Яков Гегузин - Капля

Известно, что жидкость длительное время может нахо­диться в перегретом состоянии, не закипая. Особенно лег­ко перегреть жидкость в сосуде под поршнем, который оказывает на нее давление, поскольку вскипание, т. е. образование в объеме жидкости газовых пузырьков, дол­жно было бы сопровождаться увеличением ее объема, а когда этому препятствует поршень, вскипание затруднено. Если мгновенно снять нагрузку с поршня, находящаяся под ним перегретая жидкость закипит. Можно, однако, вски­панием управлять, задав те точки в объеме, где возникнове­ние газового пузырька будет облегчено. Полагая, что та­кими местами могут быть точки вдоль траектории быстрой частицы, взаимодействующей с атомами жидкости, Глезер поставил великолепный эксперимент, обнаружил явле­ние, которое следует именовать «эффектом Глезера». Стек­лянную колбу он заполнил диэтиловым эфиром, который без особых предосторожностей легко можно перегреть более чем на 100 °С. Его точка кипения 34,6° С, а в колбе, с которой экспериментировал Глезер, он был нагрет до 140° С, оставаясь спокойным. Стоило, однако, поднести к стеклу колбы препарат, излучающий γ -лучи,— жидкий диэтиловый эфир мгновенно и бурно вскипал. Исчерпы­вающего понимания механизма этого явления нет. Быть может, дело в том, что в тех точках, где γ -квант (или ионизи­рующая частица) взаимодействует с атомами жидкости, ло­кально повышается температура, и это провоцирует появле­ние газового пузырька; быть может, возникшие при взаи­модействии заряды располагаются на поверхности случайно возникших пузырьков и делают их более жизнеспособны­ми в связи с тем, что, отталкиваясь друг от друга, расши­ряют пузырек. В данном случае важен факт: быстрая, энергичная частица, взаимодействуя с жидкостью, гото­вой вскипеть, создает активные точки, где это вскипание происходит в первую очередь.

Итак, все элементы будущей камеры налицо: быстрое снятие давления с перегретой сжатой жидкости способ­ствует ее вскипанию, а пролетающая в жидкости иони­зирующая частица делает это вскипание более легким вдоль траектории полета, которая оказывается отмеченной ниточкой «отрицательной росы». Все дальнейшее — дело техники.

Я не уверен в том, что мысль Глезера развивалась имен­но так, как представлено в очерке. Важен результат: он сумел предложить идею прибора, с помощью которого ре­шаются сложнейшие задачи физики элементарных частиц.

В 1960 году, через 33 года после Вильсона, Глезер был приглашен в Стокгольм, где ему вручили медаль лауреа­та Нобелевской премии.

Речь пойдет о почти шестнадцатилетнем периоде — с 1897 по 1912 год — в истории экспериментального изучения электрона, история попыток убедиться в его реальности и определить его заряд — одно из тех чисел, на которых, как на прочном и надежном фундаменте, по­коится естествознание. История эта — отличный повод ознакомиться со многими свойствами капли, и, кроме того, она богата примерами великолепного экспериментального мастерства исследователей.

Пятнадцать лет экспериментаторы пытались узнать у капли заряд электрона, добивались, чтобы было названо искомое число. Но вопрос ставился нечетко, и поэтому ответ звучал расплывчато — был близок к истине, но с числом не совпадал. В долгих и упорных поисках вопрос выкристаллизовался, и возникла идея чистого, безупреч­ного эксперимента с каплей.

Итак, рассказ об истории экспериментальных работ по определению заряда электрона. Как и всякую историю

(когда ее излагаешь), эту удобно условно разделить на последовательность отдельных этапов, хотя, конечно же, в жизни никаких этапов не существовало — исследования велись непрерывно.

Этап первый. 1897 год. Дж. Дж. Томсон. В нашем рас­сказе этот этап носит характер предыстории — в нем кап­ля еще не участвует.

Дж. Дж. Томсон, третий директор знаменитой Кавендишской лаборатории, в этом году поставил серию опытов и показал, что заряженные частицы, возникающие при ионизации газа, и те, которые испускаются раскаленными металлами, несут на себе отрицательный заряд и имеют одинаковое отношение заряда к массе — не одинаковый заряд и одинаковую массу, а одинаковое их отношение, а оно ведь может быть одинаковым и при различных зна­чениях соотносимых величин.

Чтобы убедиться в том, что Томсон во всех опытах наб­людал одну и ту же элементарную частицу с определенны­ми зарядом и массой, нужно было в независимом опыте определить либо заряд, либо массу. Если окажется, что не только отношение этих величин одинаково, но, скажем, и заряды одинаковы, это будет означать, что Томсон от­крыл новую частицу. Любопытно, что частица, которая была открыта в 1897 году, за шесть лет до этого была пред­сказана как «естественная единица электричества» и названа «электроном».

Итак, после опытов Томсона возникли следующие экс­периментальные задачи: во-первых, убедиться в том, что существует определенная «естественная единица электри­чества», носителем которой является электрон, и, во-вто­рых, если такая единица существует, определить ее физические характеристики, в частности заряд.

Этап второй. 1897 год. Дж. Таундсенд.

Таундсенд, ученик Томсона, работавший в его лабора­тории, был первым, кто привлек каплю к участию в поис­ках величины заряда. Идея его опыта была по замыслу элементарно проста: в пространство, где имеется насы­щенный водяной пар, извне вводится некоторое количест­во ионов. В опытах Таундсенда ионы выделялись на элект­роде электролизера, а затем поступали в камеру основной установки. Камера была заполнена паром, в котором по­сле поступления ионов возникло облако капель. Таундсенд предполагал, что каждая капелька сформировалась вокруг одного иона и что все капельки имеют приблизи­тельно одинаковый объем.

Средний объем капли Таундсенд определил по скорости ее свободного падения в воздухе. Эта скорость опреде­ляется с помощью формулы Стокса — с ней мы уже зна­комились, когда обсуждали падение дождевой капли. Да­лее он с помощью электрометра определял общий заряд всего объема облака. В отдельном эксперименте о массе этого облака судили по увеличению веса осушающих тру­бок, через которые пропускалась изучаемая часть облака. Если массу облака разделить на массу одной капли, полу­чится число капель; если общий заряд облака разделить на число капель, получится заряд одного иона. Из про­веденных опытов следовало число е = ( 2 , 8 —3,1) • 10 - 10 электростатических единиц заряда.

Таундсенд проявил много остроумия и мастерства — и все же задал природе вопрос не лучшим образом. В его опытах, а затем и в обработке результатов много не впол­не оправданных допущений. Во-первых, нет гарантии, что каждый ион — центр конденсации капли — несет один заряд; во-вторых, можно с уверенностью утверждать, что, вопреки предположению Таундсенда, не все капли в облаке одинакового размера; в-третьих, не исключено, что иные ионы, несущие заряд, не стали центрами образова­ния капель; в-четвертых, Таундсенд не очень тщательно заботился о том, чтобы в пространстве, где изучалось па­дение капель, воздух был абсолютно неподвижен. Если во время опыта воздух хоть немного переместится, данные о скорости падения будут искажены, а значит, искажены будут и данные о размере и массе капель. Поэтому к ве­личине заряда, найденной Таундсендом, надо относиться как к оценке. Оценку такой точности можно получить и на основании различных косвенных соображений и обработ­ки результатов, полученных в опытах по прохождению тока в гальванической ванне.