Прохождение электрического тока через разреженные газы
На мысль о корпускулярном строении электричества наводили также результаты, полученные при изучении электрических явлений в газах. Прохождение электричества через газы и связанные с этим процессом явления наблюдали в лабораторных условиях еще в середине XVIII века. Однако систематически эти явления начали изучать значительно позже, в середине XIX века.
В 1838 году Фарадей, рассматривая прохождение электричества через разреженный газ, установил, что свечение, сопровождающее такой разряд, имеет определенную структуру. Теорию этого явления Фарадей не разработал, но указал, что результаты таких наблюдений в будущем «окажут на теорию учения об электричестве значительно большее влияние, чем мы можем себе представить в настоящее время».
Начиная с 50-х годов, после того как Генрих Гейслер (1814-1879) стал изготовлять газоразрядные трубки (носящие его имя), изучение разрядов в газах пошло интенсивнее. В 1858—1859 годах. Юлиус Плюккер (1801-1861), исследуя электрический разряд в таких трубках, открыл существование «катодных лучей». Он заметил, что если катод сделан в виде острия, то свечение имеет форму шнура, отходящего от катода. Этот «шнур» отклонялся магнитным полем. Плюккер пришел к заключению, что это поток заряженных частиц, летящих от катода к аноду. Он заметил также, что стекло возле катода начинало светиться.
Исследования ряда физиков подтвердили установленные Плюккером факты и дополнили их новыми. О природе этих частиц единого мнения не существовало. Так, например, Уильям Крукс (1832-1919) пришел к мнению, что катодные лучи являются потоком особых отрицательно заряженных частиц и представляют собой некое четвертое состояние материи. Другие же считали, что катодные лучи – это поток обычных частиц (атомов или молекул), несущих электрический заряд.
Молекулярной гипотезе Крукса о природе катодных лучей противостояла волновая гипотеза, поддерживаемая немецкими учеными Видеманом, Гольдштейном и Ленардом. Герц, который находился еще под влиянием теории Гельмгольца, допускавшей существование не только поперечных, но и продольных электромагнитных волн, также считал катодные лучи продольными волнами в эфире. Однако Герцу не удалось добиться отклонения катодных лучей при прохождении ими электростатического поля. В 1892 году он показал, что катодные лучи могут проникать сквозь тонкие пластинки алюминия.
Используя это открытие, Филипп Ленард (1862-1947) вывел эти лучи из трубки, заменив участок стеклянной трубки перед катодом металлической фольгой, достаточно прочной, чтобы выдержать атмосферное давление.
Однако волновая гипотеза несовместима с тем фактом, что катодные лучи отклоняются магнитом, потому что на световые волны магнитное поле не действует. Как молекулярная гипотеза Крукса, так и волновая гипотеза Гольдштейна оказались неудовлетворительными. Чтобы выйти из этого затруднения, нужны были дополнительные экспериментальные данные.
Зарождение электроники
Они были получены молодым физиком Жаном Перреном(1870—1942), работавшим тогда с Липпманом в лаборатории Эколь нормаль в Париже. Перрен поместил внутри разрядной трубки перед катодом закрытый металлический цилиндр с небольшим отверстием против катода на расстоянии 10 см от него и соединил цилиндр с электроскопом. При работе трубки пучок катодных лучей проникал в цилиндр, причем цилиндр всегда оказывался заряженным отрицательно. Для проверки достаточно было отклонить магнитом катодные лучи так, чтобы они не проникали в цилиндр, и сразу электроскоп, присоединенный к цилиндру, оказывался незаряженным.
Отсюда можно было сделать вывод: катодные лучи — это отрицательные электрические заряды, так что их материальная природа представляется значительно более вероятной, чем волновая.
Это был 1895 год. В этот год родилась электроника.
К 80-м годам было окончательно выяснено, что газы не являются абсолютными изоляторами и, хотя и слабо, проводят электрический ток; проводимость их можно увеличить, подвергнув, например, нагреванию. Было высказано мнение, что, подобно проводимости электролитов, проводимость газов объясняется наличием заряженных частиц ионов.
Такую точку зрения подробно развил в 1882 году Вильгельм Гизе. Согласно его теории, в газах всегда имеется некоторое количество заряженных частичек, образующихся в результате деления молекул на положительные и отрицательные частицы-ионы, которые, так же как и в жидкостях, проводят электричество. Однако в обычных условиях таких ионов в газах очень мало. При более высоких температурах их число увеличивается и проводимость повышается.
К этой теории присоединился и английский физик Артур Шустер (1851-1934), который считал, что частицы газов – ионы – всегда несут определенный электрический заряд. Продолжая свои исследования, Шустер попробовал проверить эту теорию на опыте и одновременно определить отношения заряда к массе таких ионов. Для этого он решил использовать явление отклонения катодных лучей в магнитном поле. Зная напряженность магнитного поля, разность потенциалов и, измерив отклонение катодных лучей в магнитном поле, можно вычислить отношение заряда к массе для катодных частиц. Такой эксперимент и проделал Шустер, получивший, что e/m = 10^(11) Кл/кг.
Этот результат показался Шустеру сомнительным. Он полагал, что отношение e/m в катодных лучах должно быть по порядку величины равно отношению e/m для иона водорода, подсчитанному из данных электролиза, т. е. порядка 10^(8) Кл/кг. «... Я мог отсюда заключить, – пишет Шустер, – что или количество электричества, переносимое при разряде в газах, значительно больше переносимого ионами при электролизе, или что масса его «носителя» гораздо меньше». Однако Шустер такого заключения в свое время не сделал. Его исследования были опубликованы в 1890 году, но не обратили на себя внимания.
Наконец, была высказана и гипотеза о том, что ток проводимости осуществляется в результате движения дискретных зарядов. Эта идея принадлежала Фехнеру, а затем была развита Вебером.
Первоначально Вебер не обсуждал вопрос о связи «атомов электричества» с атомами веществ, но затем ему пришлось приписать электрическим частицам массу. Это было сделано в период дискуссии с Гельмгольцем об отношении его теории к закону сохранения энергии. В 1871 г. он писал, что с «каждым весомым ионом связан электрический атом».
Применяя указанную гипотезу, Вебер пытался объяснить ряд явлений, связанных с электрическим током, в том числе выделение током тепла в проводниках, термоэлектричество, явление Пельтье и др. При этом ему удалось предвосхитить ряд положений, установленных позже в электронной теории.
Заряженные частицы вещества, называемые Лоренцем ионами, вызывают в окружающей их среде, т. е. в эфире, особое состояние, которое определяется значениями напряженности электрического Еи магнитного Н полей. Заряженная частица должна испытывать действие силы, которая зависит от значений Е и Н в точке ее нахождения, а также и от скорости ее движения. Эта сила получила название сила Лоренца.
Непосредственно применять уравнение Лоренца для описания электромагнитных процессов в макроскопических масштабах в случае наличия среды нельзя. Величины Е и Н изменяют свои значения уже на расстоянии атомных размеров и притом чрезвычайно быстро, так что доступные измерению значения электрических и магнитных полей представляют собой средние значения этих величин. Поэтому, чтобы иметь возможность применять уравнения Лоренца для макроскопических полей, их нужно усреднить. Для случая неподвижных сред, получаются обычные уравнения Максвелла. В случае, когда среда обладает магнитными свойствами, усреднение уравнений Лоренца более сложно, но и тогда для неподвижных сред приходим к уравнениям Максвелла. Для случая же, когда среда движется как целое, усреднение уравнений Лоренца приводит к новым уравнениям, их Лоренц считает уравнениями для движущихся сред.
Нужно отметить, что разработка Лоренцем электронной теории в значительной степени была обусловлена попыткой создать электродинамику движущихся сред. Этим и обусловлено название его главного труда «Опыт теории электрических и оптических явлений в движущихся телах».
Первым серьезным успехом новой теории было объяснение открытого в 1896 году Питером Зееманом (1865-1943) явления расщепления спектральных линий в магнитном поле. Первоначальная установка Зеемана не была снабжена достаточно точной аппаратурой, и Зееман заметил, только, что спектральные линии расширяются, если источник света помещен в магнитное поле. Узнав результаты первого опыта Зеемана, Лоренц объяснил их, исходя из теории электронов. При этом он предсказал, что спектральные линии в опыте Зеемана должны не просто расширяться, но разделяться на две или на три в зависимости от направления, в котором производится наблюдение по отношению к направлению магнитного поля. Лоренц также определил, что эти линии должны быть определенным образом поляризованы, Последующие экспериментальные исследования подтвердили выводы Лоренца и, таким образом, явились подтверждением электронной теории.
Вскоре после создания электронной теории была развита электронная теория металлов. Немецкий физик Пауль Друде (1863-1906) полагал, что электроны, находящиеся в металле, являются свободными и ведут себя подобно атомам идеального газа. Эта гипотеза дала ему возможность, применив методы кинетической теории газов к электронам внутри металла, построить электронную теорию металлов, которая была далее разработана Лоренцем в 1904—1907 годах.
Новые результаты были получены также при применении электронной теории для объяснения магнитных свойств тел. Развитие представлений об электронах поставило на очередь задачу рассмотреть явление парамагнетизма и диамагнетизма с точки зрения этой теории.
Впервые электронную теорию диамагнетизма начал разрабатывать английский ученый Джозеф Лармор (1957-1942), который одновременно с Лоренцем участвовал в построении общей теории электронов. Лармор объяснил явления диамагнетизма, рассматривая движение электронов в веществе, учитывая при этом действие внешнего магнитного поля (прецессия Лармора).
В 1905 году Поль Ланжевен (1872-1946) развил более подробную и строгую электронную теорию диамагнетизма и парамагнетизма. Электронная теория ферромагнетизма была разработана в 1907 Пьером Вейсом(1865-1940).
Конец XIX века в истории физики отмечен рядом принципиальных открытий, которые вызвали научную революцию во взглядах физиков. Важнейшими из них были открытие электрона и установление зависимости его массы от скорости, а затем открытие радиоактивности. Следует отметить открытие фотоэффекта и его законов, а также открытие рентгеновских лучей. Последние два открытия помимо собственного значения для развития представлений о физических явлениях сыграли существенную роль как в открытии электрона и электромагнитной массы, так и в открытии радиоактивности.
В 1895 году Вильгельм Конрад Рентген (1845—1923) открыл лучи, получившие название рентгеновских. Открытие чрезвычайно заинтересовало ученых и вызвало широкую дискуссию об их природе. Быстро был выяснен ряд свойств этих необычных лучей: способность проходить через светоне-проницаемые тела, ионизировать газы и др., но природа самих лучей оставалась неясной.
Рентген высказал гипотезу о том, что лучи представляют собой продольные электромагнитные волны. Существовала гипотеза о корпускулярной природе этих лучей. С другой стороны, уже очень скоро после открытия Рентгена было высказано предположение, что эти лучи являются электромагнитными волнами, имеющими вид хаотически следующих друг за другом электромагнитных импульсов.
Однако все попытки обнаружить волновые свойства лучей Рентгена, например наблюдать их дифракцию, долгое время были безуспешными, пока немецкому физику Максу Феликсу Теодору Лауэ (1979-1960) не пришла идея использовать вместо дифракционной решетки кристалл и попытаться обнаружить дифракцию рентгеновских лучей от кристаллической решетки (опыт впервые был произведен только в 1925 году).
Открытие рентгеновских лучей способствовало исследованиям электропроводности газов и изучению катодных лучей.
Джозеф Джон Томсон (1856-1940) и Эрнест Резерфорд (1871-1937) установили, что под действием облучения рентгеновскими лучами газ сильно повышает свою электропроводность, сохраняя некоторое время это свойство и после прекращения облучения. Однако если газ, подвергнутый облучению рентгеновскими лучами, пропустить через вату, то он немедленно теряет приобретенное свойство. Этот факт подтверждал предположение, что проводниками электричества в газах являются заряженные частички, образующиеся в результате действия рентгеновских лучей. Что это за частички, каков их заряд и масса – эти вопросы встали перед Томсоном. Для исследования этих вопросов Томсон, решил изучить свойства катодных лучей, которые как он считал, также являются потоком заряженных частиц, и провел целую серию экспериментальных исследований по измерению отношения заряда к массе для катодных частиц. Эти исследования и привели его к открытию электрона.
Открытие электрона
Заинтересовавшись открытием Рентгена, английские ученые Джозеф Джон Томсон (1856-1940) и Эрнест Резерфорд (1871-1937) установили, что под действием облучения рентгеновскими лучами газ сильно повышает свою электропроводность, сохраняя некоторое время это свойство и после прекращения облучения. Однако если газ, подвергнутый облучению рентгеновскими лучами, пропустить через вату, то он немедленно теряет приобретенное свойство. Этот факт подтверждал предположение, что проводниками электричества в газах являются заряженные частички, образующиеся в результате действия рентгеновских лучей. Что это за частички, каков их заряд и масса – эти вопросы встали перед Томсоном.
Для исследования этих вопросов Томсон, решил изучить свойства катодных лучей, которые как он считал, также являются потоком заряженных частиц, и провел целую серию экспериментальных исследований по измерению отношения заряда к массе для катодных частиц. Эти исследования и привели его к открытию электрона.
В 1897 году Томсон опубликовал первые результаты по определению отношения заряда к массе катодных лучей. Для измерения отношения заряда к массе катодных частичек он применил два метода. Первый заключался в измерении заряда и кинетической энергии, переносимых катодными лучами за один и тот же промежуток времени. Для измерения электрического заряда пучок катодных лучей направлялся в фарадеев цилиндр (полый металлический цилиндр, имеющий небольшое отверстие в одном из оснований и соединенный с электрометром). Кинетическая энергия пучка катодных лучей определялась по измерению температуры внутри фарадеева цилиндра с помощью помещенного туда термоэлемента, который нагревался при попадании в него этих лучей. Измеряя далее отклонение этого пучка лучей в магнитном поле, имеющем направление, перпендикулярное лучу, Томсон и определил отношение заряда к массе.
Другой метод, который использовал Томсон для определения отношения e/m, был основан на одновременном действии электрического и магнитного полей на пучок катодных лучей. Томсон воздействовал на такой пучок электрическим и магнитным полями, направленными взаимно перпендикулярно и перпендикулярно пучку. Подбирая величину электрического поля так, чтобы действие его компенсировалось действием магнитного поля, и измеряя затем отклонения этого пучка при наличии только одного магнитного поля той же напряженности, Томсон определил отношение заряда к массе.
Томсон получил, что среднее значение для e/m равно 1,76·10^11 Кл/кг. Из опытов Томсона следовало, что катодные лучи, бесспорно, являются потоком заряженных частиц, заряд и масса которых остаются одними и теми же при использовании различных газов и разных материалов катода. Если принять, что заряд катодных частиц равен заряду водородного иона, определенного из электролиза, то масса этих частиц во много раз меньше массы самого малого атома – атома водорода. Таким образом, напрашивался вывод о существовании заряженных частиц, имеющих значительно меньшую массу, чем масса атома, и входящих как составные части в атомы всех элементов. Такие частицы Томсон предложил назвать «корпускулами». Эти корпускулы, как утверждал он, входят в состав всех атомов элементов.
Независимо от Томсона значение величины e/m для катодных лучей определил Вальтер Кауфман (1871-1947). Измеряя отклонение пучка катодных лучей в магнитном поле и, зная разность потенциалов между катодом и анодом, Кауфман вычислил величину e/m, порядок которой получился таким же, как и у Томсона. Однако Кауфман в первой своей работе не сделал выводов, какие сделал Томсон. Он писал, что факт постоянства e/m для различных металлов и газов и значительное отклонение этой величины от отношения заряда к массе ионов, вычисленных из явления электролиза, очень трудно объяснить. Вскоре Томсон определил отношение заряда к массе для заряженных частиц, получаемых при освещении ультрафиолетовыми лучами поверхности металла, т. е. использовал явление фотоэффекта.
Явление фотоэффекта впервые наблюдал Герц, который заметил, что электрическая искра проскакивает через искровой промежуток при меньшей разности потенциалов, если он освещается ультрафиолетовым светом. Последующие опыты показали также, что заряженный проводник заметно теряет свой заряд, если он освещается ультрафиолетовыми лучами.
В 1888 году явление фотоэффекта исследовал Александр Григорьевич Столетов (1836-1896). Он установил, что фотоэффект может иметь место и при малых потенциалах, и разработал классический метод наблюдения этого явления.
Установка Столетова представляла собой металлическую пластинку С, которая освещалась через сетку лучами от электрической дуги А. Пластинка и сетка были включены в цепь, содержащую гальваническую батарею В и гальванометр. Если на сетку подавалось положительное напряжение, а на пластинку – отрицательное, то при освещении последней по цепи протекал ток. Используя рассмотренный метод исследования, Столетов установил ряд важных закономерностей. Так, он показал, что фототок имеет место только в том случае, если на освещаемую пластинку подается отрицательный потенциал; что величина тока пропорциональна световому потоку, падающему на пластину; что существует ток насыщения; что для получения фототока нужно осветить прибор ультрафиолетовыми лучами, и т. д.
Для измерения отношения e/m у фотоэлектронов Томсон использовал простейший фотоэлемент, состоящий из металлической пластинки и металлической сетки, включенных в цепь с батареей и гальванометром. Пластинка и сетка помещались в сосуд, из которого выкачивался воздух. Стенка сосуда, через которую освещалась металлическая пластинка, была изготовлена из кварца. Освещая пластинку светом, содержащим ультрафиолетовые лучи, Томсон наблюдал, как обычно, появление фототока, регистрируемого гальванометром. Если теперь поместить весь прибор в магнитное поле, направление которого перпендикулярно направлению фототока, то при определенной величине напряженности поля фототок прекратится. Это, очевидно, имеет место тогда, когда под действием магнитного поля заряженные частицы поворачиваются, не успев достигнуть сетки, и ток, следовательно, прекращается. Зная расстояние между пластинкой и сеткой, разность потенциалов между ними, а также измерив критическую напряженность магнитного поля, при котором ток прекращается, Томсон определил значение e/m. При этом он получил величину, примерно совпадающую с величиной e/m, полученной им для катодных лучей.
Важнейшим открытием в физике конца XIX в. было открытие радиоактивности, которое помимо своего общего принципиального значения сыграло важную роль в развитии представлений об электроне. Толчком к открытию радиоактивности было изучение рентгеновских лучей.
В 1896 году Антуан Анри Беккерель (1852—1908), пытаясь обнаружить рентгеновские лучи, испускаемые, по его мнению, различного рода веществами после того, как они освещались солнечным светом, открыл, что кристалл урановой соли является непрерывным источником какого-то излучения, которое может проходить через светонепроницаемые экраны и вызывать почернение фотопластинки.
Мария Склодовская-Кюри (1867-1934), занявшись исследованием нового явления, пришла к выводу, что в урановых рудах присутст-вуют вещества, обладающие также свойством излучения, названного ею радиоактивным. В результате упорного труда Марии и Пьеру Кюри (1859—1906) удалось выделить из урановых руд новый элемент (1898), который обладал радиоактивностью гораздо большей, чем уран. Этот элемент был назван радием.
Исследованием вновь открытых явлений занялись многие физики. Перед ними встали два вопроса.
Во-первых, это вопрос о природе радиоактивного излучения. Уже через короткое время после открытия Беккереля стало ясно, что радиоактивное излучение неоднородно и содержит три компонента, которые получили название альфа, бета и гамма-лучей. При этом оказалось, что альфа- и бета-лучи являются потоками соответственно положительно и отрицательно заряженных частиц. Природа гамма-излучения была выяснена позже, хотя довольно рано высказывалось мнение, что оно представляет собой электромагнитное излучение.
Второй вопрос, возникший в связи с исследованием радиоактивного излучения, был более трудным и заключался в определении источника энергии, которую несут эти лучи. Вначале было высказано предположение, что энергия излучения при радиоактивном распаде берется из вне, из окружающего радиоактивное вещество пространства. Однако эта гипотеза вызвала много возражений. Гипотеза о том, что источник энергии радиоактивного излучения нужно искать внутри самого радиоактивного вещества, казалась более убедительной. Но вопрос о том, что это за энергия, находящаяся внутри атома, которая освобождается при его распаде и выделяется вместе с излучением, был неясен, как и вообще вопрос о механизме самого радиоактивного распада, а первые теории, возникшие для решения этого вопроса, нельзя было считать убедительными.