По ту сторону кванта

То, что элементы однозначно и вполне определяются видом линейчатого спектра, вскоре признали все: но то, что этот же спектр характеризует отдельный атом, осознали не сразу, а лишь в 1874 году благодаря работам знаменитого английского астрофизика Нормана Локьера (1836–1920). А когда осознали, сразу же пришли к неизбежному выводу: поскольку линейчатый спектр возникает внутри отдельного атома, то атом должен иметь структуру, то есть иметь составные части!

АТОМЫ

В 1865 году, когда появились работы Йозефа Лошмидта, об атомах знали немного: их представляли себе твёрдыми шариками размером примерно 10^{– 8} см и весом от 10^{– 24} до 10^{– 22} г. Каждому такому «шарику» можно приписать «атомный вес» — число, которое показывает, во сколько раз он тяжелее атома водорода. Например атомный вес кислорода равен 16, а гелия — 4. Отсюда просто заключить, что в 1 г водорода, в 4 г гелия или в 16 г кислорода (или, как принято говорить в химии, в одном грамм-атоме любого вещества) содержится одинаковое число атомов водорода гелия кислорода. Это число N=6,02•10²³ — число Авогадро — мы уже однажды приводили.

^{Йозеф Лошмидт}

Представлений об атомах — твёрдых шариках — было достаточно для объяснения многочисленных фактов из химии, теории теплоты и строения материи. Однако уже к 1870 году вполне оформилась мысль, что атом состоит из ещё более простых частиц, и физики принялись их искать. Прежде всего они стали исследовать электрические свойства атома.

Все вещества, как правило, электрически нейтральны. Однако при некоторых условиях они обнаруживают электрические свойства, например, если натирать стекло шерстью, янтарь — шёлком и тому подобное. Особенно отчётливо они проявляются в явлениях электролиза.

Если в расплав какой-либо соли (скажем, поваренной — NaCl) опустить два электрода и подключить их к полюсам батареи, то в расплаве произойдут изменения: на катоде (электрод, который подключён к отрицательному полюсу батареи) начнёт выделяться чистый металл натрий, на аноде — газ хлор. Это означает, что в расплаве атомы натрия заряжены положительно, а атомы хлора — отрицательно, и поэтому под действием электрического поля они двигаются в противоположных направлениях.

Майкл Фарадей (1791–1867) в 1834 году установил количественные законы этого явления. Оказалось, что если через растворы различных веществ, молекулы которых построены из одновалентных атомов, пропускать одно и то же количество электричества, равное 96521 кулону, то на электродах всегда выделяется ровно по одному грамм-атому вещества. Например, из расплава поваренной соли выделится 23 г металла натрия и 37,5 г газа хлора.

Закон электролиза Фарадея легко понять, если предположить, что в расплаве NaCl с каждым атомом связан определённый заряд, причём для ионов Na⁺ и Cl^– эти заряды равны и противоположны по знаку. (Название ион — «странник» — таким «заряженным» атомам дал Фарадей.) Заряд, который переносит один ион, равен e=4,802•10^{– 10} CGSE (электростатических единиц электричества).

Это значение очень мало, но мы уже немного привыкли к таким малым величинам. Более удивительно другое: заряда, меньшего, чем этот элементарный заряд e, обнаружить не удалось. С лёгкой руки Джонстона Стонея (1826–1911) в 1891 году это наименьшее количество заряда получило название «электрон».

ЭЛЕКТРОНЫ

Первоначально с этим словом не связывали понятия о частице. Оно служило лишь для обозначения того наименьшего количества заряда, которое может переносить с собой ион любого атома. Однако подспудно мысль о том, что электрон — частица, всегда жила. Действительно, проследите мысленно процесс электролиза: вот ион натрия (Na⁺), двигаясь в растворе под действием электрического поля, подходит к катоду; на катоде избыток отрицательных зарядов, поэтому в момент, когда ион Na⁺ его касается, он забирает от катода один отрицательный заряд и, не меняя веса, выделяется в виде нейтрального атома натрия.

Попробуйте теперь вообразить сам момент перехода отрицательного заряда от катода к иону Na⁺: что добавляется к иону, когда он, не меняя веса, становится нейтральным?

Представить себе этот процесс довольно трудно, если не предполагать при этом, что элементарный заряд может существовать и вне атома. Эту трудность сознавали, конечно, все, но признать атомарное строение электричества было ещё труднее, ибо при этом рушились удобные и привычные представления об электричестве как о некоем тонком флюиде, который без труда проникает во все тела.

В 1881 году на собрании Лондонского химического общества, посвящённом чествованию памяти Майкла Фарадея, Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (1821–1894) прочёл доклад «Современное развитие взгляда Фарадея на электричество». В этом докладе Гельмгольц впервые отчётливо сформулировал мысль о «молекулярном строении электричества». Конечно, сама по себе эта мысль даже в то время не была новой.

Ещё в 1749 году великий американец Бенджамен Франклин подозревал нечто похожее, но тогда его догадка ни на чём, в сущности, не была основана, а потому и не привела к новым — следствиям. В 1871 году к мысли Франклина возвратился немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер (1804–1891), но сочувствия не встретил: в его время об электричестве знали уже так много, что на веру гипотез не принимали — знание предполагает ответственность. Нужны были экспериментальные доказательства идеи об электроне. Их стали искать в явлениях проводимости газов.

^{Бенджамен Франклин}

Представьте себе стеклянную трубку, наполненную каким-либо газом (например, неоном) и запаянную с обоих концов вместе с проволочками (обычно — платиновыми). Если мы обе эти проволочки присоединим к разным полюсам батареи: одну к отрицательному (катоду), а другую — к положительному (аноду), то по цепи пойдёт ток. Совершенно так же, как и в случае с электролитом. Вероятно, именно эта аналогия с явлениями электролиза и побудила в своё время (в 1838 году) Майкла Фарадея построить прообраз такой трубки («электрическое яйцо» Фарадея). Как мы увидим позже, аналогия была чисто внешней, но и само по себе явление проводимости газов было настолько интересным, что многие исследователи посвятили жизнь изучению его свойств.

Примерно в середине прошлого века Юлиус Плюккер (1801–1868) (это имя знакомо теперь каждому математику) оставил свои занятия геометрией, которые не нашли признания среди современников, и увлёкся опытной физикой. Когда вы следите за игрой световых реклам, вы обязаны этим зрелищем профессору математики в Берлине и Бонне. Именно Плюккер в 1858, году изобрёл эти светящиеся трубки. (Обычно их называли Гейслеровыми, по имени знаменитого стеклодува Генриха Гейслера, который был техническим ассистентом Плюккера и научился особенно искусно их изготовлять; а ещё полвека спустя их повсеместно называли трубками Крукса).

Прежде всего Плюккер установил, что проводимость газа зависит от его концентрации в трубке и возрастает, если часть газа из трубки откачать. При этом каждый газ начинает светиться своим характерным цветом, так что по цвету свечения можно определить состав газа в трубке. (К этому выводу Плюккер пришёл даже раньше Кирхгофа и Бунзена, но не понял его значения.) Если увеличивать разрежение в трубке, то вблизи катода появляется тёмное пространство («катодное пятно»), которое при дальнейшем откачивании газа из трубки расширяется и наконец заполняет её всю: трубка перестаёт светиться. Но это тёмное пространство живёт, его пронизывают какие-то «лучи», хоть и невидимые для глаза (как невидима летящая пуля, пока не встретит препятствия на своём пути).