Под знаком кванта. - Леонид Иванович Пономарёв
Физики знали теперь, куда идти и что искать: необходимо было выделить этот гипотетический «атом электричества» и определить его свойства: заряд, массу и размеры.
На это понадобилось почти 20 лет и усилия таких больших физиков, как Джозеф Джон Томсон (1856—1940), Джон Таунсенд (1868—1957), Вильгельм Вин (1864—1928), Джордж Фитцджеральд (1851 —1901), Эмиль Вихерт (1861 — 1928), Жан Перрен (1870—1942), Роберт Эндрюс Милликен (1868—1953). У нас нет возможности рассказать сейчас об остроумии и тонкости опытов, которые придумали эти и многие другие ученые. Поэтому проследим просто, как гипотетический «атом электричества» обретал постепенно реальные свойства, пока не стал, наконец, основой физики.
Прежде всего, Жан Перрен в 1895 г. окончательно доказал: заряд катодных лучей отрицателен. В течение последующих двух лет выяснили: их скорость равна около одной десятой скорости света, то есть примерно в 10 тыс. раз больше скорости ружейной пули и скорости теплового движения атомов. Кроме того, эти и все остальные их свойства не зависят от состава газа в трубке. А это означало, что катодные частицы — непременная составная часть всех атомов. И, наконец, в 1897 г. Дж. Дж. Томсону удалось определить заряд е и массу m отдельного «атома электричества»: оказалось, что масса этих частиц примерно в тысячу раз меньше массы атома водорода, а заряд равен заряду иона водорода, измеренному при изучении явления электролиза.
Это было неожиданно. Посудите сами: явления электролиза и проводимости газов изучали разные науки, которые развивались независимо друг от друга, и в них на протяжении десятилетий сформировались свои понятия. И вдруг они оказались тесно связанными. «Такие факты в истории науки,— говорил ученик Планка, лауреат Нобелевской премии по физике Макс Лауэ,— самое сильное доказательство ее истинности». Для физиков это всегда праздник.
История электрона — хороший способ усвоить логику открытий нынешней физики: исходя из наблюдений, ученые выдвигают на их основе гипотезы, которые вновь проверяют опытом, и, наконец, процесс этот завершается теорией, то есть сжатым объяснением частных явлений на основе немногих общих принципов.
Гипотеза об электроне возникла из наблюдений Фарадея, Плюккера и Крукса. Плодотворность ее была проверена и доказана в опытах Дж. Дж. Томсона и других физиков. И, наконец, Гендрик Антон Лоренц (1853—1928) настолько поверил в реальность электрона, что создал на основе этой гипотезы теорию, следствия из которой вновь можно было проверить. Процесс этот беспределен, но это — единственный способ движения науки.
В очередную пятницу 30 апреля 1897 г. на вечернем заседании Королевского института Джозеф Джон Томсон доложил о своих исследованиях. После сорока лет усилий в физике получила права гражданства первая «элементарная частица» — электрон. Это было самое важное событие со времени признания реальности атома. В тот год узнали, что существуют частицы значительно меньше атомов; что они входят в состав всех атомов; что не только материя, но и электричество имеет атомистическую структуру. Все это означало, что в природе реально существует материальный носитель наименьшего заряда.
Как и атом, электрон признали далеко не сразу. Еще в 1902 г. Оливер Лодж писал: «...электрон — это чисто гипотетический заряд, изолированный от атома». И даже в 1920 г. великий Рентген продолжал сомневаться в его существовании.
Физики, которые сразу поверили в реальность электронов, начали тщательно измерять его характеристики: заряд е и массу т. Благодаря их трудам (особенно трудам Роберта Милликена, который с 1909 по 1940 гг. периодически возвращался к этой задаче), мы сейчас знаем значения этих величин с большой точностью:
m = 9,109389·10-28 г,
е=4,803207·10-10 ед. СГСЭ = 1,602177·10-19 Кл.
А размер? Каковы размеры электрона? Увы, нам это неизвестно до сих пор. Мы не уверены даже, имеет ли вообще этот вопрос чёткий смысл. В самом деле, о свойствах электрона мы узнаём, изучая его взаимодействия с другими частицами и полями. Но для понимания результатов всех этих опытов нам достаточно знать только массу и заряд электрона и совершенно не нужны его размеры. Не исключено, что такого свойства у электронов и вправду нет. Ведь нельзя же указать толщину экватора, хотя длину его измерить можно. Или, быть может, размер электрона зависит от условий опыта? Такую возможность тоже нельзя отрицать заранее: ведь изменяет же комета свои размеры, приближаясь к Солнцу, хотя масса ее при этом остается постоянной. Все это — не праздные вопросы, и мы к ним еще возвратимся.
АТОМЫ, ЭЛЕКТРОНЫ, ВОЛНЫ
Мы только что повторили тот сложный путь, который прошли исследователи в конце прошлого столетия. Это было время, когда обилие новых явлений заслоняло простые связи между ними, когда нужна была большая вера в гармонию природы, чтобы не потеряться в хаосе пестрых фактов и разноречивых гипотез.
Истинно великое открытие не только отвечает на старые вопросы, но и порождает новые. Открытие электрона вызвало воодушевление физиков. Однако вскоре на смену ему пришли новые заботы: как электроны связаны в атоме? Сколько их там? Покоятся они или движутся? И как эти движения связаны с излучением атомов? Форма и характер вопросов меня-лись, но постепенно все они свелись к задаче: необходимо узнать число, размеры и расположение электронов в атоме, а также их влияние на процессы излучения.
В то время было еще не ясно, имеют ли вообще такие вопросы смысл. К тому же в конце века отнюдь не все верили в существование атомов, а потому и попытки понять их внутреннее устройство воспринимались тогда как некая игра ума. Большинство, не утруждая себя фантазией, представляло себе электрон маленьким шариком диаметром 10-13 см, который «как-то» закреплен внутри атома либо летает там наподобие мухи в соборе. Для начала хотели понять главное: почему атом излучает спектральные линии строго определенной длины волны и почему этих линий так много (у атома железа, например, только в видимой части спектра свыше 3000). Как всегда, в отсутствие глубоких идей мыслили аналогиями:
