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

Действительно, так как ион водорода — самый легкий из всех известных элементов, то соотношение e/m у него должно быть самое большое. И тем не менее значение соотношения e/m иона водорода (по современным данным) в 1836 раз меньше, чем значение e/m электрона.

Так как ион водорода несет самый маленький электрический заряд, логично предположить, что и электрон несет самый маленький заряд. А раз соотношение e/m у электрона в 1836 раз больше, чем у иона, значит, все дело в массе, то есть масса электрона в 1836 раз меньше, чем масса иона водорода.

Масса атома водорода известна, а масса иона лишь ненамного меньше массы атома, и можно вычислить массу электрона. По современным подсчетам, масса электрона 9,1091∙10 –28г, или 0,00000000000000000000000000091091 г.

Получается, что атомы, которые со времен Демокрита считались мельчайшими частицами, по сравнению с электронами являются просто гигантами. Электроны настолько малы, что могут свободно проходить сквозь промежутки между атомами. Только так можно объяснить то, что электроны свободно проникают сквозь тонкие металлические листы, и именно поэтому медные провода легко проводят электрические заряды.

Таким образом, Томпсон открыл не только электроны, но и целый новый мир — мир субатомных частиц.

Даже имея точные размеры электрона, физики вовсе не сразу смогли определить величину его заряда. Конечно же можно было сказать, что заряд электрона равен заряду иона хлора или же заряду иона водорода, но имеет противоположный знак. Но в начале XX века ученые не знали точной величины заряда ни одного из ионов.

В 1911 году американский физик Роберт Эндрус Милликен (1868–1953) провел серию экспериментов и сумел определить величину заряда электрона.

Милликен использовал две пластины, расположенные горизонтально на расстоянии в 1,6 см друг от друга в сосуде с пониженным давлением. В верхней пластине, подключенной к положительному полюсу батареи, были проделаны несколько мельчайших отверстий. Над пластинами Милликен распылил немного не содержащего эфир масла. Когда капля масла падала на верхнюю пластину, то через отверстие она попадала в промежуток между пластинами. Чтобы каплю было лучше видно, Милликен направлял на нее пучок света с помощью увеличительного стекла.

Под действием гравитации капля медленно падала на нижнюю пластину. Скорость падения зависит от массы капли и сопротивления воздуха (а оно является существенным для столь малого объекта). По формуле английского физика Джорджа Габриеля Стокса (1819–1903) Милликен определил массу капли.

Затем направил на сосуд пучок рентгеновских лучей, под действием которых внутри его образовались ионы (см. гл. 7). Ионы «прилипали» к каплям, и если ион нес положительный заряд, то капля, отталкиваясь от верхней положительно заряженной пластины, устремлялась к нижней со скоростью, большей скорости падения под действием гравитации. Если же ион обладал отрицательным зарядом, то капля, притягиваясь к верхней пластине, летела вверх против силы притяжения.

Изменение скорости падения капли зависело от силы электромагнитного поля и заряда капли. Зная силу поля, Милликен смог вычислить заряд.

Милликен выяснил, что заряд капли зависел от природы и количества адсорбируемых ею ионов. Однако величина всех зарядов сводилась к одному числу, которое можно было принять за минимальный заряд иона, а следовательно, и электрона. Милликену довольно точно удалось рассчитать этот заряд. Принятая сегодня величина минимального заряда электрона равняется 4,80298∙10 –10, или 0,000000000480298 электростатических единиц (см. ч. II).

Современная наука утверждает, что любой электрический заряд равен 4,80298∙10 –10электростатическим единицам и может быть как положительным, так и отрицательным. Давайте для простоты представим минимальный заряд как 1 и разделим все частицы на три группы:

1) частицы, заряд которых равен 0, то есть атомы и молекулы;

2) частицы, заряд которых либо равен –1, либо кратен –1. Это отрицательно заряженные ионы и конечно же электрон;

3) частицы с зарядом, равным или кратным +1, то есть положительно заряженные ионы.

Науке пока не известны частицы с зарядом +0,5 или –1,3, да и вообще с нецелочисленным зарядом. Возможно, такие частицы и будут открыты в будущем.

Открытие электронов и субатомных частиц в целом сильно повлияло на таблицу химических элементов. Но прежде чем говорить об этом, давайте сначала посмотрим, как используется поток электронов в вакууме. (Наука о поведении этих электронов и о механизмах их контроля и управления ими получила название электроника.)

В 1883 году американский изобретатель Томас Эдисон (1847–1931) наблюдал за потоком электронов в вакууме при весьма необычных обстоятельствах. Четырьмя годами ранее Эдисон изобрел лампочку и теперь продолжал работу над ее совершенствованием. Первая лампочка состояла из угольной нити накала, помещенной в колбу с откачанным воздухом. (Под действием электрического тока нить накаляется добела и в случае присутствия воздуха тут же перегорает.)

Постепенно на внутренней стороне колбы образовывался темный нагар, и, как полагал Эдисон, это происходило потому, что из нити часть углерода улетучивалась и оседала на стенках. Все это приводило к истончению нити и помутнению стекла, и Эдисон начал принимать «контрмеры». Для начала он попробовал поместить рядом с нитью небольшую металлическую пластинку в надежде, что углерод станет оседать на металле, а не на стекле.

Этого, однако, не произошло, но Эдисон обнаружил странный эффект. Если подключить эту металлическую пластинку к «плюсу» батареи, то по ней начинал течь электрический ток, несмотря на то что пластинка и нить не соприкасались. Если же подключить пластинку к «минусу», то цепь не замыкалась. Эдисон не знал, какую пользу можно извлечь из этого феномена (в русской номенклатуре получил название термоэлектронная эмиссия. — Пер.), и поэтому продолжал изучать его дальше.

Как только ученые более глубоко изучили природу катодных лучей, термоэлектронная эмиссия перестала быть загадкой. Горячая нить отдает свои электроны, грубо говоря, они «испаряются» с ее поверхности, и вокруг нити образуется небольшое облако из электронов.

Если же рядом поместить пластину, несущую положительный электрический заряд, то электроны начнут к ней притягиваться. Таким образом, электроны передавались от горячей нити к пластине, т. е. образовывалась замкнутая электрическая цепь, а когда пластину подключали к минусу, то отрицательно заряженные электроны от нее отталкивались, и цепь оставалась разомкнутой. Англичанин Джон Амброс Флеминг (1849–1945), электротехник по профессии, в 1880-х годах консультировал Эдисона и много лет спустя, в 1904 году, вспомнил об эксперименте Эдисона. Предположим, что металлическая пластинка подключена к источнику переменного тока (см. ч. II), то есть заряд пластины будет меняться с положительного на отрицательный 60 раз в секунду (в сети переменного тока 60 Гц), и цепь будет замыкаться только тогда, когда заряд будет положительным.