ГЛАВА 11. ЭЛЕКТРОН

1. КАТОДНЫЕ ЛУЧИ

Непосредственным предшественником той субатомной физики, которая родилась в конце XIX века и заняла господствующее положение в научных исследованиях нашего столетия, следует считать Уильяма Крукса (1832-1919). Свободный исследователь, изучавший в своей частной лаборатории в Лондоне проблемы химии и физики, естествознания и спиритизма, Уильям Крукс открыл элемент таллий (1861 г.), создал «радиометр», носящий теперь его имя (1875 г.), и «спинтарископ» (1903 г.). За свои научные заслуги в 1897 г. был пожалован титулом баронета.

Исследование прохождения электричества через разреженные газы было делом чрезвычайно сложным, ибо уровень вакуумной техники тогда был низким и истолкование результатов встречало значительные трудности, и это направление исследований казалось бесперспективным.

Исследованию электрического разряда в газе фактически положил начало еще в 1706 г. другой англичанин - Фрэнсис Хоксби, однако дело продвинулось лишь после появления ртутного вакуумного насоса (Гейслер, 1855), сделавшего возможным получение хорошего вакуума. Тогда экспериментальные исследования электрического разряда были повторены и расширены Ю. Плюккером (1801-1868) и Вильгельмом Гитторфом (1844-1914), исследовавшими, в частности, флуоресценцию стекла трубки, в которой происходит разряд. Варли (1828-1883) объяснил это явление в 1871 г. как следствие соударения со стенками некоторых агентов, вылетающих с катода. Первую характеристику этих новых агентов дал в 1876 г. Э. Гольдштейн (1850-1930); он назвал их катодными лучами, считая, что они той же природы, что и свет, но свет испускается светящимися телами по всем направлениям, тогда как катодные лучи испускаются только по нормали к поверхности катода.

Крукс повторил эти исследования, добившись значительно большего разрежения в трубках, которым он придавал самую различную форму. Введя в трубку радиометр, Крукс обнаружил вращение радиометра, когда он оказывался на пути катодного пучка, и сделал вывод, что катодные лучи обладают механическим действием. Поместив в трубку металлический мальтийский крест, Крукс увидел на флуоресцирующем стекле тень и пришел к выводу, что катодные лучи распространяются внутри трубки прямолинейно. Приблизив магнит к тонкому пучку катодных лучей, прошедших сквозь щель, он обнаружил, что флуоресцирующее пятно при этом сместилось, откуда заключил, что магнитное поле искривляет катодные лучи.

Уильям Крукс

Но что представляют собой катодные лучи? Крукс считал, что это «лучистая материя», четвертое состояние вещества, или «ультрагазообразное» состояние, «столь же далекое от газообразного, насколько то далеко от жидкого».

Молекулярные лучи, испускаемые полусферическим катодом а, концентрируются в центре полусферы, где помещена платиновая нить 6, которая накаливается при разряде. (Proceedings of the Royal Institution of Great Britain, 1879.)

Согласно Круксу, принявшему гипотезу Варли, выдвинутую в 1871 г., катодные лучи образованы молекулами остаточного газа, содержащегося в трубке, которые, соприкоснувшись с катодом, заряжаются отрицательно и отталкиваются от катода. Проявляемые ими своеобразные свойства связаны не с их природой, которая остается такой же, как и у остальных известных веществ, а с их агрегатным состоянием, с высокой степенью разрежения. В своем докладе «О лучистой материи, или четвертом агрегатном состоянии», прочитанном на заседании Королевского института, Крукс со свойственным ему оптимизмом, которым он умел заражать и других, сказал пророческие слова, явно выходившие за пределы того, что было получено на опыте:

«При изучении этого четвертого состояния вещества создается представление, что мы имеем, наконец, в своем распоряжении «окончательные» частицы, которые мы можем с полным основанием считать лежащими в основе физики Вселенной. Мы видели, что в отношении некоторых свойств лучистая материя столь же реальна, как, например, эта доска, тогда как по некоторым другим свойствам она сходна с лучистой энергией. Мы определенно вошли здесь в область, где материя и энергия кажутся слитыми воедино, в темную область между известным и неизвестным, которая всегда меня особенно прельщала. Я беру на себя смелость предположить, что главные проблемы будущего найдут свое решение именно в этой области и даже за нею. Здесь, по моему мнению, сосредоточены окончательные реальности, тончайшие, определяющие, таинственные».

2. ПРИРОДА КАТОДНЫХ ЛУЧЕЙ

Молекулярной гипотезе Крукса о природе катодных лучей противостояла волновая гипотеза, поддерживаемая немецкими учеными Видеманом. Гольдштейном, Герцем и Ленардом. Герцу не удалось добиться отклонения катодных лучей при прохождении ими электростатического поля. В 1892 г. он показал, что катодные лучи могут проникать сквозь тонкие пластинки алюминия. Используя это открытие, Ленард вывел эти лучи из трубки, заменив участок стеклянной трубки перед катодом металлической фольгой, достаточно прочной, чтобы выдержать атмосферное давление. Если катодные лучи не отклоняются электростатическим полем, то как это могут быть наэлектризованные молекулы? Если это наэлектризованные молекулы, то как они могут проходить сквозь твердое тело? Проще принять волновое представление Гольдштейна, если даже и приходится приписывать этим волнам необычные свойства, например считать их продольными, а не поперечными, как световые волны.

Радиометр,примененный Круксом в 1879 г. для доказательства механического действия катодных лучей. (Proceedings of the Royal Institution of Great Britain, 1879.) Вывод Р соединен с положительным полюсом, N - с отрицательным; когда давление в трубке становится (меньше 0,5 мм рт. ст., 'мельница' начинает вращаться

Однако волновая гипотеза несовместима с тем фактом, что катодные лучи отклоняются магнитом, потому что на световые волны магнитное поле не действует. Как молекулярная гипотеза Крукса, так и волновая гипотеза Гольдштейна оказались неудовлетворительными. Чтобы выйти из этого затруднения, нужны были дополнительные экспериментальные данные.

Они были получены молодым физиком Жаном Перреном (1870-1942), работавшим тогда с Липпманом в лаборатории Эколь нормаль в Париже. Перрен поместил внутри разрядной трубки перед катодом закрытый металлический цилиндр с небольшим отверстием против катода на расстоянии 10 см от него и соединил цилиндр с электроскопом. При работе трубки пучок катодных лучей проникал в цилиндр, причем цилиндр всегда оказывался заряженным отрицательно. Для проверки достаточно было отклонить магнитом катодные лучи так, чтобы они не проникали в цилиндр, и сразу электроскоп, присоединенный к цилиндру, оказывался незаряженным. Отсюда можно было сделать вывод: катодные лучи - это отрицательные электрические заряды, так что их материальная природа представляется значительно более вероятной, чем волновая.

Опыт Крукса, доказывающий прямолинейность распространения катодных лучей. (Proceedings of the Royal Institution of Great Britain, 1879.) Лучи, выходящие из катода а, задерживаются алюминиевым крестом Ъ, и на стекле трубки образуется тень креста

Это был 1895 г. В этот год родилась электроника.

Однако возникла она не без трудностей. Сторонники волновой теории не были обескуражены опытом Перрена. Они отнюдь не отрицают, говорили они, что катодом могут испускаться отрицательно заряженные частицы. Они отрицают лишь, что именно эти частицы и являются катодными лучами, т. е. теми особыми агентами, которые вызывают флуоресценцию стекла: пуля, вылетающая из винтовки, не имеет ничего общего со вспышкой света, сопровождающей выстрел; заряженные частицы можно считать пулями, а то, что вызывает флуоресценцию, - вспышкой света.

Молекулярные лучи Крукса искривляются в магнитном поле. (Proceedings of the Royal Institution of Great Britain, 1879.) Пучок ограничен слюдяной пластинкой bd, в которой прорезана тонкая щель е. Выходящие из щели лучи вызывают флуоресценцию вдоль линии ef на экране. Если к трубке приблизить магнит, пучок искривляется и вызывает флуоресценцию в точке g

Это возражение через два года было снято Джозефом Джоном Томсоном (1856-1940), который поместил цилиндр Перрена не перед катодом, а сбоку. Когда поднесенный магнит искривлял катодные лучи так, чтобы они попадали в отверстие цилиндра, цилиндр заряжался отрицательно и одновременно смещалось флуоресцирующее пятно на стекле; заряд оказывался неотделимым от лучей.

Экспериментальная установка Перрена. (Comptes rendus des seances de Г Academic des Sciences de Paris, 1895.) N - катод; цилиндр ABCD, защищенный цилиндром EFGH, является анодом и соединен с электроскопом. При работе трубки цилиндр заряжается отрицательно. Если N-анод, а цилиндр-катод, то электроскоп заряжается положительно

Если катодные лучи представляют собой отрицательно заряженные частицы, то законы электродинамики требуют, чтобы они отклонялись в электростатическом поле. Почему же тогда дал отрицательный результат специальный опыт Герца? Возможно, подумал Томсон, что он не удался из-за проводимости остаточного газа в трубке, возникшей под действием катодных лучей. Поэтому Томсон модифицировал экспериментальную установку Герца и обнаружил, что при подаче разности потенциалов на пластины, подсоединяемые к полюсам электрической батареи, лучи действительно отклоняются.

3. ИЗМЕРЕНИЕ ЗАРЯДА И МАССЫ ЭЛЕКТРОНА

Итак, экспериментально было доказано: катодные лучи несут с собой электрические заряды; их отклонение магнитным полем точно такое, как если бы магнитное поле действовало на заряженные частицы, движущиеся вдоль лучей. Перед лицом таких фактов нельзя избежать заключения, говорит Томсон, что катодные лучи и представляют собой отрицательные заряды, переносимые частицами вещества.

Но являются ли эти частицы вещества молекулами, атомами или еще эолее мелкими частицами? Этот качественный вопрос следует дополнить екоторыми количественными уточнениями. Ответ на этот вопрос был получен самим Томсоном, предложившим метод измерения, составивший эпоху в физике.

Жан Перрен

Не входя в детали, излагаемые в курсах физики, напомним идею метода (см. рис. на стр. 227). Пусть А и В - две металлические пластины, находящиеся под различными потенциалами. Частица электричества +m в точке М, отталкиваемая пластиной А и притягиваемая пластиной В, стремится двигаться ускоренно под действием постоянной силы в промежутке между пластинами: поле между пластинами считается однородным. Движение частицы +m в промежутке между пластинами А и В было бы аналогично полету крупинки града в поле силы тяжести Земли. Если же частица электричества +n попадает в электростатическое поле с некоторой скоростью F, направленной слева направо, то она, находясь под действием электрической силы, направленной вниз, и имея горизонтальную скорость, сохраняемую по инерции, будет находиться в тех же условиях, что и снаряд, выпущенный по горизонтали, и опишет в электростатическом поле параболу. Таким образом заряженные частицы движутся в электростатическом поле пластин точно так же, как движутся падающие тела на поверхности Земли, - к ним применимы законы механики. Аналогичные рассуждения можно применить и при движении заряженных частиц в магнитном поле. Действительно, движение такой частицы эквивалентно току, а Эрстед в 1819 г. открыл закон взаимодействия магнитного поля с электрическим током. Например, если в показанной на стр. 297 установке создано магнитное поле, перпендикулярное плоскости рисунка и направленное от читателя, то частица будет отклоняться вниз, если же поле направлено к читателю, то частица будет отклоняться вверх (Неизвестно, знал ли об этом Томсон, но в 1887 г. Артур Шустер (1851-1934), английский физик немецкого происхождения, больше известный как историк, использовал явление отклонения катодных лучей с помощью магнита для измерения отношения заряда к массе для частиц, образующих, по его мнению, катодные лучи. Он получил значение 1,1•10⁶ эл. -стат. ед. Исследования остались незамеченными; как видно, время для этого открытия еще не наступило).

Томсоновский вариант трубки Перрена. Катодные лучи, выходящие из катода А и ограниченные металлической диафрагмой, попадают на стенки трубки, вызывая ее флуоресценцию. Если их отклонить магнитом так, чтобы они попали в отверстие цилиндра, то цилиндр зарядится отрицательно

Томсон действовал на частицу одновременно электрическим и магнитным полями и менял величину этих полей так, что они компенсировались, катодные лучи не отклонялись и создаваемое ими на стекле светящееся пятно не смещалось. Простые математические расчеты позволяют показать, что в этом случае скорость частицы дается отношением электрического поля к магнитному, что легко поддается измерению. Если же, наоборот, измерять смещение светящегося пятна при одновременном воздействии надлежащим образом направленных магнитного и электрического полей, то, применяя законы механики, можно определить отношение e/m электрического заряда частицы к ее механической массе, что Томсон и сделал.

Опыты Томсона дали следующие результаты: скорость частиц, возрастающая по мере увеличения разрежения в трубке, чрезвычайно велика, значительно больше средней скорости, приписываемой, согласно кинетической теории, молекулам остаточного газа в трубке (в одном из первых опытов 1897 г. Томсон нашел скорость равной ¹/₁₀ скорости света, но через десять лет он получил для нее значение ¹/₃ скорости света). Кроме того, эта скорость зависит от разности потенциалов, которую проходит заряд. Значение е/т оказалось не зависящим ни от состава остаточного газа, ни от формы трубки, ни от материала электродов, ни от скорости лучей, если только она не близка к скорости света, ни от каких-либо иных физических параметров. Другими словами, отношение е/m есть универсальная постоянная.

Катодные лучи, испускаемые катодом С, проходят после щелей А и В между двумя пластинами D и Е и вызывают флуоресцирующее пятно на стекле трубки, к которому прикреплена шкала. Если пластины D и Е связать с полюсами электрической батареи, а пластина D заряжена положительно, пятно на трубке сместится вверх; если пластина Е заряжена положительно, то пятно смзстится вниз

Результаты этих измерений сразу исключают возможность рассмотрения катодных лучей как ионов остаточного газа, вылетающих с катода. Поэтому гипотеза Крукса о «лучистой материи» должна была быть отброшенаг но основная его идея сохранялась и подтверждалась: катодные лучи состоят из материальных частиц. Постоянство отношения е/m несомненно указывало на индивидуальные свойства этих частиц, которые, по-видимому, все были одинаковы. Значение отношения е/m было порядка 10⁷, если е измерять в электромагнитной системе СГС, а m - в граммах. Несколькими годами позже Томсон дал для elm значение 1,7•10⁷, сопоставление которого с современным значением (1,760±0,002)•10⁷ дает нам представление о высокой точности примененных Томсоном методов.

Аналогичное отношение e/m было уже подсчитано для иона водорода из данных по электролизу; оно оказалось равным 104. Различие этих значений может быть истолковано по-разному: если мы будем для удобства читателя называть отрицательно заряженные частицы, образующие катодные лучи, не «корпускулами», как это делал Томсон, а электронами (Представление о дискретной, зернистой структуре электричества было выдвинуто в самом начале XIX века(Риттер, 1801 г.) и продолжало жить среди физиков-теоретиков поддерживаемое успехами атомистики. Еще Фарадей ввел термин «ион» для носителей электричества в электролите и предполагал, что ион обладает неизменным зарядом. Гельмгольц (1881 г.) обратил внимание на такую концепцию Фарадея и показал, что она должна быть согласована с уравнениями Максвелла. В том же году Стони рассчитал впервые заряд одновалентного иона при электролизе, а десятью годами позже, в 1891 г., в одной из теоретических работ предложил термин «электрон» для обозначения электрического заряда одновалентного иона при электролизе.

Джозеф Джон Томсон

В теоретических работах Вебера, начатых в 1846 г., можно найти не только понятие атома электричества, но и гипотезу о том, что его движением вокруг материального ядра можно объяснить тепловые и световые явления. Этой идеей вдохновлялся Гендрик Антон Лоренц, духовный отец теоретической физики XX века, в своем классическом труде «Опыт теории электрических и оптических явлений в движущихся телах», который лег в основу электронной теории. Целью этой работы было если не слить, то связать теорию электричества с теорией оптических явлений, добавив к теории Максвелла представление об ионах как единственных носителях электричества. Эта теория побудила голландского физика Петера Зеемана (1865-1943) к открытию (1896 г.) явления, носящего теперь его имя. На следующий год Лоренц, дав ему количественное объяснение, смог таким образом рассчитать заряд электрона), то возможны три гипотезы о заряде и массе электронов:

1) заряд электрона равен заряду иона водорода, и, следовательно, его-масса в тысячу раз меньше массы иона водорода;

2) масса электрона равна массе иона водорода, и тогда его заряд в тысячу раз больше заряда иона водорода;

3) ни заряд, ни масса электрона не имеют никакого отношения к соответствующим значениям для иона водорода.

Вторая гипотеза, по-видимому, противоречила результатам Ленардаг который показал, что средний свободный пробег катодных лучей в воздухе при обычном давлении составляет 0,5 см, тогда как для молекулы пробег при этих условиях не превышает стотысячной доли сантиметра; ясно, что это указывает на чрезвычайную малость электрона. Постоянство свойств электронов независимо от состава остаточного газа в трубке также не согласовалось со второй гипотезой. Но все же этих соображений было недостаточно для достоверного вывода.Только прямое измерение т или е позволило бы надежно ответить на этот вопрос, хотя Томсон уже в своей первой работе 1897 г. не поколебался отдать предпочтение первому предположению, которое позволяло вернуться к заманчивой античной гипотезе, возрожденной Праутом (1816 г.), о едином первичном элементе:

«Это объяснение, которое, как мне кажется, проще всего согласуется. с фактами, основано на представлении о строении химических элементов, которое было благосклонно принято многими химиками. Это представление состоит в том, что атомы различных химических элементов представляют собой агрегаты из более мелких одинаковых атомов».

Одно счастливое обстоятельство в следующем году позволило Томсону оценить правильность своего выбора путем непосредственного измерения заряда е.

В 1897 г. Чарльз Вильсон (1869-1935) открыл, что в воздухе, пересыщенном водяными парами, каждый ион становится центром конденсации пара: ион притягивает к себе молекулы пара и начинается образование капельки воды, которая становится постепенно все больше и больше, пока не станет видимой. Конденсация происходит легче вокруг отрицательно заряженных частиц. Это открытие было использовано в 1911 г. самим Вильсоном в так называемой «камере Вильсона», одном из ценнейших инструментов атомнъй физики, названном с некоторой долей фантазии «открытым окном в атомный мир».

Томсон использовал это открытие следующим образом. Представим себе в ионизованном газе п ионов с одинаковым зарядом е, движущихся со скоростью υ. Быстрым расширением можно создать пересыщение газа, так что каждый ион становится центром конденсации. Величина электрического тока, легко измеримая на опыте, равна nev, скорость v можно измерить, так что если удастся определить n, то можно будет найти е. Для этой цели, с одной стороны, измерялась масса сконденсированного водяного пара; с другой стороны, пользуясь формулой Стокса (1819-1903), по скорости падения капелек под действием силы тяжести можно рассчитать их радиус, а значит, и массу каждой капельки. Деля полную массу образовавшегося водяного пара на массу каждой капельки, можно найти число капелек, т. е. число ионов газа, а по нему определить заряд е каждого иона. Опыт этот очень труден и требует большого искусства.

Как среднее большого числа измерений Томсон получил е=6,5-10•10 эл.-стат. ед., что неплохо согласуется с уже известным тогда значением заряда иона водорода и хорошо согласуется с теоретически рассчитанным Лоренцем в том же году значением, получающимся, как мы уже говорили, при количественном анализе эффекта Зеемана.

Описанный выше метод был усовершенствован Вильсоном в 1899 г. введением метода «уравновешивания» капелек: над отрицательно заряженной капелькой располагалась положительно заряженная пластина, притягивающая каплю в направлении, противоположном направлению падения. Можно так подобрать параметры, что притяжение капли к верхней пластине уравновесит ее вес. Тогда капля повиснет в воздухе, между небом и землей, подобно гробу Магомета. Ясно, что из условия равновесия легко найти заряд ядра конденсации.

Но является ли заряд капли в действительности зарядом электрона? Разве это скорее не заряд ионизованных молекул, который отнюдь не обязан быть априори равным заряду электрона? Это серьезное возражение. Но Томсон показал, что заряд ионизованной молекулы равен заряду электрона, т. е. что упомянутые методы, определяя заряд ионизованной молекулы, одновременно определяют заряд электрона. И этот заряд появляется совершенно независимо от способа ионизации веществ и всегда оказывается равным заряду одновалентного иона при электролизе. Достаточно подставить это значение заряда е в выражение e/m, чтобы найти массу электрона. Она оказывается равной т = 1,2•10^-27 г, т. е. около ¹/₁₇₀₀ массы атома водорода. Ясно, что эти численные данные первых опытов впоследствии, при усовершенствовании приборов и методов, были существенно уточнены. В настоящий момент приняты следующие значения: е =(4,800±0,005)X 10 ^-10 эл. -стат. ед.=1,601•10^-19 кулон, m=(9,08±0,02)•10²⁸ г, т. е. около ¹/₁₈₄₀ массы атома водорода.

Гораздо более существенным, чем определение численных значений, является вытекающий из этих исследований общий вывод: электричество, по крайней мере отрицательное, имеет, как и вещество, дискретную структуру; во всех известных явлениях атомы отрицательного электричества имеют один и тот же заряд и одну и ту же массу.

Не случайно слово «электрон», введенное Стони в 1891 г., быстро распространилось и после 1900 г. стало общепринятым, так что никто из физиков не мог уже сомневаться в прерывистой структуре электричества (Как мы уже говорили, Стони назвал электроном отрицательный заряд одновалентного иона, так что это слово имело тогда смысл, отличный от теперешнего. После 1900 г. но предложению Друде электроном стали называть заряженную частицу, несущую элементарный электрический заряд. Однако применение термина «ион» вместо «электрон» сохранялось еще много лет, особенно среди английских физиков, что породило ряд недоразумений и неправильных толкований, характерных для работ последнего десятилетия XIX века).