Занимательная квантовая физика - Матвей Бронштейн

Майкл Фарадей

Если мы заглянем в список химических элементов, который был помещен 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 96 500 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 ее 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 е (такой же заряд переносится и атомом калия, или натрия, или серебра). Этот заряд получается от деления 96 500 кулонов на число атомов в одном грамме водорода. Поэтому, если обозначить число атомов в одном грамме водорода буквой N, то выйдет, что Ne (т. е. произведение заряда е на число N) равно 96 500 кулонам. Это, по существу, и есть та формула, которую мы хотели написать, но только ее обыкновенно пишут в несколько измененном 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 96 500 кулонов равен 96 500 × 3 000 000 000 абсолютных единиц. Если произвести перемножение, а затем применить обычный способ сокращенной записи длинных чисел, которым мы уже пользовались в предыдущей главе, то выйдет, что это произведение равно 2,895 × 1014. Поэтому, измеряя заряд е, переносимый одним граммом водорода, не в кулонах, а в абсолютных единицах, мы получим

Ne = 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 96 500 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. Все 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 чем 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 96 500 кулонам, как мы могли бы ожидать. Измерения Фарадея показали, что оно равно 193 000 кулонов, т. е. вдвое больше, чем 96 500 кулонов. Сообразим, что все 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 е, а 2е. 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 е.

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

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 несет с собой электрический заряд, который может быть равен или е, или 2е, или 3е, или 4е и т. д., но никогда не может быть равен дробному числу е, например заряду е, 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 96 500 кулонов; а если сделать то же самое с кальцием или с магнием, то получится не 96 500 кулонов, а ровно вдвое больше, и т. д., и т. д.

Все 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. Еще более ясную форму придал этим соображениям знаменитый немецкий физик Герман фон Гельмгольц, который в 1881 году прочитал в Лондоне, в Королевском институте, лекцию, посвященную памяти Фарадея. В этой лекции он очень отчетливо выразил ту мысль, что существует некоторая «порция» электрического заряда, равная е, 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 е — 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 определенной 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, посвященной 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 определенных 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 е связан с числом N (числом атомов в одном грамме водорода) уравнением

Ne = 2,895 × 1014 абс. ед.