Занимательная квантовая физика - Матвей Бронштейн

Если на пути катодных лучей поставить какое-нибудь подвижное тело (например, очень легкую 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, котором его удобно изучать.

Наиболее замечательные исследования катодных лучей произвел 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 ее ускорение будет тем больше, чем больше ее заряд, и тем меньше, чем меньше ее масса. Говоря математически, ускорение, испытываемое заряженной частицей в электрическом поле, прямо пропорционально ее заряду е и обратно пропорционально ее 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 е и знаменателя m в отдельности: если бы мы, например, увеличили в десять раз заряд частицы, то все действующие на нее силы увеличились бы в десять раз. Но если при этом мы во столько же раз увеличим и ее 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 ее 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 расчетах 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 е 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 Ne = 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 М, то окажется, что M=1/N. Поэтому умножить какое-нибудь число на N — это все равно что разделить его на М, и наоборот. Выходит, что формулу Ne = = 2,895 × 1014 абс. ед. можно еще 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/М 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 легкого из атомов. Итак, атом водорода не есть самая легкая 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. Томсопом, вспомним следующее: в явлениях электролиза мы имеем дело с атомами, заряженными положительным и отрицательным электричеством, причем заряд каждого атома может равняться по величине одному, или двум, или трем 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 все 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.

Таким образом, мы приходим к взгляду на атом как на какую-то сложную систему, в состав которой входят электроны. У атомов можно оторвать один или несколько электронов — при этом образуется положительно заряженный «ион» (отрыв электронов от атома принято называть ионизацией, а заряженный атом, который при этом образуется, — ионом; это греческое название, которое значит «передвигающийся», так как заряженный атом получает способность передвигаться в электрическом поле, чем и объясняется, например, передвижение атомов при электролизе). Если к атому добавить один или несколько электронов, получается отрицательно заряженный ион.