Матвей Бронштейн - Атомы и электроны
если е выражено в абсолютных единицах, а m (масса электрона) - в граммах. Это было хорошим подтверждением догадки Крукса о том, что катодные лучи - поток каких-то совершенно одинаковых частиц.
Из этого значения e/m Томсон сейчас же вывел совершенно поразительное следствие. Вспомним, что из фарадеевских законов электролиза мы получили N*e = 2,895*1014 абс. ед.
Но что такое N? Это - число атомов водорода в одном грамме водорода. Значит, масса атома водорода должна составить N-ю часть грамма. Если мы обозначим массу атома водорода буквой М, то окажется, что M=l/N. Поэтому умножить какое-нибудь число на N - это все равно что разделить его на М, и наоборот. Выходит, что формулу N*e=2,895-1014 абс. ед. можно еще написать в виде e/M = 2,895-1014 абс. ед.
Таким образом, число 2,895-10" есть отношение элементарного электрического заряда (т. е. заряда электрона), выраженного в абсолютных единицах, к массе атома водорода, выраженной в граммах. А число 5,307-10" есть отношение того же самого заряда электрона к массе уже не атома водорода, а самого электрона. Число 5,307*1017, как нетрудно сосчитать, примерно в 1840 раз больше числа 2,895*1014. Что это значит? У двух дробей e/m и e/М числители одинаковы, а между тем первая дробь в 1840 раз больше второй. Значит, знаменатель первой дроби в 1840 раз меньше знаменателя второй дроби. Иными словами, электрон в 1840 раз легче атома водорода, т. е. чуть ли не в две тысячи раз легче самого легкого из атомов. Итак, атом водорода не есть самая легкая частица в мире, как мы думали до сих пор: электрон гораздо легче его.
Для того чтобы понять всю огромную важность этого результата, полученного впервые Дж. Дж. Томсопом, вспомним следующее: в явлениях электролиза мы имеем дело с атомами, заряженными положительным и отрицательным электричеством, причем заряд каждого атома может равняться по величине одному, или двум, или трем и т. д. зарядам электрона. Электрон играет роль того «атома электрической жидкости», о котором говорил старик Франклин. Легко понять, каким образом атом вещества может иметь один, или два, или три отрицательных элементарных заряда: для того чтобы зарядить атом таким отрицательным зарядом, стоит только приклеить к нему один, или два, или три и т. д. электрона. Но как зарядить атом одним, или двумя, или тремя положительными зарядами? Для этого необходимо отнять у атома отрицательный заряд: ведь отнять отрицательный заряд - это все равно что прибавить положительный. Значит, нужно отнять у атома один, или два, или три и т. д. электрона. Выходит, что атом водорода, переносящий на себе в электролите один положительный элементарный заряд,- это есть атом водорода, у которого отнят электрон. Атом цинка, несущий два положительных элементарных заряда,- это атом цинка, у которого отняты два электрона, и т. д., и т. д. Но для того, чтобы можно было отнять у атома электроны, необходимо - так, по крайней мере, говорит здравый смысл,- чтобы они у него были.
Таким образом, мы приходим к взгляду на атом как на какую-то сложную систему, в состав которой входят электроны. У атомов можно оторвать один или несколько электронов - при этом образуется положительно заряженный «ион» (отрыв электронов от атома принято называть ионизацией, в. заряженный атом, который при этом образуется,- ионом; это греческое название, которое значит «передвигающийся», так как заряженный атом получает способность передвигаться в электрическом поле, чем и объясняется, например, передвижение атомов при электролизе). Если к атому добавить один или несколько электронов, получается отрицательно заряженный ион.
Все эти представления очень сильно отличаются от тех, которые были у Дальтона: ведь Дальтон считал, что атом является абсолютно неделимым на части, а теперь оказывается, что от атома сравнительно легко откалываются электроны. В сущности говоря, весьма забавно, что физические открытия в конце XIX и в начале XX века, те самые открытия, которые наконец-то дали физике убедительные доказательства реального существования атомов, вместе с тем поставили крест на старинной идее неделимости атомов: физики столкнулись с явлениями, в которых принимают участие осколки атомов - электроны. Атомы существуют, но совсем не обладают свойством неделимости. По этому поводу следует сказать, что уже Франклин, говоря об атомах электрического «флюида», тоже предполагал, что их можно извлекать из обыкновенных атомов вещества и прибавлять к обыкновенным атомам. Различие заключается в том, что «атомы электрической жидкости» у Франклина считались невесомыми, а на самом деле оказалось, что они обладают массой, хотя и очень небольшой (в 1840 раз меньшей, чем масса самого легкого атома). Поэтому, строго говоря, если мы от какого-нибудь атома отрываем один или несколько электронов, то масса его уменьшается; если же заряжаем его отрицательно, т. е. придаем один или несколько электронов, то его масса увеличивается. Однако не следует забывать, что масса электрона во много раз меньше массы даже самого легкого атома: если электрон и не оказался невесомым, как думал о нем Франклин, то все же мы можем его считать «почти невесомым». Вот почему, когда от атома оторван один или несколько электронов, мы не будем называть этот атом расколотым на части: было бы смешно употреблять это выражение, когда отколотые от атома_ куски в несколько тысяч раз легче, чем то, что осталось,- ведь мы же не говорим, что человек разрезан на части, когда ему обрили голову или остригли ногти, и именно потому, что масса отрезанных волос или ногтей во много раз меньше массы человека. Может ли существовать такой «тонкий и сильный агент» - как говорил в XVII столетии Роберт Бойль,- с помощью которого удалось бы действительно раздробить атом на части, т. е. оторвать от него осколок, не обладающий столь ничтожной массой, как электрон,- об этом мы узнаем дальше в этой книжке.
Итак, электроны, из которых состоят катодные лучи, являются вместе с тем обычной составной частью любого атома. Такое заключение сделал Томсон в полном согласии с гениальной гипотезой Крукса, и развитие физики в конце XIX и в начале XX столетия приносило все новые и новые подтверждения этого взгляда. Уже давно было известно, что все вещества обладают, в той или иной степени, магнитными свойствами, и еще в первой половине XIX столетия французский математик и физик Ампер объяснил магнитные свойства вещества тем, что атомы и молекулы окружены особыми электрическими токами. Теперь, после открытия электрона, эти «молекулярные токи» Ампера приняли гораздо более определенный и конкретный характер: для того чтобы объяснить существование этих токов, было достаточно предположить, что электроны, находящиеся внутри атомов, движутся;
движение электронов - это и есть текущий внутри атомов замкнутый электрический ток.
Известно было также, что ускоренное, переменное движение электрических зарядов должно вызывать в пространстве электромагнитные волны; в зависимости от длины волны эти электромагнитные волны воспринимаются нами то как радиоволны (когда длина волны составляет несколько метров или даже километров), то как волны видимого света (когда длина волны - равна десятитысячным долям миллиметра), то как волны ультрафиолетового света (длина волны еще меньше). После открытия электронов стало ясно, каким образом атом может испускать свет: он испускает свет вследствие того, что в нем электроны совершают неравномерное и переменное движение.
Этот естественный и правдоподобный вывод из открытия электронов, сделанный физиками, получил очень сильное подтверждение, когда голландский физик Зееман открыл, что стоит только поместить светящееся вещество в сильное магнитное поле, как сейчас же испускаемые им спектральные линии делаются двойными или тройными. В 90-х годах прошлого века другой голландский физик Лоренц очень остроумно математически показал, что так и должно быть в действительности, если спектральные линии испускается вследствие наличия заряженных частичек внутри атома. Мало того, Лоренц доказал, что из данных измерений, относящихся к открытому Зееманом явлению, можно вычислить e/m - отношение заряда к массе - для тех заряженных частиц, движение которых внутри атома приводит к испусканию спектральных линий. В результате подсчета получилось совершенно такое же e/m, как у Дж. Дж. Томсона в его опытах над отклонением катодных лучей в магнитном и в электрическом полях. После этого физики окончательно поверили в то, что те же самые электроны, которые в разрядной трубке мчатся с большими скоростями от металлического катода,- те же самые электроны существуют и внутри атомов водорода, железа, серы, золота и всех вообще химических элементов на свете.
Открытие электронов также помогло физикам понять,,, что происходит в металле, когда по нему проходит электрический ток; способность металлов проводить электрический ток без какого бы то ни было заметного переноса массы и без химического изменения в самом металле получила соответственное объяснение, заключающееся в следующем: в атомах металла существует некоторое количество электронов, которые сравнительно легко отрываются от своих атомов, переходя от своего атома к соседнему и т. д. Такие электроны, легко отрывающиеся от атомов металла, получили название электронов проводимости. Они переходят от одного атома к другому, сравнительно легко передвигаясь по всему объему металла. Передвижение таких электронов в металле под влиянием электрического поля - это и есть электрический ток. Мы могли бы сравнить электроны проводимости в металле с воздухом, находящимся в порах какого-либо пористого вещества (например, губки): если сделать так, чтобы с одной стороны губки давление воздуха было больше, чем с другой, то воздух начнет продавливаться или просачиваться через губку, причем отдельные, частицы воздуха будут описывать весьма извилистые пути, сталкиваясь друг с другом и, в общем, следуя очертаниям пор внутри губки. Поток электронов через металл должен быть похож на такой ток воздуха через пористое вещество, так как скорости отдельных электронов могут быть направлены в какую угодно сторону и только в среднем должно получаться просачивание «электронного газа» через металл.
