Беседы о физике и технике

6. К чему привело открытие электрона

Электрон — одна из электрически заряженных элементарных частиц класса лептонов, обладающая массой покоя 9,109534∙10^-31 кг и отрицательным элементарным электрическим зарядом 1,6021829∙10^-19 Кл, — был экспериментально открыт в 1897 г. известным английским физиком Дж. Дж. Томсоном, хотя идеи о существовании электрона высказывались многими учеными значительно раньше, а простейшие электрические и магнитные явления были известны еще в глубокой древности.

Само слово «электрон», как известно, по-гречески означает янтарь. Для обозначения электричества оно было введено У. Гильбертом в 1600 г., так как первые сведения об этой частице сводились к тому, что некоторые тела (например, янтарь) при трении «электризуются», т. е. начинают притягивать к себе легкие предметы.

РАССКАЖИТЕ ПОДРОБНЕЕ ОБ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА И МАГНЕТИЗМА. ОНА ИНТЕРЕСНА ТЕСНЫМ ПЕРЕПЛЕТЕНИЕМ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ С ПРАКТИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИЕЙ ПОЛУЧАЕМЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

Учение об электричестве, долгое время представлявшее собой совокупность несистематизированных фактов и противоречивых гипотез, за последние сто лет превратилось в одну из обширных, фундаментальных областей физики и современной техники.

К середине XIX в. основные экспериментальные законы, описывающие поведение электрических зарядов, были хорошо известны. Так, открытие Грэем электрической проводимости как будто бы подтверждало идею о том, что электричество фактически является «веществом» особого рода, веществом, которое может двигаться через проводники. Открытие Дюфе (1734) факта существования двух видов электричества осложнило проблему.

Природа этого «вещества» продолжительное время являлась предметом интенсивных теоретических и экспериментальных исследований.

Только в 1775 г. француз Ш. О. Кулон (1736–1806) поставил первый количественный эксперимент. В эти же годы разрабатывались и источники электрической энергии. Так, 1745 год отмечен изобретением лейденской банки, в 1782 г. появился конденсатор Вольта, а в 1801 г. — вольтов столб.

В начале XIX в. русский ученый В. В. Петров (1761–1834) изготовил гальваническую батарею большой мощности, что позволило получить в 1802 г. электрическую искру при разрыве цепи батареи. В место разрыва им были помещены угольки, дающие возможность получать яркое пламя. В. В. Петров использовал полученную дугу в качестве первого источника электрического освещения. Одновременно им было предложено использование электрической дуги для плавления металлов в так называемых дуговых печах. Эти открытия послужили началом создания нового прикладного направления в науке — электротехники.

А ДУГОВОЙ РАЗРЯД УСПЕШНО «РАБОТАЕТ» И СЕЙЧАС.

В настоящее время дуговой разряд используют в качестве мощного источника света в прожекторах, проекционных аппаратах и киноаппаратах. В металлургии широко применяют электропечи, в которых источником теплоты служит дуговой разряд. Дуговой разряд используют и для сварки металлов.

ВЕРНЕМСЯ К ИСТОРИИ. ВЕДЬ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА ТЕСНО СВЯЗАНЫ С ИЗУЧЕНИЕМ СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА?

В начале XIX в. имелись веские доказательства того, что химические процессы и поведение газов можно наилучшим образом объяснить исходя из «атомной» структуры вещества. К 1825 г. казалось достаточно ясным, что тысячи различных химических соединений следует рассматривать как вполне определенные комбинации атомов сравнительно небольшого числа элементов.

Разложение воды с помощью электрического тока (гальванической батареи Вольта) на кислород и водород было воспринято как одно из доказательств того, что движущееся электричество фактически идентично электричеству, обусловленному трением (т. е. статическому электричеству), поскольку еще с 1750 г. было известно, что последнее может вызвать химическое разложение.

В 1833 г. Майкл Фарадей (1791–1867) установил законы электролиза, в основу которых были положены строгие количественные соотношения.

Было установлено, что между количеством электричества, прошедшего через раствор, и количеством выделенного на электродах вещества существуют определенные строгие соотношения. Может быть, и электрический заряд тоже состоит из отдельных «атомов электричества?» Тогда можно было бы предположить, что и каждый атом вещества несет с собой один или несколько «атомов электричества». И если это действительно так, то легко можно объяснить результаты опыта. Видимо, электрический заряд состоит из мельчайших неделимых порций положительного и отрицательного электричества.

Эти электрические частицы тесно связаны с атомами любых веществ. При растворении эти электрические частицы перемещаются от одного атома к другому. При этом одна частица имеет положительный заряд, другая — отрицательный. Такие заряженные частицы были названы ионами — от греческого слова «ион» — идущий, странствующий. Отсюда следовало, что электрический ток в растворах представлял собой два потока положительных и отрицательных ионов.

Работы Фарадея хотя и не дали научного ответа на природу электричества, однако послужили убедительным подтверждением предположения, что вещество по своей природе имеет атомную структуру и в процессе электролиза каждый атом получает вполне определенное количество электричества.

ЭЛЕКТРОЛИЗ ЖЕ С ТЕХ ПОР ПОЛУЧИЛ РАБОЧУЮ ПРОФЕССИЮ…

Электролиз широко применяют в настоящее время в технике для различных целей. Электрическим способом поверхности одного металла покрывают тонким слоем другого (никелирование, хромирование, омеднение и т. п.). Это прочное покрытие защищает поверхность от коррозии.

При помощи электролиза осуществляют очистку металлов от примесей. Так, полученную из руды неочищенную медь отливают в форме листов, которые затем помещают в ванну в качестве анодов. При электролизе медь анода растворяется, примеси, содержащие ценные и редкие металлы, выпадают на дно, а на катоде оседает чистая медь.

При помощи электролиза получают алюминий из расплава бокситов. Именно этот способ получения алюминия сделал его дешевым и наряду с железом самым распространенным в технике и быту металлом.

Если принять меры к тому, чтобы электрическое покрытие хорошо отслаивалось от поверхности, на которую осаждался металл, можно получить копию с рельефной поверхности. В полиграфической промышленности такие копии (стереотипы) получают с матриц. Процесс получения отслаиваемых покрытий (гальванопластика) был разработан русским ученым акад. Б. С. Якоби (1801–1874) в 1836 г.

РАССКАЖИТЕ ОБ ИССЛЕДОВАНИЯХ МАГНЕТИЗМА

Примерно за 10 лет до этого датский ученый X. X. Эрстед (1777–1851) открыл явление, связанное с возникновением магнитного поля в пространстве вблизи проводника с током (рис. 21, а — в). Араго и Ампер в 1820 г. подтвердили открытие Эрстеда. Они же изготовили первый соленоид для получения мощного источника магнитного поля. Задача превращения электричества в магнитное поле была решена.

Рис. 21. Эксперимент, подтверждающий, что вокруг с током образуется магнитное поле

_{Источник ЭДС отключен (а); в цепи протекает электрический ток (б); ток протекает в противоположном направлении (в)}

Далее Фарадей делает попытку найти аналогию между действием электрического тока и эффектом, известным в электростатике как «индукция заряда». Здесь отрицательно заряженный предмет, будучи поднесенным к незаряженному изолированному проводнику, притягивает положительные заряды ближайшей по отношению к себе части проводника и отталкивает отрицательные заряды. Фарадей задался целью: нельзя ли таким же образом с помощью одного тока вызвать появление другого тока?

Пытаясь проследить за возникновением индуцированного тока во второй цепи, он обнаружил возникновение только коротких импульсов тока, появляющихся в момент включения или выключения тока в первой цепи. Им же было обнаружено, что ток индуцируется в проводнике или в катушке с намотанным на нее проводником, если катушка движется относительно магнита (рис. 22) или если магнит перемещается относительно неподвижных витков катушки (рис. 23).

Рис. 22. Возникновение ЭДС при пересечении проводником силовых линий постоянного магнита

Рис. 23. Возникновение ЭДС при перемещении постоянного магнита по отношению к неподвижным виткам катушки

На основании полученных данных Фарадей ввел представление о линиях магнитной индукции (силовых магнитных линиях) (рис. 24).

Рис. 24. Распределение линий магнитной индукции (силовых линий) между двумя разноименными (а) и одноименными (б) полюсами

В том же десятилетии Георг Ом (1787–1854) установил соотношение между разностью потенциалов на проводнике и проходящим через него током. Таким образом, примерно к 1835 г. были сделаны основные открытия в области электричества и магнетизма, благодаря которым была заложена база развития электротехнической промышленности. Человечество вступило в новую эпоху — эпоху электротехники, электроники и гигантских электростанций.

Якоби в 1838 г. создал первую практическую модель электрической машины, которая могла работать или в режиме двигателя, или в режиме генератора. Резкий рывок в развитии электрических машин был получен благодаря заслугам русского ученого Доливо-Добровольского, который в 1885 г. изобрел совершенно новый тип машины — трехфазный асинхронный двигатель, который и в настоящее время является массовым двигателем.

КАКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОБОБЩЕНИЯ БЫЛИ СДЕЛАНЫ ТОГДА ИЗ ИМЕВШИХСЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ФАКТОВ?

Первым, кто достиг успеха в разработке фундаментальной теории электричества и магнетизма, был Дж. Максвелл (1831–1879).

По его мнению, понятие силовых линий, предложенных Фарадеем в качестве некоторого аналога для описания поведения магнитных полей, могло послужить основой для математической формулировки закона Ампера о взаимодействии магнитного поля с электрическим током. Максвелл обобщил закон Фарадея для индукции токов при изменении магнитных полей, связывающий напряженность электрического поля с электрическими зарядами, а также закон, описывающий обычные магнитные поля, и выразил их в виде математических уравнений.

Из анализа этих уравнений он смог сделать важный вывод: любое возмущение, названное им электромагнитной волной, обязанное существованию электрического и магнитного полей, должно распространяться в пространстве со скоростью 3∙10⁸ м/с, т. е. со скоростью света.

Что это, случайное совпадение? Нет, Максвелл не верил в случайность. Он стремился в разных явлениях найти взаимную связь. И он сделал такой вывод: если электромагнитные волны движутся со скоростью света, значит свет — это тоже электромагнитная волна.

Примерно в 1885 г. Г. Герц (1857–1894) наряду с другими исследованиями попытался получить более точные теоретические обоснования уравнений Максвелла. Однако некоторые экспериментальные данные, полученные в то время, не могли быть объяснены. В частности, на протяжении XIX в. продолжались эксперименты по электролизу и предпринимались попытки построения теории для объяснения этих экспериментов. В 1881 г. немецкий ученый Гельмгольц писал: «Если мы примем гипотезу атомной структуры элементов, мы не можем не прийти к выводу о том, что электричество (как положительное, так и отрицательное) также разделяется на элементарные порции или атомы электричества».

Так существуют ли все же атомы электричества?

Изучая ионы различных веществ, ученые никогда не обнаруживали ионов с дробным элементарным зарядом.

Казалось бы, существует элементарный электрический заряд, который уже не делится на более мелкие части, или, другими словами, в природе действительно есть электрические атомы.

С помощью сконструированного прибора удалось доказать, что предполагаемый «электрический атом» несет в себе целое число элементарных зарядов, получивших название электронов. Однако природа электрона была все же не ясна.

В 1838 г. Фарадей, пропуская ток от электростатической машины через стеклянную трубку с воздухом при низком давлении, наблюдал фиолетовое свечение, исходящее из положительного электрода (анода). Это свечение распространялось почти до самого отрицательного электрода (катода) на другом конце трубки. Сам катод также светился, а между светящимся катодом и фиолетовым столбом имелось темное пространство.

НЕ ОТСЮДА ЛИ БЕРЕТ НАЧАЛО МНОГОЦВЕТЬЕ ВЕЧЕРНИХ УЛИЦ НАШИХ ГОРОДОВ?

Фиолетовый столб — это «дедушка» современных неоновых и флуоресцентных световых трубок. Окраска испускаемого такой трубкой света зависит от вида заполняющего ее газа. Неон при давлении приблизительно в одну сотую атмосферы испускает яркий оранжевый свет при пропускании через него тока, гелий — розовато-белый, пары ртути — зеленовато-голубой.

НАБЛЮДЕНИЕ ФАРАДЕЯ ПРИВЕЛО К СЕРЬЕЗНЫМ ТЕОРЕТИЧЕСКИМ ВЫВОДАМ.

Дальнейшие исследования показали, что между катодом и анодом распространяется излучение (названное катодным), представляющее собой поток электронов. Было установлено, что пробег катодного излучения в воздухе при нормальном давлении и нормальной температуре составляет примерно 1 см, и сделано смелое предположение: излучение состоит из частиц, являющихся компонентами атомов всех элементов.

Дж. Дж. Томсон писал: «Таким образом, катодные лучи представляют собой новое состояние вещества, существенно отличное от обычного газообразного состояния…; в этом новом состоянии материя представляет собой вещество, из которого построены все химические элементы».

Лоренц и Зееман предположили существование внутри атома маленьких заряженных частиц, вращающихся по орбитам внутри атома и способных испускать электромагнитные волны, к которым относится и свет.

На основании полученных уширенных спектральных линий удалось оценить значение отношения заряда к массе (е/m) предполагаемой составной частицы атома.

Было установлено, что действительная масса находящейся в атоме частицы составляет около 1∙10^-8 массы атома. Примерно такая же масса получилась в расчетах Томсона для носителей электричества в катодных лучах.

1897 год, когда впервые была измерена масса электрона, принято считать датой открытия электрона.

ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА ПОМОГЛО ПОНЯТЬ СТРУКТУРУ АТОМА?

Начиная с 1897 г. стало ясно, что необходимо задуматься о структуре атома в целом, ибо открытие Зееманом частиц, обнаруженных в катодных лучах, еще не означало, что атом состоит только из таких частиц. Атом уже не мог больше рассматриваться как мельчайшая и самая фундаментальная частица.

Герц (1887) и Томсон (1897) экспериментально установили, что ультрафиолетовое излучение вызывает эмиссию отрицательно заряженных частиц из некоторых металлов (рис. 25).

Рис. 25. Принцип работы фотоэлемента

Измерения показали, что эти частицы по своим параметрам близки к частицам катодного излучения, т. е. в процессе эмиссии были обнаружены частицы, которые можно было отождествлять с катодным излучением. В те же годы Томсон определил массу отрицательно заряженных частиц, испускаемых нагретым до температуры плавления металлом, и значение отношения е/m обнаруженных частиц. Полученное отношение удовлетворительно согласуется со значением этого отношения для частиц катодных лучей.

Таким образом, изучение природы электрических явлений уже к 1890 г. дало возможность накопить много убедительных фактов, позволяющих утверждать, что электрон является составной частью атома. Теперь усилия физиков были направлены на изучение свойств электрона, ставились эксперименты и развивались теории, которые помогли бы осмыслить роль этой частицы в многочисленных химических и физических явлениях.

КАК ПОВЛИЯЛО ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА НА ДАЛЬНЕЙШЕЕ РАЗВИТИЕ НАУКИ?

Открытие электрона и логически связанные с ним открытия рентгеновского излучения и явления радиоактивности выявили новые возможности для экспериментальных исследований. Когда была усовершенствована техника эксперимента и увеличена точность наблюдений, стало ясно, что классические теории физики, например теория электромагнитных полей Максвелла, не способны объяснять поведение очень малых частиц. «Электрон так же неисчерпаем, как атом», — сказал В. И. Ленин в самом начале нашего века. И все дальнейшее развитие физики подтвердило мудрость ленинских слов. Но это стало возможным благодаря развитию современной теоретической физики.

В целом полученные теоретические и экспериментальные данные, достигнутые на основе квантовой механики, дали возможность ответить на следующие вопросы:

1) каким образом атомы поглощают или испускают излучение?

2) каковы свойства проводников, изоляторов и полупроводников?

3) какие существуют способы соединения различных атомов в молекулы? и т. д.

НУ, И КОНЕЧНО, НУЖНО ОБЯЗАТЕЛЬНО СКАЗАТЬ, ЧТО ДАЛО ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА ПРАКТИКЕ!

Следствием открытия волновой природы электронов стало изобретение Руденбергом в 1930 г. электронного микроскопа (рис. 26).

Рис. 26. Общий вид электронного микроскопа УЭМ-100

За годы, прошедшие со дня изобретения, электронный микроскоп стал незаменимым исследовательским прибором в медицине, в промышленности и в исследовательской работе.

Электрон используют в качестве «трудолюбивой рабочей лошади» в самых различных сферах. Построены различного рода установки, позволяющие ускорять электроны до энергии в несколько миллиардов электрон-вольт и с их помощью исследовать структуру вещества. Чтобы почувствовать масштаб этих цифр, достаточно вспомнить, что электроны в атомах, участвующие в процессах поглощения и испускания видимого света, а также в процессах химических взаимодействий между атомами, имеют энергии порядка нескольких электрон-вольт. В радиолампах электроны (рис. 27) достигают энергий нескольких сотен электрон-вольт.

Рис. 27. Трехэлектродная лампа (а) с нитью накала H, сеткой С, анодом А и изображения триода на радиосхемах (б)

В катодно-лучевых или телевизионных трубках (рис. 28) энергия электронов равна примерно десяти тысячам электрон-вольт, а в некоторых современных рентгеновских установках она доходит до миллиона электрон-вольт. Современные ускорители позволяют получить энергию в тысячи и десятки тысяч раз больше, чем миллионы электрон-вольт (рис. 29).

С помощью полученных на ускорителях сверхбыстрых электронов можно изучать структуру протонов, нейтронов и других частиц.

Рис. 28. Схематическое изображение электронно-лучевой трубки

Рис. 29. Линейный ускоритель ионов до энергии 10 МэВ (Харьков)

ЭЛЕКТРОННАЯ ЛАМПА — ТЕМА ОСОБОГО РАЗГОВОРА…

Электронные лампы, или радиолампы — одни из наиболее широко применяемых электронных приборов. Одна из самых простых ламп имеет три электрода: катод, испускающий электроны, анод, который их улавливает, и сетку, которая находится между катодом и анодом и управляет электронами (см. рис. 27).

Впервые трех-электродная лампа была предложена французским изобретателем Луи де Форестом в 1906 г. Электронно-вакуумные лампы — усилители и детекторы — обязательная часть всех радиостанций. В настоящее время электронно-вакуумные приборы переживают «вторую молодость». Они вновь занимают свое место в бытовых высококачественных усилителях для воспроизведения звукозаписи и в радиоприемниках, предназначенных для работы в комплекте с ними (тьюнер), вместо транзисторных устройств, имеющих принципиальные недостатки. Мощные ламповые генераторы используют на заводах для поверхностной закалки деталей, плавки металлов, сушки дерева и т. п.

Достигнув металла, электроны в нем резко тормозятся, и вся кинетическая энергия превращается в тепловую. При этом луч создает на глубине 0,001—0,1 мм энергию в сотни раз большую, чем любой источник теплоты.

Применение электронного луча преобразовало всю технологию сварки.

ЗДЕСЬ ЭЛЕКТРОННЫЙ ЛУЧ ВЫСТУПАЕТ В КАЧЕСТВЕ ИНСТРУМЕНТА…

Новые возможности открыла электронная плавка. Она позволила путем расплавления и кристаллизации получать сверхчистые вещества. В таких веществах нуждается ракетная и атомная техника, да и сама электроника.

А вот электронный луч совсем в ином применении — с его помощью печатаются книги. Установка похожа на телевизор, но вместо экрана — бумажная лента, на которой луч прочерчивает строку за строкой. От него на бумаге остается заряд. Распыленная типографская краска и наэлектризованная бумага встречаются внутри камеры, бумага притягивает частички краски и текст проявляется, как на фотопленке.

Наиболее искусно электронами управляют в электронно-лучевых трубках (рис. 28). Такая электронно-лучевая трубка — основная часть телевизоров, радиолокаторов, фототелеграфа.

Электроника, радиоэлектроника и радиотехника, электронная оптика и электронная техника, электронография и электрооптика, электроорганический синтез и электрострикция — вот далеко не полный перечень наук и технических применений, предмет которых — процессы в приборах, основанные на движении электронов в вакууме и в веществе. Специальные области техники занимаются разработкой, производством и применением электронных приборов и устройств; в многочисленных научных институтах исследуют процессы, происходящие при формировании, распространении и фокусировке электронных и ионных пучков и т. д. Вот к чему привело открытие электрона.