вполне точны, приблизительны, но с каждым успехом науки они становятся точнее, правильнее. Окружающий мир именно таков, каким мы его видим, и В. И. Ленин приводит наглядный пример: «Человек в темной комнате может крайне неясно различать предметы, но если он не натыкается на мебель и не идет в зеркало, как в дверь, то, значит, он видит кое– что правильно».[13]13
  В. И. Ленин, Соч., т. 14. стр. 263,


[Закрыть]

Так и ученые еще не вполне ясно различают, что именно происходит в мире атомов и в области электромагнитных полей, но не идут «в зеркало, как в дверь». Физики уже отыскали способ, как поставить на пользу человечеству электромагнитные поля, создали радио, научились разрушать и строить атомы – значит ученые правильно понимают некоторые явления мира малых частиц.

Гениальное произведение В. И. Ленина расчистило дорогу подлинной науке и оказало ей неоценимую помощь.

Передовые ученые, особенно русские, советские, продолжали настойчиво, упорно трудиться, постепенно, шаг за шагом раскрывая суть сложнейших явлений. Их труды полностью подтверждают основное положение марксистской философии о материальности мира.