Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Как правильно предположил Аррениус, заряженные атомы совсем не обязательно должны обладать теми же свойствами, что и незаряженные. Например, атомы натрия бурно реагируют с водой, а ионы натрия — не реагируют. Атомы хлора образуют молекулы хлора и улетучиваются, а ионы хлора — не улетучиваются.

Из исследования Аррениуса вытекало, что отдельные атомы и их группы могут нести электрический заряд. Например, хлорид аммония (NH 4Cl) распадается на NH 4и Сl –— ионы аммония, нитрат натрия (NaNO 3) распадается на Na +и NO 3 –— ионы нитрата. Такие, состоящие из нескольких атомов, ионы называются сложными (составными). Сложными ионами являются, например, гидроксил (ОН –), сульфат (SO 4 ––), карбонат (СO 3 ––), фосфат (РO 4 –––).

Идея невидимой электрической частицы стала настолько популярной, что в своей работе, опубликованной в 1881 году, ирландский физик Джордж Джонстон Стоуни (1826–1911) назвал ее электроном.

Оглядываясь на прошлое, теория Аррениуса кажется вполне логичной, однако приняли ее далеко не сразу. Прошло несколько сот лет, прежде чем ученые убедились в существовании невидимых и бесструктурных атомов, о которых говорил еще Демокрит, а уж о том, чтобы поверить в то, что они еще и несут электрический заряд, без доказательств не могло быть и речи.

Доказательства появились лишь через несколько лет после смерти Аррениуса, но первые правильные шаги в этом направлении были сделаны еще при его жизни и даже раньше.

Основной сложностью при обнаружении электрических частиц являлось то, что, если даже электроны и существуют, они легко могут затеряться среди других, более крупных частиц на пути электричества.

Становилось ясно, что если пропустить электрический заряд через вакуум, то будет возможно увидеть «неприкрытые» электроны. Первым, кто в 1838 году пропустил электричество через вакуум, был сам Фарадей. Однако его наблюдения были не очень точными, так как в вакууме присутствовали посторонние частицы.

В 1854 году немецкий стеклодув Генрих Гейслер (1814–1879) изобрел гораздо более совершенный способ получения вакуума и изготовил гейслеровы трубы с этим «чистым» вакуумом. Немецкий физик Юлиус Плюкер (1801–1868) применял подобные гейслеровы трубы, куда были вплавлены электроды.

Пропуская заряд через вакуум, Плюкер заметил, что вокруг катода появляется зеленоватое свечение. Независимо оттого, из какого металла были изготовлены электроды, свечение всегда было зеленым. На цвет не влияли и остатки газов, так или иначе присутствовавших в вакууме. Значит, это свечение было исключительно свойством электрического заряда, а не химических элементов.

Плюкер также выяснил, что если к трубе поднести магнит, то свечение отталкивается от одного его полюса и притягивается к другому. Это тоже указывало на электрическую природу свечения, так как электричество и магнетизм очень тесно взаимосвязаны (см. ч. II).

Вскоре стало очевидным, что феномен не только возникает лишь возле катода, но и что-то перемещается от анода к катоду, причем по прямой. Когда анод помещали в другое место внутри трубки, это «что-то» не попадало в него, удалялось о стекло, и в месте удара возникало зеленое свечение.

Два исследователя, немецкий физик Иоганн Вильгельм Гит-торф (1824–1914) и английский физик Уильям Крукс (1832–1919), независимо друг от друга показали, что если в такую трубку поместить какой-либо объект, то на стекле появится его тень. Гитторф опубликовал свою работу первым — в 1869 году.

Стало ясно, что физики столкнулись с какой-то формой излучения, распространяющегося по прямой и отбрасывающего четкие тени. Немецкий физик Эуген Гольдштейн (1850–1930), посвятивший всю свою жизнь изучению лишь этого излучения, в 1876 году назвал его катодными лучами. Большинство ученых приняли это наименование.

Тут возник спор о природе этого излучения. С одной стороны, катодные лучи всегда распространялись по прямой, а значит, не были подвержены силе притяжения, но с другой стороны, излучение можно было легко отклонить с помощью магнита, в то время как световые лучи (или любое другое световое излучение) не отклоняются магнитом.

Одним из предположений было то, что катодные лучи являлись электрически заряженными частицами — «атомами электричества», поэтому на них и влияло магнитное поле. А сила гравитации на них не действовала, вернее, действовала, но очень незначительно из-за их крайне малого веса.

Спорщики разделились чуть ли не по национальному признаку: большинство немецких физиков утверждали, что эти излучения являются волной, а английские физики уверяли, что это поток заряженных частиц.

Впрочем, такое разделение было вполне обоснованно, так как именно в Германии в конце XIX века были обнаружены новые виды волн, несмотря на то что первое такое открытие было сделано англичанином Джеймсом Клерком Максвеллом.

Изучая феномен электрического и магнитного излучения, Максвелл пришел к выводу, что благодаря тесной связи между двумя явлениями можно говорить о электромагнетизме. В дальнейшем он выявил, что переменный электрический заряд приводит к появлению волнообразного электромагнитного излучения, распространяющегося со скоростью света. А раз скорость распространения такого излучения равняется огромной скорости распространения света, то получается, что сам свет является всего лишь частным случаем электромагнитного излучения.

Но если Максвелл прав, то человек, изменяя частоту переменного тока, может сам вызывать различные электромагнитные излучения. Для получения света необходим квадрильон колебаний в секунду. На практике невозможно достичь такой частоты, однако, согласно Максвеллу, теоретически никаких ограничений не существовало. Например, колебания электрического тока довольно низкой частоты — 1000 раз в секунду — порождают 1000 электромагнитных волн в секунду. Если цуг волн распространяется со скоростью 300 000 километров в секунду, то каждая волна будет иметь длину 300 километров (что значительно превышает длину световой волны), но тем не менее существовать такие волны будут.

Первые попытки генерировать длинноволновое излучение были предприняты в 1997 году немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем (1857–1894). Он создал электромагнитную цепь, где сквозь небольшой воздушный промежуток проходила электрическая искра, которая и являлась тем вызывающим излучение переменным зарядом, о котором говорит Максвелл. Чтобы обнаружить, существует излучение или нет, Герц использовал специальный «приемник» — маленький прямоугольный кусок проволоки с небольшим разрывом на одной из сторон. Электромагнитное излучение, проходящее сквозь проволоку, должно было вызывать в ней электрический ток, под действием которого в воздушном промежутке должна была появиться электрическая искра.