Покоренный электрон

Успехи электронной теории

Открытие электрона и обобщение сведений, накопленных о нем наукой, заставили ученых рассматривать во взаимной связи и отдельные электрические заряды, и электромагнитные поля, окружающие заряды.

Постепенно возводилось здание, электронной теории, установившей, что заряд и электромагнитное поле органически связаны друг с другом, зависят друг от друга, обусловливают друг друга.

Заряд всегда создает вокруг себя электрическое поле. Когда заряд движется, он создает, кроме того, и магнитное поле.

Внешнее электрическое или магнитное поле направляет движение электрона и изменяет его скорость. Оно может увеличивать и уменьшать энергию электрона.

При торможении электроны излучают электромагнитную энергию в виде электромагнитных волн и, наоборот, электромагнитные волны могут отдавать свою энергию электрону.

В итоге почти 50-летних исканий мы узнали, что электроны образуют ободочку атома, располагаясь в ней на определенных уровнях.

Заряд электрона равен 1,6∙10^-19 кулона.

Масса электрона составляет 9,1∙10^-28 грамма.

Электрон в 1836,6 раза легче протона — ядра водородного атома.

Электрон в невозбужденном водородном атоме находится от ядра на расстоянии в 0,529∙10^-8 сантиметра.

Электронная теория объяснила и связала воедино разнообразнейшие проявления электрической энергии, осветила путь практической электронике.

Хотя увидеть электрон еще невозможно, но уже удается видеть след его в насыщенном водяном царе, — цепочку маленьких водяных капелек, прекрасно различимых при ярком освещении.

На рисунке 116 представлены сфотографированные следы того, как быстрая частица А в магнитном поле, столкнувшись с атомом, выбила из него электрон Б, движущийся со значительно меньшей скоростью и потому искрививший свой путь под действием магнитной силы, а сама пролетела дальше. Скорость А была столь велика, что магнитное поле могло лишь едва-едва искривить ее траекторию.

Рис. 116. Видеть электрон пока еще не удается, но можно видеть след, который он оставляет, пролетая в поле зрения прибора. На снимке: быстрая частица А, столкнувшись с атомом, выбила из него электрон Б, который летел медленно и потому описал в магнитном поле кривую линию.

Электроника стала одной из тех «волшебных палочек», с помощью которых человек творит чудеса, оставляющие далеко позади вымысел сказок.

Богатая фантазия русского народа, проникнутая глубокой верой во всемогущество творческого гения человека, позволяла героям наших сказок летать на ковре-самолете, разгуливать в семимильных сапогах, слушать, как растет трава и перешептываются звезды…

В наши дни, благодаря замечательным успехам науки и победам человека над природой, сказки становятся былью. У нас есть теперь и ковер-самолет, и семимильные сапоги — железные дороги, и послушный ветерок — радиосвязь, и волшебное зеркальце — телевизоры, и чудо-огонек — люминесцентная лампа.

Гениальное предвидение В. И. Ленина

Под влиянием успехов электронной теории некоторым ученым, не отрешившимся еще от своих идеалистических воззрений, стало казаться, что наука уже достигла своего предела.

У некоторых физиков сложилось представление, что электрон будто бы является наипростейшим элементом мироздания, все свойства которого исчерпываются его массой и зарядом.

В 1908 году, то есть на заре современных представлений об электроне и атоме, когда электронная теория только делала свои первые шаги, Владимир Ильич Ленин в своем гениальном произведении «Материализм и эмпириокритицизм» беспощадно разоблачил физиков-идеалистов, извращавших науку. Он указал на реакционность утверждений тех «ученых», которые вообразили, что, углубляясь в недра вещества, они уже «дошли до предела природы». В. И. Ленин писал: «…если вчера это углубление не шло дальше атома, сегодня — дальше электрона и эфира, то диалектический материализм настаивает на временном, относительном, приблизительном характере всех этих вех познания природы прогрессирующей наукой человека. Электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна…»[24]

Гениальное предвидение В. И. Ленина подтвердилось всем ходом развития науки. Ученые вслед за открытием электрона установили его место в атоме, открыли существование ядра атома и других простейших частиц.

В свете новых фактов электронная теория претерпевала серьезные изменения. В ней обнаружились глубокие противоречия, которые одно время даже казались неразрешимыми. Создатель электронной теории физик Лоренц однажды выразил сожаление, что он не умер раньше, чем обнаружились эти противоречия.

Электрон не укладывался в рамки первоначальных упрощенных представлений о нем. Так, например, опыты неопровержимо доказывали, что два электрона, находящиеся в атоме на одном и том же энергетическом уровне, все же чем-то отличаются один от другого.

Приблизиться к объяснению этого различия в движении электронов физике помогла астрономия. Ведь планеты не только обращаются вокруг Солнца, они одновременно вращаются вокруг своих осей. Может быть, и электроны вертятся, как волчки?

Многие наблюдения хорошо объясняются таким допущением. Однако против него есть и серьезные возражения.

Зато магнитные свойства электрона доказаны несомненно. Электрон имеет магнитную ось, он представляет собой маленький магнитик; это доказано прямыми опытами.

Не так-то оказывается проста эта «простейшая частица», и много задач задает она ученым, много задач задаст и в будущем.

Электрон — и волна и частица

В те же годы, то есть в первой четверти XX века, зародилась мысль, что электроны не всегда ведут себя как частицы вещества. Иногда они обнаруживают волновые свойства, которые роднят быстролетящие электроны со световым лучом.

Чтобы проверить это предположение, в 1926 году повторили опыт с просвечиванием кристаллического вещества, только вместо рентгеновских лучей, какие обычно применяют для этой цели, употребили электронный луч, то есть заменили рентгеновские лучи потоком электронов и посмотрели, что получится от такой замены (рис. 117).

Рис. 117. Схема опыта, которым было доказано сходство между рентгеновскими лучами и электронным пучком. В — тонкий металлический листок, сквозь который проходил электронный поток.

Рентгеновские лучи, проходя сквозь листок металла, который состоит из множества мелких кристалликов, дают на фотографической пластинке своеобразный рисунок: в центре появляется круглое пятно, отпечатанное теми лучами, какие прошли сквозь кристалл без рассеяния, а вокруг этого центрального пятна вырисовываются концентрические круги, которые делают фотоснимок похожим на стрелковую мишень или на вид луны, когда она светит сквозь тонкие облака.

Эти кольца дают возможность судить о внутреннем строении вещества, сквозь которое прошли рентгеновские лучи.

И эти же кольца неопровержимо доказывают колебательную, волновую природу рентгеновских лучей, позволяют определить длину волны исследуемых лучей: проходя сквозь одну и ту же пластинку, рентгеновские лучи разной длины волны дают кольца различного диаметра.

Велико же было удивление ученых, когда электронный луч, то есть поток быстро летящих частиц, пройдя сквозь тончайший металлический листок, тоже отпечатал на фотографической пластинке концентрические кольца. Поток электронов в этом опыте вел себя так же, как рентгеновский луч определенной длины волны (рис. 118).

Рис. 118. Электронный луч, пройдя сквозь металлический листок, отпечатал на фотопластинке концентрические кольца.

Дальнейшие исследования показали, что поток электронов действительно обладает всеми особенностями луча с очень малой длиной волны.

Это открытие сразу же приобрело практическое значение, оно позволило применить электроны для исследования строения вещества. Были построены приборы — электронографы, которые в ряде случаев дают лучшие результаты, чем рентгеновские аппараты.

Именно с помощью электронографов химики убедились, что молекулы шерсти, шелка, целлюлозы, древесины, искусственного волокна и многих пластмасс имеют форму нитей или цепочек, состоящих из отдельных звеньев.

«Капли света»

Открытие волновых свойств электронов еще больше увеличило сумбур в воззрениях западноевропейских и американских физиков. Электрон стал казаться им чем-то вроде двуликого Януса или сказочного оборотня, который может оборачиваться по своему желанию то волной, то частицей.

Этот сумбур усугубляли новые исследования природы света. Свет, такое типично волновое, колебательное явление, в то же время оказался состоящим из отдельных частичек — фотонов.

В волновой природе света никто не сомневался, но и в то же время никто не мог объяснить, почему синяя обложка школьной тетради на свету становится серой, почему под солнечными лучами постепенно выцветают ткани, изменяются краски и многие другие вещества.

Когда морская волна накатывается на песчаный пляж, прибрежный песок, накрытый волной, сразу становится мокрым. Не может быть такого положения, чтобы при этом одна песчинка намокла, а другая, лежащая рядом, осталась бы сухой. Так бывает только, когда начинается дождь. Песчинки, на которые упали первые капли, намокают, а остальные остаются сухими до тех пор, пока на них в свою очередь не упадут дождевые капли.

В окрашенной ткани распределены мельчайшие частицы — молекулы краски, которые можно уподобить песчинкам на берегу. На окрашенную ткань падает свет. Под его воздействием частицы краски разрушаются — краска выцветает. И всем прекрасно известно, что частицы краски распадаются не сразу, не одновременно, а по очереди, постепенно. Чтобы обложка тетради полностью выцвела, ей надо пролежать на солнце несколько месяцев. Словом, свет действует на частицы краски не как накатившаяся волна, а как капли дождя. Только прямое попадание световой «капли» — фотона раскалывает молекулу краски, а бесчисленное множество фотонов пролетает мимо молекул, не причиняя им никакого вреда.

«Капельность» света наблюдал и Столетов, исследовавший явление фотоэффекта. Только благодаря «капельности» света возможны фотография и кино. Сотни примеров подтверждают вывод о прерывистой природе света.

Световые волны оказались не только волнами, но и частицами, а электроны — не только частицами, но и волнами.

Тут, конечно, было над чем призадуматься.

И некоторые физики поспешили объявить электроны не частицами вещества, а чем-то промежуточным между веществом и светом. Но это предположение только глубже заводило физику в тупик.

Ученые наблюдали движение потоков не электронов, а более тяжелых частиц — протонов, то есть ядер водородных атомов. В их вещественности уж никто сомневаться не мог. Мощным электрическим полем разгоняли протоны до очень большой скорости. Оказалось, что и они при этом тоже проявляют волновые свойства.

И тогда пришлось признать, что между светом и веществом, которые так непохожи друг на друга, есть много общего: то и другое обладает свойствами и волн и частиц.

Более того, оказалось, что свет обладает массой. Собственно говоря уже из опытов знаменитого русского ученого Π. Н. Лебедева, доказавшего, что свет давит на те предметы, на какие он падает, следовало вывести такое заключение. Но всеобщее признание оно получило несколько позже.

Единство мира в его материальности

В наше время уже не только установлен самый факт существования массы света, но и найден точный способ вычисления этой массы. Так, например, подсчитано, что Солнце посылает на Землю каждую секунду около двух килограммов света.

«Существующий материальный мир — движущаяся материя— представляется нам в двухосновных формах — как вещество и свет», — говорит академик С. И. Вавилов.

Свет — одна из форм движущейся материи. В этом смысле вещество и свет едины. Но между ними есть и существенное различие.

Частицы вещества — электроны, протоны, нейтроны, атомы, молекулы — так же как и большие тела, могут двигаться, как с очень малыми, так и с большими скоростями. Ограничение для них одно — они не могут достигать скорости света.

Частицы света — фотоны — наоборот в вакууме могут двигаться только с одной скоростью — со скоростью света, около 300 000 километров в секунду.

Частицы вещества обладают определенной массой даже при самом медленном движении. Так, например, «масса покоя» электрона равна 9,106∙10^-28 грамма.

Фотон же, частица света, «массы покоя» не имеет. Вся его масса связана с его колоссальной скоростью.

Правда, масса любой частицы вещества зависит от ее скорости и возрастает с увеличением скорости. Но вещество не теряет своей «основной» массы даже в состоянии относительного покоя, а фотон вообще не может существовать, не двигаясь с огромной скоростью. Электрон в сильном электрическом поле можно разогнать до скоростей, близких к скорости света. Опыт показал, что масса его при этом действительно сильно возрастает.

Электрон неисчерпаем

Чем дальше идут исследования, тем больше нового мы узнаем об электроне. И никто не может сказать, что сведения об электроне полностью исчерпаны. Каждое углубленное исследование приносит еще что-нибудь новое, остававшееся до сих пор неизвестным. Сумма знаний об электроне непрерывно увеличивается.

Примерно 20 лет назад было обнаружено существование «родного брата» электрона — частицы, равной электрону по массе и по величине электрического заряда, но обладающей не отрицательным зарядом, а положительным. Такой положительный электрон получил название «позитрон».

Позитрон, так же как и электрон, рождается при ядерных реакциях, когда атомы одного элемента превращаются в атомы другого элемента, но в отличие от нашего старого знакомого — обычного электрона, позитрон очень недолговечен.

Его жизнь обычно исчисляется малыми долями секунды. Он существует только до встречи с электроном.

На рисунке 119 представлена редкая фотография, на которой удалось снять момент рождения электрона и позитрона в магнитном поле.

Рис. 119. Рождение электрона и позитрона и их следы в перенасыщенном паре. Так как заряды их по знаку противоположны, то магнитное поле искривляет их пути в разные стороны.

Так как заряды их совершенно одинаковы по величине, но по знаку противоположны, то магнитное поле искривляет их пути в разные стороны. Это ясно показывают те следы, которые они оставили в перенасыщенном паре.

Встретившись, электрон и позитрон «гибнут». Разумеется их «гибель» условна. Материя вечна, она только видоизменяется. В результате столкновения позитрон и электрон превращаются в два фотона гамма-излучения, которые разлетаются в противоположные стороны. Гамма-излучение родственно рентгеновским лучам, но только фотоны гамма-излучения несут еще большую энергию, чем фотоны рентгеновских лучей.

Так, постепенно, год за годом у электрона обнаруживались все новые и новые свойства. Эти открытия убедительно доказали справедливость гениального ленинского утверждения о неисчерпаемости электрона.

Кризис буржуазной науки

Со времени выхода в свет работы В. И. Ленина «Материализм и эмпириокритицизм» прошло немногим более 40 лет. За этот период наука шагнула далеко вперед, но пропасть между идеалистическим направлением в физике и подлинной наукой не стала меньше. Наоборот, она углубилась и окончательно разделила ученых на два противоположных и непримиримых лагеря.

Наука в капиталистических странах переживает тяжелый и безвыходный для нее кризис упадка и загнивания. Этот кризис является непосредственным отражением распада и разложения буржуазного общественного строя.

Физики-идеалисты стремятся всеми силами помочь гибнущему капитализму и свое стремление осуществляют двумя путями.

Они создают теории, которыми пытаются задержать дальнейшее развитие науки, запутать ее, доказать существование потустороннего мира, который якобы способен влиять на судьбы человечества.

Они утверждают, что, углубляясь в мир атомов, электронов и фотонов, ученый попадает в мир непознаваемого, где физическое соприкасается с божественным.

Эти ученые, например, стараются доказать, что электроны движутся в оболочке атома не по законам природы атомного мира, а руководствуясь лишь своей «свободной волей».

Некоторые «ученые» договорились даже до того, что усмотрели у электрона душу. Все это в конечном счете сводится к желанию во что бы то ни стало, любыми способами доказать существование бога и небесного рая, в воздаяние за тот вполне, реальный ад, который капитализм устроил народам на одной половине земного шара.

Второй путь физиков враждебного идеалистического лагеря — это усиленная разработка атомных бомб и других средств уничтожения людей. Эти ученые скатились до «людоедского» образа мышления. Их буржуазная наука перестала быть наукой, потому что она направлена не на благо общества, а на его уничтожение.

Подлинной науке открыт широкий простор только в нашей стране и в странах народной демократии. Советские ученые в острой борьбе со всякого рода реакционерами отстаивают ясное материалистическое мировоззрение. В своих работах они руководствуются мудрыми положениями диалектического материализма, сформулированными великим корифеем науки товарищем Сталиным.

Товарищ Сталин в своих философских трудах указывает, что «мир по природе своей материален, что многообразные явления в мире представляют различные виды движущейся материи, что взаимная связь и взаимная обусловленность явлений, устанавливаемые диалектическим методом, представляют закономерности развития движущейся материи, что мир развивается по законам движения материи и не нуждается ни в каком „мировом духе“».[25]

Отечественная наука непрерывно обогащает и углубляет наши знания о природе, — она увеличивает золотой фонд точных, проверенных фактов, сведений, наблюдений, законов, и постепенно раскрывает картину строения внутриатомного мира и все точнее устанавливает роль одной из частиц этого мира — электрона.

На пользу и славу Отчизны!

Советский человек властной рукой изменяет облик нашей планеты. Он не только покоряет природу, он исправляет ее и создает новую природу — природу, достойную человека коммунистического общества.

Создавая новую природу, человек, разумеется, сам остается неотъемлемой ее частью: «…на каждом шагу факты напоминают нам о том, что мы отнюдь не властвуем над природой так, как завоеватель властвует над чужим народом, не властвуем над нею так, как кто-либо находящийся вне природы, — что мы, наоборот, нашей плотью, кровью и мозгом принадлежим ей и находимся внутри ее, что все наше господство над ней состоит в том, что мы, в отличие от всех других существ, умеем познавать ее законы и правильно их применять».[26]

Наука, постигающая законы природы и углубляющаяся в ее тайны, с каждым годом приобретает все большее и большее значение. В условиях советской действительности она стала могучей движущей силой прогресса.

Мы имеем полное право гордиться мощью наших машин, совершенством станков, точностью автоматических и телемеханических устройств, победами авиации и всеми другими успехами социалистической науки и техники, созданными трудами советских людей.

Многими из этих успехов мы обязаны электронике.

«Ум человеческий, — писал В. И. Ленин еще в 1908 году, — открыл много диковинного в природе и откроет еще больше, увеличивая тем свою власть над ней».[27]

Вдохновенно работают советские ученые. Они видят непосредственное воплощение достижений науки в исторических делах нашей эпохи, в грандиозном преобразовании природы, в великих стройках коммунизма. Советские ученые работают вместе с людьми производства, в тесном содружестве с ними, обогащая науку их опытом.

С каждым годом напряженного творческого труда всего советского народа, с каждой сталинской пятилеткой коммунизм в нашем Отечестве становится все более близким и реально ощутимым.

Великая цель народов Советского Союза — построение коммунистического общества, достижение изобилия материальных и духовных благ для всех трудящихся, для процветания и счастья всего человечества — рождает великую энергию в народных массах. Эта грандиозная цель вдохновляет миллионы людей на замечательные трудовые подвиги, на новые творческие искания, на новые победы советской науки и техники.

Наша великая Сталинская эпоха — эпоха грандиозных открытий и преобразований, совершаемых советскими людьми, — неутомимыми искателями, пытливыми исследователями, упорными тружениками!