Атомы и электроны
Шрифт:
Рис. 6. Расположение атомов в кристалле поваренной соли.
На рис. 6 представлено пространственное расположение атомов в кристалле поваренной соли. Тёмные и белые шарики изображают атомы натрия и атомы хлора. И те и другие атомы образуют кубическую решётку; обе решётки как бы вдвинуты друг в друга. При этом отмеченная на рисунке длина равна 2,814•10– 8 см. Ни один атом натрия не связан с каким-нибудь одним атомом хлора в молекулу, изолированную от всех остальных частиц; поэтому уместно сказать, что весь кристалл поваренной соли представляет одну гигантскую молекулу. Такие же сведения были добыты и о громадном количестве других кристаллических тел. Заметим также, что многие тела, которые до тех пор считались аморфными (не кристаллическими), оказались «микрокристаллическими»: их кристаллы слишком малы, чтобы быть обнаруженными каким-нибудь
Приведём также несколько числовых данных, относящихся к длине волны рентгеновских лучей. Методы рентгеновской спектроскопии позволяют измерять длину волны лучей примерно в промежутке от 0,1 A до 15 A. (Значком A обозначается единица длины — ангстрем. Один ангстрем равен 10– 8 см.) Точность, с которой можно измерить длину волны характеристических рентгеновских лучей (см. ниже), совершенно потрясает: после работ шведского учёного Зигбана она достигла одной стотысячной доли ангстрема, т. е. 10– 13 см.
Рис. 7. Рентгеновский спектрограф.
Длина волны рентгеновских лучей раз в тысячу меньше, чем длина волны лучей видимых: так, например, кальций имеет в видимом спектре линию с длиной волны 3933,83 A, а длина волны его наиболее жёсткой характеристической рентгеновской линии (см. ниже) равна 3,36169 A. Из этих чисел видно, насколько широк тот спектр частот электромагнитных колебаний, с которым приходится иметь дело физику: начиная с волн длиною в несколько километров, улавливаемых радиоприёмником, он простирается до рентгеновских лучей с длиной волны в несколько стомиллионных долей сантиметра. В дальнейшем мы увидим, что существуют волны ещё более короткие.
За блестящим открытием Лауэ последовали работы английских физиков У. Г. Брэгга и У. Л. Брэгга (отца и сына), которые придумали способ фотографировать спектры рентгеновских лучей. Построенный ими рентгеновский спектрограф (рис. 7) имеет следующее устройство. Лучи рентгеновской трубки, выделенные в узкий пучок, падают на кристалл и затем, отражаясь от него, на фотографическую плёнку. Кристалл может вращаться, причём с поворотом его меняется, конечно, и угол, под которым рентгеновские лучи падают на грань, параллельную оси вращения кристалла. Поэтому при поворачивании кристалла процессу отражения подвергаются всё новые и новые волны, в результате чего на фотографической плёнке разворачивается спектр рентгеновских лучей. Исследование по методу Брэггов спектра рентгеновских лучей, получаемых от обыкновенной рентгеновской трубки, показывает, что кроме непрерывного фона, т. е. лучей с самыми разнообразными и непрерывно меняющимися длинами волн, в спектре присутствуют ещё отдельные резкие линии, выделяющиеся на этом непрерывном фоне. Положение этих линий зависит от того вещества, из которого состоит поверхность антикатода; совокупность этих линий называется характеристическим спектром того химического элемента, которому принадлежат эти «характеристические» рентгеновские линии.
В 1914 году молодой английский физик X. Дж. Мозли (в следующем году убитый на войне в Галлиполи) исследовал характеристические рентгеновские линии ряда химических элементов и обнаружил замечательный факт, который заключается в следующем: если расположить химические элементы в том порядке, в каком они располагаются в периодической таблице Менделеева, и затем рассмотреть их характеристические рентгеновские спектры, то все спектры будут очень похожи друг на друга, и только длина волны спектральных рентгеновских линий будет становиться всё меньше и меньше, когда мы будем переходить от одного химического элемента к следующему, затем ещё к следующему и т. д. Это убывание длины волны при переходе от элемента к элементу происходит совершенно планомерно, по определённому закону, а поэтому, если в списке элементов есть какой-нибудь пропуск (какой-нибудь химический элемент ещё не открыт), то это сразу обнаруживается из рассмотрения рентгеновских спектров: при переходе от какого-нибудь элемента к другому элементу, который следует за ним не непосредственно, а с пропуском одного или двух промежуточных элементов, получается чересчур большой скачок в длине волны рентгеновских спектральных линий. По величине скачка можно судить о том, сколько элементов пропущено. На этом открытии Мозли и основано наше знание периодической системы: именно благодаря этому открытию мы уверены, например, в том, что между неодимом и самарием есть один промежуточный элемент, а не два, и т. д. Вот почему мы с уверенностью приписываем самому тяжёлому элементу — урану — 92-й, а не какой-нибудь другой номер.
История об электроне и рентгеновских лучах будет неполной, если мы не расскажем, как американский физик Роберт Эндрус Милликен, пользуясь ионизующим действием рентгеновских лучей, сумел измерить заряд электрона совершенно непосредственным способом, как если бы речь шла об измерении заряда какого-нибудь наэлектризованного бузинового шарика.
Способ Милликена заключался в следующем. В пространство между двумя пластинами 1 и 2 конденсатора (рис. 8) с помощью особого пульверизатора вбрызгивались мельчайшие капельки масла. Манипулируя заслонкой 3, можно было на короткое время подвергать воздух между пластинами конденсатора действию лучей рентгеновской трубки 4.
Рис. 8. Схема опыта Р. Милликена.
Как только рентгеновские лучи начинали освещать пространство между пластинами, воздух в этом пространстве ионизовался, и легко могло случиться, что одна из масляных капелек соединится с каким-либо ионом, становясь, таким образом, заряженной. Если пластины конденсатора не заряжены электричеством, то на такую масляную капельку будет действовать только сила тяжести и капелька будет медленно падать (медленно потому, что для тел таких маленьких размеров сопротивление воздуха их движению играет очень большую роль). Освещая пространство между пластинами вольтовой дугой 5, лучи которой собираются в нужную точку выпуклым стеклом 6, Милликен мог следить в микроскоп за падением масляной капельки. Как только пластины конденсатора заряжались, в движении капельки происходило изменение: если, например, она была заряжена отрицательно, а конденсатор заряжался так, что верхняя пластина получала положительный заряд, то капля начинала притягиваться к верхней пластине и отталкиваться от нижней; поэтому падение капли замедлялось или даже заменялось поднятием. Массу капли, конечно, нельзя было определить простым взвешиванием, но её можно было вычислить, измерив скорость, с которой капля падает в отсутствие электрического поля. Это делается на основании законов гидромеханики, позволяющих рассчитать сопротивление воздуха движению шарообразных капелек различных размеров. Зная скорость, с которой капля падает в отсутствие поля (когда её заряд не играет роли), и скорость, с которой та же заряженная капля падает в заданном и известном электрическом поле, Милликен мог вычислить, чему равен заряд капли. Оказалось, что в разных случаях заряды капелек бывали различны, но всегда они представляли целое кратное величины 4,77•10– 10 абс. ед., т. е. равнялись или просто этой величине, или удвоенной, или утроенной и т. д., но никогда не равнялись этой величине, умноженной на какое-либо дробное число. Отсюда Милликен заключил, что величина e=4,77•10– 10 абс. ед. представляет наименьшее возможное в природе количество электричества, т. е. «порцию», или «атом», электричества. Эта величина, следовательно, и есть заряд электрона. Точность опытов Милликена такова, что невероятно ожидать ошибки большей, чем тысячная доля измеряемой величины. Таким образом, величина e найдена, и это позволяет определить значения и других постоянных.
Ведь мы знаем, что заряд электрона e связан с числом атомов в грамме водорода (N) и с массой атома водорода (M) соотношением N•e =e/M=2,895•1014 абс. ед., а с массой электрона (m) соотношением e/m=5,307•1017 абс. ед.
Так как теперь e известно, то из этих уравнений можно легко вычислить m, M и N.
Вычисление даёт N=6,062•1023, что находится в полном согласии с тем результатом, который получил Перрен, изучая броуновское движение. Масса водородного атома оказывается равной M=1,662•10– 24 г, а масса электрона m=9,01•10– 28 г.
О том, как мала масса электрона, выраженная в граммах, можно судить из следующего сопоставления: отношение массы электрона к одному грамму почти в два раза меньше, чем отношение грамма к массе всего земного шара. Если великого удивления заслуживает то искусство, с которым физики и астрономы сумели взвесить земной шар и небесные светила, то ещё большее удивление должны возбуждать те физические опыты, из которых можно с такой уверенностью (вероятная ошибка не больше одной десятой процента) заключать о массе ничтожного электрона — самой мелкой единицы, входящей в состав материальных тел.
Всего поразительнее во всём этом то обстоятельство, что заключения о заряде и о массе электрона сделаны не на основании каких-либо очень специальных и натянутых гипотез, — напротив, эти заключения можно считать весьма прямыми и непосредственными следствиями наблюдаемых явлений: ведь наблюдения Милликена относились к отдельным электронам (заряд капли во многих опытах равнялся величине e или удвоенной, утроенной и т. д.). Эти опыты являются убедительнейшим доказательством реальности электронов и атомов. Всего убедительнее в этом доказательстве полное совпадение, которое существует между результатами опытов Милликена и результатами опытов Перрена: ведь те и другие опыты основаны на совершенно разных идеях и на первый взгляд — ничего не имеют общего друг с другом. Числам, полученным из этих опытов, приходится верить, — по той же самой причине, по которой на суде верят двум свидетелям, если они, не имея никакой возможности предварительно сговориться друг с другом, оба утверждают одно и то же [12] .
12
Аналогичные опыты (независимо от Милликена) были проведены академиком А. Ф. Иоффе. (Прим. ред.)