Электрические частицы

Изучив законы электролиза, ученые задались вопросом: а вдруг электричество, как и любое вещество, тоже состоит из частиц?

Давайте представим, что эти частицы действительно существуют, причем существуют они в двух вариантах: положительно заряженные частицы, которые притягиваются к отрицательно заряженному катоду, и отрицательно заряженные, притягивающиеся к положительно заряженному аноду. (Разноименные заряды притягиваются — см. ч. II). Эти заряды можно обозначить как «+» и «–». Так, заряды со знаком «+» переносят атомы водорода и натрия к катоду, а со знаком «–» — атомы кислорода и хлора к аноду.

Итак, если атом водорода переносится к катоду положительно заряженными частицами, то такой атом можно обозначить Н⁺. То есть Фарадей назвал бы его ионом водорода. Точно так же можно обозначить ион натрия — Na⁺, а ион калия — К⁺. Все эти ионы являются положительными заряженными (т. е. катионами).

Можно сказать, что 1 фарадей содержит равное числу Авогадро количество электрических частиц. Если одна частица переносит один атом, то электрический заряд в 1 фарадей перенесет к катоду равное числу Авогадро количество атомов водорода, то есть один грамм-атом. Точно так же под действием заряда в 1 фарадей на электроде образуется один грамм-атом натрия, или один грамм-атом серебра.

Так как под действием заряда в 1 фарадей всегда образуется один грамм-атом вещества, то вполне логично было предположить, что частица, переносящая один атом вещества, является мельчайшей.

Так как атомы хлора образуются возле анода — электрода с положительным зарядом, то их должны переносить отрицательно заряженные частицы. Ион хлора обозначается как Сl^–. Под действием заряда в 1 фарадей образуется один грамм-атом хлора, значит, количество и размер этих отрицательно заряженных частиц равны количеству и размеру положительно заряженных.

А как тогда быть с кальцием? Ведь под действием заряда в 1 фарадей образуется лишь половина грамм-атома кальция. Самый простым объяснением будет то, что для переноски одного атома кальция необходимы два катиона. То есть заряд в 1 фарадей перенесет в два раза меньше ионов кальция, чем, скажем, ионов натрия. Поэтому ион кальция обозначается как Са⁺⁺, ион магния — Mg⁺⁺, ион бария — Ва⁺⁺, а ион алюминия — Аl⁺⁺⁺ и т. д.

Первым, кто предположил, что на самом деле ионы Фарадея — это всего лишь положительно или отрицательно заряженные атомы, стал шведский химик Сванте Август Аррениус (1859–1927). В своих взглядах он опирался не только на работы Фарадея, но и на наблюдения других химиков.

По Аррениусу, под действием электричества молекула расплавленного хлорида натрия (NaCl) распадается не на атомы, а на заряженные ионы натрия (О”) и хлора (Na⁺). Затем ионы натрия устремляются к катоду, а хлора — к аноду. (Эта теория получила название теория диссоциации Аррениуса.)[120] У катода и анода ионы разряжаются и образуются незаряженные атомы: натрий у катода и газообразный хлор у анода.

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 (NH₄Cl) распадается на NH₄ и Сl^– — ионы аммония, нитрат натрия (NaNO₃) распадается на Na⁺ и NO₃^– — ионы нитрата. Такие, состоящие из нескольких атомов, ионы называются сложными (составными). Сложными ионами являются, например, гидроксил (ОН^–), сульфат (SO₄^––), карбонат (СO₃^––), фосфат (РO₄^–––).

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.

^{Круксова труба}

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.