Атомы и электроны - Бронштейн Матвей Петрович

В 1914 году молодой английский физик X. Дж. Мозли (в следующем году убитый на войне в Галлиполи) исследовал характеристические рентгеновские линии ряда химических элементов и обнаружил замечательный факт, который заключается в следующем: если расположить химические элементы в том порядке, в каком они располагаются в периодической таблице Менделеева, и затем рассмотреть их характеристические рентгеновские спектры, то все спектры будут очень похожи друг на друга, и только длина волны спектральных рентгеновских линий будет становиться всё меньше и меньше, когда мы будем переходить от одного химического элемента к следующему, затем ещё к следующему и т. д. Это убывание длины волны при переходе от элемента к элементу происходит совершенно планомерно, по определённому закону, а поэтому, если в списке элементов есть какой-нибудь пропуск (какой-нибудь химический элемент ещё не открыт), то это сразу обнаруживается из рассмотрения рентгеновских спектров: при переходе от какого-нибудь элемента к другому элементу, который следует за ним не непосредственно, а с пропуском одного или двух промежуточных элементов, получается чересчур большой скачок в длине волны рентгеновских спектральных линий. По величине скачка можно судить о том, сколько элементов пропущено. На этом открытии Мозли и основано наше знание периодической системы: именно благодаря этому открытию мы уверены, например, в том, что между неодимом и самарием есть один промежуточный элемент, а не два, и т. д. Вот почему мы с уверенностью приписываем самому тяжёлому элементу — урану — 92-й, а не какой-нибудь другой номер.

История об электроне и рентгеновских лучах будет неполной, если мы не расскажем, как американский физик Роберт Эндрус Милликен, пользуясь ионизующим действием рентгеновских лучей, сумел измерить заряд электрона совершенно непосредственным способом, как если бы речь шла об измерении заряда какого-нибудь наэлектризованного бузинового шарика.

Способ Милликена заключался в следующем. В пространство между двумя пластинами 1 и 2 конденсатора (рис. 8) с помощью особого пульверизатора вбрызгивались мельчайшие капельки масла. Манипулируя заслонкой 3, можно было на короткое время подвергать воздух между пластинами конденсатора действию лучей рентгеновской трубки 4.

Рис. 8. Схема опыта Р. Милликена.

Как только рентгеновские лучи начинали освещать пространство между пластинами, воздух в этом пространстве ионизовался, и легко могло случиться, что одна из масляных капелек соединится с каким-либо ионом, становясь, таким образом, заряженной. Если пластины конденсатора не заряжены электричеством, то на такую масляную капельку будет действовать только сила тяжести и капелька будет медленно падать (медленно потому, что для тел таких маленьких размеров сопротивление воздуха их движению играет очень большую роль). Освещая пространство между пластинами вольтовой дугой 5, лучи которой собираются в нужную точку выпуклым стеклом 6, Милликен мог следить в микроскоп за падением масляной капельки. Как только пластины конденсатора заряжались, в движении капельки происходило изменение: если, например, она была заряжена отрицательно, а конденсатор заряжался так, что верхняя пластина получала положительный заряд, то капля начинала притягиваться к верхней пластине и отталкиваться от нижней; поэтому падение капли замедлялось или даже заменялось поднятием. Массу капли, конечно, нельзя было определить простым взвешиванием, но её можно было вычислить, измерив скорость, с которой капля падает в отсутствие электрического поля. Это делается на основании законов гидромеханики, позволяющих рассчитать сопротивление воздуха движению шарообразных капелек различных размеров. Зная скорость, с которой капля падает в отсутствие поля (когда её заряд не играет роли), и скорость, с которой та же заряженная капля падает в заданном и известном электрическом поле, Милликен мог вычислить, чему равен заряд капли. Оказалось, что в разных случаях заряды капелек бывали различны, но всегда они представляли целое кратное величины 4,77∙10−10 абс. ед., т. е. равнялись или просто этой величине, или удвоенной, или утроенной и т. д., но никогда не равнялись этой величине, умноженной на какое-либо дробное число. Отсюда Милликен заключил, что величина e=4,77∙10−10 абс. ед. представляет наименьшее возможное в природе количество электричества, т. е. «порцию», или «атом», электричества. Эта величина, следовательно, и есть заряд электрона. Точность опытов Милликена такова, что невероятно ожидать ошибки большей, чем тысячная доля измеряемой величины. Таким образом, величина e найдена, и это позволяет определить значения и других постоянных.

Ведь мы знаем, что заряд электрона e связан с числом атомов в грамме водорода (N) и с массой атома водорода (M) соотношением N∙e =e/M=2,895∙1014 абс. ед., а с массой электрона (m) соотношением e/m=5,307∙1017 абс. ед.

Так как теперь e известно, то из этих уравнений можно легко вычислить m, M и N.

Вычисление даёт N=6,062∙1023, что находится в полном согласии с тем результатом, который получил Перрен, изучая броуновское движение. Масса водородного атома оказывается равной M=1,662∙10−24 г, а масса электрона m=9,01∙10−28 г.

О том, как мала масса электрона, выраженная в граммах, можно судить из следующего сопоставления: отношение массы электрона к одному грамму почти в два раза меньше, чем отношение грамма к массе всего земного шара. Если великого удивления заслуживает то искусство, с которым физики и астрономы сумели взвесить земной шар и небесные светила, то ещё большее удивление должны возбуждать те физические опыты, из которых можно с такой уверенностью (вероятная ошибка не больше одной десятой процента) заключать о массе ничтожного электрона — самой мелкой единицы, входящей в состав материальных тел.

Всего поразительнее во всём этом то обстоятельство, что заключения о заряде и о массе электрона сделаны не на основании каких-либо очень специальных и натянутых гипотез, — напротив, эти заключения можно считать весьма прямыми и непосредственными следствиями наблюдаемых явлений: ведь наблюдения Милликена относились к отдельным электронам (заряд капли во многих опытах равнялся величине e или удвоенной, утроенной и т. д.). Эти опыты являются убедительнейшим доказательством реальности электронов и атомов. Всего убедительнее в этом доказательстве полное совпадение, которое существует между результатами опытов Милликена и результатами опытов Перрена: ведь те и другие опыты основаны на совершенно разных идеях и на первый взгляд — ничего не имеют общего друг с другом. Числам, полученным из этих опытов, приходится верить, — по той же самой причине, по которой на суде верят двум свидетелям, если они, не имея никакой возможности предварительно сговориться друг с другом, оба утверждают одно и то же[12].

Глава четвёртая. Разгадка радиоактивности

Мы знаем теперь, что все вещи состоят из атомов и что атом не является чем-то абсолютно неделимым; наоборот, атом — это какая-то сложная система, от которой могут отделяться крохотные части — отрицательно заряженные электроны. Таков, в общих чертах, был тот запас знаний, которым обладали физики на рубеже XIX и XX столетий. И, опираясь на этот, в сущности очень скудный, запас знаний о веществе, физики должны были разгадать головоломную загадку, которая отпугнула бы от себя самого самонадеянного сыщика на свете, — загадку радиоактивности.

Мы возвращаемся к нашей детективной истории.

Самое поразительное, самое чудесное в радии — это его неутомимость. Днём и ночью, зимой и летом, без устали, без передышки радий посылает в пространство свои невидимые лучи. Каждый час грамм радия испускает столько тепла, сколько нужно, чтобы растопить примерно полтора грамма льда. Много ли это? Это не очень много: грамм угля, сгорая, испускает тепла почти в пятьдесят раз больше, но зато он ведь сгорает и перестаёт быть углём, а грамм радия, испуская тепло в течение часа, в течение суток, в течение года, остаётся совершенно таким же, каким был раньше, — его способность испускать лучи Беккереля, и вместе с ними энергию, остаётся прежней, и он, как и раньше, готов безостановочно испускать энергию в течение новых и новых лет. Вот это-то и есть самое неслыханное, самое беспримерное из всего, что физикам когда-либо приходилось слышать и видеть. Когда топится печка, в ней сгорают дрова, и, если не подбрасывать дров, печка погаснет. Когда идут часы, в них всё время раскручивается пружина или опускается гиря, и, если их не заводить, они остановятся. Во всей природе только радий оказывается каким-то странным исключением: ничего в нём не тратится, ничего не сгорает, никогда он не стареет, он вечно молод. Он похож на волшебный кошелёк в старой сказке: сколько раз ни вынимать из такого кошелька золотую монету, в нём всегда остаётся ещё одна.