Страница 7 из 93
Мы знаем теперь два вида спектров: сплошной (или тепловой) и линейчатый. Тепловой спектр содержит все длины волн, излучается он при нагревании твердых тел и не зависит от их природы. (Именно этот спектр описывается формулой Планка.) Линейчатый спектр состоит из набора отдельных резких линий, возникает при нагревании газов и паров (когда малы взаимодействия между атомами), и — что особенно важно — этот набор линий уникален для любого элемента. Более того, линейчатые спектры элементов не зависят от вида химических соединений, которые из этих элементов составлены. Следовательно, причину и объяснение спектров надо искать в свойствах атомов.
То, что элементы однозначно и вполне определяются видом линейчатого спектра, вскоре признали все; но то, что этот же спектр характеризует отдельный атом, осознали не сразу, а лишь в 1874 г. благодаря работам знаменитого английского астрофизика Нормана Локьера (1836—1920), хотя еще раньше те же мысли высказывали Максвелл (1860 г.) и Больцман (1866 г.). А когда осознали, сразу же пришли к неизбежному выводу: если линейчатый спектр возникает как следствие процессов внутри атома, то атом должен иметь структуру!
ионы
В 1865 г., когда появились работы Йозефа Лошмидта, об атомах знали немного: их представляли себе в виде твердых шариков с диаметром 10“8 см и массой от 10 24 до 10“22 г. Каждому такому «шарику» приписывали «атомный вес» — число, которое показывает, во сколько раз он тяжелее атома водорода. Например, атомный вес кислорода равен 16, а гелия — 4. Отсюда просто заключить, что в I г водорода, в 4 г гелия или в 16 г кислорода содержится одинаковое число атомов водорода, гелия, кислорода. Это число = = 6,022* 1023 (названное числом Авогадро в честь итальянского ученого XIX века) связано с числом Лошмидта соотношением
NA = L*22 414,l,
то есть число Авогадро равно числу молекул газа в объеме 22,4 л при температуре таяния льда и нормальном атмосферном давлении.
Представлений об атомах — твердых шариках — было достаточно для объяснения многочисленных фактов из химии, теории теплоты и строения материи. Однако уже к 1870 г. вполне оформилась мысль, что атом состоит из еще более простых частиц, и физики принялись их искать. Прежде всего они стали исследовать электрические свойства атома.
Все вещества, как правило, электрически нейтральны (если, конечно, специально не натирать стекло шелком, янтарь шерстью и тому подобное). Однако при некоторых условиях они обнаруживают электрические свойства, например в явлениях электролиза.
Если в расплав какой-либо соли (например, поваренной NaCl) опустить два электрода и подключить их к полюсам батареи, то в расплаве произойдут изменения: на катоде (электроде, который подключен к отрицательному полюсу батареи) начнет выделяться чистый металл натрий, на аноде — газ хлор. Это означает, что в расплаве атомы натрия
заряжены положительно, а атомы поэтому под действием электрического поля они двигаются в противоположных направлениях.
хлора — отрицательно, и
Майкл Фарадей (1791 —1867) в 1834 г. установил количественные законы этого явления. Оказалось, что если через растворы различных веществ, молекулы которых построены из одновалентных атомов, пропускать одно и то же количество электричества, равное
96 485 Кл =2,895*1014 ед. СГСЭ,
то на электродах всегда выделяется одинаковое число атомов, равное 6,022*1023. Масса выделившегося вещества будет при этом, конечно, разной, поскольку массы атомов различаются между собой. Например, из расплава соли при этом выделится 23 г металла натрия и 37,5 г газа хлора. Величина, равная произведению постоянной Авогадро Nk на элементар-‘ ный электрический заряд электрона е, называется постоянной
Фарадея:
F = NA е=96 485,3 Кл/моль.
Закон электролиза Фарадея легко понять, если предположить, что в расплаве NaCl с каждым атомом связан определенный заряд, причем для ионов Na+ и Сl- эти заряды равны и противоположны по знаку. (Название ион — «странник» — таким «заряженным» атомам дал Фарадей по совету известного историка науки Уильяма Уэвелла (1794—1866), автора знаменитой «Истории индуктивных наук», который предложил также термины анион и катион и столь привычные теперь анод и катод.)
Зная закон Фарадея, не составляет труда вычислить заряд, который переносит с собой каждый одновалентный ион; легко сообразить, что он равен
e=F/NA=4,806*10-10 ед. СГСЭ.
Это значение очень мало, но мы уже немного привыкли к таким малым числам. Более удивительно другое: заряда меньшего, чем этот элементарный заряд е, обнаружить в природе до сих пор не удалось. С легкой руки Джонстона Стонея (1826—1911) в 1891 г. это наименьшее количество заряда получило название «электрон».
ЛУЧИСТАЯ МАТЕРИЯ
Первоначально со словом «электрон» не связывали понятия о частице. Оно служило лишь для обозначения того наименьшего количества заряда, которое может переносить с собой ион любого атома. Однако подспудно мысль о том, что электрон — частица, всегда жила. Действительно, проследите мысленно процесс электролиза: вот ион натрия Na+, двигаясь
в расплаве под действием электрического поля, подходит к катоду; на катоде избыток отрицательных зарядов, поэтому в момент, когда ион Na+ его касается, он забирает от катода один отрицательный заряд и, не меняя массы, выделяется в виде нейтрального атома натрия. Попробуйте теперь вообразить сам момент перехода отрицательного заряда от катода к иону Na + : что добавляется к иону, когда он без изменения массы становится нейтральным?
Представить себе этот процесс довольно трудно, если не предположить при этом, что элементарный заряд может существовать и вне атома. Эту трудность сознавали, конечно, все, но признать атомарное строение электричества было еще труднее, ибо при этом рушились удобные и привычные представления об электричестве как о неком тонком флюиде, который без труда проникает во все тела. Уже Максвелл в своем знаменитом трактате «Электричество и магнетизм» (1873 г.) допускал, что в электролите молекулы заряжены определенным количеством электричества, однако тут же добавлял, что «эта соблазнительная гипотеза приводит к очень большим затруднениям».
16 февраля 1881 г. в Королевском институте на собрании Химического общества, посвященном чествованию памяти Майкла Фарадея, Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (1821 —1894) прочел доклад «Современное развитие взглядов Фарадея на электричество». В докладе Гельмгольц впервые отчетливо сформулировал мысль о «молекулярном строении электричества»: «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».
Конечно, сама по себе эта мысль даже в то время не была новой. Еще в 1749 г. великий американец Бенджамен Франклин (1706—1790) подозревал нечто похожее, хотя тогда его догадка, в сущности, не имела никаких оснований, а потому и не привела к новым следствиям. В 1871 г. к мысли Франклина возвратился немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер (1804—1891), но сочувствия не встретил: в его время об электричестве знали уже так много, что на веру гипотез не принимали. Нужны были экспериментальные доказательства идеи об электроне. Их стали искать в явлениях проводимости газов.
Представьте себе стеклянную трубку, наполненную каким-либо газом (например, неоном) и запаянную с обоих концов вместе с проволочками (обычно — плати новыми )>
31
Если мы обе эти проволочки присоединим к разным полюсам батареи: одну к отрицательному (катоду), а другую — к положительному (аноду), то по цепи пойдет ток совершенно так же, как и в случае с электролитом. Вероятно, именно эта аналогия с явлениями электролиза и побудила Фарадея в 1838 г. построить прообраз такой трубки («электрическое яйцо» Фарадея). Как мы увидим позже, аналогия была чисто внешней, но явление проводимости газов оказалось настолько интересным, что многие исследователи посвятили жизнь изучению его свойств.