Занимательная квантовая физика - Матвей Бронштейн

Все эти представления очень сильно отличаются от тех, которые были у Дальтона: ведь Дальтон считал, что атом является абсолютно неделимым на части, а теперь оказывается, что от атома сравнительно легко откалываются электроны. В сущности говоря, весьма забавно, что физические открытия в конце XIX и в начале XX века, те самые открытия, которые наконец-то дали физике убедительные доказательства реального существования атомов, вместе с тем поставили крест на старинной идее неделимости атомов: физики столкнулись с явлениями, в которых принимают участие осколки атомов — электроны. Атомы существуют, но совсем не обладают свойством неделимости. По этому поводу следует сказать, что уже Франклин, говоря об атомах электрического «флюида», тоже предполагал, что их можно извлекать из обыкновенных атомов вещества и прибавлять к обыкновенным атомам. Различие заключается в том, что «атомы электрической жидкости» у Франклина считались невесомыми, а на самом деле оказалось, что они обладают массой, хотя и очень небольшой (в 1840 раз меньшей, чем масса самого легкого атома). Поэтому, строго говоря, если мы от какого-нибудь атома отрываем один или несколько электронов, то масса его уменьшается; если же заряжаем его отрицательно, т. е. придаем один или несколько электронов, то его масса увеличивается. Однако не следует забывать, что масса электрона во много раз меньше массы даже самого легкого атома: если электрон и не оказался невесомым, как думал о нем Франклин, то все же мы можем его считать «почти невесомым». Вот почему, когда от атома оторван один или несколько электронов, мы не будем называть этот атом расколотым на части: было бы смешно употреблять это выражение, когда отколотые от атома куски в несколько тысяч раз легче, чем то, что осталось, — ведь мы же не говорим, что человек разрезан на части, когда ему обрили голову или остригли ногти, и именно потому, что масса отрезанных волос или ногтей во много раз меньше массы человека. Может ли существовать такой «тонкий и сильный агент» — как говорил в XVII столетии Роберт Бойль, — с помощью которого удалось бы действительно раздробить атом на части, т. е. оторвать от него осколок, не обладающий столь ничтожной массой, как электрон, — об этом мы узнаем дальше в этой книжке.

Итак, электроны, из которых состоят катодные лучи, являются вместе с тем обычной составной частью любого атома. Такое заключение сделал Томсон в полном согласии с гениальной гипотезой Крукса, и развитие физики в конце XIX и в начале XX столетия приносило все новые и новые подтверждения этого взгляда. Уже давно было известно, что все вещества обладают, в той или иной степени, магнитными свойствами, и еще в первой половине XIX столетия французский математик и физик Ампер объяснил магнитные свойства вещества тем, что атомы и молекулы окружены особыми электрическими токами. Теперь, после открытия электрона, эти «молекулярные токи» Ампера приняли гораздо более определенный и конкретный характер: для того чтобы объяснить существование этих токов, было достаточно предположить, что электроны, находящиеся внутри атомов, движутся; движение электронов — это и есть текущий внутри атомов замкнутый электрический ток.

Известно было также, что ускоренное, переменное движение электрических зарядов должно вызывать в пространстве электромагнитные волны; в зависимости от длины волны эти электромагнитные волны воспринимаются нами то как радиоволны (когда длина волны составляет несколько метров или даже километров), то как волны видимого света (когда длина волны равна десятитысячным долям миллиметра), то как волны ультрафиолетового света (длина волны еще меньше). После открытия электронов стало ясно, каким образом атом может испускать свет: он испускает свет вследствие того, что в нем электроны совершают неравномерное и переменное движение.

Этот естественный и правдоподобный вывод из открытия электронов, сделанный физиками, получил очень сильное подтверждение, когда голландский физик Зееман открыл, что стоит только поместить светящееся вещество в сильное магнитное поле, как сейчас же испускаемые им спектральные линии делаются двойными или тройными. В 90-х годах XIX века другой голландский физик Лоренц очень остроумно математически показал, что так и должно быть в действительности, если спектральные линии испускаются вследствие наличия заряженных частичек внутри атома. Мало того, Лоренц доказал, что из данных измерений, относящихся к открытому Зееманом явлению, можно вычислить e/m — отношение заряда к массе — для тех заряженных частиц, движение которых внутри атома приводит к испусканию спектральных линий. В результате подсчета получилось совершенно такое же e/m, как у Дж. Дж. Томсона в его опытах над отклонением катодных лучей в магнитном и в электрическом полях. После этого физики окончательно поверили в то, что те же самые электроны, которые в разрядной трубке мчатся с большими скоростями от металлического катода, — те же самые электроны существуют и внутри атомов водорода, железа, серы, золота и всех вообще химических элементов на свете.

Открытие электронов также помогло физикам понять, что происходит в металле, когда по нему проходит электрический ток; способность металлов проводить электрический ток без какого бы то ни было заметного переноса массы и без химического изменения в самом металле получила соответственное объяснение, заключающееся в следующем: в атомах металла существует некоторое количество электронов, которые сравнительно легко отрываются от своих атомов, переходя от своего атома к соседнему и т. д.

Такие электроны, легко отрывающиеся от атомов металла, получили название электронов проводимости. Они переходят от одного атома к другому, сравнительно легко передвигаясь по всему объему металла. Передвижение таких электронов в металле под влиянием электрического поля — это и есть электрический ток. Мы могли бы сравнить электроны проводимости в металле с воздухом, находящимся в порах какого-либо пористого вещества (например, губки): если сделать так, чтобы с одной стороны губки давление воздуха было больше, чем с другой, то воздух начнет продавливаться или просачиваться через губку, причем отдельные частицы воздуха будут описывать весьма извилистые пути, сталкиваясь друг с другом и, в общем, следуя очертаниям пор внутри губки. Поток электронов через металл должен быть похож на такой ток воздуха через пористое вещество, так как скорости отдельных электронов могут быть направлены в какую угодно сторону и только в среднем должно получаться просачивание «электронного газа» через металл.

В этой картине электрического тока, проходящего через металл, наиболее существенным является представление о том, что передвигаются отрицательно заряженные частицы (электроны), а положительно заряженные (остатки атомов, от которых оторваны эти электроны) стоят на месте. Именно так возникает представление об электронном газе, частицы которого (т. е. электроны) шныряют с разнообразными скоростями в промежутках между атомами металла и, время от времени сталкиваясь с этими атомами, отскакивают от них, как мячики. Если приложить к металлу извне электрическое поле, то все частицы электронного газа получат добавочную скорость в определенном направлении и весь электронный газ будет (более или менее быстро, в зависимости от силы поля) просачиваться в этом направлении, встречая сопротивление со стороны атомов металла. Атомы заставляют электроны отскакивать от них и тем самым приводят к тому, что скорость просачивания электронного газа не растет беспредельно, но достигает некоторой конечной величины. Совершенно понятно также, почему металл нагревается при прохождении электрического тока: сталкиваясь с атомами металла, электроны всячески раскачивают эти атомы, отдавая им ту энергию движения, которую они сами приобрели в электрическом поле; атомы начинают быстрее колебаться около своих положений равновесия, а мы воспринимаем это как увеличение температуры металла.