Матвей Бронштейн - Занимательная квантовая физика

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 XIX века другой голландский физик Лоренц очень остроумно математически показал, что так и должно быть в действительности, если спектральные линии испускаются 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.

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 определенном 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 растет 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.

Электроиндукция

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 соединенная ни с каким источником электрического тока, приводится в очень быстрое вращение, а затем ее внезапно и очень резко останавливают. Если в металле действительно существуют «свободные» электроны, то есть 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 вперед, 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 вперед 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 создает 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.