Загадочное лучистое вещество

 

Новые мысли зародились в результате опытов с катодной трубкой и магнитом.

Когда к трубке поднесли магнит, катодный луч изогнулся наперерез силовым линиям магнитного поля (рис. 36).

Рис. 36. Когда к трубке поднесли магнит, то катодный луч изогнулся наперерез магнитным силовым линиям.

 

Лучи, как видимые – световые, так и невидимые – инфракрасные и ультрафиолетовые, не отклоняются магнитом. Светоносная же струйка в катодной трубке повинуется влиянию магнита, значит, она не световой луч, а именно струйка! Но чего? Частиц какого‑то вещества?

Это вещество не может быть металлом катода. Когда катод распыляется, его частицы летят не так, как движется неизвестная материя катодного луча. И это не частицы воздуха, так как катодный луч проходит в трубке, даже при самой высокой степени разрежения воздуха.

Исследователи попробовали повернуть магнит, расположенный возле катодной трубки. Его укрепили так, чтобы северный полюс оказался на месте южного, а южный – на месте северного. От перестановки магнита катодный луч изогнулся в противоположную сторону. Если в начале опыта он отклонялся вниз, то теперь он выгнулся вверх. Словом, поведение катодного луча напоминало движение провода с током в магнитном поле (см. выше рис. 25).

Эти странные явления допускали только одно, естественное объяснение: катодный луч не что иное, как поток отрицательных зарядов – мельчайших частичек отрицательного электричества, то есть электрический ток.

Уже явление электролиза наводило на мысль о существовании элементарных зарядов. Но там эти заряды были связаны с обломками молекул – с ионами, которые служили им «лодочками». Здесь же они выступали самостоятельно, так сказать, в чистом виде и летели в безвоздушном пространстве катодной трубки «вольными птицами».

Но можно ли сказать, что заряды, путешествующие на ионах, и заряды, образующие катодный луч, – это одни и те же заряды? Равны ли они между собой по величине? Нет ли между ними какой‑либо разницы?

На эти вопросы ученые смогли дать ответ только после ряда новых опытов.

 

Подсчет атомов

 

К 90‑м годам прошлого столетия атомистическая теория торжествовала полную победу. Атомы существуют! Это считалось окончательно доказанным. Правда, физики того времени представляли атом несокрушимо прочным шариком или кирпичиком, который никоим образом нельзя разбить на части, но это временное заблуждение тогда еще не мешало развитию науки.

В ту пору было известно 75 различных видов или сортов атомов, иначе говоря – 75 химических элементов.[5] Каждый химический элемент состоит из своих атомов: золото – из атомов золота, ртуть – из атомов ртути и так далее.

Были раскрыты законы, по которым атомы, соединяясь между собой, образуют молекулы простых веществ и химических соединений.

Ученые определили вес атомов каждого химического элемента, приняв за единицу измерения одну шестнадцатую долю веса атома кислорода.

Великий русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев в 1869 году построил свою знаменитую периодическую систему элементов, о которой речь будет впереди. Он уточнил определение атомных весов химических элементов и привел в стройный порядок все накопленные наукой знания об атомах.

Физики, совместно с химиками, сумели сосчитать число атомов, содержащихся в одном грамме любого химического элемента. Выяснилось, что 6,023∙10²³ атомов водорода весят 1 грамм, а 6,023∙10²³ атомов любого другого элемента весят столько граммов, сколько единиц в атомном весе этого химического элемента. Значит порция азота весом в 14 граммов содержит столько же атомов, сколько и порция кислорода в 16 граммов, или порция натрия в 23 грамма и так далее.

Поэтому вычисление количества атомов в одном грамме любого простого тела оказалось очень несложным делом. Надо число[6] 6,023∙10²³ разделить на атомный вес химического элемента. Частное от деления покажет, сколько атомов составляют один грамм. Например, атомный вес ртути равен 200,61. Делим 6,023∙10²³ на 200,61 и получаем 3∙10²¹. Это и есть число атомов в одном грамме ртути.

Столь несложным способом можно вычислить сколько атомов содержится б любом куске золота, железа, углерода или какого‑либо иного простого тела.

Найденное правило действительно не только по отношению к атомам. С его помощью можно определить число молекул, составляющих один грамм любого химического соединения. Для этого вместо атомного веса надо знать молекулярный вес химического соединения. Например, молекулярный вес воды (Н₂O) равен 18, следовательно один грамм воды состоит из 3,34∙10²² молекул, так как 6,023∙10²³: 18 = 3,34∙10²².

Успехи атомистической теории чрезвычайно помогли разобраться в сущности электрических явлений.

 

Электрон получает признание

 

Ученые повторили фарадеевские опыты по разложению химических соединений электрическим током. Они заново произвели точнейшие измерения и убедились, что для разложения 6,023∙10²³ молекул какого‑либо вещества, через его раствор нужно пропустить самое меньшее 96500 кулонов электричества.

Для разложения стольких же молекул некоторых других веществ требуется больше электричества, например для разложения молекул сернокислого магния (английская соль) надо затратить двойное количество электричества.

Но при этом наблюдается важная закономерность: количество электричества может превысить наименьшее либо ровно в два раза, либо в три раза, но ни в коем случае не в полтора или в два с половиной раза. Иначе говоря при электролизе на каждые 6,023∙10²³ молекул разлагаемого вещества порция электричества может быть больше 96500 кулонов только в целое число раз.

Значит, на каждую молекулу при разложении ее обязательно приходится расходовать целое число совершенно одинаковых зарядов электричества.

Стало быть, существует такая порция электричества, которая больше делиться не может, поэтому встречается обязательно целое, но не дробное число раз.

Из прерывного, атомного строения вещества необходимо следует и прерывное строение электричества.

Ученые сделали вывод, что электричество состоит из каких‑то необычайно маленьких, уже неделимых порций, являющихся как бы «атомами» электричества.

Видимо, величину этой наименьшей и неделимой порции электричества можно определить, разделив число израсходованных кулонов на число разбитых молекул: 96500∙6,023∙10²³ = 1,60∙10^‑19 кулона.

Это и есть заряд мельчайшей, известной современной науке порции отрицательного электричества – электрона.

Такое название этой «наименьшей порции» электричества было дано ей в 1891 году. Слово электрон быстро вошло в обиход и окончательно утратило всякую связь со своим прежним греческим значением (янтарь).

Итак, электрон получил признание и имя, но знали о нем еще слишком мало.

Он оставался таинственным незнакомцем, неизвестно где обитающим, невесть откуда появляющимся и гак же загадочно ускользающим.

 

Магнит и луч

 

Физики с новой энергией взялись за исследование явлений, происходящих в катодной трубке.

Катодный луч, который правильнее называть потоком электронов, повинуется влиянию магнита. Когда к катодной трубке подносят магнит, то под бездействием магнитного поля пути электронов, летящих от катода, искривляются, и электронный луч изгибается дугой.

Физики решили воспользоваться воздействием магнитного поля на поток электронов в разрядной трубке для того, чтобы добыть нужные сведения о массе и заряде электрона. Они рассуждали так: предположим, что в магнитном поле летит некая маленькая частичка. Если она не имеет никакого заряда, то магнитное поле на нее не подействует: частичка полетит по прямой линии.

Если же частичка несет электрический заряд, это равноценно электрическому току, ее путь в магнитном поле искривится. Чем больше будет заряд, тем сильнее отклонится в сторону частица. Но каждая частичка обладает также и некоторой массой и, следовательно, инерцией. Чем тяжелее будет частичка, тем труднее заставить ее свернуть с прямого пути. Значит, заряд содействует, а масса – инерция противодействуют искривлению пути электронов в разрядной трубке.

Для физиков это оказалось довольно досадным обстоятельством. Ведь частички с большим зарядом и большой массой отклоняются в магнитном поле точно так же, как и частички с малым зарядом и малой массой. Отличить, где какая масса или где какой заряд – невозможно.

Наблюдая отклонение электронов в магнитном поле, ученые не смогли определить отдельно ни массы, ни заряда электрона, а только узнали, какой заряд приходится на единицу массы электрона. Иными словами, удалось найти отношение заряда электрона к его массе.

Для точных измерений построили особую катодную трубку. В этой трубке, неподалеку от катода, поместили металлическую пластинку с небольшим отверстием в центре.

Металлическая пластинка предназначалась для того, чтобы задерживать большую часть электронов. Через отверстие в пластинке мог прорваться только узкий пучок лучей. Вот этот тонкий, как проволочка, пучок лучей и послужил ученым основой для необходимых опытов.

С помощью своих приборов физики измерили: магнитное поле, величину искривления электронного луча под влиянием магнита и разность потенциалов, приложенную к катодной трубке (от этой разности зависит скорость электрона).

Оказалось, что заряд электрона, выраженный в кулонах, больше его массы, выраженной в граммах, почти в 1760 тысяч раз. Иначе говоря, физики получили такую формулу: е/м = 1,76∙10³   кулонов/грамм, где буквой е   обозначен заряд электрона, а буквой м   – его масса. В отдельности же величины е  и м  по‑прежнему оставались неизвестными.

Правда, вычисление, сделанное на основании опытов Фарадея, дало величину заряда электрона: е = 1,60∙10^‑19 кулона. Подставив это значение е  в формулу, можно узнать, чему равно м   – масса! Для этого надо 1,60∙10^‑19 разделить на 1,76∙10³, и мы получим 9,1∙10^‑28 грамма. Это и будет масса одного электрона.

Однако никто тогда не знал и никто не доказал, что наименьшая порция электричества, которая переносится одним атомом при электролизе, равна заряду электрона, летящего в катодном луче. Это еще предстояло доказать, а потому величина массы электрона в 9,1∙10^‑28 грамма нуждалась в подтверждении и проверке опытом.

 

Влияние света на искру

 

В восьмидесятых годах прошлого столетия замечательный русский ученый, профессор Московского университета Александр Григорьевич Столетов решил разобраться в одном странном явлении, которое было замечено немецким физиком Герцем.

Во время одного из своих опытов Герцу показалось, что свет электрической искры, проскакивающей между шариками в электрической машине, облегчает образование искры в другом приборе. Герц проверил свое наблюдение и установил, что такое же действие оказывает на искру электрическая дуга. Ее яркий сильный свет, падая на искровой промежуток, как‑то помогает появлению искр. На свету искры проскакивают при меньшем напряжении, чем в отсутствие дугового освещения.

Причины этого Герц не нашел и сообщение о своих наблюдениях опубликовал без всякого объяснения.

В том, что связь между световыми и электрическими явлениями существует, Столетов не сомневался, но искру он считал неподходящим объектом исследования. Искра вспыхивает на мгновение, быстро гаснет. Измеряя что‑либо при столь скоротечном явлении, легко ошибиться, а исследовать, не измеряя, – бессмысленно.

Если свет облегчает электрическому току путь через воздух, думал Столетов, то его влияние должно сказаться и на слабом токе обычной гальванической батареи, а ток от гальванической батареи можно измерять с большой точностью. Для этого существуют чувствительные гальванометры.

 

Свет рождает ток

 

Вместе со своим помощником, талантливым изобретателем И. Ф. Усагиным, Столетов построил задуманный прибор. Они вырезали из цинковой пластинки круг диаметром в 22 сантиметра, тщательно очистили его и укрепили стоймя на вертикальном изолированном штативе. Затем из металлической сетки они вырезали круг того же размера и натянули его на проволочный обод. Сетчатый кружок укрепили на стойке так же, как и цинковый.

Из лабораторного проекционного фонаря с электрической дугой Усагин вынул все линзы. Столетов знал, что стекло задерживает и поглощает ультрафиолетовые лучи, способствующие образованию электрической искры. Была также подготовлена новая батарея и подобран гальванометр (рис. 37).

Рис. 37. Когда луч света, пронизывая сетчатый электрод, падал на цинковый кружок, через воздушный промежуток между электродами шел ток.

 

20 февраля 1888 года А. Г. Столетов приступил к опытам. На лабораторном столе находился проекционный фонарь. В двадцати сантиметрах от него, поперек светового пучка поставили сетчатый кружок; сразу же за ним, примерно на расстоянии в двадцать миллиметров, поместили цинковый кружок. Таким образом, когда зажигали фонарь, его луч пронизывал сетчатый кружок и падал на цинковый, то есть освещал сразу оба кружка.

Провод от плюса батареи присоединили через гальванометр к сплошному кружку, а провод от минуса батареи – к сетчатому.

Оба кружка служили в приборе Столетова электродами, такими же, как и в катодной трубке, но только они не были заключены в стеклянный футляр, а располагались на открытом воздухе.

При потушенном фонаре ток через прибор не шел, потому что сетчатый электрод нигде не касался цинкового: цепь была разорвана воздушным промежутком между кружками, и стрелка гальванометра стояла на нуле.

По знаку Столетова Усагин включил фонарь. Зашипела дуга. Сильный, резкий луч яркого белого света упал на электроды. Столетов настороженно следил за гальванометром. Стрелка прибора как будто бы чуть‑чуть шевельнулась, но так незначительно, так незаметно, что ее легкое колебание никак нельзя было считать предвестником удачи.

Такое поведение стрелки не обескуражило Столетова. Он поменял местами провода от батареи: отрицательный присоединил к сплошному кружку, а положительный – к сетчатому.

Снова Усагин включил фонарь. И в то же мгновение стрелка гальванометра дрогнула и отошла от нуля. Ток пошел! Воздушный промежуток между электродами перестал быть преградой.

26 февраля 1888 года Столетов отметил в лабораторном журнале первый успех.

Столетов спрашивал себя: в чем сущность этого явления? Быть может, свет, изменяя свойства воздуха, делает его проводником электрического тока? Это предположение Столетов отверг. Оно неверно. Когда плюс батареи был соединен с цинковым кружком, а минус с сетчатым – ток не шел, хотя воздушный промежуток был освещен. Значит, дело не в изменении свойств воздуха.

Столетов проверил свой вывод. Он повернул оба кружка ребром к фонарю. Теперь луч света скользил вдоль кружков, пронизывал воздушный промежуток, только слегка задевая электроды. Стрелка гальванометра оставалась на нуле. Тока не было.

Значит, причину явления следует искать в том действии, которое оказывает свет именно на электроды? Хорошо. Но на какой из них? Электродов два – сетчатый и сплошной. Может быть, свет «сдувает» электрические заряды с сетки и гонит их на цинковый кружок?

Сомнительно! Редкой сетке из тонкой проволоки достается слишком мало лучей, почти весь световой поток свободно проходит сквозь нее и падает на цинковый электрод. Ему достается подавляющее количество света. Именно в нем надо искать причину явления.

Все явление протекало так, как будто свет «вышибал» отрицательные заряды из цинковой пластинки, а затем они притягивались к положительно заряженной сетке.

Столетов записал свои выводы так: «Лучи вольтовой дуги, падая на поверхность отрицательно‑заряженного тела, уносят с него заряд. Это действие лучей сказывается исключительно на отрицательно заряженной пластинке. Положительный заряд лучами не уносится».