Электрон: как открыли элементарную частицу, переносящую заряд

В 1836 г. английский физик Майкл Фарадей сформулировал законы электролиза (разложения жидкостей на отдельные элементы под воздействием тока). Согласно первому закону, чем больший заряд передать электроду, тем большей будет масса осажденных на нем элементов. Согласно второму, чем больше масса осевших на электроде элементов, тем больше весит 1 эквивалент этого элемента — количество, реагирующее с 1 моль (6,002×1023 атомов) водорода. Опираясь на эти законы, британский ученый Джордж Стони в 1874 г. высказал догадку о том, что разрыв каждой конкретной связи возникает только тогда, когда через электролит (токопроводящую жидкость) пропускают определенный, соответствующий именно данному типу связи заряд (количество электричества). Через 15 лет Стони придумал название для элементарной единицы, переносящей заряд, — электрон.

Впрочем, еще до того, как он ввел этот термин, немецкий физик Герман Гельмгольц (1821—1894) предположил, что электричество, независимо от того, заряжено ли оно положительно или отрицательно, состоит из крошечных частиц — точно так же, как любая материя состоит из атомов. Ученый догадывался, что химические вещества должны содержать электрические частицы, ведь при разложении электролитов вместо атомов образовывались положительно и отрицательно заряженные ионы. Значит, рассуждал физик, при замыкании цепи один атомы теряют какое-то количество электрических частиц, другие присоединяют такое же количество и притягиваются к соответствующим электродам, а уже там под воздействием повышенного напряжения отдают лишние частицы либо забирают недостающие — и становятся нейтральными.

В 1895 г. немецкий ученый Вильгельм Конрад Рентген обнаружил загадочные икс-лучи, которые возникали по вине заряженных частиц, испускаемых катодом (отрицательным электродом) вакуумной трубки на анод — положительный катод, вследствие чего выделялся поток энергии. Год спустя опыты французского физика Антуана Анри Беккереля показали: если поместить атомы урана в электрическое поле, создаваемое двумя электродами, произойдет атомный распад на положительные ядра, поток отрицательных частиц и волновое излучение энергии. Так была выявлена радиоактивность. Наконец, в конце апреля 1897 г. кембриджский профессор физики Джозеф Томсон (1856—1940) официально сообщил о том, что была найдена новая элементарная частица с самой маленькой массой и зарядом — электрон. Когда Томсон только начал работу в Кавендишской лаборатории Кембриджа, коллеги подтрунивали над ним. По словам одного из лаборантов, пальцы Джозефа были жутко неуклюжими, поэтому сотрудники всячески старались не подпускать его к оборудованию. Единственное, что на тот момент у Томсона получалось хорошо, — это стратегическое планирование: он мог четко нарисовать в воображении поэтапный процесс любого эксперимента. За это коллеги дали профессору прозвище Безрукая Голова, однако уже через несколько лет он отважился ставить опыты без чьей-либо помощи.

Сначала Джозеф пропускал рентгеновские, радиационные и катодные лучи (потоки электронов, испускаемые отрицательным электродом — катодом) через разреженные газы и наблюдал, как их молекулы приобретают заряд, превращаясь в положительные и отрицательные ионы. Попутно ученый выяснил, что если разность потенциалов в газе небольшая, то, согласно закону Ома, с падением напряжения (давления, оказываемого на электроны) сила тока тоже уменьшается. А вот с ростом напряжения сила тока, как ни странно, падала, что противоречило закону Ома, но стоило только увеличить напряжение до максимума, как ток резко возрастал и газ разряжался с искрами, похожими на молнию.

Далее Томсон переключился на вакуумные трубки, внутри которых возбуждалось катодное излучение, и поставил целый ряд экспериментов. В первой группе опытов он воздействовал на лучи магнитным полем и увидел, что они сильно искривляются. На втором этапе Томсон задумал пронаблюдать за поведением лучей в электрическом поле (поскольку, как тогда уже знали, оно тесно связано с магнитным) и изготовил трубку полностью без воздуха, дабы исключить его влияние на направление потока. Подобные опыты немецких ученых провалились именно из-за того, что вакуумная среда содержала немного воздуха, но Томсон сделал все, чтобы такого не случилось, и катодный луч отклонился, причем по направлению было видно, что заряжен он отрицательно.

Третий этап начался еще с одного усовершенствования трубки: теперь ее устройство стало сложнее, а торец был покрыт особым составом, реагирующим на свет. С помощью этого прибора ученый смог максимально точно определить угол искривления луча, а затем, используя полученные данные, вычислил удельный заряд отдельной частицы — отношение ее заряда к массе. Данное число в тысячи раз превышало удельный заряд положительного иона водорода, а это свидетельствовало о том, что исследуемые частицы гораздо меньше атомов, но электричества в них несравненно больше.

Томсон поэкспериментировал с катодными лучами, помещая их в электростатическое и магнитное поля одновременно, с ультрафиолетом и даже с нагретыми до белого каления металлами. Измеряя и сравнивая соотношения заряда и массы излучаемых частиц, ученый убедился, что результаты идентичны, и заключил: лучи, испускаемые катодной трубкой, представляют собой поток мельчайших заряженных «корпускул» (так Томсон назвал электроны), и из этих «деталей» сложены абсолютно все атомы, в том числе водород. Вещество, из которого сделан катод, так же как и состав среды, где распространяются лучи, не влияет на удельный заряд частиц, а по массе каждая из них более чем в 1830 раз уступает водородному атому.

Большинство современников Томсона отнеслись к его теории скептически: в их сознании не укладывалось, что атомы не целостны и что атом водорода — не самая легкая и маленькая частица.

Между тем Томсон поставил перед собой новую цель — воссоздать посредством корпускул-электронов модель атома. Это оказалось не так-то просто, ведь электроны заряжены отрицательно, а частицы с одноименным зарядом отталкиваются, но ученый нашел выход. По его версии, атом представляет собой что-то вроде кекса с изюмом: положительное облако, в котором свободно движутся многочисленные отрицательные частицы, — обе составляющие взаимно компенсируются, потому атом нейтрален.

Томсон представил эту модель в 1904 г., а семь лет спустя его же студент Эрнест Резерфорд выяснил, что, помимо отрицательных частиц, атомы содержат положительное ядро, и на основе данного наблюдения создал другую модель по образу и подобию Солнечной системы.

То, что катодные лучи, а следовательно, и электроны, могут существовать вне вакуума, обнаружил еще в 1893 г. немецкий физик Филипп Ленард (1862—1947). Для экспериментов с катодной трубкой он проделал в аноде дырочку и закрыл ее фольгой, а напротив разместил еще одну трубку с таким же «окошком». Катодный луч прошел сквозь оба отверстия и попал во вторую трубку, где исследовать его было удобнее. Ленард повторил в этой трубке опыты Томсона, а затем принялся направлять излучение на разные предметы, что позволило ему сделать несколько важных выводов: электрические лучи способны проникать внутрь разных материалов, на глубину, которая зависит от плотности и толщины вещества, а также скорости и энергии частиц, составляющих излучение. Кроме того, ученый обнаружил, что вес атомов распределяется неравномерно и сконцентрирован в одном месте, и ему представилась модель в виде шарообразной оболочки, заполненной сцепленными парами положительных и отрицательных частиц.

Продолжая изыскания Ленарда, посвященные взаимодействию заряженных частиц с разными веществами, подчиненный Томсона — Чарлз Вильсон (1869—1959) сконструировал камеру с насосом, который регулировал объем и давление газа. (Изначально, кстати, ученый планировал сделать аппарат для создания искусственных облаков путем конденсации пара, что дало бы возможность устраивать в лаборатории грозы.) Когда Вильсон направлял в камеру катодные и рентгеновские лучи, те превращали атомы газа в ионы, а капли пара позволяли увидеть их невооруженным взглядом. Ученый чуть видоизменил свой прибор, и пар стал оседать по следу электронов, проявляя дорожку из ионизированных атомов, подобно тому как атмосферный пар формирует конденсационный след самолета.

Так был открыт новый способ изучения ионизированных газов, более того, камера Вильсона помогла ученым точно определить электрический заряд. Самый достоверный результат — 4,796×10-10 — получил американец Роберт Милликен, который догадался вдувать в камеру из распылителя масляную каплю. При трении о распылитель капля электризовалась, и по скорости ее падения в электрическом поле и вне его рассчитывалась величина заряда.

Последующие эксперименты Томсона показали: количество электронов в атоме совпадает с его номером в таблице химических элементов Менделеева. Это открытие помогло Резерфорду определить заряд ядра и, рассчитав по нему численность положительных частиц, выяснить, что она равна количеству отрицательных частиц. Поэтому атом не имеет заряда, то есть нейтрален.

В 1906 г. Томсону вручили Нобелевскую премию. Несмотря на то, что Резерфорд своими исследованиями поставил крест на его атомной модели, она стала важным шагом на пути к пониманию структуры материи.