Приблизительно в 1875 г. английский физик Уильям Крукс (1832—1919) сконструировал трубки, в которых можно было получить более глубокий вакуум (трубки Крукса). Исследовать электрический ток, проходящий через вакуум, стало удобнее. Казалось совершенно очевидным, что электрический ток возникает на катоде и движется к аноду, где он ударяется в окружающее анод стекло и создает свечение. Чтобы доказать справедливость такого понимания явления, Крукс помещал в трубку кусок металла, при этом на стекле на противоположном от катода конце [110] появлялась тень. Однако в то время физики не знали, что представляет собой электрический ток. Они не могли вполне определенно сказать, что же все-таки движется от катода к аноду, правда им доподлинно было известно, что этот поток движется прямолинейно (поскольку тень от металла была четко очерчена). Не придя ни к какому выводу относительно природы этого явления, физики отнесли его к «излучению», и в 1876 г. немецкий физик Эуген Гольдштейн (1850—1930) назвал этот поток катодными лучами.
Казалось естественным предположить, что катодные лучи представляют собой какую-то форму света, обладающую волновым характером. Волны, подобно свету, распространяются прямолинейно и, подобно свету, не испытывают влияния сил тяготения. В то же время катодные лучи вполне могут представлять собой частицы, движущиеся с огромной скоростью. Поскольку масса этих частиц чрезвычайно мала или поскольку они движутся чрезвычайно быстро (или и по той, и по другой причине), они или вообще не испытывают действия силы тяжести, или же это действие не проявляется в сколько-нибудь заметной степени. В течение нескольких десятилетий ученые не могли прийти к единому мнению относительно природы катодных лучей. Причем немецкие физики решительно выступали за то, чтобы считать катодные лучи колебаниями, а английские физики столь же решительно настаивали на том, что катодные лучи — это частицы.
Рис. 20. Используя трубку для получения катодных лучей, Томсон измерял отклонение потока электронов в электрическом поле известной напряженности.
Решить этот спор можно было бы, попытавшись установить, отклоняются ли катодные лучи под действием магнитного поля.
Сам Плюккер и независимо от него Крукс показали, что такое отклонение существует. Оставалось решить еще один вопрос. Если катодные лучи представляют собой заряженные частицы, то электрическое поле также должно их отклонять. Однако доказать, что катодные лучи отклоняются в электрическом поле, удалось далеко не сразу. Только в 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон (1856—1940), работая с трубками с очень глубоким вакуумом, сумел в конце концов показать, что катодные лучи отклоняются под действием электрического поля (рис. 20). Это было последним звеном в цепи доказательств, и теперь оставалось лишь согласиться с тем фактом, что катодные лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Величина отклонения частицы в магнитном поле заданной напряженности определяется массой частицы и величиной ее электрического заряда. Томсону удалось измерить соотношение массы и заряда частицы, хотя измерить эти величины отдельно он не смог.
Как известно, наименьшей массой обладает атом водорода, и если предположить, что частица катодных лучей имеет такую же массу, то электрический заряд ее должен быть в сотни раз больше, чем наименьший известный заряд (заряд иона водорода). В то же время если предположить, что заряд частицы катодных лучей равен минимальному заряду, наблюдаемому у ионов, то в этом случае масса частицы должна быть во много раз меньше массы атома водорода. Поскольку Томсон определил только соотношение массы и заряда, то равновероятны были оба варианта.
Тем не менее имелись веские причины считать, что частица катодных лучей намного меньше любого атома. В 1911 г. американский физик Роберт Эндрюс Милликен (1868—1953) измерил, вполне точно, минимальный электрический заряд, который может нести частица, и тем самым доказал справедливость такого предположения.
Если частица катодных лучей несет такой минимальный заряд, ее масса должна составлять лишь 1/1837 массы атома водорода. Таким образом была открыта первая из субатомных частиц.
Еще со времени открытия законов электролиза Фарадея (см. гл. 5) бытовало представление, что электричество может переноситься частицами. В 1891 г. ирландский физик Джордж Джонстон Стоуни (1826—1911) даже предложил название основной единицы электричества (не вдаваясь в детали, частица это или не частица). Он предложил называть ее электроном[111]. Итак, в результате изучения катодных лучей был открыт «атом электричества», о котором ученые думали и гадали более полувека. Учитывая важность работы Дж. Дж. Томсона, его можно считать первооткрывателем электрона.
Оставалось установить, существует ли какая-либо связь между электроном и атомом. Итак, электрон — это частица электричества, атом — частица вещества; и тот и другой могут быть лишенными внутренней структуры конечными частицами, совершенно независимыми друг от друга. И тем не менее мало кто сомневался в том, что какая-то связь между атомом и электроном существует.
В 80-х годах XIX в. Аррениус разработал теорию ионной диссоциации (см. гл. 9). Объясняя поведение ионов, он исходил из того, что ионы — это электрически заряженные атомы или группы атомов. В то время большинству химиков такое объяснение показалось абсурдным, но впоследствии выяснилось, что оно имеет глубокий смысл.
Если электрон присоединится к атому хлора, то при этом получится атом хлора, несущий единичный отрицательный заряд, т. е. образуется ион хлора (хлорид-ион). Если к группе атомов, состоящей из атома серы и четырех атомов кислорода, присоединятся два электрона, то в результате получится сульфат-ион, несущий двойной отрицательный заряд, и т. д. Таким образом можно легко объяснить причины образования всех отрицательно заряженных ионов.
Но как образуются положительно заряженные ионы, например ион натрия? Ион натрия — это атом натрия, несущий единичный положительный заряд. Никакими данными о существовании положительно заряженной частицы, аналогичной электрону, исследователи того времени не располагали. Поэтому оставалось допустить, что положительный заряд может создаваться в результате ухода одного или двух электронов из атома. Иными словами, эти один или два электрона должны быть как бы частью самого атома!
Это допущение нарушало все привычные представления, и тем не менее оно было, как показал в 1888 г. немецкий физик Генрих Рудольф Герц (1857—1894), вполне вероятным.
В 1886—1887 гг. Герц, пропуская электрическую искру через воздушный зазор между двумя электродами (так называемый искровой промежуток), обнаружил, что при облучении катода ультрафиолетовым светом искра возникала легче. Это и другие подобные явления, наблюдаемые при освещении металлов светом, как было установлено впоследствии, обусловлены фотоэлектрическим эффектом[112].
В 1902 г. немецкий физик Филипп Эдуард Антон Ленард (1862—1947), работавший раньше ассистентом в лаборатории Герца, показал, что фотоэлектрический эффект вызывается эмиссией электронов из металла.
Фотоэлектрический эффект характерен для многих металлов, причем металлы испускают электроны под действием света даже в отсутствие электрического тока или электрического заряда в непосредственной близости от них. Этот факт дал повод предполагать, что атомы металлов (а возможно, и атомы вообще) содержат электроны.
Однако в обычном состоянии атомы не несут электрического заряда. Поэтому если атомы содержат отрицательно заряженные электроны, они должны содержать и положительно заряженные частицы, чей положительный заряд компенсирует отрицательный заряд электронов. Ленард полагал, что атомы могут представлять собой скопление как отрицательно, так и положительно заряженных частиц, различающихся только зарядом. Такое предположение казалось совершенно невероятным — почему в таком случае атом никогда не испускает положительно заряженных частиц? И почему он всегда испускает электроны и только электроны?
Пытаясь решить этот вопрос, Дж. Дж. Томсон предположил, что атом представляет собой твердый шар из положительно заряженного вещества, в который, как изюминки в пироге, вкраплены отрицательно заряженные электроны. В обычном атоме отрицательный заряд электронов полностью нейтрализован положительным зарядом самого атома. В результате присоединения дополнительных электронов атом получает отрицательный заряд, а в результате потери нескольких первоначальных электронов — положительный. Однако это представление Томсона поддержки не получило. Хотя положительно заряженные частицы, адекватные электронам, в первые десятилетия XX в. оставались неизвестными, положительно заряженные частицы, правда другого вида, открыты были.
