Атомы и электроны - Матвей Бронштейн

Ne = 2,895-1014 абс. ед.

Мы говорим, что 1 г водорода, и 23,0 г натрия, и 35,45 г хлора, и 39,1 г калия, и 107,87 г серебра переносят через электролит один и тот же электрический заряд, а именно 96 500 кулонов, и мы обращаем внимание на то обстоятельство, что числа 1, 23,0, 35,45, 39,1, 107,87 являются как раз атомными массами этих веществ, что можно видеть из таблицы, которая приведена в предыдущей главе. Все это - результаты измерений Фарадея. Но не со всеми веществами у Фарадея получилось то же самое. Когда он стал измерять количество электричества, которое нужно пропустить через электролит, чтобы выделить из него 24,31 г магния, или 40,08 г кальция, или 65,38 г цинка (эти числа суть атомные массы упомянутых веществ, в чем всякий может убедиться, взглянув на нашу таблицу), то оказалось, что оно одно и то же и для 24,31 г магния, и для 40,08 г кальция, и для 65,38 г цинка, но только оно совсем не равно 96 500 кулонам, как мы могли бы ожидать. Измерения Фарадея показали, что оно равно 193 000 кулонов, т. е. вдвое больше, чем 96 500 кулонов. Сообразим, что все это значит. Ведь в 24,31 г магния или в 65,38 г цинка содержится столько же атомов, сколько в одном грамме водорода. Но эти атомы переносят с собою не такое количество электрического заряда, какое переносит с собой один грамм водорода, а ровно вдвое больше. Значит, и каждый атом магния, или цинка, или кальция переносит с собой не такой электрический заряд, а ровно вдвое "больше, т. е. не е, а 2е. Итак, из измерений Фарадея вытекает следующее:

Каждый атом водорода, или натрия, или калия, или серебра и т. д. переносит с собой через электролит количество электричества, равное е.

Каждый атом магния, или калия, или цинка и т. д. переносит с собой через электролит количество электричества, равное 2е.

Аналогичные измерения Фарадей проделал и для целого ряда других химических элементов, и при этом всегда оказывалось, что один атом любого химического элемента при прохождении через электролит несет с собой электрический заряд, который может быть равен или е, или 2е, или 3е, или 4е и т. д., но никогда не может быть равен дробному числу е, например заряду е, умноженному на целое число с половинкой. Заметим, что сам Фарадей, формулируя открытый им количественный закон электролиза, ничего не упоминал об отдельных атомах, а только говорил, что если взять число граммов водорода, или калия, или натрия и т. д., равное их атомной массе, то это число граммов рассматриваемого химического элемента переносит с собой через электролит всегда один и тот же заряд, а именно 96 500 кулонов; а если сделать то же самое с кальцием или с магнием, то получится не 96 500 кулонов, а ровно вдвое больше, и т. д., и т. д.

Все это очень легко перевести на язык атомов, как это мы и сделали выше, но впервые это сделал не Фарадей, а ирландский физик Джонстон Стоней в 1874 году, через сорок лет после Фарадея. Еще более ясную форму придал этим соображениям знаменитый немецкий физик Герман фон Гельмгольц, который в 1881 году прочитал в Лондоне, в Королевском институте, лекцию, посвященную памяти Фарадея. В этой лекции он очень отчетливо выразил ту мысль, что существует некоторая «порция» электрического заряда, равная е, и что атом вещества, проходящий через электролит, может нести на себе или одну такую порцию, или две, или три такие порции, но никак не дробное число и не целое число с дробью. Заряд е - элементарная порция электрического заряда или «элементарный электрический заряд», как обыкновенно говорят» является чем-то вроде атома электричества: ведь для понятия атома всего характернее, что он не делится на части, а встречается - по крайней мере в какой-то определенной области явлений - только в целом виде, так что можно отделить от вещества один атом, или два, или три, или четыре и т. д., но не дробную часть атома и не целое число с дробью. Вот каким образом возродилась старая мысль Франклина об «атомах электрического флюида». В своей лекции, посвященной памяти Фарадея, Гельмгольц говорил: «Самым поразительным следствием закона Фарадея является, быть может, следующее: если мы примем гипотезу, что обыкновенные вещества состоят из атомов, то мы не сможем избежать и того заключения, что электричество, как положительное, так и отрицательное, тоже состоит из определенных элементарных порций, которые ведут себя как атомы электричества».

Чему равна величина заряда такого «атома электричества»? На этот вопрос Гельмгольц не сумел бы ответить. Он сказал бы только, что элементарный электрический заряд е связан с числом N (числом атомов в одном грамме водорода) уравнением

N*e=2,895-1014 абс. ед.

и что если ему скажут, чему равен множитель N, то только тогда он сумеет сказать, чему равно е. В предыдущей главе мы видели, что изучение броуновского движения, произведенное Перреном, дает ответ на вопрос о том, чему равно N: мы видели, что N=6*1023. Но в 1881 году, когда Гельмгольц написал это уравнение, число N известно не было; о нем можно было только догадываться. Заметим, что связь N и е двусторонняя: если нам скажут, чему равно N, то мы вычислим из нашего уравнения в, но ведь совершенно таким же образом, если мы сумеем каким-нибудь образом узнать и измерить е, то из нашего уравнения мы вычислим, чему равно N, т. е. число атомов в грамме водорода,- иными словами, чему равна масса атома водорода. В конце этой главы мы увидим, каким образом действительно удалось показать на опыте, что электричество состоит из неделимых порций, и измерить величину такой порции. Это дало возможность вычислить с помощью нашего уравнения массу атома водорода, и в результате получилось такое же число, какое совершенно другим способом уже получил Перрен.

Из рассуждений Гельмгольца и Стонея как будто вытекало, что электрический заряд действительно состоит из каких-то «атомов электричества», как предположил чуть ли не за сто лет до этого Бенджамин Франклин. Но все-таки это заключение еще не было достаточно убедительным. Необходимо было выделить «атомы электричества» в чистом виде, освободив их от обыкновенных атомов вещества; необходимо было найти физическое явление, в котором «атомы электричества» принимали бы такое непосредственное участие, чтобы стало возможным открыть их и изучить их свойства. Это удалось ученым, изучавшим прохождение электрического тока через разреженные газы.

В стеклянный сосуд, из которого выкачан почти весь воздух (так что остающийся там воздух производит давление не больше тысячных долей миллиметра ртутного столба), впаяны две металлические пластинки, соединенные с полюсами источника постоянного тока. Будем называть пластинку, соединенную с отрицательным полюсом, катодом, а с положительным - анодом. В 1859 году немецкий физик Плюккер открыл, что если При таком сильном разрежении пропускать электрический разряд между катодом и анодом, то с поверхности катода выходят особые лучи, заставляющие светиться те части стеклянных стенок сосуда, на которые они падают. Таинственные лучи, открытые в 1859 году Плюккером, служили после него предметом исследования ряда ученых, в особенности Гитторфа, Гольдштейна (давшего им название катодных лучей) и других.

В 1874 году гениальный английский ученый Крукс прочел в Шеффильде доклад под заглавием «Лучистая материя, или четвертое состояние вещества», в котором высказал смелую гипотезу о том, что катодные лучи представляют поток материальных частиц, движущихся с колоссальной скоростью и заряженных отрицательным электричеством. Эти частицы, по мнению Крукса, входят в состав каждого химического атома. Таким образом, они представляют «осколки» атома, который, следовательно, не может уже считаться «неделимым» в обычном узком смысле этого слова.

Рис. 4. Искривление катодных лучей в магнитном поле.

Высказав эту гипотезу, Крукс тем самым посягнул на считавшееся тогда несокрушимой основой химии мнение о том, что атомы абсолютно неделимы и являются последними и неразрушимыми единицами, из которых построены все тела природы.

Неудивительно, что смелая мысль Крукса сначала не встретила особой поддержки. Даже такие выдающиеся ученые, как Генрих Герц (открывший электромагнитные волны), нападали на Крукса, утверждая, что катодные лучи представляют не поток материальных заряженных частиц, а особого рода волны, распространяющиеся в эфире; многие считали Крукса сумасшедшим. Однако Крукс оказался прав, и постепенно весь ученый мир под давлением неопровержимых фактов вынужден был принять мнение Крукса. То, что катодные лучи представляют быстро движущиеся заряженные частицы, доказывается следующими опытами.

Если к стеклянному сосуду, в котором распространяются катодные лучи (такие сосуды называются разрядными или круксовыми трубками), приблизить магнит, то катодные лучи определенным образом искривляются. Это было бы совершенно необъяснимо, если бы эти лучи представляли собой волны, но становится совершенно понятным, если мы только допустим, что катодные лучи - быстро движущиеся заряженные частицы. Движущийся электрический заряд есть не что иное, как ток, а магнитное поле, как известно, действуя на ток, заставляет его отклоняться (проводник с электрическим током отклоняет магнитную стрелку и, наоборот, сам стремится повернуться в магнитном поле). Направление,, по которому происходит искривление пучка катодных лучей, указывает на то, что они заряжены отрицательным электричеством.