Макс Лауэ - ИСТОРИЯ ФИЗИКИ Страница 23

материи элементарный электрический заряд (гл. 4). Термин «электрон» для носителя отрицательного элементарного заряда ввел лишь в 1890 г. Джонстон Сто-ней (1826-1911).

Особенно большое значение атомистика имела для понимания разнообразных явлений, происходящих при электрических разрядах в газах.

В 1859 г. Юлиус Плюккер (1801-1868) открыл те лучи, которые мы называем «катодными» согласно термину, введенному в 1876 г. Евгением Гольдштейном (1850-1931). В 1869 г. Иоганн Вильгельм Гитторф (1824-1914) обнаружил их отклонение в магнитном поле, и, наконец, в 1871 г. Кромвель Варли (1828-1883) доказал, что их электрический заряд является отрицательным. В 1876 г. Гольдштейн указывал на их отклонения в электрическом поле; однако ни он, ни Варли не смогли дать достаточно убедительное доказательство. Лишь в 1895 г. Жан Перрен (1870-1942) и в 1897 г. Джозеф Джон Томсон (1856-1940) решили вопрос в согласии с выводами Варли и Гольдштейна. Под влиянием блестящих опытов Вильяма Крукса (1832-1919), произведенных в 1879 г., прочно установилось представление, что катодные лучи состоят из частиц, хотя Генрих Герц в 1883 г. на основе опытов, неправильных из-за недостаточной экспериментальной техники, хотел усмотреть в них продольные волны. В 1886 г. Гольдштейн описал каналовые лучи, противоположные катодным лучам. В 1898 г. Вильгельм Вин (1864-1928) определил из измерения отклонений этих каналовых лучей отношение массы к заряду. Он нашел значение, соответствующее порядку величины, вычисленной из фарадеевского закона эквивалентности для электролитических ионов. С 1897 г. некоторые исследователи, в том числе Вин и Дж. Дж. Томсон, а также Джордж Фитцжеральд (1851-1901) и Эмиль Вихерт (1861-1928), показали, что в катодных лучах отношение массы к заряду частиц приблизительно в 2000 раз

меньше, чем у атома водорода. Отсюда, решительно отклонив идею Герца, заключили, что частицы, образующие потоки каналовых лучей, являются обычными электрически заряженными атомами или молекулами; напротив, частицы катодных лучей являются «атомами» отрицательного электрического заряда - электронами.

В конце 1896 г., когда лорентцовская теория эффекта Зеемана (относящегося к спектральным линиям, обусловленным электронами в атомах; гл. 4) привела к тому же значению отношения заряда к массе, существование электронов после сорокалетних усилий было твердо установлено. Оно было подтверждено также в 1899 г. Э. Вихертом, который посредством электрических колебаний измерил прямым путем скорость катодных лучей и получил для отношения массы к заряду результат, полностью соответствующий значениям, полученным из опытов с отклонениями в электрическом и магнитном полях.

Поразительным свойством электронов является их способность проходить через значительные слои твердого вещества. Это заметил уже в 1892 г. Генрих Герц (1857-1894). В 1893 г. Ленард пропустил через «окно Ленарда» электроны из разрядной трубки. Последующие исследования касались главным образом поглощения и рассеяния электронов в веществе. Они еще и теперь не закончены. Особенно могущественным вспомогательным средством оказалась изобретенная в 1912 г. Ч. Т. Р. Вильсоном камера, которая дает возможность непосредственно наблюдать пути заряженных частиц, движущихся в газах, следовательно и электронов. Для объяснения проникающей способности электронов Ленард уже к 1900 г. развил свою динамическую теорию тел, которая имеет много общего с позднее появившейся моделью атома Резерфорда. В то же время, главным образом под руководством Дж. Дж. Томсона, полностью было объяснено прохождение электричества через газы; его причиной являются ионы обоих знаков, а также свободные электроны.

Начиная с 1897 г., многие исследователи старались определить абсолютное значение заряда электрона, а не только его отношение к массе. Порядок величины был установлен уже благодаря известному числу Лош-мидта. С другой стороны, был очень точно известен заряд грамм-молекулы одновалентного электролитического иона. Но численные значения для заряда электрона были вначале большей частью равны лишь 2/3 правильного значения. Интересно бросить ретроспективный взгляд на постепенное повышение значений элементарного заряда с течением времени. Из прямых методов измерения мы считаем теперь лучшим метод, данный в 1907 г. Эренгафтом, примененный в 1913 г. Милликеном и улучшенный им же в 1940 г., - метод парящей в электрическом поле масляной капли, несущей отрицательные элементарные заряды. Этот метод дал значение 4,796 • 10-10 электростатических единиц. Кроме того, с его помощью подтвердилось, несмотря на многочисленные сомнения, что не существует никаких меньших зарядов, никаких «субэлектронов». Применяются также многие непрямые определения, так как элементарный заряд тесно связан, с одной стороны, с числом Лошмидта, с другой стороны - с константой k Больцмана. Измерения посредством интерференции рентгеновских лучей дают для числа Лошмидта значение 6,0227 • 1023 и тем самым для элементарного заряда 4,803 • Ю-10 электростатических единиц; различие результатов обоих измерений зарядов не составляет даже 2%. С исторической точки зрения интересно, что Планк в 1900 г. получил на основе своего закона излучения и измерений излучения, осуществленных в то время, значение 4,69 • 10-10, которое было гораздо выше других известных в то время результатов измерений, но которое, как мы теперь знаем, далеко превосходило их в точности. Впрочем, согласно новейшим измерениям излучения, это значение еще повышается до 4,76 • 10-10, но его точность не может быть, конечно, сравнима с точностью двух других указанных чисел.

Неделимость, в связи с которой атом получил свое название, имеет место в химических превращениях, а также при соударениях атомов, о которых говорит кинетическая теория газов. Но более глубокие исследователи часто ставили вопрос, не состоит ли атом из меньших частей.

В 1815 г. Вильям Проут (1785-1850) думал, что можно из целочисленности атомных весов заключить, что все атомы состоят из атомов водорода как всеобщей первоматерии. Однако улучшение измерительных методов в течение XIX века привело к таким значительным отклонениям от этой целочисленности, что его гипотеза была погребена. Мысль о внутренней связи между всеми элементами появилась снова, когда в 1869 г. Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) и Лотар Мейер (1830-1895) независимо друг от друга упорядочили элементы, согласно их химическому поведению, в периодическую систему. Все величие этой гениальной идеи обнаружилось лишь через 40 лет. Действительно, в 1911 г. Эрнст Резерфорд (позднее лорд, 1871-1937) предложил для объяснения рассеяния -лучей в веществе такую модель атома, в которой положительно заряженное маленькое, но заключающее в себе почти всю массу атома ядро окружено «планетной системой» электронов. Исследования отклонений -частиц Гансом Гейгером (1881-1945) и Е. Марсденом и особенно исследование рентгеновских спектров Генри Мозли (1887-1915) и другими показали, что место элемента в системе, его атомный номер, определяется числом элементарных зарядов ядра. Периодическая система является просто упорядочиванием элементов соответственно числам ядерных зарядов. Этот вывод сделал уже в начале 1913 г. А. ван-ден-Брук на основе размышлений о радиоактивности. Однако сделанное им допущение, что заряд ядра всегда равен половине атомного веса, не подтвердилось. Почему существует периодичность (хотя и неточная) химических свойств? Это объясняют с точки зрения теории квант В. Коссель и прежде всего Н. Бор (гл. 14).

Современная физика считает неделимыми только немногие элементарные частицы. Одна - это электрон, другая - ядро атома водорода, протон, с которым исследователи встречались прежде всего при электрических разрядах в газах, например в каналовых лучах. В одном и том же 1932 г. Карл Давид Андерсон открыл в камере Вильсона позитрон - частицу с положительным зарядом и массой, приблизительно равной массе электрона, а Чадвик в опытах с радиоактивными явлениями - нейтрон, незаряженную частицу, имеющую почти ту же массу, что и протон. В космическом излучении, открытом в 1910 г. В. Ф. Гессом и вскоре подтвержденном Вернером Кольхерстером (1887-1946), Андерсон в 1937 г. обнаружил, опять-таки с помощью камеры Вильсона, мезон, теоретически предсказанный в 1935 г. Юкавой. Это, повидимому, - частица с коротким временем жизни, имеющая положительный или отрицательный заряд; она приблизительно в 200 раз тяжелее, чем электрон, и, следовательно, в 10 раз легче, чем протон. Но ядро атома состоит из протонов и нейтронов согласно мысли, высказанной в 1932 г., с одной стороны, В. Гейзенбергом и, с другой стороны, И. Таммом и Д. Иваненко; число зарядов ядра дает количество содержащихся в ядре протонов, а число нейтронов таково, что масса всех протонов и нейтронов дает массу атома. В этой теории, возникшей и подтвержденной на основе изучения радиоактивности, вновь воскресла старая гипотеза Проута.