Электронная физика

Открытие электрона, свойства которого, как предвидел Ленин, оказались поистине неисчерпаемыми, чрезвычайно существенно повлияло на развитие теории электрических и магнитных явлений. Если в максвелловской электродинамике такие свойства тел, как их диэлектрическая и магнитная проницаемость, электропроводность, являлись эмпирическими коэффициентами, то электрическая теория ставит своей задачей вывести эти коэффициенты, исходя из определенных гипотез о структуре тел. В 1900 г. П. Друде, а в 1904-1905 гг. Г. А. Лорентц создали теорию электропроводности, основанную на представлении о существовании свободных электронов в металле. Применяя к этим электронам законы кинетической теории газов ("электронный газ"), они получили закон Ома, закон Джоуля-Ленца и закон Видемана-Франца (1853 г.), связывающий теплопроводность металлов с их электропроводностью. Гипотеза существования свободных электронов в металле опиралась на опытные данные, и прежде всего на явления термоэлектронной эмиссии. Это явление было открыто Эдисоном и исследовано Ричардсоном в 1900 г. Д. Д. Томсон показал, что удельный заряд испускаемых накаленным катодом частиц совпадает с удельным зарядом катодных лучей. В 1903 г. русский физик В. Ф. Миткевич (1872-1951) показал, что в дуговом разряде важную роль играют электроны, и измерил их удельный заряд. О. Ричардсон применил к явлениям термоэлектронной эмиссии законы кинетической теории газов и вывел зависимость силы термоэлектронного тока от температуры (закон Ричардсона, 1901 г.).

Открытие термоэлектронной эмиссии привело к важнейшим научно-техническим последствиям. В 1904 г. Д. Флеминг сконструировал двух-электродную лампу (аудион Флеминга) и применил ее для детектирования электромагнитных колебаний при радиоприеме. Де-Форест (1907 г.) изобрел третий электрод - сетку для управления потоком термоэлектронов. Это изобретение открыло широчайшие возможности для применения электронных ламп в научных измерениях и радиотехнике. В 1913 г. Мейснер разработал метод генерирования незатухающих колебаний с помощью трехэлектродной лампы. Усовершенствование техники получения вакуума (Лэнгмюр) привело к улучшению качества ламп и их широкому распространению. Лэнгмюр в 1913 г. начал исследование процессов в лампе, выявил влияние объемного заряда на термоэлектронный ток ("закон трех вторых").

Таким образом, было не только доказано существование свободных электронов в металле, но и родилась новая отрасль науки и техники: электроника. Следует, однако, отметить, что наряду с успехами электронной теории электропроводности встретились и серьезные трудности. Так, например, Лорентц улучшил теорию Друде, учтя при выводе закона Видемана-Франца максвеллово распределение скоростей, однако численное значение полученного им коэффициента хуже согласовывалось с опытом, чем в упрощенной теории Друде. Особенно необъясним был факт, что электроны, обладающие, согласно теории, своей долей энергии, в соответствии с законом равномерного распределения энергии по степеням свободы, не вносят эту долю в полную теплоемкость металла. Наконец, зависимость сопротивления от температуры (его уменьшение при охлаждении) оказалась не такой, как требовала теория. В 1908 г. Камерлинг-Оннес (1853-1926) в Лейдене обратил в жидкость гелий и получил возможность исследования свойств веществ при температурах ниже 10^° абс. Он показал, что у ряда металлов имеется критическое сопротивление, ниже которого оно не падает при дальнейшем охлаждении. В 1911 г. он нашел, что для ртути, свинца, олова и некоторых других металлов по достижении определенной для каждого металла температуры сопротивление внезапно падало скачком до нуля. Так была открыта сверхпроводимость. Все эти явления не могли быть объяснены в рамках классической электронной теории.

Теория диэлектриков начала развиваться еще до возникновения теории Максвелла. В 1847 г. Моссоти рассматривал механизм поляризации диэлектрика, уподобив его молекулы проводящим шарикам. Полученная им связь между диэлектрической поляризацией и плотностью среды была в 1879 г. найдена вторично Клаузиусом и получила название закона Клаузиуса-Моссоти. Лорентц в 1880 г. применил к теории диэлектриков идеи электронной теории (до открытия электрона!), рассматривая молекулу диэлектрика как совокупность отрицательных и положительных зарядов, связанных квазиупругими силами. Он получил тот же закон Клаузиуса-Моссоти и, использовав вывод теории Максвелла о связи между диэлектрической проницаемостью и показателем преломления, нашел формулу, выражающую зависимость показателя преломления диэлектрика от его плотности. Та же формула была получена в том же, 1880 г. датским физиком Л. Лоренцем и получила название закона Лорентц-Лоренца.

В 1871-1872 гг. Зеллмейер рассмотрел с точки зрения механической волновой теории распространение волны в среде, заполненной квазиупругими вибраторами, и получил формулу, связывающую показатель преломления с частотой световых колебаний. С точки зрения электромагнитной теории дисперсию рассматривали П. Друде (1892 г.), Г. Гельмгольц (1874 г.), Г. А. Лорентц (1892 г.), М. Планк (1902 г.) и др.

Для экспериментального изучения аномальной дисперсии Пуччианти в 1901 г. предложил комбинацию интерферометра и спектроскопа, так что на вертикальную щель спектроскопа проектируются горизонтальные интерференционные полосы. Русский физик Дмитрий Сергеевич Рождественский (1876-1940) усовершенствовал и развил метод Пуччианти в своем классическом исследовании "Аномальная дисперсия в парах натрия" (1912 г.). Вставляя на пути одного интерферирующего пучка трубку с исследуемыми парами натрия, а на пути другого стеклянную пластинку, он получал характерные изгибы ("крюки") в области аномальной дисперсии и поглощения. Этот "метод крюков" позволяет дать оценку точности закона Зеллмейера, которая по наблюдениям Рождественского оказалась справедливой с точностью до 2,5%. Вместе с тем он измерил отношение констант в двучленной формуле Зеллмейера для дублета натрия и нашел, что это отношение в пределах точности эксперимента равно 2. Это означает, что числа вибраторов, соответствующие двум частотам колебания дублетов, кратны между собою (одно число в два раза больше другого). В 1915 г. Рождественский исследовал своим методом и сконструированным им интерферометром спектры других щелочных металлов. Исследования были обобщены в работе "Простые соотношения в спектрах щелочных металлов", составившей предмет докторской диссертации Рождественского. Он нашел целочисленность отношений интенсивностей спектральных дублетов (для щелочных металлов 2) - факт, нашедший свое объяснение в квантовой механике, и подтвердил справедливость закона Зеллмейера.

Теория электронов дала также первое объяснение эффекту Зеемана, открытому в 1896 г. Для объяснения так называемого "нормального" эффекта Зеемана потребовалось учесть влияние Н магнитной составляющей силы Лорентца на колеблющийся электрон, тогда как в электронной теории дисперсии исследуется влияние на этот электрон электрической составляющей. Но в дальнейшем оказалось, что эффект Зеемана значительно сложнее; как правило, встречается "аномальный эффект Зеемана", в котором спектральные линии расщепляются не на три, а на четыре, шесть и более составляющих. Объяснения этому эффекту теория электронов не могла дать, так же как она не могла дать объяснения открытому в 1912 г. Пашеном и Баком превращению аномального эффекта в нормальный при увеличении напряженности магнитного поля.

Поль Ланжевец

В области объяснения магнитных свойств вещества первый крупный успех был достигнут французским ученым Полем Ланжевеном (1872-1946), применившим в 1905 г. электронную теорию к истолкованию диа- и парамагнетизма. В частности, теория парамагнетизма Ланжевена дала истолкование закону убывания магнитной восприимчивости парамагнетиков с температурой, открытому Пьером Кюри в 1895 г. Тем же Кюри было найдено, что при определенной температуре ("точка Кюри") ферромагнетик теряет свои ферромагнитные свойства и начинает вести себя как парамагнетик. Еще в 1892 г. русский физик Б. Л. Розинг ввел гипотезу о существовании внутри ферромагнитного вещества особого внутреннего "молекулярного поля", названного им "частичной магнитной силой". В 1907 г. швейцарский физик Пьер Вейсс вновь ввел гипотезу "молекулярного поля", с помощью которой он дал формальное описание ферромагнитных явлений, и, в частности, описал существование точки Кюри и зависимость восприимчивости от температуры (закон Кюри-Вейсса). В 1910 г. Вейсс ввел понятие об элементарном магнитном моменте ферромагнетиков ("магнетон Вейсса").

В 1912 г. П. Дебай распространил выводы теории Ланжевена на диэлектрики, молекулы которых обладают электрическим моментом. Таким образом, "электрификация материи" позволила объяснить теоретически некоторые свойства тел, до этого изучавшихся чисто эмпирически. Это относилось в первую очередь к электрическим (электропроводность, диэлектрическая проницаемость), оптическим (дисперсия) и магнитным свойствам вещества. На очереди был вопрос об объяснении механических (упругость, сжимаемость), тепловых (теплоемкость, тепловое расширение) и химических свойств вещества.

Открытие Лауэ и Бреггов позволило расшифровать структуру кристаллической решетки. Немецкий теоретик М. Борн, изучив ионную кристаллическую решетку (NaCl, KCl и т. д.), сформулировал основное положение электрической теории твердых тел: "Механические упругие силы твердых тел в действительности суть силы электрические". Зная заряды атомов кристаллической решетки и расстояние между ними, зная силы взаимодействующих зарядов, можно рассчитать упругие силы, энергию решетки и т. д. "Путь к решению этого вопроса был длинен,- писал Борн.- Сперва пришлось осветить с точки зрения решеток зависимости между всевозможными механическими, термическими, электрическими и оптическими свойствами кристаллов и формально свести их к силам между отдельными частицами кристаллической решетки". Результаты, полученные Борном и его сотрудниками, были изложены в монографии "Динамика кристаллической решетки", опубликованной в 1915 г. Оценивая эти результаты, Борн писал, что "наука благополучно преодолела часть пути от "механического эфира" к "электрической материи".

Однако в электрической теории материи, несмотря на достигнутые ею успехи, оставалось много нерешенных задач.

Самый факт устойчивости электрона не поддается объяснению с точки зрения классической электродинамики. Судьба электрической теории вещества оказалась тесно связанной с развитием теории атома, судьбой квантовой теории. Постулаты Планка и Бора все еще оставались непонятными постулатами. "Атом существует вечно, мы это бесспорно знаем,- говорил в 1919 г. Д. С. Рождественский. Но понимаем ли мы это? Нет, не понимаем, так как по законам электродинамики электрон, движущийся не только по инерции, должен терять энергию и в конце концов, через малую долю секунды, как остановленная планета, упасть на Солнце - ядро. Наше непонимание мы прикрываем непонятными же квантовыми условиями... Процесс лучеиспускания, механизм его нам непонятен. Свое непонимание мы вновь прикрываем непонятным квантовым условием, второй гипотезой Бора". К этому следует добавить, что квантовые свойства излучения находились в резком противоречии с его волновыми свойствами.

Физики стояли перед проблемами небывалой трудности. Им предстояло искать выход из запутанного узла противоречий. Трудности усугублялись еще тем, что нормальная научная работа была нарушена мировой войной.