Михаил Ивановский - Покоренный электрон

Рис. 118 . Электронный луч, пройдя сквозь металлический листок, отпечатал на фотопластинке концентрические кольца.

Дальнейшие исследования показали, что поток электронов действительно обладает всеми особенностями луча с очень малой длиной волны.

Это открытие сразу же приобрело практическое значение, оно позволило применить электроны для исследования строения вещества. Были построены приборы — электронографы, которые в ряде случаев дают лучшие результаты, чем рентгеновские аппараты.

Именно с помощью электронографов химики убедились, что молекулы шерсти, шелка, целлюлозы, древесины, искусственного волокна и многих пластмасс имеют форму нитей или цепочек, состоящих из отдельных звеньев.

Открытие волновых свойств электронов еще больше увеличило сумбур в воззрениях западноевропейских и американских физиков. Электрон стал казаться им чем-то вроде двуликого Януса или сказочного оборотня, который может оборачиваться по своему желанию то волной, то частицей.

Этот сумбур усугубляли новые исследования природы света. Свет, такое типично волновое, колебательное явление, в то же время оказался состоящим из отдельных частичек — фотонов.

В волновой природе света никто не сомневался, но и в то же время никто не мог объяснить, почему синяя обложка школьной тетради на свету становится серой, почему под солнечными лучами постепенно выцветают ткани, изменяются краски и многие другие вещества.

Когда морская волна накатывается на песчаный пляж, прибрежный песок, накрытый волной, сразу становится мокрым. Не может быть такого положения, чтобы при этом одна песчинка намокла, а другая, лежащая рядом, осталась бы сухой. Так бывает только, когда начинается дождь. Песчинки, на которые упали первые капли, намокают, а остальные остаются сухими до тех пор, пока на них в свою очередь не упадут дождевые капли.

В окрашенной ткани распределены мельчайшие частицы — молекулы краски, которые можно уподобить песчинкам на берегу. На окрашенную ткань падает свет. Под его воздействием частицы краски разрушаются — краска выцветает. И всем прекрасно известно, что частицы краски распадаются не сразу, не одновременно, а по очереди, постепенно. Чтобы обложка тетради полностью выцвела, ей надо пролежать на солнце несколько месяцев. Словом, свет действует на частицы краски не как накатившаяся волна, а как капли дождя. Только прямое попадание световой «капли» — фотона раскалывает молекулу краски, а бесчисленное множество фотонов пролетает мимо молекул, не причиняя им никакого вреда.

«Капельность» света наблюдал и Столетов, исследовавший явление фотоэффекта. Только благодаря «капельности» света возможны фотография и кино. Сотни примеров подтверждают вывод о прерывистой природе света.

Световые волны оказались не только волнами, но и частицами, а электроны — не только частицами, но и волнами.

Тут, конечно, было над чем призадуматься.

И некоторые физики поспешили объявить электроны не частицами вещества, а чем-то промежуточным между веществом и светом. Но это предположение только глубже заводило физику в тупик.

Ученые наблюдали движение потоков не электронов, а более тяжелых частиц — протонов, то есть ядер водородных атомов. В их вещественности уж никто сомневаться не мог. Мощным электрическим полем разгоняли протоны до очень большой скорости. Оказалось, что и они при этом тоже проявляют волновые свойства.

И тогда пришлось признать, что между светом и веществом, которые так непохожи друг на друга, есть много общего: то и другое обладает свойствами и волн и частиц.

Более того, оказалось, что свет обладает массой. Собственно говоря уже из опытов знаменитого русского ученого Π. Н. Лебедева, доказавшего, что свет давит на те предметы, на какие он падает, следовало вывести такое заключение. Но всеобщее признание оно получило несколько позже.

В наше время уже не только установлен самый факт существования массы света, но и найден точный способ вычисления этой массы. Так, например, подсчитано, что Солнце посылает на Землю каждую секунду около двух килограммов света.

«Существующий материальный мир — движущаяся материя— представляется нам в двухосновных формах — как вещество и свет», — говорит академик С. И. Вавилов.

Свет — одна из форм движущейся материи. В этом смысле вещество и свет едины. Но между ними есть и существенное различие.

Частицы вещества — электроны, протоны, нейтроны, атомы, молекулы — так же как и большие тела, могут двигаться, как с очень малыми, так и с большими скоростями. Ограничение для них одно — они не могут достигать скорости света.

Частицы света — фотоны — наоборот в вакууме могут двигаться только с одной скоростью — со скоростью света, около 300 000 километров в секунду.

Частицы вещества обладают определенной массой даже при самом медленном движении. Так, например, «масса покоя» электрона равна 9,106∙10 -28грамма.

Фотон же, частица света, «массы покоя» не имеет. Вся его масса связана с его колоссальной скоростью.

Правда, масса любой частицы вещества зависит от ее скорости и возрастает с увеличением скорости. Но вещество не теряет своей «основной» массы даже в состоянии относительного покоя, а фотон вообще не может существовать, не двигаясь с огромной скоростью. Электрон в сильном электрическом поле можно разогнать до скоростей, близких к скорости света. Опыт показал, что масса его при этом действительно сильно возрастает.

Чем дальше идут исследования, тем больше нового мы узнаем об электроне. И никто не может сказать, что сведения об электроне полностью исчерпаны. Каждое углубленное исследование приносит еще что-нибудь новое, остававшееся до сих пор неизвестным. Сумма знаний об электроне непрерывно увеличивается.

Примерно 20 лет назад было обнаружено существование «родного брата» электрона — частицы, равной электрону по массе и по величине электрического заряда, но обладающей не отрицательным зарядом, а положительным. Такой положительный электрон получил название «позитрон».

Позитрон, так же как и электрон, рождается при ядерных реакциях, когда атомы одного элемента превращаются в атомы другого элемента, но в отличие от нашего старого знакомого — обычного электрона, позитрон очень недолговечен.

Его жизнь обычно исчисляется малыми долями секунды. Он существует только до встречи с электроном.

На рисунке 119 представлена редкая фотография, на которой удалось снять момент рождения электрона и позитрона в магнитном поле.