Атомы и электроны

Бронштейн Матвей Петрович

Рис. 4. Искривление катодных лучей в магнитном поле.

Высказав эту гипотезу, Крукс тем самым посягнул на считавшееся тогда несокрушимой основой химии мнение о том, что атомы абсолютно неделимы и являются последними и неразрушимыми единицами, из которых построены все тела природы.

Неудивительно, что смелая мысль Крукса сначала не встретила особой поддержки. Даже такие выдающиеся учёные, как Генрих Герц (открывший электромагнитные волны), нападали на Крукса, утверждая, что катодные лучи представляют не поток материальных заряженных частиц, а особого рода волны, распространяющиеся в эфире; многие считали Крукса сумасшедшим. Однако Крукс оказался прав, и постепенно весь учёный мир под давлением неопровержимых фактов вынужден был принять мнение Крукса. То, что катодные лучи представляют быстро движущиеся заряженные частицы, доказывается следующими опытами.

Если к стеклянному

сосуду, в котором распространяются катодные лучи (такие сосуды называются разрядными или круксовыми трубками), приблизить магнит, то катодные лучи определённым образом искривляются. Это было бы совершенно необъяснимо, если бы эти лучи представляли собой волны, но становится совершенно понятным, если мы только допустим, что катодные лучи — быстро движущиеся заряженные частицы. Движущийся электрический заряд есть не что иное, как ток, а магнитное поле, как известно, действуя на ток, заставляет его отклоняться (проводник с электрическим током отклоняет магнитную стрелку и, наоборот, сам стремится повернуться в магнитном поле). Направление, по которому происходит искривление пучка катодных лучей, указывает на то, что они заряжены отрицательным электричеством.

Если круксову трубку поместить не в магнитное, а в электрическое поле, то катодные лучи также искривляются, при этом таким образом, что они стремятся приблизиться к положительно заряженному телу и, наоборот, удалиться от тела, отрицательно заряженного. Это тоже указывает на то, что катодные лучи заряжены отрицательно.

Катодные лучи, как мы уже говорили, вызывают яркую флюоресценцию (зелёного цвета) в тех местах стеклянной стенки разрядной трубки, куда они падают. Если же на пути лучей поставить какое-нибудь препятствие, например металлический крест, то это препятствие отбрасывает от себя резкую тень: на фоне яркой зелёной флюоресценции стекла видно резкое тёмное изображение препятствия, например изображение креста. Катодные лучи ведут себя в точности так, как если бы это был поток материальных снарядов, выбрасываемых из катода трубки; при продолжительном обстреле какого-нибудь тела катодными лучами оно заметно нагревается. В некоторых опытах удавалось добела раскалить катодными лучами кусок платины, и это показывало, что микроскопические снаряды, которыми мы бомбардируем этот кусок платины (частицы или «атомы» катодных лучей), несут на себе большую энергию, движутся с огромной скоростью. Катодные лучи вызывают свечение не только стекла, но и многих других веществ. Пользуясь таким свечением, особенно удобно производить опыты с отклонением катодных лучей в магнитном поле: если на пути лучей поставить листок слюды с прорезанной в нём щелью так, чтобы лучи могли пройти только через эту щель, а за слюдой поставить кусок вещества, способного флюоресцировать под действием катодных лучей (всё это нужно сперва поместить в разрядную трубку и только затем откачать из неё воздух и запаять её), то на флюоресцирующем веществе вспыхнет яркая полоска — точное геометрическое изображение щели. Помещая разрядную трубку в поле какого-нибудь электромагнита, мы можем заставить это светящееся изображение щели передвинуться направо или налево, в зависимости от направления магнитного поля. Именно из таких опытов физики и узнали, что «лучистое вещество» (как говорил Крукс), из потоков которого состоят катодные лучи, заряжено отрицательным электричеством.

Если на пути катодных лучей поставить какое-нибудь подвижное тело (например, очень лёгкую вертушку), то катодные лучи, падая на это тело, приведут его в движение. Это тоже указывает на их материальную природу.

Когда Гельмгольц и Стоней нашли, что электричество состоит из «порций», или «атомов», то естественно было заключить, что движущиеся в катодных лучах частицы и представляют собой атомы отрицательного электричества. В 1891 году Стоней предложил называть их электронами. Итак, катодные лучи — это поток отрицательно заряженных электронов. Катодные лучи — это и есть «электрический флюид» Франклина, выделенный из обыкновенного вещества и полученный в чистом виде, в котором его удобно изучать.

Наиболее замечательные исследования катодных лучей произвёл английский физик сэр Дж. Дж. Томсон. Томсон исходил вот из какой идеи: если поместить разрядную трубку с катодными лучами в электрическое или в магнитное поле, то лучи, как мы знаем, искривляются. Это объясняется тем, что электроны, из которых состоят катодные лучи, испытывают в электрическом и в магнитном поле ускорение. От чего зависит величина этого ускорения? Если заряженная частица находится в заданном электрическом поле, то её ускорение будет тем больше, чем больше её заряд, и тем меньше, чем меньше её масса. Говоря математически, ускорение, испытываемое заряженной частицей в электрическом поле, прямо пропорционально её заряду e и обратно пропорционально её массе m, — иными словами, оно пропорционально дроби e/m. (Нужно обратить особое внимание на то обстоятельство, что движение частицы в поле зависит только от отношения e/m, а не от числителя e и знаменателя m в отдельности: если бы мы, например, увеличили в десять раз заряд частицы, то все действующие на неё силы увеличились бы в десять раз. Но если при этом мы во столько же раз увеличим и её массу, то действие силы останется тем же, хотя сила увеличилась в десять раз.)

Если же частица находится не в электрическом, а в магнитном поле, то испытываемое ею ускорение зависит не только от отношения e/m, но и от её скорости. Поэтому Томсон придумал следующее. Он заставил горизонтальный пучок катодных лучей перпендикулярно падать на расположенную вертикальную фотографическую пластинку. Затем он включил электрическое поле такого направления, чтобы оно могло отклонять след падения катодных лучей на фотопластинке вправо или влево, а также включил и магнитное поле, направленное так, чтобы оно могло смещать этот след вверх или вниз. Смещение следа на фотопластинке в направлении вправо и влево и смещение того же следа в вертикальном направлении зависело от e/m и от скорости электронов катодных лучей. Измерив горизонтальное и вертикальное смещение следа падения электронов на фотографическую пластинку, Томсон смог написать два уравнения с двумя неизвестными, а именно с неизвестной дробью e/m и неизвестной скоростью. Эти два уравнения с двумя неизвестными Томсон решил. Что же оказалось? Оказалось, что скорость электронов катодных лучей бывает в разных случаях разная: она зависит от того, какая разность потенциалов приложена между катодом и анодом трубки. Например, если эта разность 1000 вольт, то скорость электронов будет около 18 000 км/с, если 250 вольт, то скорость будет 9000 км/с и т. д.

Это — невообразимо огромные скорости, если сравнить их с обычными скоростями окружающих нас тел — скоростью поезда, скоростью артиллерийского снаряда, — но они не выглядят такими же внушительными с точки зрения физика, который привык встречаться в своих расчётах и с гораздо большей скоростью — со скоростью света, которая равна 300 000 км/с (это — та самая скорость, с которой распространяются лучи света; расстояние от Солнца до Земли — 150 миллионов километров — лучи света пробегают за 500 секунд). Поэтому физики не очень удивились, когда Томсон опубликовал свой результат измерения скорости катодных лучей: все сочли эту скорость сравнительно скромной по величине. Гораздо интереснее было то, что Томсон сообщил о найденном в его опытах значении величины e/m. Из его измерений вытекало, что величина e/m получается (в отличие от скорости) всегда и всюду одинаковой. Во всех опытах с катодными лучами она неизменно оказывалась равной e/m=5,307•10¹⁷ абс. ед., если e выражено в абсолютных единицах, а m (масса электрона) — в граммах. Это было хорошим подтверждением догадки Крукса о том, что катодные лучи — поток каких-то совершенно одинаковых частиц.

Из этого значения e/m Томсон сейчас же вывел совершенно поразительное следствие. Вспомним, что из фарадеевских законов электролиза мы получили N•e=2,895•10¹⁴ абс. ед.

Но что такое N? Это — число атомов водорода в одном грамме водорода. Значит, масса атома водорода должна составить N-ю часть грамма. Если мы обозначим массу атома водорода буквой M, то окажется, что M=1/N. Поэтому умножить какое-нибудь число на N — это всё равно что разделить его на M, и наоборот. Выходит, что формулу N•e=2,895•10¹⁴ абс. ед. можно ещё написать в виде e/M=2,895•10¹⁴ абс. ед.

Таким образом, число 2,895•10¹⁴ есть отношение элементарного электрического заряда (т. е. заряда электрона), выраженного в абсолютных единицах, к массе атома водорода, выраженной в граммах. А число 5,307•10¹⁷ есть отношение того же самого заряда электрона к массе уже не атома водорода, а самого электрона. Число 5,307•10¹⁷, как нетрудно сосчитать, примерно в 1840 раз больше числа 2,895•10¹⁴. Что это значит? У двух дробей e/m и e/M числители одинаковы, а между тем первая дробь в 1840 раз больше второй. Значит, знаменатель первой дроби в 1840 раз меньше знаменателя второй дроби. Иными словами, электрон в 1840 раз легче атома водорода, т. е. чуть ли не в две тысячи раз легче самого лёгкого из атомов. Итак, атом водорода не есть самая лёгкая частица в мире, как мы думали до сих пор: электрон гораздо легче его.

Для того чтобы понять всю огромную важность этого результата, полученного впервые Дж. Дж. Томсоном, вспомним следующее: в явлениях электролиза мы имеем дело с атомами, заряженными положительным и отрицательным электричеством, причём заряд каждого атома может равняться по величине одному, или двум, или трём и т. д. зарядам электрона. Электрон играет роль того «атома электрической жидкости», о котором говорил старик Франклин. Легко понять, каким образом атом вещества может иметь один, или два, или три отрицательных элементарных заряда: для того чтобы зарядить атом таким отрицательным зарядом, стоит только приклеить к нему один, или два, или три и т. д. электрона. Но как зарядить атом одним, или двумя, или тремя положительными зарядами? Для этого необходимо отнять у атома отрицательный заряд: ведь отнять отрицательный заряд — это всё равно что прибавить положительный. Значит, нужно отнять у атома один, или два, или три и т. д. электрона. Выходит, что атом водорода, переносящий на себе в электролите один положительный элементарный заряд, — это есть атом водорода, у которого отнят электрон. Атом цинка, несущий два положительных элементарных заряда, — это атом цинка, у которого отняты два электрона, и т. д., и т. д. Но для того, чтобы можно было отнять у атома электроны, необходимо — так, по крайней мере, говорит здравый смысл, — чтобы они у него были.