Страница 13 из 41
Из анализа этих уравнений он смог сделать важный вывод: любое возмущение, названное им электромагнитной волной, обязанное существованию электрического и магнитного полей, должно распространяться в пространстве со скоростью 3∙108 м/с, т. е. со скоростью света.
Что это, случайное совпадение? Нет, Максвелл не верил в случайность. Он стремился в разных явлениях найти взаимную связь. И он сделал такой вывод: если электромагнитные волны движутся со скоростью света, значит свет — это тоже электромагнитная волна.
Примерно в 1885 г. Г. Герц (1857–1894) наряду с другими исследованиями попытался получить более точные теоретические обоснования уравнений Максвелла. Однако некоторые экспериментальные данные, полученные в то время, не могли быть объяснены. В частности, на протяжении XIX в. продолжались эксперименты по электролизу и предпринимались попытки построения теории для объяснения этих экспериментов. В 1881 г. немецкий ученый Гельмгольц писал: «Если мы примем гипотезу атомной структуры элементов, мы не можем не прийти к выводу о том, что электричество (как положительное, так и отрицательное) также разделяется на элементарные порции или атомы электричества».
Так существуют ли все же атомы электричества?
Изучая ионы различных веществ, ученые никогда не обнаруживали ионов с дробным элементарным зарядом.
Казалось бы, существует элементарный электрический заряд, который уже не делится на более мелкие части, или, другими словами, в природе действительно есть электрические атомы.
С помощью сконструированного прибора удалось доказать, что предполагаемый «электрический атом» несет в себе целое число элементарных зарядов, получивших название электронов. Однако природа электрона была все же не ясна.
В 1838 г. Фарадей, пропуская ток от электростатической машины через стеклянную трубку с воздухом при низком давлении, наблюдал фиолетовое свечение, исходящее из положительного электрода (анода). Это свечение распространялось почти до самого отрицательного электрода (катода) на другом конце трубки. Сам катод также светился, а между светящимся катодом и фиолетовым столбом имелось темное пространство.
НЕ ОТСЮДА ЛИ БЕРЕТ НАЧАЛО МНОГОЦВЕТЬЕ ВЕЧЕРНИХ УЛИЦ НАШИХ ГОРОДОВ?
Фиолетовый столб — это «дедушка» современных неоновых и флуоресцентных световых трубок. Окраска испускаемого такой трубкой света зависит от вида заполняющего ее газа. Неон при давлении приблизительно в одну сотую атмосферы испускает яркий оранжевый свет при пропускании через него тока, гелий — розовато-белый, пары ртути — зеленовато-голубой.
НАБЛЮДЕНИЕ ФАРАДЕЯ ПРИВЕЛО К СЕРЬЕЗНЫМ ТЕОРЕТИЧЕСКИМ ВЫВОДАМ.
Дальнейшие исследования показали, что между катодом и анодом распространяется излучение (названное катодным), представляющее собой поток электронов. Было установлено, что пробег катодного излучения в воздухе при нормальном давлении и нормальной температуре составляет примерно 1 см, и сделано смелое предположение: излучение состоит из частиц, являющихся компонентами атомов всех элементов.
Дж. Дж. Томсон писал: «Таким образом, катодные лучи представляют собой новое состояние вещества, существенно отличное от обычного газообразного состояния…; в этом новом состоянии материя представляет собой вещество, из которого построены все химические элементы».
Лоренц и Зееман предположили существование внутри атома маленьких заряженных частиц, вращающихся по орбитам внутри атома и способных испускать электромагнитные волны, к которым относится и свет.
На основании полученных уширенных спектральных линий удалось оценить значение отношения заряда к массе (е/m) предполагаемой составной частицы атома.
Было установлено, что действительная масса находящейся в атоме частицы составляет около 1∙10-8 массы атома. Примерно такая же масса получилась в расчетах Томсона для носителей электричества в катодных лучах.
1897 год, когда впервые была измерена масса электрона, принято считать датой открытия электрона.
ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА ПОМОГЛО ПОНЯТЬ СТРУКТУРУ АТОМА?
Начиная с 1897 г. стало ясно, что необходимо задуматься о структуре атома в целом, ибо открытие Зееманом частиц, обнаруженных в катодных лучах, еще не означало, что атом состоит только из таких частиц. Атом уже не мог больше рассматриваться как мельчайшая и самая фундаментальная частица.
Герц (1887) и Томсон (1897) экспериментально установили, что ультрафиолетовое излучение вызывает эмиссию отрицательно заряженных частиц из некоторых металлов (рис. 25).
Рис. 25. Принцип работы фотоэлемента
Измерения показали, что эти частицы по своим параметрам близки к частицам катодного излучения, т. е. в процессе эмиссии были обнаружены частицы, которые можно было отождествлять с катодным излучением. В те же годы Томсон определил массу отрицательно заряженных частиц, испускаемых нагретым до температуры плавления металлом, и значение отношения е/m обнаруженных частиц. Полученное отношение удовлетворительно согласуется со значением этого отношения для частиц катодных лучей.
Таким образом, изучение природы электрических явлений уже к 1890 г. дало возможность накопить много убедительных фактов, позволяющих утверждать, что электрон является составной частью атома. Теперь усилия физиков были направлены на изучение свойств электрона, ставились эксперименты и развивались теории, которые помогли бы осмыслить роль этой частицы в многочисленных химических и физических явлениях.
КАК ПОВЛИЯЛО ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА НА ДАЛЬНЕЙШЕЕ РАЗВИТИЕ НАУКИ?
Открытие электрона и логически связанные с ним открытия рентгеновского излучения и явления радиоактивности выявили новые возможности для экспериментальных исследований. Когда была усовершенствована техника эксперимента и увеличена точность наблюдений, стало ясно, что классические теории физики, например теория электромагнитных полей Максвелла, не способны объяснять поведение очень малых частиц. «Электрон так же неисчерпаем, как атом», — сказал В. И. Ленин в самом начале нашего века. И все дальнейшее развитие физики подтвердило мудрость ленинских слов. Но это стало возможным благодаря развитию современной теоретической физики.
В целом полученные теоретические и экспериментальные данные, достигнутые на основе квантовой механики, дали возможность ответить на следующие вопросы:
1) каким образом атомы поглощают или испускают излучение?
2) каковы свойства проводников, изоляторов и полупроводников?
3) какие существуют способы соединения различных атомов в молекулы? и т. д.
НУ, И КОНЕЧНО, НУЖНО ОБЯЗАТЕЛЬНО СКАЗАТЬ, ЧТО ДАЛО ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА ПРАКТИКЕ!
Следствием открытия волновой природы электронов стало изобретение Руденбергом в 1930 г. электронного микроскопа (рис. 26).
Рис. 26. Общий вид электронного микроскопа УЭМ-100
За годы, прошедшие со дня изобретения, электронный микроскоп стал незаменимым исследовательским прибором в медицине, в промышленности и в исследовательской работе.
Электрон используют в качестве «трудолюбивой рабочей лошади» в самых различных сферах. Построены различного рода установки, позволяющие ускорять электроны до энергии в несколько миллиардов электрон-вольт и с их помощью исследовать структуру вещества. Чтобы почувствовать масштаб этих цифр, достаточно вспомнить, что электроны в атомах, участвующие в процессах поглощения и испускания видимого света, а также в процессах химических взаимодействий между атомами, имеют энергии порядка нескольких электрон-вольт. В радиолампах электроны (рис. 27) достигают энергий нескольких сотен электрон-вольт.