Век с электроном

А. В. Кузнецов

Введение

30 апреля 1997 года, исполнилось 100 лет со дня доклада, сделанного в Британском Королевском институте в Лондоне директором Кавендишской лаборатории (она находится в Кембридже) Джозефом Томсоном (Thomson). Тот день принято считать датой объявления об открытии электрона одном из самых значительных открытий в истории физики. Действительно, это было открытие первой из элементарных частиц, это было открытие "атома" отрицательного электричества, это было рождением электроники - важнейшей отрасли науки и техники ХХ века.

Как всякое крупное достижение физики, открытие электрона имело долгую предысторию и многочисленные последствия. Оно было победой (правда, неокончательной) атомизма, и в этом смысле о нем можно говорить как о первом прямом экспериментальном подтверждении идей, высказанных Левкиппом (V в. до н. э.) и Демокритом (V - IV в.в. до н. э.) еще в Древней Греции, идей, преданных потом забвению на протяжении двух тысяч лет и вновь введенных в научный обиход в XVII в. Пьером Гассенди (1592 - 1655г) по-прежнему на умозрительном уровне. В XIX в. появляются косвенные экспериментальные свидетельства в пользу атомизма. Это закон кратных отношений, установленный в 1803г. Джоном Дальтоном (Dalton, 1766 - 1844); это броуновское движение, открытое в 1827 г. Робертом Броуном (Brown, 1773 - 1858); это законы электролиза, найденные на опыте Майклом Фарадеем (Faraday, 1791 - 1867) в 1833 - 34 годах (кстати, Фарадей в течение 54 лет работал как раз в королевском институте).

Напомним читателю, который, возможно, не является физиком или химиком, о сущности этих законов и явлений.

Закон кратных отношений

В законе кратных отношений имеется в виду отношение масс простых веществ (элементов), способных в результате химической реакции образовать соединение. Например, 2 г водорода могут соединиться с 16 г кислорода и образовать 18 г воды. Те же два грамма водорода при других условиях могут соединиться и с 32 г кислорода и образовать перекись водорода. Если же мы пропустим искровой разряд через находящуюся в замкнутом сосуде смесь 2 г водорода и 20 г кислорода (и вызовем этим химическое соединение водорода и кислорода), то после этого мы обнаружим в сосуде 18 г воды и 4 г кислорода, не соединившегося с водородом. Вообще отношение масс m1 и m2, образующих соединения элементов, всегда кратно некоторому характерному для данных элементов отношению целых чисел A1 и А2, независимо от способа синтеза и значений m1 и m2:

здесь р = 1,2, ....

Скажем, при образовании поваренной соли отношение масс mNa натрия и mCl хлора равно 23/35 ( р = 1, ANa=23, ACl = 35).

Дальтон предложил такое объяснение закону кратных отношений. Элементы состоят из мельчайших, далее неделимых частичек - атомов. Атомы данного элемента одинаковы, и при химических реакциях вступают в соединение с одним, двумя, тремя и т.д. атомами других элементов, образуя молекулы. Отношение A1/A2 определяет отношение масс атомов двух элементов.

Открывший броуновское движение Р. Брoун был по специальности ботаником. Он наблюдал в микроскоп взвесь цветочной пыльцы в воде и заметил, что отдельные частички пыльцы находятся в безостановочном хаотическом движении. Тщательно исследовав это явление, Р. Брoун установил все его основные закономерности, но не смог указать его причину. Только полвека спустя ряд физиков высказали мнение (оно полностью подтвердилось позднее), что броуновское движение обусловлено непрерывными случайными столкновениями броуновской частицы с молекулами жидкости, в которой частица взвешена.

Под электролизом, как известно, понимается совокупность явлений, сопровождающих прохождение электрического тока через проводники, подвергающиеся вследствие этого химическому разложению. Также проводники называют электролитами. Металлическая пластина, по которой ток входит в электролит, называется анодом. Пластина, по которой ток уходит из электролита, называется катодом. Терминология эта была введена самим М. Фарадеем. Он же установил, что масса m выделившегося на электроде вещества прямо пропорциональна прошедшему через электролит в ходе электролиза заряду Q, относительной атомной массе вещества A и обратно пропорционально валентности этого вещества n:

Здесь С - коэффициент пропорциональности, один и тот же для всех веществ. Очевидно, (2) можно переписать в форме

наталкивающей на мысль о существовании атома электричества. Действительно, из (3)следует, что проходящий через электролит заряд Q кратен ( n = 1,2,3 ...) числу выделившихся на электроде атомов. Это можно объяснить, если считать, что существует атом электричества е, способный соединяться с атомами вещества, в количестве е, 2е, 3е и т.д, или наоборот, отделяется от атомов, образуя соответственно отрицательные или положительные ионы. К такому заключению пришел в 1881 г Герман Гольмгольц (Helmhgoltz , 1821 - 1894). 16 февраля он прочел в Королевском институте доклад "Современное развитие взглядов Фарадея на электричество". В частности, он сказал: "Если мы примем гипотезу, что простые вещества состоят из атомов, мы не можем избежать заключения, что и электричество, как положительное, так и отрицательное, разделяется на определенные элементарные порции, которые ведут себя подобно атомам электричества".

В результате этого развития идей в конце XIX в многие физики верили в дискретность вещества и электричества. Например, начиная с 1880 года, Хендрик Лоренц (Lorentz, 1853-1928) успешно развивал электронную теорию как теорию электрических, магнитных и оптических свойств вещества на основе представления о веществе как о совокупности движущихся дискретных электрических зарядов. Существовал и термин "электрон" для атома электричества, предложенный в 1891 году Джонстоном Стонеем (Stoney, 1826-1911). Но многие другие физики, и с очень громкими именами, не признавали атомизм и имели на это право из-за отсутствия прямых наблюдений и измерений размеров, массы и заряда атомов (ионов и электронов). Такого рода измерения и были проделаны в работах, о которых докладывал Томсон в Королевском институте. Впрочем о том, насколько прямыми являются наши наблюдения атомов и электронов и сегодня, сто лет спустя, можно спорить.

Работы Томсона

Работы Томсона занимали свое место в последовательности достаточно специальных работ по изучению прохождения электрического тока через газы, начатых еще Фарадеем в 1838 году. Ни Фарадей, ни Юлиус Плюккер (Plucker, 1801-1868), немецкий физик, открывший в 1859 году так называемые катодные лучи, не могли, по-видимому, предположить, что их работы будут частью предыстории электрона. Но именно так оказалось спустя практически еще сорок лет после Плюккера, лет, которые были заполнены упорным и искусным трудом многих и многих экспериментаторов. Достаточно упомянуть об открытии рентгеновских лучей и радиоактивности, которые тоже были необходимы для продвижения исследований газовых разрядов, не говоря уже о придании нового качества насосам, использовавшимся для создания вакуума в газоразрядной трубке, умении впаять электроды в стекло и других технических проблемах.

В этом ряду следует называть и имя немецкого изобретателя, механика Генриха Гейсслера (1815-1879). Он работал механиком в Боннском университете и сотрудничал с Ю. Плюккером, снабжая его инструментами. Именно Гейсслер в 1855г изобрел ртутный вакуумный насос, а в 1858 г названную позднее его именем трубку с разряженным газом и двумя впаянными в стекло электродами. Использование Ю. Плюккером трубки Гейсслера создало качественно новую ситуацию в исследовании газового разряда. До этого разряд наблюдался либо при атмосферном давлении (760 мм. рт. столба, или 101325 Па) как просто электрическая искра, либо при давлении 10 мм. рт. столба или 1333,2 Па, как в опытах М. Фарадея, который указал на большое значение работы по улучшению откачки для изучения газового разряда. Трубки Гейсслера позволили понизить давление еще на 4 порядка.

Перейдем к обсуждению опытов самого Томсона по изучению катодных лучей. Название этих лучей связано с тем, что они испускаются катодом - отрицательно заряженным электродом газорязрядной трубки. Как мы уже говорили, газоразрядная трубка представляет собой стеклянный сосуд, в который впаяны электроды и где находится сильно разреженный газ. На рисунке изображена электрическая цепь, содержащая газоразрядную трубку. Обозначения: A - анод, K - катод, i - символ электрического тока, Л - катодный луч.

Катодные лучи были открыты Ю.Плюккером по зеленоватому свеченнию стекла части трубки, расположенной напротив катода. На самом деле Плюккер только заметил это свечение и обнаружил, что светящаяся область перемещается под влиянием магнитного поля. Гипотеза о том, что свечение вызывается лучами, испускаемыми катодом, и ее экспериментальное подтверждение, а также само название "катодные лучи" принадлежат другим исследователям - У.Круксу (Crookes, 1832-1919), И.Гитторфу (Hittorf, 1824-1914), Э.Гольдштейну (Goldstein, 1850-1930).

Таким образом, катодные лучи представляли собой побочный эффект, обнаружившийся при исследовании основного явления - электрического тока (разряда) через газ. Но постепенно возникшая дискуссия о природе катодных лучей стала привлекать к себе все большее внимание физиков. Томсон сначала занимался собственно разрядом, пытаясь разобраться в механизме проводимости в газах. С 1894 года он концентрируется на изучении катодных лучей. Лучи наблюдаются, конечно, только при наличии разряда. Долгое время для обеспечения разряда экспериментаторы либо сильно нагревали газ, либо создавали очень большие электрические поля. В этих условиях проведения точных измерений было весьма трудным делом. Иногда части установки Томсона просто раплавлялись. Сейчас мы хорошо знаем, что роль высокой температуры газа или больших полей заключается в том, что под их воздействием нейтральные атомы газа, распадаются на электроны и положительно заряженные ионы, способные в электрическом поле двигаться соответственно к аноду и катоду. Иными словами, температура и сильное поле ионизируют газ, но это - неодубные при экспериментировании ионизаторы.

В 1895 году В. Рентген (Rontgen, 1845-1923) открыл рентгеновские лучи, которые он сам назвал Х-лучами, а в 1896 г A. Беккерель (Becquerel, 1852-1908) обнаружил естественную радиактивность. Томсон сразу стал использовать рентгеновское и радиактивное излучение как ионизаторы и обнаружил, что это позволяте производить многие ранее невыполнимые опыты. "К моему великому восторгу, - писал он о рентгеновских лучах,- они делали газ проводником тока, даже если электрическая сила приложенная к газу, была чрезвычайно мала. Х-лучи, казалось, превращали газ в газообразный электролит". В результате исследования и разряда, и катодных лучей стали быстро продвигаться вперед.

После открытия катодных лучей возникли два взгляда на их природу. Некоторые исследователи ( в основном немецкие, и, в частности, знаменитые Г. Герц (Hertz, 1857-1894) и Ф. Ленард (Lenard, 1862-1947) считали, что лучи имеют волновую природу. Другие (в основном англичане) считали,что лучи представляют собой поток заряженных частиц. Для нас особенно интересна работа А. Шустера (1851-1934), так как, обобщая именно его опыты, Томсон окончательно доказал корпускулярную (электронную) природу катодных лучей. В своих экспериментах 1884 года А. Шустер помещал газоразрядную трубку во внешнее магнитное полеи, наблюдая отклонение лучей полем от прямолинейного движения, сумел вычислить удельный заряд (т.е. отношение заряда е к массе m) частицу, из которых гипотетически лучи и состоят. Он получил близкое к истинному ( на порядок ниже истинного) значения e/m, но, к сожалению, не сумел правильно интерпретировать результат, продолжая считать катодные лучи потоком. Томсон использовал в своих опытах не только магнитное, но и электрическое поле, и значительно поднял точность экспериментов.

Обсудим теперь схему опытов Томсона. Он вводил в газоразрядную трубку конденсатор, между пластинами П которого проходил выделенный диафрагмой Д катодный луч.

Если на конденсатор не подано напряжение, то луч вызывает свечение экрана (покрытой люминафором части трубки) в точке a. Если же на конденсатор подать напряжение, создающее между его пластинами электрическое поле с напряженностью E, то местом падения луча будет точка b. Направление смещение луча сразу говорит об отрицательном заряде частиц катодных лучей. Величину смещения луча S после прохождения пластин длиной l нетрудно связать с величиной поля Е и удельным зарядом e/m. Действительно, ускорение a, сообщаемое частицей в поле Е, равно

a = eE/m. (4)

Геометрия опыта такова, что составляющая V скорости луча вдоль пластин конденсатора не меняется, каким бы ни было по величине поле E перпендикулярное скорости луча (составляющих его частицу) v. Время пролета частиц через конденсатор равна следоватльно

t = l/v. (5)

Значит, смещение

Из (6) мы находим что

Величина S легко определяется по смещению луча из точки a в точку в с привлечением только сведений о геометрии установки (после конденсатора лучи распространяются прямолинейно). Поэтому для определения e/m необходимо еще найти скорость v.

А. Шустер в своих опытах сталкивался с той же проблемой. Он помещал газоразрядную трубку в магнитное поле на рисунке изображена газоразрядная трубка в магнитном поле, индукция которого B направлена перпендикулярно плоскости чертежа.

Составляющие луч частицы оказывались подвержены действию силы Лоренца и пятно на экране смещалось из точки a в точку с. Только теперь траектория частиц в области, где есть магнитное поле, оказывается частью окружности,а не параболы, как было в случае электрического поля, ибо сила Лоренца все время перпендикулярна скорости и может менять ее только по направлению. Но это не мешает выразить e/m через величину индукции поля B, смещение луча из точки a в точку с и скорость лучей v. Шустер предложил определить v, полагая что кинетическая энергия частиц, составляющих луч, целиком определяется тем, что они проходят разность потенциалов U между анодом и катодом, то есть он находил U из соотношения

где V известно экспериментатору. Для выражения e/m через измеримые величины он подставлял

в свое выражение, аналогичная формула (7). Томсон мог бы подставить (9) в свою формулу (7). Но, желая повысить точность измерений, он воздействовал на луч одновременно электрическим и магнитным полями, добиваясь того, чтобы луч не испытывал смещения. В этом случае электрическая и магнитная силы компенсируют друг друга и можно записать соотношение

eE = evB. (10)

Из (10) следует, что

v = E/B. (11)

Этот красивый компенсационный метод определения v гораздо точнее приблизительно го метода Шустера.

Что же дали измерения Томсона ? Он сам, называя еще электрон "ионом катодных лучей", писал: "Когда мы рассматриваем электрический заряд, несомый ионом в катодных лучах, мы, принимая, что он равен по модулю заряду, несомому водородным ионом при электролизе, заключаем, что масса водородного иона должна быть в 770 раз больше массы иона в катодных лучах; следовательно, носитель отрицательного электричества в этих лучах должен быть очень малым по сравнению с массой водородного атома". Результат был очень неожиданным. Томсон совершенствует методику измерений, меняет вещество катода, газ в трубке, способы эмиссии (изучает фотоэффект, термоэмиссию) - и убеждается что всегда сталкивается с одними и теми же частицами. Он пишет: "атомы не неделимы, отрицательно заряженные частицы могут вылетать из них под действием электрических сил, удара быстро движущихся атомов, ультрафиолетового света или тепла";

"...все эти частицы одинаковой массы и несут одинаковый заряд отрицательного электрическтва от любого рода атомов, и они являются составной частью всех атомов";

"...масса этих частиц меньше однатысячной массы атома водорода."

Томсон еще не использует термин "электрон", количественно его результат довольно далек от современного значения (как известно, масса протона mp = 1,6710-27 кг, а электрона me = 0,911030 кг, так что по современным данным me/mp = 1835; напомним здесь и величину заряда электрона e = 1,610-19 Кл, но он уверен в существовании электрона-частицы, качественно отличающейся от атома. Не сразу, но с течением времени все физики прониклись этой уверенностью, и наука ХХ века без идеи электрона просто немыслима. Электрон стали использовать при построении моделей атомов (первую модель предложил сам Томсон). Выяснилось, что движение электрона в атоме нельзя описать на языке классической физики - пришлось создавать квантовую механику. Оказалось, что электрон обладает каким-то внутренним движением, проявляющимся в существовании у него так называемого спина. Была обнаружена античастица, сопоставляемая электрону - позитрон. Электронная теория твердых дел стала теоретической основной для технологий, дающих возможность создавать самую современную технику. Газоразрядная трубка превратилась в электронные лампы и электронно-лучевые трубки. Как мы уже говорили, последствия открытия электрона трудно даже просто перечислить.

В 1906 году Дж. Дж. Томсон получил Нобелевскую премию по физике за "Теоретические и экспериментальные исследования прохождения электричества через газы".

В заключении несколько слов о Джозефе Джоне Томсоне. Он родился 18 декабря 1856 года в Манчестере, в семье торговца книгами. В 1876-1880 годах учился в Кембридже, в Тринити - колледже, знаменитом тем, что в нем двумя веками раньше был профессором Ньютон. По окончании университета Томсон был принят на работу в тогда совсем молодую Кавендишскую лабораторию. Она открылась 16 июня 1874 года и была так названа потому, что деньги на ее строительство дал герцог Кавендиш, потомок знаменитого физика-любителя Генри Кавендиша (1731-1810). Выдающиеся способности Томсона привели к тому, что в 1884 году, в 28 лет он уже стал директором лаборатории (после Максвелла и Релея и перед Резерфордом) и оставался им до 1919 года. Разумеется он руководил научной работой многих молодых сотрудников лаборатории, позднее отзывавшихся о нем с большой теплотой и огромной благодарностью. Среди его учеников шесть (!) лауреатов Нобелевской премии: Ф. Астон, Ч. Баркла, Г. Бегг, У. Вильсон, Э. Резерфорд, О. Ричардсон. В 1908 году Томсон был возведен в ранг рыцаря. Нобелевским лауреатом был и сын Дж. Дж. Томсона Джордж Паджет Томсон (1892-1975). Умер Томсон 30 августа 1940 г. Он похоронен в Вестминстерском аббатстве. Его вклад в физику никогда не будет забыт.

Список литературы

ЛитератураУ. И. Франкфурт, А. М. Френк. У истоков квантовой теории.-М.:Наука, 1975-168 с.

Л. И. Пономарев. Под знаком кванта.-М.:Советская Россия, 1984-352 с.

Ю. А. Храмов. Физика.-М.:Наука, 1983-400с.

С.П. Кудрявцев. Д.Д.Томсон.-М.: Просвещение, 1986-80 с.

С. П. Кудрявцев. История физики, т.3,-М.:Просвещение, 1971-424 с.