Там странные измеренья...

Э.Асадов

ЭЛЕКТРОН - первая по времени открытия элементарная частица; материальный носитель наименьшей массы и наименьшего электрического заряда в природе; составная часть атома.

0,511 МэВ

ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА

Дело не в сухом расчете,

Дело в мировом законе...

Б.Слуцкий

В том же, 1897 году он выдвинул гипотезу, что электроны являются составной частью атомов, а катодные лучи - не атомы или не электромагнитное излучение, как считали некоторые исследователи свойств лучей. Томсон писал: "Таким образом, катодные лучи представляют собой новое состояние вещества, существенно отличное от обычного газообразного состояния...; в этом новом состоянии материя представляет собой вещество, из которого построены все элементы" [2].

С 1897 года корпускулярная модель катодных лучей стала завоевывать общее признание, хотя о природе электричества были самые разнообразные суждения. Так, немецкий физик Э.Вихерт считал, что "электричество есть нечто воображаемое, существующее реально только в мыслях", а известный английский физик лорд Кельвин в том же, 1897 году писал об электричестве как о некой "непрерывной жидкости" [1].

Мысль Томсона о катодно-лучевых корпускулах как об основных компонентах атома не была встречена с большим энтузиазмом. Некоторые его коллеги решили, что он мистифицировал их, когда высказал предположение о том, что частицы катодных лучей следует рассматривать как возможные компоненты атома. Истинная роль томсоновских корпускул в структуре атома могла быть понята в сочетании с результатами других исследований, в частности, с результатами анализа спектров и изучения радиоактивности.

29 апреля 1897 года Томсон сделал свое знаменитое сообщение на заседании Лондонского королевского общества. Точное время открытия электрона - день и час - невозможно назвать в виду его своеобразия. Это событие стало итогом многолетней работы Томсона и его сотрудников. Ни Томсон, ни кто-либо другой никогда не наблюдали электрон в буквальном смысле, никому не удалось выделить отдельную частицу из пучка катодных лучей и измерить ее удельный заряд. Автором открытия является Дж.Дж.Томсон потому, что его представления об электроне были близки к современным. В 1903 году он предложил одну из первых моделей атома - "пудинг с изюмом", а в 1904 предположил, что электроны в атоме разделяются на группы, образуя различные конфигурации, обусловливающие периодичность химических элементов.

Место открытия точно известно - Кавендишская лаборатория (Кембридж, Великобритания). Созданная в 1870 году Дж.К.Максвеллом, в последующие сто лет она стала "колыбелью" целой цепи блестящих открытий в различных областях физики, особенно в атомной и ядерной. Директорами её были: Максвелл Дж.К. - с 1871 по 1879 год, лорд Рэлей - с 1879 по 1884 год, Томсон Дж.Дж. - с 1884 по 1919 год, Резерфорд Э. - с 1919 по 1937 год, Брэгг Л. - с 1938 по 1953; заместителем директора в 1923-1935 годах - Чэдвик Дж.

ПРЕДЫСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ

Исканьем тайн дух человека жил...

В.Я.Брюсов

В действительности "открытие" электрона растянулось более чем на полстолетия и не завершилось в 1897 году; в нем принимало участие множество ученых и изобретателей.

По большому счету, предысторию открытия нужно начинать с древности, с наблюдения явления электризации: янтарь ("электрон" по-гречески), натертый шерстью, притягивает мелкие кусочки смолы или пыль. Но в этом случае нужно описывать сотни открытий, теорий и изобретений в области электричества и магнетизма, без которых невозможны были бы опыты с катодными лучами.

Из более близкого к открытию времени нужно начать с вклада Майкла Фарадея (1791 - 1867 гг.). Оставляя здесь в стороне его великое открытие электромагнитной индукции, остановимся на законах электролиза, имеющих не только большое практическое значение. Они стали в свое время существенным аргументом в пользу дискретности электрического заряда.

Эти мысли Фарадея относятся к тому времени, когда атомистическая гипотеза строения вещества еще не была подтверждена.

Стремясь выяснить природу электрического тока, Фарадей первым начал изучать прохождение зарядов через растворы солей, кислот и щелочей, что и привело к открытию законов электролиза в 1833 году.

Стоней протестовал впоследствии против утверждений, что Гельмгольц был первым, кто показал на примере электролиза, что каждую валентность следует связывать с минимальным электрическим зарядом.

В 1891 году для постулированного им носителя элементарного заряда Дж.Стоней предложил название - "электрон".

Нельзя не поразиться безошибочному чутью Фарадея, который всегда знал, что нужно исследовать. С его именем связано начало экспериментального изучения токов в газах или газовых разрядов, которое привело впоследствии к открытию катодных, рентгеновских и каналовых лучей.

В 1838 году Фарадей наблюдал тлеющий разряд, пропуская ток от электростатической машины через стеклянную трубку с воздухом при низком давлении. Между светящимся катодом и фиолетовым свечением, исходящим из анода, он обнаружил темное пространство, которое теперь называют "фарадеевым темным пространством". Для наблюдения катодных лучей в то время не было соответствующих вакуумных насосов.

Катодные лучи были открыты в 1859 году немецким физиком Ю. Плюккером. Он обнаружил, что при понижении давления темное пространство в трубке увеличивается, а стекло вблизи катода начинает фосфоресцировать. При дальнейших опытах Плюккера с сотрудниками было установлено, что катодные лучи распространяются прямолинейно, отклоняются магнитным полем, свойства их не зависят от материала катода.

Характер отклонения лучей магнитным полем привел в 1871 году английского физика К.Варли к гипотезе о том, что они представляют собой отрицательно заряженные частицы - ионы.

В 1879 году английский физик У.Крукс сконструировал различные катодные трубки, позволяющие демонстрировать все известные свойства лучей. Он открыл и новые свойства: катодные лучи переносят импульс и энергию. Крукс стал знаменит своими трубками, получившими его имя и используемыми для демонстрационных целей и по сей день. Катодные лучи он считал "потоком молекул" разреженного газа, которые при столкновениях с катодом приобретают отрицательный электрический заряд, вследствие чего отталкиваются катодом и с большой скоростью отлетают от него в перпендикулярном направлении. Крукс писал об этих лучах как об "ультрагазе" - состоянии, в котором столкновения между молекулами настолько редки, что ими можно пренебречь.

Еще один английский физик, А.Шустер, анализируя результаты своих экспериментов в Кавендишской лаборатории в 1876-1881 годах, доказал, что проводимость газа обусловлена его ионами, и пришел к выводу, что катодные лучи возникают в результате бомбардировки катода ионами газа, ускоренными в сильном электрическом поле.

В эти же годы исследования катодных лучей проводились в Германии. Известный физик Генрих Герц открыл и описал в 1891 году проницаемость катодными лучами тонких металлов. Самые малые из известных тогда частиц - молекулы водорода - не обладали такой способностью, поэтому возникла вторая, исключающая в рамках классической физики корпускулярную модель катодных лучей, - волновая. Г.Герц и другой немецкий физик - Ф.Ленард (Нобелевская премия 1905 года "За исследование катодных лучей") провели серию экспериментов, надеясь подтвердить волновую модель и опровергнуть корпускулярную.

Таким образом, в то время, как У.Крукс и другие английские физики в основном придерживались корпускулярной модели, хотя концепция самого Крукса (поток отрицательно заряженных молекул), возможно, нуждалась в усовершенствовании; Генрих Герц и другие немецкие физики были сторонниками волновой модели, хотя отклонение катодных лучей магнитным полем представляло для них проблему. Нужно было остановиться на одной из моделей.

В этих условиях в 1894 году к экспериментам с катодными лучами приступил Томсон с сотрудниками. Параллельно во Франции в 1895 году Ж.Перрен нашел метод определения знака заряда катодно-лучевых частиц и показал на опыте, что они действительно переносят отрицательный заряд.

Серия ставших классическими экспериментов Томсона в совокупности с результатами Перрена и привела в 1897 году к признанию корпускулярной природы катодных лучей как потока отрицательно заряженных частиц.

После этого нужно было измерить в отдельности элементарный заряд, по его абсолютной величине и удельному заряду q/m рассчитать массу и подтвердить гипотезу о том, что эти частицы входят в состав атомов. Нуждалась в экспериментальном подтверждении и гипотеза Стонея-Гельмгольца об "атомах электричества".

Дж.Дж.Томсон и его ученики Ч.Вильсон и Дж.Таунсенд нашли возможность получения большого числа ионов в воздухе и других газах с помощью рентгеновских лучей, а затем и лучей радия. На основании изучения диффузии и подвижности ионов они показали, что в пределах ошибок эксперимента произведение Ne (N - число ионов) для ионов газа такое же, как для одновалентных ионов в растворе электролита. Средний заряд ионов не зависел от рода газа и вида источника ионизации. Элементарный электрический заряд, переносимый ионами электролита, оказался равным элементарному заряду ионов газа. Появился серьёзный довод в пользу существования единичного заряда, присущего всем ионам. Образование одновалентных ионов было объяснено потерей или присоединением носителя элементарного заряда - электрона - при диссоциации молекул жидкости, при столкновениях атомов газа, а также под воздействием рентгеновских лучей или лучей радия.

Полемика о природе катодных лучей способствовала развитию экспериментальных и теоретических методов исследования. Были сделаны важные выводы о том, что катодные лучи - это поток электронов, был измерен их удельный заряд и абсолютная величина самого заряда. Был обоснован единый характер электронов как универсальной составляющей материи, проявляющейся не только в виде катодных лучей, но и в виде термо- и фотоэлектронов и электронов, способных вызывать свечение.

Все эти исследования, начатые примерно в 1900 году, базировались на концепции электрона Томсона. В классической электронной теории металлов с помощью представления о свободных электронах ("электронном газе") были достигнуты значительные успехи в объяснении экспериментальных законов Ома, Джоуля-Ленца, Видемана-Франца. Одним из основателей это теории был Дж.Дж.Томсон.

В 1906 году он был удостоен Нобелевской премии с довольно осторожной формулировкой: "За теоретические и экспериментальные исследования прохождения электричества через газы".

Д.Андерсон [1] пишет, что бесспорным факт существования электрона стал лишь в 1911 году после измерений элементарного заряда американским физиком Р.Милликеном (Нобелевская премия 1923 года "За исследования в области элементарных зарядов и фотоэлектрического эффекта"). Слово "электрон" появилось в номинациях этой престижной премии лишь в 1925 году, когда немецкие физики Джеймс Франк и Густав Герц были удостоены ею "За открытие законов столкновений электронов с атомами".

Интересно отметить здесь "встречу" в буквальном и переносном смысле двух физических объектов, долгое время считавшихся гипотетическими. Реальность существования атомов была окончательно доказана в 1908 году после опытов Ж.Перрена с броуновскими частицами. Многовековые споры, начатые в древности, о том, что является прообразом материи - вода или песок, разрешились в пользу дискретности. Атом победил, но потерял при этом свой первоначальный смысл неделимой частицы.

Краткую историю о том, как подтвердилась гипотеза о существовании "атома электричества", хотелось бы закончить строчками из стихотворения "Колумб" Ф.Шиллера, которые любил цитировать выдающийся австрийский физик Людвиг Больцман:

В тесном союзе и были,

и будут природа и гений:

Что обещает нам он -

верно исполнит она! [5].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Опять в неизвестность окно отпирай!..

А.Вознесенский

"Трудовая биография" электрона началась с 1897 года, когда немецкий физик К.Браун сконструировал катодную трубку, в которой движением электронов управляло магнитное поле (трубка Брауна). Это была первая электронно-лучевая трубка.

Конечно, электроны существовали и до того и "работали" во всех явлениях электричества и магнетизма, открытых ранее. Здесь отметим только некоторые приборы, сконструированные после 1897 года и нашедшие широкое применение в науке, технике и в быту: вакуумные электронные лампы, фотоэлементы, полупроводниковые приборы, электронные микроскопы, масс-спектрометры и ускорители заряженных частиц.

"Внутренний мир" электрона в последующие годы стал более глубоким, представления о нем развивались, были сделаны новые непредсказуемые открытия, которые сопровождались драмами идей и людей, воспитанных на традициях классических представлений в физике.

Сбылись некоторые предвосхищения по поводу будущего электрона. Приведу два из них:

"Электрон так же неисчерпаем, как атом" - В.И.Ленин, "Материализм и эмпириокритицизм" (издано в 1909 году).

..."Я не думаю, что электрон так прост, как нам кажется" - Л.Брэгг, 1920 год.

Действительность превзошла все ожидания. Приведем здесь лишь несколько великих открытий, связанных с судьбой электрона и отмеченных Нобелевской премией:

1921 А.Эйнштейн. За важные физико-математические исследования, особенно за открытие законов фотоэлектрического эффекта.

1922 Н.Бор. За заслуги в изучении строения атома.

1927 А.Комптон. За открытие явления, названного его именем.

1927 Ч.Вильсон. За открытие методов конденсации пара и изобретение прибора для наблюдения следов заряженных частиц.

1928 О.Ричардсон. За исследование термоэлектронной эмиссии, и в первую очередь за открытие закона, названного его именем.

1929 Л.де.Бройль. За открытие волновой природы электрона.

1932 В.Гейзенберг. За создание квантовой механики в матричной форме.

1933 Э.Шредингер, П.Дирак. За открытие новых форм атомной теории.

Читатель сам сможет сделать выводы о том, что произошло в эти годы, ещё при жизни Дж.Дж.Томсона, с "молодым" электроном; найти ответ следует в литературе по физике.

Надо сказать, что представление о двойственном характере микрообъектов, в том числе и электронов, когда от противопоставления: или волна, или частица - перешли к новому взгляду: и частица, и волна - , а скорее, ни то, ни другое, чему нет аналога в макромире, было неодобрительно встречено Дж.Дж.Томсоном. Он считал все это "модой" и "фокусами" и надеялся, что оно будет разоблачено и развеяно, после чего классическая физика воссияет в ещё большей славе.

Это не умаляет заслуг Томсона, не только открывшего электрон, но и первым обнаружившего изотопы, предложившего принцип действия масс-спектрометра и т.д. Он создал большую интернациональную школу физиков. В числе его учеников, кроме упоминавшихся выше, были Э.Резерфорд, Ф.Астон, Ч.Баркла, О.Ричардсон, П.Ланжевен, Т.Лайман и другие известные физики.

ВМЕСТО ЭПИЛОГА

Столетье - одно мгновенье...

Э.Асадов

Открытие электрона, его будущее волновало не только физиков. Упомяну здесь о двух поэтах, современниках Дж.Дж.Томсона.

Андрей Белый (Б.Н.Бугаев, 1880-1934) в поэме "Первое свидание" вспоминает о лекциях профессора Н.А.Умова, которые он слушал на математическом факультете Московского университета (окончил в 1903 г.), упоминает о многих физических понятиях и выдающихся ученых. По воспоминаниям современников, он любил факты, опыт и точное знание. Физика, химия и их достижения интересовали его до конца жизни. Он говорил о Боре и Резерфорде, когда о них знали только узкие специалисты [6]. В той же поэме он первым в мировой поэзии пишет об атомной опасности:

Мир - рвался в опытах Кюри

Атомной, лопнувшею бомбой

На электронные струи

Другой поэт - В.Я.Брюсов (1873-1924), для которого также не существовало пропасти между двумя культурами. В его стихотворении "Мы все - Робинзоны" я когда-то встретила великолепные строки о надуманности спора "физиков" и "лириков", возникшего позже:

Мы радио бросаем в пространство,

Видим в атоме вихрь электронов,

Но часто мечтаем про странность

Природы, мимозу тронув... (1921 год).

Такой спор беспредметен: есть и были физики-лирики или романтики и поэты, не чуждающиеся науки. Таковым был В.Я.Брюсов, который сам стремился к познанию и овладению всеми сокровищами мысли и мечтал о читателе с таким же мировосприятием.

Его стихотворение "Мир электрона" хочется привести здесь целиком:

Быть может, эти электроны -

Миры, где пять материков,

Искусства, знанья, войны, троны

И память сорока веков!

Ещё, быть может, каждый атом -

Вселенная, где сто планет;

Там все, что здесь, в объеме сжатом,

Но также то, чего здесь нет.

Их меры малы, но все та же

Их бесконечность, как и здесь;

Там скорбь и страсть, как здесь, и даже

Там та же мировая спесь.

Их мудрецы, свой мир бескрайний

Поставив в центре бытия,

Спешат проникнуть в искры тайны

И умствуют, как ныне я;

А в миг, когда из разрушенья

Творятся токи новых сил,

Кричат, в мечтах самовнушенья,

Что бог свой светоч загасил!

Не могу сказать, случайна ли дата написания - год двадцатипятилетия электрона, когда всё ещё было впереди... Кто знает, что из того, чего "здесь", в нашей обыденной жизни, нет, может быть ещё открыто в следующем веке жизни электрона.

1. Андерсон Д. Открытие электрона. М., 1968.

5. Полак Л.С. Людвиг Больцман. М., 1987. С.193.

6. Белый А. Стихотворения и поэмы. М.; Л.: 1966.

7. Брюсов В.Я. Избранное. М., 1982.

8. Липсон Г. Великие эксперименты в физике. М.,1972.

9. Храмов Ю.А. Физики. Биографический справочник. М., 1983.

10. Джанколи Д. Физика. Т.2. М., 1989.

11. Наумов А.И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. М., 1984.

12. Физический энциклопедический словарь. М., 1983.