Атомы и электроны

Бронштейн Матвей Петрович

Эти идеи Франклина имели чисто умозрительный характер, — это была гениальная догадка, не имевшая в то время никаких серьёзных опытных обоснований. Но в 1833 году гениальный английский учёный-самоучка Михаил Фарадей открыл замечательный факт, который можно считать подтверждением теории Франклина. Этот факт заключается в следующем.

Фарадей изучал явление электролиза, которое было известно уже давно (с последней четверти XVII века) и которое состоит в том, что прохождение электрического тока через некоторые жидкие тела (расплавленные или растворённые в воде соли, щёлочи, кислоты) приводит к разложению этих тел (электролитов) на их составные химические части. Фарадей измерил электрический заряд, проходящий через электролит в течение всего того времени, пока из электролита выделяется определённое количество водорода, или калия, или серебра, или меди и т. п. Обнаружилась замечательная вещь: для того чтобы из любого электролита выделился грамм водорода, необходимо пропустить через него 96500 кулонов электрического заряда (кулон — единица для измерения электрического заряда, которой всегда пользуются электротехники). Иными словами, 1 г

водорода всегда переносит с собой через электролит одно и то же количество электричества, а именно 96500 кулонов. Такое же самое количество электричества, как показали точные измерения Фарадея, переносят с собою и 23 г натрия, и 35,45 г хлора, и 39,1 г калия, и 107,87 г серебра. Если мы заглянем в список химических элементов, который был помещён в предыдущей главе, то мы увидим, что эти числа — 1; 23; 35,45; 39,1; 107,87 — являются нечем иным, как атомными массами водорода, натрия, хлора, калия, серебра. Легко сообразить, что в 107,87 г серебра должно содержаться столько атомов серебра, сколько атомов водорода имеется в 1 г водорода, сколько атомов калия есть в 39,1 г калия и т. д., и т. д. Значит, все эти вещества (водород, калий, натрий и др.) переносят через электролит одно и то же количество электричества на одинаковом числе атомов, откуда сразу же вытекает, что один атом водорода переносит с собою через электролит такой же электрический заряд, какой переносит с собой и атом хлора, и атом серебра, и атом калия.

Чему же этот заряд равен? Ясно, что он равняется частному от деления всего заряда 96500 кулонов, который переносится одним граммом водорода, на число атомов в грамме водорода. Попробуем записать это в виде математического уравнения (эта книжка написана так, что для её чтения не нужно знать никакой сложной математики; поэтому пусть читатель, незнакомый с математикой, не пугается: от него требуется только, чтобы он умел применять четыре правила арифметики и десятичные дроби и знал, что величины иногда обозначаются буквами). Итак, обозначим заряд, который переносится через раствор электролита одним атомом водорода, буквой e (такой же заряд переносится и атомом калия, или натрия, или серебра). Этот заряд получается от деления 96500 кулонов на число атомов в одном грамме водорода. Поэтому, если обозначить число атомов в одном грамме водорода буквой N, то выйдет, что N•e (т. е. произведение заряда e на число N) равно 96500 кулонам. Это, по существу, и есть та формула, которую мы хотели написать, но только её обыкновенно пишут в несколько изменённом виде, а именно вот как: вместо того чтобы измерять электрический заряд кулонами, как это делают электротехники, физики обыкновенно выбирают другую единицу измерения, которая в три миллиарда раз меньше кулона. Такая единица называется абсолютной единицей. Ясно, что заряд 96500 кулонов равен 96 500 • 3 000 000 000 абсолютных единиц. Если произвести перемножение, а затем применить обычный способ сокращённой записи длинных чисел, которым мы уже пользовались в предыдущей главе, то выйдет, что это произведение равно 2,895•10¹⁴. Поэтому, измеряя заряд e, переносимый одним граммом водорода, не в кулонах, а в абсолютных единицах, мы получим

N•e=2,895•10¹⁴ абс. ед.

Мы говорим, что 1 г водорода, и 23,0 г натрия, и 35,45 г хлора, и 39,1 г калия, и 107,87 г серебра переносят через электролит один и тот же электрический заряд, а именно 96500 кулонов, и мы обращаем внимание на то обстоятельство, что числа 1; 23,0; 35,45; 39,1; 107,87 являются как раз атомными массами этих веществ, что можно видеть из таблицы, которая приведена в предыдущей главе. Всё это — результаты измерений Фарадея. Но не со всеми веществами у Фарадея получилось то же самое. Когда он стал измерять количество электричества, которое нужно пропустить через электролит, чтобы выделить из него 24,31 г магния, или 40,08 г кальция, или 65,38 г цинка (эти числа суть атомные массы упомянутых веществ, в чём всякий может убедиться, взглянув на нашу таблицу), то оказалось, что оно одно и то же и для 24,31 г магния, и для 40,08 г кальция, и для 65,38 г цинка, но только оно совсем не равно 96500 кулонам, как мы могли бы ожидать. Измерения Фарадея показали, что оно равно 193000 кулонов, т. е. вдвое больше, чем 96500 кулонов. Сообразим, что всё это значит. Ведь в 24,31 г магния или в 65,38 г цинка содержится столько же атомов, сколько в одном грамме водорода. Но эти атомы переносят с собою не такое количество электрического заряда, какое переносит с собой один грамм водорода, а ровно вдвое больше. Значит, и каждый атом магния, или цинка, или кальция переносит с собой не такой электрический заряд, а ровно вдвое больше, т. е. не e, а 2e. Итак, из измерений Фарадея вытекает следующее:

Каждый атом водорода, или натрия, или калия, или серебра и т. д. переносит с собой через электролит количество электричества, равное e. Каждый атом магния, или калия, или цинка и т. д. переносит с собой через электролит количество электричества, равное 2e.

Аналогичные измерения Фарадей проделал и для целого ряда других химических элементов, и при этом всегда оказывалось, что один атом любого химического элемента при прохождении через электролит несёт с собой электрический заряд, который может быть равен или e, или 2e, или 3e, или 4e и т. д., но никогда не может быть равен дробному числу e,

например заряду e, умноженному на целое число с половинкой. Заметим, что сам Фарадей, формулируя открытый им количественный закон электролиза, ничего не упоминал об отдельных атомах, а только говорил, что если взять число граммов водорода, или калия, или натрия и т. д., равное их атомной массе, то это число граммов рассматриваемого химического элемента переносит с собой через электролит всегда один и тот же заряд, а именно 96500 кулонов; а если сделать то же самое с кальцием или с магнием, то получится не 96500 кулонов, а ровно вдвое больше, и т. д., и т. д.

Всё это очень легко перевести на язык атомов, как это мы и сделали выше, но впервые это сделал не Фарадей, а ирландский физик Джонстон Стоней в 1874 году, через сорок лет после Фарадея. Ещё более ясную форму придал этим соображениям знаменитый немецкий физик Герман фон Гельмгольц, который в 1881 году прочитал в Лондоне, в Королевском институте, лекцию, посвящённую памяти Фарадея. В этой лекции он очень отчётливо выразил ту мысль, что существует некоторая «порция» электрического заряда, равная e, и что атом вещества, проходящий через электролит, может нести на себе или одну такую порцию, или две, или три такие порции, но никак не дробное число и не целое число с дробью. Заряд e — элементарная порция электрического заряда или «элементарный электрический заряд», как обыкновенно говорят, является чем-то вроде атома электричества: ведь для понятия атома всего характернее, что он не делится на части, а встречается — по крайней мере в какой-то определённой области явлений — только в целом виде, так что можно отделить от вещества один атом, или два, или три, или четыре и т. д., но не дробную часть атома и не целое число с дробью. Вот каким образом возродилась старая мысль Франклина об «атомах электрического флюида». В своей лекции, посвящённой памяти Фарадея, Гельмгольц говорил:

«Самым поразительным следствием закона Фарадея является, быть может, следующее: если мы примем гипотезу, что обыкновенные вещества состоят из атомов, то мы не сможем избежать и того заключения, что электричество, как положительное, так и отрицательное, тоже состоит из определённых элементарных порций, которые ведут себя как атомы электричества».

Чему равна величина заряда такого «атома электричества»? На этот вопрос Гельмгольц не сумел бы ответить. Он сказал бы только, что элементарный электрический заряд e связан с числом N (числом атомов в одном грамме водорода) уравнением

N•e=2,895•10¹⁴ абс. ед.

и что если ему скажут, чему равен множитель N, то только тогда он сумеет сказать, чему равно e. В предыдущей главе мы видели, что изучение броуновского движения, произведённое Перреном, даёт ответ на вопрос о том, чему равно N — мы видели, что N=6•10²³. Но в 1881 году, когда Гельмгольц написал это уравнение, число N известно не было; о нём можно было только догадываться. Заметим, что связь N и e двусторонняя: если нам скажут, чему равно N, то мы вычислим из нашего уравнения e, но ведь совершенно таким же образом, если мы сумеем каким-нибудь образом узнать и измерить e, то из нашего уравнения мы вычислим, чему равно N, т. е. число атомов в грамме водорода, — иными словами, чему равна масса атома водорода. В конце этой главы мы увидим, каким образом действительно удалось показать на опыте, что электричество состоит из неделимых порций, и измерить величину такой порции. Это дало возможность вычислить с помощью нашего уравнения массу атома водорода, и в результате получилось такое же число, какое совершенно другим способом уже получил Перрен.

Из рассуждений Гельмгольца и Стонея как будто вытекало, что электрический заряд действительно состоит из каких-то «атомов электричества», как предположил чуть ли не за сто лет до этого Бенджамин Франклин. Но всё-таки это заключение ещё не было достаточно убедительным. Необходимо было выделить «атомы электричества» в чистом виде, освободив их от обыкновенных атомов вещества; необходимо было найти физическое явление, в котором «атомы электричества» принимали бы такое непосредственное участие, чтобы стало возможным открыть их и изучить их свойства. Это удалось учёным, изучавшим прохождение электрического тока через разреженные газы.

В стеклянный сосуд, из которого выкачан почти весь воздух (так что остающийся там воздух производит давление не больше тысячных долей миллиметра ртутного столба), впаяны две металлические пластинки, соединённые с полюсами источника постоянного тока. Будем называть пластинку, соединённую с отрицательным полюсом, катодом, а с положительным — анодом. В 1859 году немецкий физик Плюккер открыл, что если при таком сильном разрежении пропускать электрический разряд между катодом и анодом, то с поверхности катода выходят особые лучи, заставляющие светиться те части стеклянных стенок сосуда, на которые они падают. Таинственные лучи, открытые в 1859 году Плюккером, служили после него предметом исследования ряда учёных, в особенности Гитторфа, Гольдштейна (давшего им название катодных лучей) и других.

В 1874 году гениальный английский учёный Крукс прочёл в Шеффильде доклад под заглавием «Лучистая материя, или четвёртое состояние вещества», в котором высказал смелую гипотезу о том, что катодные лучи представляют поток материальных частиц, движущихся с колоссальной скоростью и заряженных отрицательным электричеством. Эти частицы, по мнению Крукса, входят в состав каждого химического атома. Таким образом, они представляют «осколки» атома, который, следовательно, не может уже считаться «неделимым» в обычном узком смысле этого слова.