ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И ТЕРМОЭЛЕКТРОННАЯ ЭМИССИЯ

9. НОВЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОНОВ

Экспериментаторам уже издавна было известно, что при обычных условиях воздух не является проводником, но при низком давлении он проводит электричество (Хоксби, 1706 г.), а пламя является проводником электричества и обладает свойством разряжать наэлектризованные проводники, находящиеся поблизости (см. гл. 5).

Но попытки объяснить эти явления стали предприниматься лишь во второй половине XIX века и были основаны на теории проводимости жидкостей. В 1879 г. Гитторф выдвинул гипотезу о том, что проводимость газов должна объясняться механизмом, аналогичным известному механизму проводимости жидкостей-электролитов, т. е. и в газах способность проводить электричество связана с существованием ионов - заряженных атомов или групп атомов, которые, двигаясь, переносят с собой электрические заряды.

Не видя возможности убедиться в правильности гипотезы Гитторфа, физики продолжали экспериментально исследовать прохождение электричества через газы, особенно интенсивно в 1887-1890 гг. после опыта Шустера, показавшего, что электрические искры ускоряют разряд заряженных проводников, находящихся поблизости. В 1888 г. Герц, развивая исследования Шустера, обнаружил, что электрический разряд между двумя проводниками происходит значительно сильнее, когда электроды освещаются светом, богатым ультрафиолетом. В том же году Видеман и Эрберт установили, что разряд происходит у отрицательного электрода, а Галльвакс нашел, что рассеяние отрицательных зарядов усиливается при освещении проводников ультрафиолетовым светом. Продолжая эти исследования, Арре-ниус поместил в трубку с разреженным воздухом два очень близко расположенных платиновых электрода и связал их цепью с гальванометром и батареей (это был первый фотоэлемент в истории). Гальванометр показывал отклонение, как только электроды освещались электрическим разрядом, происходившим вне трубки. Аррениус считал, что причина явления заключена в воздухе, предполагая, что ультрафиолетовый свет обладает свойством ускорять встречающиеся на его пути ионы.

Пытаясь объяснить эти явления, описанные немецкими физиками, итальянский ученый Аугусто Риги в начале 1888 г. сделал новое открытие: проводящая пластина, освещенная пучком ультрафиолетовых лучей, заряжается положительно. Риги назвал это явление фотоэлектрическим, введя этот термин в науку. Первое время Риги считал, что речь идет о простом переносе электричества, осуществляемом ультрафиолетовыми лучами. Однако Вильгельм Галльвакс (1859-1922), высказавший догадку об этом явлении (но не наблюдавший его) за несколько месяцев до Риги (О приоритете на это открытие разгорелась дискуссия между Галльваксом и Риги. Оба они изложили в Nuovo Cimento (3^a serie, t. XXVII, 1890, pp. 59-62 ter) свои соображения. Научная общественность, назвав это явление эффектом Галльвакса, или эффектом Герца - Галльвакса, тем самым решила этот спор; на наш взгляд, по отношению к Риги решение чрезмерно сурово), спустя несколько месяцев показал (вслед за ним независимо к этому пришел и Риги), что здесь речь идет не о переносе, а о создании электрических зарядов.

«Излучения, - говорит Риги, - действуют на металлы... и электризуют их положительно».

Что касается механизма возникновения электричества, то Риги полагал, что ультрафиолетовое излучение отрывает молекулы воздуха, соприкасающиеся с металлом, и что при отрыве положительный заряд остается на металле, а отрицательный, оставшийся на молекуле, может быть унесен ею на значительное расстояние вдоль силовой линии поля. Такое истолкование как будто подтверждалось другим фактом, установленным Риги и исследованным позже, в 1890 г., Иоганном Эльстером (1854-1920) и Гансом Гейтелем (1855-1923) (Имена этих ученых часто встречаются в совместных работах. Будучи еще в Гейдельбергском университете близкими друзьями, Эльстер и Гейтель продолжали всю жизнь работать вместе. Оба они были преподавателями гимназии в Вольфенбуттеле. каждый раз отказываясь от университетской кафедры, когда она предлагалась одному из них): появлением потока отрицательного электричества от электрода, освещенного ультрафиолетовыми лучами.

В 1899 г. Джозеф Томсон занялся анализом этого явления, будучи воодушевлен успехами проведенного несколько лет назад аналогичного исследования катодных лучей. Если принять, что электрический ток, обнаруживаемый при фотоэлектрическом эффекте, представляет собой поток отрицательно заряженных частиц, то аналогично тому, как это было сделано для катодных лучей, можно рассчитать теоретически движение такой частицы при одновременном воздействии на нее электрического и магнитного полей. Экспериментальная проверка этой теории позволила бы установить правильность или неправильность отправной гипотезы и в первом случае рассчитать отношение e/m - заряда к массе этой частицы.

Эксперимент подтвердил рабочую гипотезу: ток, возникающий между двумя противоположно заряженными металлическими пластинами при освещении катода ультрафиолетовыми лучами, ведет себя подобно рою движущихся отрицательных частиц. Среднее по многим измерениям значение e/m оказалось равным 7,3•10⁶. Аналогичное отношение, найденное Томсоном для частиц, образующих катодные лучи, было равно 5•10⁶ (впоследствии Ленард нашел более точное значение 6,4•10⁶). С другой стороны, измерение заряда е, проведенное тем же методом, который годом раньше позволил определить заряд иона, образующегося под действием рентгеновских лучей, дало среднее значение заряда 6,8•10^-10, т. е. того же порядка, что и для катодных лучей. Отсюда Томсон заключил, что носителями отрицательного электричества в случае фотоэлектрического эффекта являются частицы той же природы, что и в катодных лучах, т. е. электроны.

Но было еще одно явление, в котором был обнаружен перенос электричества. Мы имеем в виду явление, открытое Эдисоном в 1879 г. и исследованное затем другими физиками: раскаленная угольная нить испускает поток отрицательного электричества. Томсон решил исследовать и этот поток, наложив одновременно электрическое и магнитное поля. Результат оказался таким же, как и в предыдущем случае: как отношение elm, так и само значение е получились того же порядка величины, что и для катодных лучей. Отсюда однозначно вытекало, что электрический ток, возникающий при эффекте Эдисона, представляет собой поток электронов.

Таким образом, существование электрона, еще за пять лет до того бывшее лишь гипотезой, принятой в некоторых теоретических работах, к концу XIX столетия оказалось экспериментально доказанным опытами с катодными лучами, лучами Беккереля, фотоэлектрическим явлением, термоэлектронной эмиссией. До тех пор физики представляли себе мир состоящим из атомов, последних частиц материи, неделимых и вечных. От этого представления приходилось отказываться в пользу другого, более отвечающего фактам.

10. ОБ ОРГАНИЗАЦИИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В XX ВЕКЕ

Термоэлектронная эмиссия используется в термоионной (или термоэлектронной) трубке для получения рентгеновских лучей, о которой мы говорили в § 4. Такая трубка была сконструирована Уильямом Кулиджем, работником исследовательской лаборатории «Дженерал электрик компани» в Скенектеди (штат Нью-Йорк).

Здесь как раз уместно остановиться на характерной особенности организации научных исследований в XX веке.

Начиная со средневековых университетов и с академий эпохи Возрожде-нрш вся научная деятельность концентрировалась вокруг этих двух типов учреждений, а со второй половины XVIII века она все больше сосредоточивалась в университетах. В течение всего XIX столетия понятие ученый, за редкими исключениями, совпадало с понятием профессор университета. Юридически основной обязанностью профессора было обучение студентов: научные исследования рассматривались как дополнительная деятельность, полностью предоставленная личной инициативе ученого и совершенно свободная.

Но на протяжении XIX века наука, понимавшаяся до тех пор как «философия природы» или «естественная история», начала все чаще заниматься вопросами, имеющими значение для производства материальных благ (вспомним, например, об исследованиях паровых машин Уатта и последовавших за ними фундаментальных исследованиях Карно, о разработке методов изготовления искусственных красителей английским химиком Уильямом Перкином, о разработке оптических инструментов Карлом Цейссом; эти примеры можно было бы значительно умножить). Кроме того, во второй половине XIX века произошло новое событие, оказавшее революционное влияние на промышленность того времени - открытия науки об электричестве привели к созданию совершенно новой техники, которая уже не могла быть непосредственно применена в промышленности без участия, даже без прямого вмешательства ученых. Но сотрудничество науки и техники требовало специальных организационных форм вследствие многообразия научных аспектов одного и того же производственного процесса, требующего сотрудничества специалистов в областях знаний, по традиции весьма далеких друг от друга. Так, к концу прошлого века стало ясно, что нефтяная промышленность, ставшая ключевой отраслью промышленности в нашем столетии, не может развиваться без участия не только физиков и химиков, но и геологов в первую очередь. Наконец, чрезвычайно быстрое расширение научных знаний влекло за собой необходимость все более узкой специализации, а следовательно, и необходимость сотрудничества и в самих научных исследованиях многих ученых - специалистов в различных областях.

При этих обстоятельствах крупные отрасли промышленности постепенно почувствовали актуальную необходимость иметь в своем распоряжении лаборатории и специалистов, занимающихся исключительно научными исследованиями, отряды специалистов различного профиля, координирующих свою деятельность для достижения единой общей цели. Так родилась новая форма организации, в которой индивидуальные исследования были заменены координированными коллективными исследованиями. Эта новая форма организации была применена в первом десятилетии нашего века сначала в Германии, затем в США. В 1911 г. немецкая промышленность дала выдающийся пример такой новой формы организации, основав специальное объединение Kaiser Wilhelm Gesellschaft; с 1949 г. оно изменило свое название на Мах Planck Gesellschaft - целый комплекс институтов, которые вели и ведут исследования как в области чистых, так и в области прикладных наук. В США в десятилетие, предшествовавшее первой мировой войне, крупнейшие фирмы, такие, как «Дженерал электрик», «Белл телефон», «Вестингауз», «Истман Кодак», «Стандард ойл», организовали свои исследовательские лаборатории, но особенно необходимость создания таких экспериментальных лабораторий была осознана во время и после первой мировой войны в Англии, Франции и малых государствах Северной Европы (Швеция, Норвегия, Голландия, Бельгия), где эта организация приняла международный характер. Несколько примеров такой организации было и в Италии. С этого времени научная организация промышленности приняла в некоторых странах внушительные размеры. Так, по статистическим данным 1965 г. в США насчитывалось 4834 научно-исследовательские промышленные лаборатории.

Во время первой мировой войны были созданы новые организации, поддерживаемые правительствами и заботящиеся об участии науки в решении различных проблем, диктуемых войной. Эти новые организации, так называемые Советы по исследованиям, оказались очень полезными, так что после войны они были укреплены и созданы в других странах. Их задача - способствовать, координировать, а в некоторых случаях и осуществлять научно-исследовательские работы с учетом потребностей страны, ее природных ресурсов, наличных средств и людей. Ясно, конечно, что если общие цели всех Советов по исследованиям примерно одинаковы, то их внутренняя структура в разных странах различна в соответствии с политическими и экономическими условиями и сложившимися традициями. Первые Советы по исследованиям возникли в Великобритании (Department of Scientific and Industrial Research) и США (National Research Council). Постепенно они появились во всех странах, заинтересованных в научных исследованиях: сейчас они имеются в 28 странах мира. В Италии Consiglio Nazionale delle Ricerche был создан в 1923 г., но до 1945 г. эта организация влачила жалкое и неустойчивое существование, сотрясаемая добрым десятком реорганизаций и испытывая сопротивление своему развитию со стороны традиционных предрассудков и предвзятых интересов.

Таким образом научные исследования, которые на исходе XIX столетия выполнялись лишь «профессорами», теперь доверены трем категориям работников: преподавателям университетов, научным работникам (в новом смысле этого слова, принятом повсюду), охватываемым научной организацией промышленности, и научным работникам, находящимся на службе у государства (в лице его Совета по исследованиям). Между этими тремя категориями нет четкого разграничения функций, поскольку происходит непрерывный переход ряда лиц из одной категории в другую.

Организация научных исследований в наше время стала существенным фактором и по числу охватываемых ею работников. Хотя трудно привести точные современные статистические данные, поскольку их держат в секрете, ясно, что число лиц, занятых научными исследованиями, громадно. Так, считают, что в США в 1954 г. число лиц, занятых научными исследованиями, составляло около 850 000 человек (из них 200 000 научных работников), а полные затраты на научные исследования достигали 9 миллиардов долларов. В Великобритании число научных работников в тот же период составляло примерно 50 000 человек, а во Франции около 12 000-13 000.

В прошлом столетии ученый был полностью свободен в выборе темы своих исследований. Теперь такую свободу выбора сохранили лишь ученые-одиночки, которых становится все меньше; это те, кто располагает огромными финансовыми средствами, необходимыми для современных научных исследований. Такой свободой не могут располагать ученые, работающие в современных мощных исследовательских организациях. Даже научно-исследовательские организации крупных частных промышленных предприятий в конечном счете зависят от государства. Таким образом, именно государство планирует научные исследования, определяя создание научных учреждений, выбор их местоположения, ассигнование фондов, подбор, подготовку и использование кадров, а также требуемый порядок работы и тематику исследований.

Эта «научная политика», уже давно практикуемая в государствах с высоким уровнем развития науки, диктуется требованиями современной жизни и проявила себя как мощнейший инструмент прогресса, так что нетрудно предугадать, что она получит распространение и в других странах. Таким образом, современные научные исследования характеризуются двумя особенностями: они коллективные и планируются государством.

Однако такая форма организации влечет за собой трудную и деликатную проблему свободы, поскольку очевидно, что подобная система таит в себе не только опасность сосредоточения огромной мощи в руках немногих политиков, но и опасность выхолащивания самой науки или замедления научного прогресса вследствие внешнего ограничения свободной деятельности ученых. Социологи и ученые встревожены этой опасностью и ищут способы «ее предупреждения с помощью поправок, ослабляющих жесткость системы организации науки.