Текст книги "Покоренный электрон"

Автор книги: Михаил Ивановский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 23 страниц)

Измерение заряда электрона

Физики прекрасно понимали, что, несмотря на все успехи электронной теории, она остается незавершенной– ни масса, ни заряд электрона еще не определены непосредственным опытом. Это было слабым местом теории – ее ахиллесовой пятой.

Измерение заряда электрона – стало первоочередной задачей, над которой начали трудиться многие специалисты.

Предшествующие исследования заряда электрона показали, что он ничтожно мал; было совершенно ясно, что если к какому-либо большому предмету добавить один электрон или, наоборот, отнять его, то уловить изменение заряда этого предмета не сможет ни один прибор на свете.

Для большого воздушного шара-стратостата майский жук, залетевший в гондолу, незаметен, а для маленького детского воздушного шарика жук будет чересчур тяжелым пассажиром.

Поэтому можно попытаться взять настолько маленькое тело, совсем ничтожную пылинку, чтобы потеря ею одного электрона уже стала заметна.

Академик А. Ф. Иоффе, намереваясь измерить заряд электронов, пошел именно по такому пути. В качестве пылинок он использовал мельчайшие капельки цинковой амальгамы, то есть ртути, к которой было добавлено небольшое количество цинка.

Две горизонтальные металлические пластины, разделенные воздушным промежутком, составляли главную часть прибора для измерения заряда. В верхней пластине имелось небольшое отверстие. С одной стороны воздушный промежуток между пластинами освещала обычная электрическая лампочка, с другой стороны стояла лампа – источник ультрафиолетовых лучей. Эта лампа имела заслонку, чтобы открывать ее на короткое время.

Спереди был пристроен микроскоп, через который можно было наблюдать все, что будет происходить во время опыта в промежутке между пластинами (рис. 40).

Рис. 40. Схема прибора, построенного академиком А. Ф. Иоффе для измерения заряда электрона.

К пластинам была приложена определенная разность потенциалов, причем верхняя пластина соединялась с положительным полюсом батареи, а нижняя – с отрицательным. Напряжение на пластинах можно было регулировать по желанию, то есть увеличивать или уменьшать так, как это могло бы потребоваться по ходу предстоящего опыта.

После проверки работы всех частей прибора А. Ф. Иоффе приступил к измерению. В промежуток между пластинами через отверстие в верхней пластинке вдули некоторое количество тончайших ртутных капелек.

Капельки рассеялись по всему воздушному промежутку и под действием силы тяжести медленно, плавно начали оседать на нижнюю пластину.

Иоффе включил напряжение. Между пластинами образовалось электрическое поле. Тотчас же капельки, которые обладали положительным зарядом,[14]14
  Капельки жидкости электризуются при распылении.


[Закрыть] стремительно понеслись вниз к отрицательно заряженной пластине, а капельки, имевшие отрицательный заряд, стали подниматься вверх, притягиваясь к положительно заряженной пластине.

Среди отрицательно заряженных капелек имелось несколько таких, которые почти недвижимо висели в воздухе, – не опускались и не поднимались.

Чтобы совсем остановить движение одной отрицательно заряженной капельки, Иоффе так подобрал разность потенциалов между пластинами, что притяжение верхней пластины точно уравновесило вес капельки. Отрицательно заряженная капелька повисла в воздухе совершенно неподвижно.

Желая убедиться, что капелька сама по себе ни опуститься ни подняться не может, Иоффе держал ее во взвешенном состоянии несколько суток, и она висела, словно привязанная невидимой ниточкой.

Перед началом опыта Иоффе записал разность потенциалов на пластинках, которая удерживала капельку во взвешенном состоянии, а затем на мгновение приоткрыл заслонку на ультрафиолетовой лампе. Лучи пронизали воздушный промежуток между пластинами и вырвали из капельки несколько электронов (вспомните опыт Столетова), заряд капли изменился, и она полетела вниз.

Иоффе увеличил напряжение на пластинах, подтянул капельку на прежнее место и опять заставил ее висеть неподвижно.

Затем он приоткрыл заслонку на ультрафиолетовой лампе, и снова лучи согнали с капельки несколько электронов, капелька стала падать, но Иоффе подтянул ее и уравновесил.

В третий раз ученый открыл заслонку, и в третий раз ультрафиолетовые лучи согнали с капельки несколько электронов, а Иоффе опять вернул ее на старое место. Так он повторял эту операцию до тех пор, пока никакое изменение напряжения на пластинах уже не могло удерживать капельку во взвешенном состоянии, и она падала, повинуясь только земному тяготению.

Притяжение положительно заряженной пластины перестало оказывать на нее свое влияние. Это означало, что ультрафиолетовые лучи лишили капельку ее заряда, электроны покинули капельку.

Капельке дали спокойно упасть, а через отверстие в верхней пластине впустили новую порцию капелек. Среди них выбрали одну, удержали ее в неподвижном состоянии, и опыт начался сначала.

В конце концов и вторая капелька, лишившись заряда, опустилась вниз; ее заменили, опыт продолжался. Только большое число одинаковых опытов могло дать надежный результат.

Проходили дни за днями. Щелкала заслонка, открывая и закрывая путь ультрафиолетовым лучам.

Через поле зрения микроскопа прошло несколько сот капель. В лабораторном журнале выстроились длинные столбцы цифр. Число измерений достигло нескольких сотен.

И среди этих измерений ни разу не случалось, чтобы заряд, выбиваемый из пылинки, оказался меньше совершенно определенной величины.

Заряд уходил всегда только целыми порциями, и этих порций было либо одна, либо две, либо три, четыре, пять, но ни разу заряд не уменьшился на полпорции или на полторы или на две с половиной.

Таким образом было установлено, что электрический заряд уходит только в виде определенных порций отрицательного электричества, то есть в виде электронов.

Работа продолжалась. Вместо ртутных капелек стали вдувать цинковые пылинки и пылинки других веществ, и всегда электрический заряд покидал пылинку одинаковыми порциями. Это означало, что «цинковый» электрон ничем не отличается от «медного». Заряд электрона, выбитого из золотой пылинки, нисколько не больше и не меньше заряда электрона, выбитого из железной пылинки. Все электроны – одинаковы.

Но это было не все! Неизвестным оставалось самое главное – заряд одного электрона. Однако невидимка уже не мог прятаться. А. Ф. Иоффе знал, что все наимельчайшие зарядики равны между собой, и знал также, сколько этих зарядиков-электронов он согнал ультрафиолетовыми лучами с каждой капельки ртути.

Оставалось решить совсем простенькую арифметическую задачу: разделить величину первоначального заряда капли на число согнанных электронов и в частном от деления получить заряд одного электрона.

Но прежде чем решать такую задачу, предстояло узнать, чему же был равен заряд капли до того, как ее стали освещать ультрафиолетовыми лучами? И это было хотя и самое трудное дело, но все же далеко не безнадежное, ведь капелька, висевшая в промежутке между двумя пластинами, подвергалась действию двух сил: сила тяжести тянула ее вниз, а электрическая сила – вверх. И обе эти силы были равны, потому что капелька не подымалась и не падала – висела неподвижно. Значит, стоило только узнать, чему равен вес капельки ртути, и тогда стала бы известна величина электрической силы.

Вес капельки надо было измерить. Однако эта капелька была так мала, что даже в поле зрения микроскопа она казалась не шариком, а только блестящей звездочкой. Измерить ее обычным способом, как измеряют маленькие шарики, было невозможно, и Иоффе применил иной способ.

Зная удельный вес ртути и измерив скорость падения капельки, можно очень точно определить ее вес. Так А. Ф. Иоффе и сделал: когда капелька в конце опыта полностью лишилась своего заряда и стала падать, ученый тщательно измерил скорость ее падения, а затем вычислил вес капельки. Так А. Ф. Иоффе узнал величину электрических сил, действовавших на каплю, а затем и величину заряда капли, потом разделил на число выбитых электронов и получил заряд одного электрона.

Величина заряда электрона была измерена таким способом непосредственно.

По современным измерениям заряд электрона равен 4,8∙10^-10 абсолютных электростатических единиц, или 1,6∙10^-19 кулона. Иначе говоря, в одном кулоне содержится такое количество электронов, которое определяется миллиардами миллиардов, а именно равно 6,25∙10¹⁸.

После измерения заряда электрона физики снова вернулись к опыту с магнитом и катодной трубкой, который был поставлен в конце прошлого столетия. Тогда они сумели очень точно измерить, насколько отклоняется электронный пучок в магнитном поле, и это позволило установить соотношение между зарядом электрона и его массой.

Теперь ученые повторили этот опыт и, зная величину заряда электрона, определили, что его масса действительно равна 9,1∙10^-28 грамма.

Электрон – одна из мельчайших частиц материи. Он легче дробинки во столько же раз, во сколько раз дробинка легче земного шара.

Почти двадцать лет ученые трудились, чтобы измерить массу и заряд электрона и доказать его существование. Их усилия увенчались полной победой. Реальность электрона была утверждена опытом.

И вся история этого открытия блестяще подтвердила гениальное положение, выдвинутое товарищем И. В. Сталиным: «В противоположность идеализму, который оспаривает возможность познания мира и его закономерностей, не верит в достоверность наших знаний, не признает объективной истины, и считает, что мир полон „вещей в себе“, которые не могут быть никогда познаны наукой, – марксистский философский материализм исходит из того, что мир и его закономерности вполне познаваемы, что наши знания о законах природы, проверенные опытом, практикой, являются достоверными знаниями, имеющими значение объективных истин, что нет в мире непознаваемых вещей, а есть только вещи, еще не познанные, которые будут раскрыты и познаны силами науки и практики».[15]15
  И. Сталин, Вопросы ленинизма, Госполитиздат, 11 изд., стр. 543.


[Закрыть]

В напряженной борьбе с мракобесами и реакционерами из идеалистического лагеря победу одержали представители передовой материалистической науки. Они на опыте доказали, что электрон – не плод воображения ученых, придумавших электрон только для того, чтобы было удобнее объяснить электрические явления.

Электрон действительно существует, и наши знания о нем – достоверные знания!

Глава четвертая. Пленники невидимой крепости

Открытие мирового значения

В 1869 году великий русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев совершил открытие мирового значения.

Изучая различные особенности химических элементов – их способность вступать в соединение друг с другом, их плотность, электропроводность и прочее– Менделеев обратил внимание, что среди них встречаются элементы, очень похожие друг на друга. Медь по своим свойствам родственна серебру – оба эти металла хорошо проводят тепло и электрический ток. А у серебра есть сходство с золотом.

Легкоплавкое и мягкое олово напоминает легкоплавкий и мягкий свинец.

Всем известный иод с его характерным запахом, фиолетовый в парообразном состоянии и буро-коричневый в растворе, похож на бром – вещество буро-красного цвета, очень едкое, с неприятным удушливым запахом, которому оно обязано своим названием (бром в переводе с греческого означает зловонный). Ближайшими родственниками брома являются – хлор, удушливый ядовитый газ зеленовато-желтого цвета и двойник хлора – фтор, газ желтовато-зеленого цвета с резким и неприятным запахом.

Таким образом у каждого химического элемента имеются по два-три (а иногда и больше) «родственника». Но эти «родственники» сильно отличаются друг от друга по одному признаку – по атомному весу.[16]16
  Атомным весом называется отношение, показывающее во сколько раз вес одного атома химического элемента больше одной шестнадцатой доли веса атома кислорода.


[Закрыть]

Если же взять элементы близкие друг другу по атомному весу, то опять наблюдается несомненная закономерность. Вот, например, натрий – это очень горючий металл. Он горит даже в воде, отнимая у нее кислород.

Его сосед по весу – магний – тоже горючий металл, его употребляют фотографы в качестве осветительного материала. Но магний загорается гораздо хуже натрия. Горюч и алюминий, сосед магния по весу, но спичкой его уже не подожжешь. Его приходится предварительно измельчать в порошок. В таком виде он входит в состав «термита», которым сваривают трамвайные рельсы.

Д. И. Менделеев с гениальной прозорливостью понимал, что сходство элементов не может быть случайным. В этом сходстве несомненно скрывается важная закономерность, и великий химик занялся поисками природы этой закономерности.

Для удобства работы ученый выписал названия химических элементов, их атомные веса и основные свойства на небольших кусочках картона. У него получилось 63 карточки, по числу известных в то время химических элементов.

Хотя многие из элементов тогда еще не были открыты, но закон, по которому повторяются сходные свойства, Менделеев установил.

В настоящее время известно сто элементов. Первым в списке стоит самый легкий элемент – водород, за ним следуют все остальные элементы, расположенные в порядке возрастающих атомных весов. К концу 1951 года список элементов замыкал уже вновь открытый элемент № 100 – центурий.

Для примера рассмотрим группу лития – натрия– калия. Все эго легкие, блестящие металлы. Если кусок калия или натрия бросить в воду, вспыхивает пламя. Металл разлагает воду на водород и кислород, жадно соединяясь с кислородом. Его окисел, растворяясь в воде, образует щелочь. Реакция идет так бурно, с таким выделением тепла, что и металл и водород загораются и пылают над водой. По своим химическим свойствам литий, натрий и калий необычайно похожи друг на друга. И в списке элементов они занимают определенные места: литий – третье, натрий – одиннадцатое, калий – девятнадцатое, то есть их разделяют восемь номеров.

Члены другого семейства химических элементов – фосфор, мышьяк и сурьма – ядовиты, хрупки, и в списке они отделены друг от друга восемнадцатью номерами. Точно также восемнадцатью номерами отделены хлор от брома и бром от иода. Между этими элементами также есть много общего.

Свойства более тяжелых элементов повторяются не через 8 или 18 номеров, а через 32 номера. На тридцать втором месте от олова стоит свинец. Золото от серебра отделено также 32 номерами.

8, 18, 32 – числа, явно связанные со свойствами элементов. Каждый восьмой, или восемнадцатый, или тридцать второй повторяют некоторые особенности своих более легких предшественников по списку. При этом следует обратить внимание, что и в этих числах 8, 18, 32 скрыта своя определенная математическая закономерность. 8 – это дважды два, помноженное на два. 18 – трижды три, помноженное на два. 32 – это четырежды четыре, помноженное на два.

Тут есть над чем призадуматься. Даже в порядковых номерах элементов, если они расположены по атомным весам, таится какой-то определенный и точный закон.

Периодическая система элементов

Менделеев открыл существование этого закона и доказал, что химические свойства элементов повторяются периодически, то есть через определенное число элементов, и образуют отдельные группы.

Чтобы значение установленного закона было очевидным и наглядным, Менделеев расположил все элементы в виде таблицы. Получилась знаменитая, всемирно известная «таблица периодической системы элементов».

В горизонтальных рядах таблицы элементы размещены в порядке последовательного изменения их свойств от металлов к металлоидам. В вертикальных столбцах они стоят по родственным признакам. Натрий расположился под литием, калий под натрием. Фосфор, мышьяк и сурьма сошлись в пятом столбце, а фтор, хлор, бром, иод – в седьмом.

Размещая карточки с названиями элементов в найденном порядке, Менделеев убедился, что атомные веса, которые были определены другими химиками, не всегда верны.

Атомный вес бериллия был указан – 13,5. Это невозможно! Бериллий по своим свойствам родственен магнию. Он должен стоять в вертикальном столбце над магнием. Следовательно, бериллий легче бора. И Менделеев, не прикасаясь к весам или к каким-либо приборам, действуя только на основании открытого им закона, зачеркивает 13,5 и пишет – 9.

Точно так же Менделеев исправил атомные веса урана, ванадия, церия, титана.

При размещении всех известных тогда элементов некоторые клетки Менделееву пришлось оставить не занятыми. Значит еще не все элементы обнаружены – сделал вывод Менделеев. Со временем «хозяева» пустующих клеточек найдутся!

И хотя никто в мире даже не подозревал о существовании новых элементов, Менделеев заранее указал их свойства и атомные веса.

Многие ученые встретили установленный Менделеевым закон с явным недоверием. Русский химик, открывает новые элементы вне лаборатории, взвешивает их без весов! Он предсказывает свойства элементов без анализа, даже не видя их!

В 1875 году поступило первое сообщение: нашелся один из предсказанных Менделеевым элементов. Его свойства и атомный вес почти в точности соответствовали предначертаниям Менделеева.

Тогда химики стали проверять атомные веса элементов. Опять оказалось, что Менделеев прав, действительно атомный вес бериллия равен 9, а уран должен занять свое место не в середине списка, как раньше, а в самом конце его.

В 1879 году открыли еще один менделеевский элемент. Затем нашли третий элемент!

Это была замечательная победа русского ученого и всей русской науки! Слава Менделеева прогремела по всему миру. Ученые оценили все величие и значение трудов Менделеева.

Менделеев помог разоблачить гнилое идеалистическое учение о непознаваемости природы. Своим открытием Менделеев доказал, что настоящий ученый обязан не только видеть, но и предвидеть факты.

Именно поэтому Фридрих Энгельс оценил открытие Менделеева как «великий научный подвиг».

Таблица Менделеева стала настольным пособием всех химиков, физиков, геологов. С ее помощью стали искать новые элементы и не наугад, а заранее зная не только их свойства, но даже горные породы, в которых они могут содержаться.

Закон Менделеева признали все. Его изучали, применяли, постоянно убеждались в его непреложности. И вместе с тем – это был закон-загадка. Почему свойства элементов повторяются с математической правильностью? В чем скрыта причина периодичности?

Планетарная модель атома

Через 15 лет после опубликования закона Менделеева, известный русский ученый и революционер Н. А. Морозов указал, что причину периодичности свойств элементов следует искать в числе электрических зарядов, заключенных в атоме. Это замечательное предвидение оправдалось только в начале нашего столетия, когда ученые получили некоторое представление об устройстве атома.

Атомы чрезвычайно малы. В пяти каплях воды содержится атомов больше, чем капель в Черном море. Чтобы напечатать в этой книге только одну точку, был израсходован миллиард атомов углерода, входящего в состав типографской краски.

Несмотря на столь незначительные размеры атом имеет весьма сложное строение.

Первая разведка внутриатомного мира была сделана в начале нашего века. Ученые старались придумать модель атома, которая позволила бы наглядно представить его строение.

Самая первая из моделей атома была крайне проста. Атом – это шарик заряженный положительно, внутри которого, как семечки в огурце, расположены электроны, – утверждал автор этой гипотезы. Однако были обнаружены явления, которые никак не согласовались с такой моделью. Было найдено, что альфа-частица из радиоактивного вещества, пролетая в воздухе, пронизывает сотни тысяч атомов, почти не отклоняясь от своего пути. И только изредка она резко меняет направление, как бы натолкнувшись на что-то непроницаемое. Значит, атом нельзя представлять себе как шарик, сплошь заполненный веществом.

Вторая модель атома называется планетарной.

Еще в сороковых годах прошлого столетия профессор М. Г. Павлов в своих лекциях по физике утверждал, что строение вещества связано с электрическими зарядами и что химические элементы имеют строение, подобное, устройству солнечной системы.

Впоследствии эта забытая гипотеза была воссоздана и разработана англичанином Резерфордом и датчанином Бором. Их модель изображала атом в виде крохотной планетной системы. В центре атома находится маленькое, но массивное, положительно заряженное ядро, представляющее собой «солнце» атомного мира. Вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, обращаются по своим орбитам электроны.

Планетарная модель атома больше похожа на действительный атом, чем первая.

Однако, наряду с некоторым сходством в устройстве атома и солнечной системы, между ними существует большая разница.

В солнечной системе действует сила тяготения. В атоме действуют иные силы. Ядро атома несет положительный заряд, а электроны являются простейшими отрицательными зарядами.

В солнечной системе планеты обращаются вокруг Солнца почти в одной плоскости. В атоме электроны вьются вокруг ядра по всем направлениям, охватывая ядро со всех сторон.

Планеты не могут переходить с одной орбиты на другую или, покинув солнечную систему, перекочевывать в другие планетные системы. Электроны же под влиянием внешнего воздействия – ударов других частиц материи – могут перескакивать с орбиты на орбиту и даже совсем, покидать атом, превращаясь в «вольных путешественников».

Наконец, атом в 10²² раз меньше солнечной системы. Такая огромная разница в масштабах обусловливает глубочайшие качественные различия между солнечной системой и атомом. Механика атома настолько отличается от механики больших тел, что, в сущности, вообще нельзя говорить об орбитах электронов. Мы можем только сказать, что ядро атома окружено электронным облачком или электронной оболочкой.

Электроны внутри оболочки размещены слоями, на определенных расстояниях или уровнях от ядра атома, и современная физика позволяет только указать, сколько электронов находится в каждом слое электронной оболочки атома данного элемента.

Следует, однако, сказать, что для наглядного объяснения многих явлений можно все же представлять атом в виде ядра, окруженного электронами, движущимися по определенным орбитам. Нужно только помнить, что в действительности атом гораздо сложней такой упрощенной модели.