Физики знали теперь, куда идти и что искать: необходимо было выделить «атом электричества» и определить его свойства: заряд, массу и размеры.
На это понадобилось почти 20 лет и усилия таких больших физиков, как Джозеф Джон Томсон (1856–1940), Джон Таунсенд (1868–1957), Вильгельм Вин (1864–1928), Джордж Фитцжеральд (1851–1901), Эмиль Вихерт (1861–1928), Жан Перрен (1870–1942), Роберт Эндрюс Милликен (1868–1953). У нас нет возможности рассказать сейчас об остроумии и тонкости опытов, которые придумали эти и многие другие учёные. Поэтому проследим просто, как гипотетический «атом электричества» обретал постепенно реальные свойства, пока не стал, наконец, основой физики.
Прежде всего Жан Перрен в 1895 году окончательно доказал: заряд катодных лучей отрицателен. В течение последующих двух лет выяснили: их скорость равна примерно одной десятой скорости света, то есть примерно в 10000 раз больше скорости ружейной пули и скорости теплового движения атомов. Кроме того, эти и все остальные свойства лучей не зависят от состава газа в трубке. А это означало, что катодные частицы — непременная составная часть всех атомов.
И наконец, в 1897 году Дж. Дж. Томсону удалось определить заряд e и массу m отдельного «атома электричества».
Оказалось, что масса этих частиц (≈10−27 г) примерно в тысячу раз меньше массы атома водорода, а заряд (e≈5∙10−10 CGSE) почти точно равнялся тому заряду иона водорода, который был измерен при изучении электролиза.
Это было неожиданно. Посудите сами: явления электролиза и проводимости газов изучали разные науки, которые развивались независимо друг от друга, и в них на протяжении десятилетий сформировались свои понятия. И вдруг они оказались тесно связанными.
«Такие факты в истории науки, — говорил ученик Планка нобелевский лауреат Макс Лауэ, — самое сильное доказательство её истинности».
Для физиков такие события всегда праздник, и мы ещё посетим подобные перекрёстки науки.
История электрона — хороший способ усвоить логику открытий нынешней физики: исходя из наблюдений, учёные выдвигают на их основе гипотезы, которые вновь проверяют опытом, и, наконец, этот процесс завершается теорией, то есть сжатым, объяснением частных явлений на основе немногих общих принципов. Гипотеза об электроне возникла из наблюдений Фарадея, Плюккера и Крукса. Плодотворность её была проверена и доказана в опытах Дж. Дж. Томсона и других физиков.
И наконец, Гендрик Антон Лоренц (1853–1928) настолько поверил в реальность электрона, что создал на основе этой гипотезы теорию, следствия из которой вновь можно было проверить.
Процесс этот беспределен, но это единственный способ движения науки.
Возвратимся, однако, в 1897 год, когда после сорокалетних усилий получила права гражданства первая «элементарная частица» — электрон. Это было самое важное событие в физике со времени признания реальности атома. В тот год узнали, что существуют частицы значительно меньше атомов, что они входят в состав всех атомов; что не только материя, но и электричество имеет атомистическую структуру. Всё это означало, что в природе реально существует материальный носитель наименьшего заряда.
Как и атом, электрон признали далеко не сразу. Ещё в 1902 году Оливер Лодж писал:
«…электрон — это чисто гипотетический заряд, изолированный от атома».
И даже в 1920 году великий Рентген запрещал сотрудникам своего института произносить это слово.
Сейчас эти сомнения трудно понять.
Физики, сразу поверившие в реальность электронов, тщательно измеряли его характеристики: заряд e и массу m. Благодаря их трудам (особенно трудам Роберта Милликена, который с 1909 по 1940 год периодически возвращался к этой задаче) мы сейчас знаем эти числа с большой точностью: m=9,1083∙10−28 г, e=4,80274∙10−10 CGSE.
А размер? Каковы размеры электрона? Увы, нам это неизвестно до сих пор. Мы не знаем даже, имеет ли вообще этот вопрос чёткий смысл. В самом деле, о свойствах электрона мы узнаём, изучая его взаимодействия с другими частицами и полями. Но для понимания результатов всех этих опытов нам достаточно знать только массу и заряд электрона и совершенно ни к чему знать его размеры. Не исключено, что такого свойства у электронов и вправду нет. Ведь нельзя же указать толщину экватора, хотя длину его измерить можно. Или, быть может, величина электрона зависит от условий опыта? Такую возможность тоже нельзя отрицать заранее; ведь изменяет же комета свои размеры, приближаясь к Солнцу, хотя масса её при этом остаётся постоянной. Всё это не праздные вопросы и мы к ним ещё возвратимся.
АТОМЫ, ЭЛЕКТРОНЫ, ЛУЧИ
Мы только что повторили тот сложный участок пути, который прошли исследователи в конце прошлого столетия. Это было время, когда обилие новых явлений заслоняло простые связи между ними. Когда нужна была большая вера в гармонию природы, чтобы не потеряться в хаосе пёстрых фактов и разноречивых гипотез.
Истинно великое открытие не только отвечает на старые вопросы, но и порождает новые. Открытие электрона вызвало воодушевление физиков. Однако вскоре на смену ему пришли новые заботы. Как электроны связаны в атоме? Сколько их там? Покоятся они или движутся? И как их движения связаны с излучением атомов?
Открытие электрона
Форма и характер вопросов менялись, но постепенно все они свелись к задаче: необходимо узнать число, размеры и расположение электронов, в атоме, а также их влияние на процессы излучения.
Никто при этом не задумывался, имеют ли вообще такие вопросы смысл. В то время все молчаливо представляли себе электрон маленьким шариком диаметром 10−13 см, который «как-то» закреплён внутри атома.
Для начала хотели понять главное: почему атом излучает спектральные линии строго определённой длины волны и почему этих линий так много (у атома железа, например, только в видимой части спектра свыше 3000). Как всегда, если нет глубоких идей, мыслили аналогиями. Все хорошо помнили, что частота колебаний пружины с грузиком зависит от её упругости, следовательно, рассуждала часть физиков, и в атоме электроны связаны «какими-то» пружинами различной упругости. Когда мы возбуждаем атом, электроны начинают колебаться и при этом излучают свет с частотой колебания пружинок. Отсюда, по мысли Локьера, сразу следовало, что число электронов в атоме равно числу линий в спектре элемента. Кроме того, атом с подобным устройством будет наиболее охотно поглощать именно те лучи, которые он сам испускает. Но ведь именно это и обнаружили Кирхгоф и Бунзен в своём знаменитом опыте с парами натрия!
Несмотря на успехи модели атома с упруго связанным электроном, многие понимали её логическое, или, точнее, эстетическое, несовершенство. А вскоре обнаружили и прямые противоречия с опытом. Дж. Дж. Томсон, изучая рассеяние рентгеновых лучей на атомах различных элементов, пришёл к выводу, что число электронов в атоме сравнительно невелико и примерно равно половине атомного веса элемента. В 1904 году он предложил свою модель атома, развив гипотезу однофамильца Уильяма Томсона (лорда Кельвина): внутри положительного равномерно заряженного атома-шара диаметром 10−8 см плавают отрицательные электроны, квазиупруго с ним связанные. Число электронов равно заряду шара, так что в целом атом оказывается нейтральным, как это и должно быть.
В начале нашего века почти все физики приняли модель Томсона, и лишь немногие из них предлагали другие модели. Но, несмотря на частные разногласия, все чувствовали: в науке об атоме наступает новая эпоха.
ВОКРУГ КВАНТА
УИЛЬЯМ КРУКС (1832–1919)
Родился У. Крукс в семье торговца на Риджен-стрит в Лондоне. Был он старшим из 16 детей от второго брака, и было ещё 5 детей от первого. Как он сам говорил, в его семье вряд ли знали слово «наука», и первоначальное образование он получил у дяди, книжная лавка которого находилась рядом с магазином отца.
