Открытие электрона
Так как все известные излучения, включая радиоволны, являлись волнами, ученые предполагали, что и рентгеновские лучи — тоже волны (окончательно это было доказано в 1912 году, см. гл. 4). Значит, и катодные лучи — тоже волны.
С одной стороны, опыты Герца еще в 1892 году показали, что катодные лучи проходят сквозь тонкие листы железа — довольно странное свойство для частиц. Однако открытие рентгеновского излучения несколькими годами позднее подтвердило, что волны действительно обладают подобным свойством. Ассистент Герца, немецкий физик Филипп Ленард (1862–1947), даже построил специальную катодно-лучевую трубку с небольшим «окошком» из тонкого металла. Катодные лучи, ударяясь о металл, проникали сквозь него и вылетали «через окно» наружу. Впоследствии такие лучи стали называть линаровыми. (В русской литературе вместо словосочетания «линаровы лучи» используется название «катодные лучи». — Пер.)
Но если катодные лучи являются потоком заряженных частиц, то тогда их можно отклонить не только магнитным, но и электростатическим полем. Герц пропустил поток катодных лучей между двумя отрицательно и положительно заряженными пластинками, но не зафиксировал никаких отклонений курса и сделал вывод, что катодные лучи являются волнами.
Это стало пиком развития теории волн. На научной сцене появился еще один экспериментатор — английский физик Джозеф Джон Томсон (1856–1940). Он заявил, что для успешного проведения эксперимента с электростатическим полем его необходимо проводить в вакууме, иначе содержащиеся в воздухе частицы газа не дадут лучам отклониться. В 1897 году Томсон повторил эксперимент Герца, но на этот раз уже с использованием вакуума и обнаружил отклонение лучей.
Это стало последней тростинкой, перевесившей чашу весов. Если катодные лучи отклоняются под воздействием и электростатического, и магнитного полей, значит, эти лучи являются потоком частиц, и, судя по направлению отклонения, они несут отрицательный заряд.
Стало ясно, что это и есть электрические частицы, может быть, те самые невидимые частицы, о которых говорил один из физиков (см. гл. 2). Они вошли в научный мир под именем, которое им дал Стоуни, — электроны, а 1897 год вошел в историю как год открытия электрона.
Но Томсон не только открыл электрон, но и определил самые важные его свойства.
Под действием магнитного поля прямолинейная траектория движения электрона меняется на криволинейную. (Так, например, Луна под действием гравитационного поля Земли изменяет свое движение с прямолинейного на криволинейное вокруг Земли.)
Траектория движения электрона отклоняется под действием магнитной силы. Величина этой силы прямо пропорциональна силе магнитного поля (H), величине электрического заряда (e) и скорости движения (v) электрона. Именно эта скорость и определяет, сколько линий магнитного поля электрон пересечет. (На электрон в состоянии покоя или двигающийся параллельно этим линия магнитное поле не действует.) Таким образом, отклоняющая сила равна Hev.
При криволинейной траектории полета электрона на него также действует центробежная сила. Ее величина вычисляется по формуле mv2/r, где m — масса электрона, v — его скорость, а r — радиус кривой, по которой он перемещается.
При криволинейной траектории движения электрона между силой магнитного поля и центробежной силой существует баланс. Если же баланса нет, то траектория будет увеличиваться и уменьшаться, пока электрон не найдет траекторию, где обе силы находятся в равновесии. Для реальной траектории справедлива следующая формула:
Hev = mv2/r. (Уравнение 3.1)
Формулу можно упростить и представить в виде:
e/m = v/Hr. (Уравнение 3.2)
Сила магнитного поля известна, радиус кривизны частиц катодного луча можно легко определить по изменению положения светящегося пятна на стенке катодно-лучевой трубки. Теперь осталось лишь определить величину скорости v, чтобы высчитать отношение заряда электрона к его массе e/m.
Подвергнув катодные лучи воздействию и магнитного и элекростатического полей одновременно, Томпсону удалось определить скорость движения электрона. Дело в том, что эти поля отклоняют катодный луч в противоположных направлениях и таким образом уравновешивают друг друга. Степень отклонения, возникающего под действием электростатического поля, зависит от силы поля (F) и величины заряда электрона (e) и не зависит от скорости электрона, так как разноименно заряженные частицы притягивают друг друга даже в состоянии покоя.
Таким образом, приравняв действие на электрон одного поля к действию другого, получим:
Hev = Fe (Уравнение 3.3)
или
v = F/H. (Уравнение 3.4)
Силы полей ученые определили довольно легко и получили, что v равна приблизительно 30 000 км/с, то есть примерно одной десятой скорости света. Скорость электрона была самой большой скоростью материального объекта из измеренных учеными на тот период, и именно огромная скорость частиц, вылетающих из катодной трубки, объяснила, почему гравитационное поле на катодные лучи практически не действует.
Зная v, Томпсон по формуле 3.2 определил соотношение e/m. Как ни удивительно, но значение e/m электрона оказалось намного больше, чем у иона (ионы ведь тоже заряженные частицы).
Возьмем ионы Н+, Na+ и К+. Размер заряда у всех трех одинаков, так как для получения одного грамм-атома каждого из этих элементов достаточно тока в 1 фарадей. Но масса иона калия в 39 раз больше, чем водорода, а масса атома натрия в 23 больше массы атома водорода. Если значение e одинаково, то чем меньше m, тем больше значение e/m. Т. е. у Н+ значение e/m будет в 23 раза больше, чем у Na+, и в 39 раз больше, чем у К+.
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?10–28 г, 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.