Атомы и электроны

Когда Гельмгольц и Стоней нашли, что электричество состоит из «порций», или «атомов», то естественно было заключить, что движущиеся в катодных лучах частицы и представляют собой атомы отрицательного электричества. В 1891 году Стоней предложил называть их электронами. Итак, катодные лучи — это поток отрицательно заряженных электронов. Катодные лучи — это и есть «электрический флюид» Франклина, выделенный из обыкновенного вещества и полученный в чистом виде, в котором его удобно изучать.

Наиболее замечательные исследования катодных лучей произвёл английский физик сэр Дж. Дж. Томсон. Томсон исходил вот из какой идеи: если поместить разрядную трубку с катодными лучами в электрическое или в магнитное поле, то лучи, как мы знаем, искривляются. Это объясняется тем, что электроны, из которых состоят катодные лучи, испытывают в электрическом и в магнитном поле ускорение. От чего зависит величина этого ускорения? Если заряженная частица находится в заданном электрическом поле, то её ускорение будет тем больше, чем больше её заряд, и тем меньше, чем меньше её масса. Говоря математически, ускорение, испытываемое заряженной частицей в электрическом поле, прямо пропорционально её заряду e и обратно пропорционально её массе m, — иными словами, оно пропорционально дроби e/m. (Нужно обратить особое внимание на то обстоятельство, что движение частицы в поле зависит только от отношения e/m, а не от числителя e и знаменателя m в отдельности: если бы мы, например, увеличили в десять раз заряд частицы, то все действующие на неё силы увеличились бы в десять раз. Но если при этом мы во столько же раз увеличим и её массу, то действие силы останется тем же, хотя сила увеличилась в десять раз.)

Если же частица находится не в электрическом, а в магнитном поле, то испытываемое ею ускорение зависит не только от отношения e/m, но и от её скорости. Поэтому Томсон придумал следующее. Он заставил горизонтальный пучок катодных лучей перпендикулярно падать на расположенную вертикальную фотографическую пластинку. Затем он включил электрическое поле такого направления, чтобы оно могло отклонять след падения катодных лучей на фотопластинке вправо или влево, а также включил и магнитное поле, направленное так, чтобы оно могло смещать этот след вверх или вниз. Смещение следа на фотопластинке в направлении вправо и влево и смещение того же следа в вертикальном направлении зависело от e/m и от скорости электронов катодных лучей. Измерив горизонтальное и вертикальное смещение следа падения электронов на фотографическую пластинку, Томсон смог написать два уравнения с двумя неизвестными, а именно с неизвестной дробью e/m и неизвестной скоростью. Эти два уравнения с двумя неизвестными Томсон решил. Что же оказалось? Оказалось, что скорость электронов катодных лучей бывает в разных случаях разная: она зависит от того, какая разность потенциалов приложена между катодом и анодом трубки. Например, если эта разность 1000 вольт, то скорость электронов будет около 18 000 км/с, если 250 вольт, то скорость будет 9000 км/с и т. д.

Это — невообразимо огромные скорости, если сравнить их с обычными скоростями окружающих нас тел — скоростью поезда, скоростью артиллерийского снаряда, — но они не выглядят такими же внушительными с точки зрения физика, который привык встречаться в своих расчётах и с гораздо большей скоростью — со скоростью света, которая равна 300 000 км/с (это — та самая скорость, с которой распространяются лучи света; расстояние от Солнца до Земли — 150 миллионов километров — лучи света пробегают за 500 секунд). Поэтому физики не очень удивились, когда Томсон опубликовал свой результат измерения скорости катодных лучей: все сочли эту скорость сравнительно скромной по величине. Гораздо интереснее было то, что Томсон сообщил о найденном в его опытах значении величины e/m. Из его измерений вытекало, что величина e/m получается (в отличие от скорости) всегда и всюду одинаковой. Во всех опытах с катодными лучами она неизменно оказывалась равной e/m=5,307•10¹⁷ абс. ед., если e выражено в абсолютных единицах, а m (масса электрона) — в граммах. Это было хорошим подтверждением догадки Крукса о том, что катодные лучи — поток каких-то совершенно одинаковых частиц.

Из этого значения e/m Томсон сейчас же вывел совершенно поразительное следствие. Вспомним, что из фарадеевских законов электролиза мы получили N•e=2,895•10¹⁴ абс. ед.

Но что такое N? Это — число атомов водорода в одном грамме водорода. Значит, масса атома водорода должна составить N-ю часть грамма. Если мы обозначим массу атома водорода буквой M, то окажется, что M=1/N. Поэтому умножить какое-нибудь число на N — это всё равно что разделить его на M, и наоборот. Выходит, что формулу N•e=2,895•10¹⁴ абс. ед. можно ещё написать в виде e/M=2,895•10¹⁴ абс. ед.