Атомы и электроны

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 всё новые и новые подтверждения этого взгляда. Уже давно было известно, что все вещества обладают, в той или иной степени, магнитными свойствами, и ещё 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 определённый 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 ещё меньше). После открытия электронов стало ясно, каким образом атом может испускать свет: он испускает свет вследствие того, что в нём 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 подсчёта 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 объёму 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 начнёт продавливаться или просачиваться через губку, причём 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.

В этой картине электрического тока, проходящего через металл, наиболее существенным является представление о том, что передвигаются отрицательно заряженные частицы (электроны), а положительно заряженные (остатки атомов, от которых оторваны эти электроны) стоят на месте. Именно так возникает представление об электронном газе, частицы которого (т. е. электроны) шныряют с разнообразными скоростями в промежутках между атомами металла и, время от времени сталкиваясь с этими атомами, отскакивают от них, как мячики. Если приложить к металлу извне электрическое поле, то все частицы электронного газа получат добавочную скорость в определённом направлении и весь электронный газ будет (более или менее быстро, в зависимости от силы поля) просачиваться в этом направлении, встречая сопротивление со стороны атомов металла. Атомы заставляют электроны отскакивать от них и тем самым приводят к тому, что скорость просачивания электронного газа не растёт беспредельно, но достигает некоторой конечной величины. Совершенно понятно также, почему металл нагревается при прохождении электрического тока: сталкиваясь с атомами металла, электроны всячески раскачивают эти атомы, отдавая им ту энергию движения, которую они сами приобрели в электрическом поле; атомы начинают быстрее колебаться около своих положений равновесия, а мы воспринимаем это как увеличение температуры металла.

Пожалуй, наиболее непосредственным подтверждением правильности этой картины является замечательный опыт американских физиков Стюарта и Толмена, проделанный в 1916 году. Остроумная идея, которая пришла им в голову, заключается в следующем: металлическая катушка, не соединённая ни с каким источником электрического тока, приводится в очень быстрое вращение, а затем её внезапно и очень резко останавливают. Если в металле действительно существуют «свободные» электроны, т. е. электроны, легко перемещающиеся в промежутках между атомами и шныряющие от одного атома к другому, то после внезапной остановки катушки они будут в течение некоторого (очень короткого) времени двигаться по инерции, в то время как атомы катушки уже успели остановиться, — таким же точно образом, как люди, стоящие в трамвае, невольно делают шаг вперёд, когда вагоновожатый слишком резко тормозит вагон. Это значит, что в первые мгновения после остановки катушки по ней будет бежать кратковременный ток: направление этого тока легко предсказать заранее, исходя из того, что отрицательно заряженные электроны будут продолжать бежать вперёд но направлению первоначального вращения катушки. Стюарт и Толмен измерили такой ток электронов и даже сумели вычислить на основании своих измерений отношение e/m для тех частиц, передвижение которых в металле создаёт электрический ток. Это отношение оказалось таким же самым, какое получил Томсон для электронов, входящих в состав катодных лучей в разрядных трубках. Этим был подтверждён тот взгляд, согласно которому электроны катодных лучей ничем не отличаются от электронов, переносящих электрический ток в металле.

Но и задолго до этого опыта Стюарта и Толмена не было недостатка в доказательствах того, что внутри металла имеются обыкновенные электроны. Одним из таких доказательств был так называемый «фотоэффект». Это явление, впервые открытое Генрихом Герцем (знаменитым изобретателем радиотелеграфа) и подробно исследованное многими другими физиками, заключается в том, что при освещении ультрафиолетовым (а в некоторых случаях и видимым) светом металлы становятся положительно заряженными. Внимательное изучение этого явления показало, что металл потому становится положительно заряженным, что с его поверхности светом вырываются отрицательно заряженные частицы. Дж. Дж. Томсон измерил отношение e/m для этих частиц по такому же способу, какой он применял раньше к катодным лучам, и получил такое же самое значение, как для электронов катодных лучей. Отсюда ясно, что частицы, вырывающиеся из металла при освещении ультрафиолетовым светом, — это есть те же электроны.