Атомы и электроны - Матвей Бронштейн

Открытие электронов также помогло физикам понять,,, что происходит в металле, когда по нему проходит электрический ток; способность металлов проводить электрический ток без какого бы то ни было заметного переноса массы и без химического изменения в самом металле получила соответственное объяснение, заключающееся в следующем: в атомах металла существует некоторое количество электронов, которые сравнительно легко отрываются от своих атомов, переходя от своего атома к соседнему и т. д. Такие электроны, легко отрывающиеся от атомов металла, получили название электронов проводимости. Они переходят от одного атома к другому, сравнительно легко передвигаясь по всему объему металла. Передвижение таких электронов в металле под влиянием электрического поля - это и есть электрический ток. Мы могли бы сравнить электроны проводимости в металле с воздухом, находящимся в порах какого-либо пористого вещества (например, губки): если сделать так, чтобы с одной стороны губки давление воздуха было больше, чем с другой, то воздух начнет продавливаться или просачиваться через губку, причем отдельные, частицы воздуха будут описывать весьма извилистые пути, сталкиваясь друг с другом и, в общем, следуя очертаниям пор внутри губки. Поток электронов через металл должен быть похож на такой ток воздуха через пористое вещество, так как скорости отдельных электронов могут быть направлены в какую угодно сторону и только в среднем должно получаться просачивание «электронного газа» через металл.

В этой картине электрического тока, проходящего через металл, наиболее существенным является представление о том, что передвигаются отрицательно заряженные частицы (электроны), а положительно заряженные (остатки атомов, от которых оторваны эти электроны) стоят на месте. Именно так возникает представление об электронном газе, частицы которого (т. е. электроны) шныряют с разнообразными скоростями в промежутках между атомами металла и, время от времени сталкиваясь с этими атомами, отскакивают от них, как мячики. Если приложить к металлу извне электрическое поле, то все частицы электронного газа получат добавочную скорость в определенном направлении и весь электронный газ будет (более или менее быстро, в зависимости от силы поля) просачиваться в этом направлении, встречая сопротивление со стороны атомов металла. Атомы заставляют электроны отскакивать от них и тем самым приводят к тому, что скорость просачивания электронного газа не растет беспредельно, но достигает некоторой конечной величины. Совершенно понятно также, почему металл нагревается при прохождении электрического тока: сталкиваясь с атомами металла, электроны всячески раскачивают эти атомы, отдавая им ту энергию движения, которую они сами приобрели в электрическом поле; атомы начинают быстрее колебаться около своих положений равновесия, а мы воспринимаем это как увеличение температуры металла.

Пожалуй, наиболее непосредственным подтверждением правильности этой картины является замечательный опыт американских физиков Стюарта и Толмена, проделанный в 1916 году. Остроумная идея, которая пришла им в голову, заключается в следующем: металлическая катушка, не соединенная ни с каким источником электрического тока, приводится в очень быстрое вращение, а затем ее внезапно и очень резко останавливают. Если в металле действительно существуют «свободные» электроны, т. е. электроны, легко перемещающиеся в промежутках между атомами и шныряющие от одного атома к другому, то после внезапной остановки катушки они будут в течение некоторого (очень короткого) времени двигаться по инерции, в то время как атомы катушки уже успели остановиться,- таким же точно образом, как люди, стоящие в трамвае, невольно делают шаг вперед, когда вагоновожатый слишком резко тормозит вагон. Это значит, что в первые мгновения после остановки катушки по ней будет бежать кратковременный ток: направление этого тока легко предсказать заранее, исходя из того, что отрицательно заряженные электроны будут продолжать бежать вперед но направлению первоначального вращения катушки. Стюарт и Толмен измерили такой ток электронов и даже сумели вычислить на основании своих измерений отношение e/m для тех частиц, передвижение которых в металле создает электрический ток. Это отношение оказалось таким же самым, какое получил Томсон для электронов, входящих в состав катодных Лучей в разрядных трубках. Этим был подтверждён тот взгляд, согласно которому электроны катодных лучей ничем не отличаются от электронов, переносящих электрический ток в металле.

Но и задолго до этого опыта Стюарта и Толмена не было недостатка в доказательствах того, что внутри металла имеются обыкновенные электроны. Одним из таких доказательств был так называемый «фотоэффект». Это явление, впервые открытое Генрихом Герцем (знаменитым изобретателем радиотелеграфа) и подробно исследованное многими другими физиками, заключается в том, что при освещении ультрафиолетовым (а в некоторых случаях и видимым) светом металлы становятся положительно заряженными. Внимательное изучение этого явления показало, что металл потому становится положительно заряженным, что с его поверхности светом вырываются отрицательно заряженные частицы. Дж. Дж. Томсон измерил отношение e/m для этих частиц по такому же способу, какой он применял раньше к катодным лучам, и получил такое же самое значение, как для электронов катодных лучей. Отсюда ясно, что частицы, вырывающиеся из металла при освещении ультрафиолетовым светом,- это есть те же электроны.

Другое, еще более эффективное доказательство существования электронов внутри металла заключается в явлении «термоэлектронной эмиссии», которое открыл Томас Алва Эдисон, изобретатель фонографа[ 11 ] и электрической лампочки. Особенно подробно исследовал это явление (уже в первом десятилетии этого века) английский физик О. У. Ричардсон. Оно заключается в следующем: если сильно нагреть какой-либо металл, то из его поверхности начинают самопроизвольно выскакивать наружу отрицательно заряженные частицы. Определение e/m для этих частиц по способу Томсона показало, что это электроны. Число таких электронов, выскакивающих из металла наружу, очень быстро увеличивается с возрастанием температуры металла. Объясняется это явление вот как: среди электронов, находящихся в металле, попадаются и такие, которые имеют достаточно большую скорость для того, чтобы, подойдя изнутри к поверхности металла, пробить эту поверхность и выскочить наружу. Для того чтобы проскочить через поверхность металла, электроны должны затратить работу; это видно из того, что если бы такая работа была не нужна, то все электроны, пришедшие к поверхности, могли бы выскочить наружу,- в действительности же это под силу только электронам, у которых достаточно большой запас энергии движения, В этом смысле электроны, сидящие в металле, похожи на пойманных рыбок, мечущихся во все стороны в ведре с водой; только тем рыбкам, которые движутся достаточно быстро, удается выпрыгнуть наружу, прочие же не смогут подпрыгнуть так высоко, чтобы перемахнуть через край ведра. В случае электронов, находящихся в металле, число тех, которые движутся достаточно быстро для того, чтобы суметь выскочить из металла наружу, очень быстро увеличивается при возрастании температуры; при обычных температурах оно настолько мало, что никакого «термоэлектронного испускания» не происходит, но стоит только раскалить металл, как число выскакивающих из него электронов станет очень большим й «термоэлектронный ток» станет вполне доступен измерению. В некотором смысле это явление очень похоже на испарение жидкости: при повышении температуры число молекул, движущихся настолько быстро, что они смогут преодолеть притяжение остальных молекул и выскочить из жидкости в ее пар, становится все больше и больше, а поэтому нагретая жидкость испаряется быстрее, чем холодная. Явление «термоэлектронного испускания» может поэтому быть названо «испарением электронов». В настоящее время это явление имеет огромное множество технических применений (особенно в радиотехнике - стоит только вспомнить об электронных лампах), и с ним хорошо знаком каждый радиолюбитель.

* * *

Все вышеизложенное не оставляет никакого сомнения в правильности гениальной догадки Крукса о том, что электроны катодных лучей являются составной частью всех химических атомов. Но исследование катодных лучей привело не только к открытию электронов - этих предсказанных Франклином «атомов электрического флюида»,- оно привело также и к другому весьма важному открытию, оказавшему огромное влияние на все дальнейшее развитие физики. Речь идет об открытии рентгеновских лучей.

В 90-х годах прошлого столетия очень многие физики изучали замечательные свойства катодных лучей. При этом делались интересные открытия. Так, например, немецкий физик Ленард открыл способ изучать катодные лучи вне разрядной трубки. Для этого он проделал в стеклянной стенке трубки «окошечко» для катодных лучей, т. е. отверстие, закрытое металлическим листиком, очень тоненьким, но все же способным выдерживать атмосферное давление. Через это окошечко он выпустил из трубки катодные лучи наружу и сумел их изучать в воздухе. Заметим, что воздух оказывается не очень «прозрачным» для катодных лучей: пробежав в воздухе несколько сантиметров, электроны останавливаются,- очевидно, вследствие столкновений с атомами газов, из которых состоит воздух.