Положительные лучи

В 1913 г. вышла книга Д. Д. Томсона "Лучи положительного электричества и их применение в химическом анализе". Эта книга подводила итоги семилетней работы по исследованию положительных лучей в Кавендишской лаборатории в Кембридже. Положительные лучи были открыты немецким физиком Евгением Гольдштейном в 1886 г. Гольдштейн обнаружил в разрядной трубке поток частиц, направляющихся к катоду. Просверлив в катоде отверстие (канал), он выпустил эти лучи в закатодное пространство. По способу получения лучей они были названы каналовыми. Томсон отверг это название и стал говорить о положительных лучах или лучах положительного электричества.

Положительные лучи Гольдштей-на обнаруживались по производимому ими свечению. Свечение соответствовало природе газа и отличалось от свечения катодных лучей. Так если разрядная трубка была заполнена неоном, то в закатодном пространстве наблюдалось яркое красно-оранжевое свечение, тогда как пространство перед катодом светилось бледно-голубым светом. Положительные лучи вызывали флюоресценцию, например яркое свечение виллемитового экрана. Гольдштейн констатировал, что каналовые лучи отличаются от катодных и тем, что не отклоняются в электрическом и магнитном полях. Однако через 12 лет, в 1898 г. В. Вин обнаружил действие магнитного поля на каналовые лучи, а в 1902 г. окончательно установил отклонение их в электрическом и магнитном полях, из которого смог измерить отношение ^e/_m. Он нашел, что это отклонение различно для различных частиц и наибольшее значение его составляло 7545, тогда как для водородного атома в электролизе это отношение составляло порядок 104. Вместе с тем Вин доказал, что заряд каналовых лучей положителен. Таким образом каналовые лучи оказались положительными ионами газа, содержащимися в трубке.

В 1906 г. исследованием каналовых лучей занялся Д. Д. Томсон. Он подвергал пучок каналовых лучей совместному действию параллельных электрических и магнитных полей. Расчет показывает, что если направление полей принять за ось z и положить начало координат в точке встречи экрана с неотклоненным пучком, то отклонение под действием магнитного поля будет иметь значение

(1)

величина А определяется параметрами прибора: напряженностью магнитного поля, диаметром полюсов, расстоянием от точки выхода из поля до экрана. Для отклонения, производимого электрическим полем, расчет дает выражение

(2)

Здесь опять-таки В задается параметрами прибора: напряженностью электрического поля, длиной пути частиц в конденсаторе, расстоянием от точки выхода частиц до экрана.

Таким образом, константы А я В определяются величиной приложенных полей и геометрией прибора. Из уравнений (1) и (2) получаются следующие два уравнения:

(3)

(4)

Уравнение (3) показывает, что все частицы, обладающие одной и той же скоростью, но разным отношением ^e/_m, дадут на экране прямую линию. Уравнение (4) дает параболу для всех частиц, имеющих одно и то же значение ^e/_m, но обладающих разными скоростями. Таким образом, параболы, получающиеся на экране или фотопластинке, для частиц, прошедших параллельное электрическое и магнитное поля, дают возможность определять природу частиц, соответствующих данной параболе. Этот метод парабол Томсон рассматривал" как очень чувствительный и точный метод химического анализа. Мы приводим схему установки Томсона и фотографии парабол, полученных его методом.

С помощью этих парабол можно легко сравнивать массы частиц, соответствующих двум параболам, если заряды этих частиц одинаковы. При этом определения постоянных А и В не требуется. Из уравнения (4) получаем для двух парабол

Если абсциссы парабол одинаковы (z₁ = z₂), то ординаты относятся следующим образом:

Если же заряды частиц одинаковы, то

Комментируя этот результат Томсона, Фрэнсис Астон писал: "Таким образом, массы двух или более частиц могут быть сравнены непосредственно только путем измерения длин, отношение которых не зависит от формы аппарата и условий эксперимента. Это действительно фундаментальный принцип, на котором основан метод. Употребляя фотографическую запись, мы можем идентифицировать, по крайней мере, одну параболу с атомом или молекулами известной массы; все остальные параболы могут быть измерены и сравнены с этой, и тем самым определится масса частиц".

Схема опытов Томсона

Анализируя параболы, полученные при разрядке в легких газах, Томсон пришел к интересному результату:

"Здесь мы находим линии, соответствующие гелию, неону - очень резкую линию; имеется также линия, соответствующая атому неона с двойным зарядом, аргону и вдобавок имеется линия, соответствующая элементу с атомным весом 22. Молекула углекислоты с двойным зарядом должна давать линию в том же положении, но она не может служить источником этой линии, так как углекислота может быть удалена из этого газа, не вызывая каких-либо изменений в яркости линии. Эта линия значительно слабее, чем линия неона, так что количество в атмосфере газа, являющегося источником этой линии, мало по сравнению с количеством неона. Происхождение этой линии представляет интерес со многих точек зрения: нет ни одного известного элемента с таким атомным весом, не имеется также какого-либо соединения известных элементов, которые удовлетворяли бы этим условиям. Я думаю, что это должен быть новый элемент.

Хотя соединение NH₂ будет иметь требуемую массу, имеется сильное доказательство, что эта линия создается элементом ... Если мы примем во внимание, что таблица Менделеева не имеет места для элемента с таким атомным весом, как 22, если только не предположить, что в составе с неоном мы имеем группу двух или более элементов с похожими свойствами, точно так же, как в другой части таблицы имеется группа железо, никель и кобальт".

Таким образом, Томсон убежден, что он открыл новый элемент, родственный неону, отличающийся от обычного неона большим атомным весом и может быть входящим в группу неона, аналогичную группе железа. Видимо, пока Томсон не допускает мысли о возможности существования нескольких разновидностей элемента в одном и том же месте менделеевской таблицы. Ученик Томсона Астон предпринял ряд попыток отделить этот новый элемент от неона.

Фотографии Томсона к методу парабол

"Мистер Ф. В. Астон предпринял в Кавендишской лаборатории несколько попыток отделить этот новый газ от неона с атомным весом 20. Метод, сначала испробованный им, заключался в фракционировании смеси газов посредством их абсорбции углем из кокосового ореха, охлажденным жидким воздухом. Эта абсорбция в случае большинства газов возрастала с атомным весом, и, хотя разность атомных весов 20 и 22 - атомные веса двух газов в смеси - очень мала, он спроектировал аппарат, посредством которого абсорбция повторялась так часто, если бы разность абсорбции была так велика, как у других газов, то можно было бы ожидать от различия в их атомных весах, что пропорция между неоном и новым газом заметно бы изменилась при такой обработке. Однако он не нашел какого-либо различия в этой пропорции до и после фракционирования". Астон измерял пропорцию смеси газов двумя методами: 1) интенсивностью линий на фотографии положительных лучей и 2) чувствительными кварцевыми весами. "Мы заключаем,- комментирует Томсон неудачу Астона,- что физические свойства этих двух газов значительно более близки, чем мы могли ожидать от их атомных весов". "Другой метод фракционирования, использованный г. Астоном, был более успешным и состоял в том, что смеси газов предоставлялась возможность диффундировать через пористое вещество, подобное мундштуку глиняной трубки для табака. Легкая составляющая диффундирует быстрее, чем тяжелая, и таким путем он получил достаточное изменение в пропорции между двумя газами, чтобы произвести заметное изменение в яркости обоих линий на фотографии положительных лучей и изменение плотности, достаточно большое, чтобы можно было обнаружить кварцевыми весами. Однако различия в спектре смеси не наблюдалось и это в соединении с неудачей разделения газов с помощью кокосового угля дает основание подозревать, что оба газа, несмотря на различные атомные веса, не могут различаться по своим химическим и спектроскопическим свойствам. Имеются различные продукты радиоактивных превращений, такие, как радиосвинец, и торий, которые имеют различные атомные веса и предполагаются неотделимыми друг от друга с помощью химических процессов".

Таким образом, в лаборатории К.авендиша в Кембридже также было сделано фундаментальное открытие. Были открыты изотопы неона (хотя название "изотопы" было введено Содди в связи с радиоактивными элементами в том же, 1913 г., после выхода книги Томсона), положено начало электромагнитному и диффузному методу разделения изотопов. Война прервала эти фундаментальные исследования, которые возобновились только в 1918 г.

Следует остановиться еще на одних важных исследованиях положительных лучей, проводившихся уже не в Кембридже, а за пределами Англии. Речь идет об открытии И. Штарком эффекта Допплерав каналовых лучах. Штарк исследовал спектроскопически (1905) свечение положительных лучей, проходящих через газ при давлении порядка 6 мм рт. ст. Поток лучей, прошедших через отверстие в катоде, производил при таком давлении в газе, находящемся за катодом, значительное свечение. Штарк исследовал это свечение в водороде спектроскопом, когда луч зрения образовывал прямой угол с направлением положительных лучей и когда луч зрения приблизительно совпадал с направлением этих лучей. В первом случае линии спектра занимали нормальное положение. Во втором случае он нашел, что, хотя линии оставались в нормальном положении, они были расширены по направлению к фиолетовому концу спектра, когда положительные частицы приближались к спектроскопу, и к красному концу, когда они удалялись от спектроскопа. Это указывало, что частицы, излучающие свет, двигались со скоростью, достаточной, чтобы получить заметный эффект Допплера. Изменение длины волны Δλ для волн длиной λ, испускаемых источником, движущимся к наблюдателю со скоростью v по принципу Допплера, дается уравнением

Тот факт, что линия расширилась в полосу, показывает, что имеется целая область скоростей, что совпадает с результатами Томсона, наблюдавшего фотографии парабол, соответствующих различным скоростям частиц.

Опыты Штарка показывают, что источником линий спектра являются компоненты положительных лучей. Возникает вопрос, какие из компонент: положительные или отрицательно заряженные атомы или нейтральные атомы, положительные или отрицательно заряженные или нейтральные молекулы - ответственны за линии в спектре. Все существовавшие в то время теории были согласны в том, что ответственными за линии водородного спектра являются атомы; однако, по Вину, излучают нейтральные, а по Штарку, положительно заряженные атомы. Томсон выдвигал теорию, что свет производится частицами, только что нейтрализованными путем соединения с отрицательными корпускулами. "Корпускулы падают на положительно заряженный атом, и энергия, полученная при падении, излучается наружу, как свет",- пишет Томсон в своей книге "Лучи положительного электричества". По этой теории интенсивность света должна быть пропорциональна числу рекомбинации положительных ионов и отрицательных корпускул (электронов). Обрабатывая эту идею математически, Томсон получил объяснение некоторых фактов, наблюденных Штарком.