Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

 

Водород … 1,00797

Гелий … 4,0026

Литий … 6,939

Бериллий … 9,0122

Бор … 10,811

Углерод … 12,01115

Азот … 14,0067

Кислород … 15,9994

Фтор … 18,9984

Неон … 20,183

Натрий … 22,9898

Магний … 24,312

Алюминий … 26,9815

Кремний … 28,086

Фосфор … 30,9738

Сера … 32,064

Хлор … 35,453

Калий … 39,102

Аргон … 39,948

Кальций … 40,08

Скандий … 44,956

Титан … 47,90

Ванадий … 50,942

Хром … 51,996

Марганец … 54,9380

Железо … 55,847

Никель … 58,71

Кобальт … 58,9332

Медь … 63,54

Цинк … 65,37

Галлий … 69,72

Германий … 72,59

Мышьяк … 74,9216

Селен … 78,96

Бром … 79,909

Криптон … 83,80

Рубидий … 85,47

Стронций … 87,62

Иттрий … 88,905

Цирконий … 91,22

Ниобий … 92,906

Молибден … 95,94

Рутений … 101,07

Родий … 102,905

Палладий … 105,4

Серебро … 107,870

Кадмий … 112,40

Индий … 114,82

Олово … 118,69

Сурьма … 121,75

Йод … 126,9044

Теллур … 127,60

Ксенон … 131,30

Цезий … 132,905

Барий … 137,34

Лантан … 138,91

Церий … 140,12

Празеодим … 140,907

Неодим … 144,24

Самарий … 150,35

Европий … 151,96

Гадолиний … 157,25

Тербий … 158,924

Диспрозий … 162,50

Гольмий … 164,930

Эрбий … 167,26

Тулий … 168,934

Иттербий … 173,04

Лютеций … 174,97

Гафний … 178,49

Тантал … 180,948

Вольфрам … 183,85

Рений … 186,2

Осмий … 190,2

Иридий … 192,2

Платина … 195,09

Золото … 196,967

Ртуть … 200,59

Таллий … 204,37

Свинец … 207,19

Висмут … 208,980

Торий … 232,038

Уран … 238,03

 

В середине XIX века предпринимались попытки найти такой порядок среди химических элементов. Элементов становилось все больше, их атомные веса измерялись все с большой точностью, и ученым показалось логично занести элементы в таблицу в порядке увеличения их атомных весов (как в табл. 3) и посмотреть, что же из этого получится.

 

Таблица 3.

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ ТАБЛИЦА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Было несколько попыток создать такую таблицу, но успехом увенчалась лишь одна. В 1869 году русский химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907) расположил все известные на тот момент химические элементы в таблицу по рядам и колонкам так, что элементы со сходными свойствами попадали в одну колонку (или ряд, смотря как расположить таблицу). Свойства элементов одной колонки повторялись с определенной периодичностью, поэтому таблица получила название периодическая.

Сложности возникли из-за того, что науке были известны далеко не все химические элементы. Когда Менделеев заносил элементы в колонки своей таблицы согласно их свойствам, ему пришлось оставлять пустые клетки. В 1871 году он объявил, что в этих клетках должны быть еще неоткрытые элементы, и, приводя средние значения элементов сверху и снизу пустой клетки, довольно точно предсказал свойства неизвестных элементов.

В течение 15 лет были открыты все три обозначенных Менделеевым элемента, и их свойства в точности совпадали с его предсказаниями. В результате в 1880 году периодическая таблица Менделеева была принята в качестве путеводителя по неизведанному миру химических элементов, и до сих пор от нее никто не собирается отказываться. Открытия более поздних лет (см. гл. 4) лишний раз подтвердили верность периодической системы. Д.И. Менделеев пришел к своему открытию эмпирическим путем, то есть стало понятно, что периодическая таблица верна и работает, но никто не знал, почему она работает. Ответ был найден в XX веке.

Таблица 3 и есть общепринятая современная периодическая система. Элементы расположены в порядке возрастания атомного веса (есть, правда, три исключения, которые я поясню чуть ниже), и каждый элемент имеет свой порядковый номер — от 1 до 103. Значение этого «атомного номера» мы обсудим чуть ниже.

Сравнивая табл. 3 и табл. 2, можно заметить следующее. Для того чтобы поместить все элементы в нужные ряды, придется поставить три элемента не по порядку. У элемента 18 (аргон) порядковый номер ниже, чем у элемента 19 (калий), несмотря на то что атомный вес у аргона больше. Точно так же у элемента 27 (кобальт) атомный вес больше, чем у элемента 28 (никель), и у элемента 52 (теллур) атомный вес выше, чем у элемента 53 (йод). Поскольку разница в весе очень мала, то ученые в XIX веке не обращали особого внимания на несколько незначительных исключений из общего правила. Однако ученые XX века выяснили, что эти исключения крайне важны (см. ниже).

В периодической системе есть несколько семейств тесно между собой связанных и обладающих схожими свойствами элементов. Например, элементы 2, 10, 18, 36, 54 и 86 (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон) являются инертными газами.  Свое название эти газы получили из-за того, что практически не реагируют с другими веществами. До 1962 года ученые были уверены, что эти газы вообще не вступают в химические реакций. Однако в 1962 году стало ясно, что по крайней мере три из них — криптон, ксенон и радон — могут вступать в реакцию с фтором.

Элементы 9, 17, 35, 53 и 85 (фтор, хлор, бром, йод и астатин) являются галогенами (что в переводе с греческого означает «образующий соль»). Эти активные неметаллы свое название получили потому, что при реакции хлора с натрием образуется обыкновенная поваренная соль, а при реакции остальных элементов этой группы с натрием также образуются вещества, очень похожие на соль.

Элементы 3, 11, 19, 37, 55 и 87 (литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций) — мягкие, легкоплавкие и очень активные щелочные металлы.  Слово «щелочь» по-арабски значит «пепел». Именно из пепла некоторых растений люди получили соду (углекислый натрий) и поташ (углекислый калий). Впоследствии Дэви выделил из них два первых щелочных металла — натрий и калий.

Элементы 4, 12, 20, 38, 56 и 88 (бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий) являются более твердыми, тугоплавкими и менее активными, чем щелочные металлы. Это щелочноземельные металлы.  Название «земельные» они получили потому, что их оксиды не растворяются в воде и являются тугоплавкими. Однако оксиды двух из них — известь и жженая магнезия — обладали некоторыми свойствами соды и поташа, поэтому их назвали «щелочноземельными». Из извести и жженой магнезии Дэви выделил два первых щелочноземельных металла — кальций и магний.

Элементы 57–71 — семейство очень схожих по свойствам редкоземельных  металлов, теперь их называют лантаноидами  по названию первого элемента этой группы (лантан). Элементы 89–103 — это актиниды,  по названию первого элемента группы (актиний).

Есть и другие семейства элементов, но названные выше наиболее широко известны, и очень часто их называют по имени группы.

 

 

Существование атомов

 

Теперь, когда у нас есть атомный вес, довольно просто понять, что называется молекулярным весом.  Молекулярный вес — эта сумма атомных весов всех атомов в молекуле. Давайте начнем, скажем, с кислорода (атомный вес 16) и водорода (атомный вес 1)[117].

Химические опыты показывают, что при нормальных условиях атомарный кислород и водород практически не встречаются в природе, а наоборот, два атома стремятся соединиться друг с другом, чтобы образовать устойчивую молекулу. Молекулы газов кислорода и водорода состоят из двух атомов. Таким образом, химические формулы этих газов выглядят как O2 и Н2. Если нижний индекс отсутствует, значит, речь идет об отдельных атомах кислорода и водорода. Получается, что молекулярный вес молекулы кислорода — 32, а водорода — 2.

Озон состоит из 3 атомов кислорода, значит, его молекулярная масса равна 48. Молекулярная масса воды (Н2O) равна 18, а так как мы знаем, что атомный вес углерода 12, то молекулярная масса молекулы углекислоты (СO2) равна 44.

Удобно использовать количество вещества в граммах, равное его молекулярному весу. Например, удобно использовать 2 грамма водорода, 32 грамма кислорода, 18 граммов воды или 44 грамма углекислоты. Это называется грамм-молекулярным весом,  или моль.  То есть масса одного моля углекислоты равна 44 граммам, а одного моля озона — 48 граммам.

Впрочем, иногда встречаются вещества, состоящие из одного атома, например инертные газы гелий и аргон. Некоторые твердые элементы, такие как углерод и натрий, для удобства принимаются за одноатомные. Это уже называется грамм-атомным  весом. Атомный вес гелий равняется 4, а натрия — 23, значит, их грамм-атомный вес 4 и 23 грамма соответственно. Как правило, моль подразумевает и грамм-молекулярный, и грамм-атомный вес.

Впервые об удобстве использования моля заговорил в 1811 году итальянский химик Амедео Авогадро (1776–1856). Эго гипотеза получила название гипотезы Авогадро.  В современной интерпретации она звучит так: равные объемы любых газов при одинаковой температуре и давлении содержат равное количество молекул.

Впоследствии гипотеза Авогадро подтвердилась.

Объем одного моля водорода (2 грамма) при нормальном давлении и температуре 0 °С равен приблизительно 22,4 литра. Один моль кислорода (32 грамма) в 16 раз тяжелее одного моля водорода, но и каждая молекула кислорода в 16 раз тяжелее одной молекулы водорода. Значит, в одном моле кислорода содержится столько же молекул, сколько и в одном моле водорода. По гипотезе Авогадро, 32 грамма кислорода занимают такой же объем (22,4 литра), как и один моль водорода. Так и есть. Это правило верно и для других газов.

Короче говоря, один моль любого газа занимает один и тот же объем. Число молекул в одном моле любого газа называется числом Авогадро.

Один и тот же объем занимает один моль только лишь у газов. Однако гипотеза Авогадро нашла куда более широкое применение. В одном моле любого твердого, жидкого и газообразного вещества содержится одно и то же число молекул — число Авогадро. (Когда речь идет об одноатомных веществах, таких как гелий, то это число молекул в общем-то содержится в одном грамм-атоме, а не в одном моле, ну да это детали.)

Если бы только химики знали точное значение числа Авогадро, то они смогли бы раз и навсегда определить массу одной молекулы и лишний раз подтвердить существование атомов. А пока к атомам относились как к невидимым для глаза частичкам, которые просто удобно использовать для объяснения химических реакций. Но если определить точную массу одной молекулы, посчитать точное количество молекул в стакане воды или в грамме железа, тогда уже никто не усомнится в существовании атомов.

К несчастью, только полвека спустя ученые смогли выяснить значение числа Авогадро, да и то лишь приблизительно. До этого химики могли утверждать лишь то, что оно очень велико.

Все произошло в 1865 году. Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) совместно с австрийским физиком Людвигом Больцманом выявил свойства газов на основе математического анализа беспорядочного движения атомов и молекул газа (см. ч. I). С помощью формул, разработанных Максвеллом и Больцманом, можно было хотя бы приблизительно подсчитать число молекул. По расчетам немецкого химика Лошмидта, число Авогадро равнялось приблизительно 600 миллиардам триллионов молекул. Действительно, немало.

Более точные расчеты были проведены в XX веке. Оказалось, что Лошмидт был недалек от истины: принятое в наше время значение числа Авогадро равняется 602 300 000 000 000 000 000 000, или 6,023∙1023.

Если один моль кислорода весит 32 грамма и содержит 6,023∙1023 молекул, то масса одной молекулы кислорода будет равна 32/6,023∙1023, или примерно 5,3∙10–28 г. Но так как одна молекула кислорода состоит из двух атомов, то масса одного атома равна примерно 2,65∙10–28 г. Зная массу одного атома кислорода, по атомному весу остальных элементов таблицы можно вычислить массу их атомов.

Например, атомный вес водорода равен 1/16 атомного веса кислорода, значит, масса одного атома водорода должна быть равна 1/16 массы атома кислорода. Сегодня за массу одного атома водорода (самого легкого атома) приняты 1,67343∙10–24, или 0,00000000000000000000000167343 г.

Если представить атомы как сферы и принять во внимание то, что в жидкостях и твердых веществах атомы находятся в непосредственном контакте, то с помощью числа Авогадро можно приблизительно высчитать диаметр атома. Диаметр равен 10–8 см. То есть в 1 см примерно 250 000 000 атомов.

Когда видишь, насколько малы атомы, то становится понятным, почему Демокрит, установивший существование атомов путем лишь логических рассуждений, гак и не смог убедить остальных в существовании атомов.

Однако существование атомов можно доказать лишь косвенно. В обычной жизни мы верим лишь прямым доказательствам, особенно тем, что можем сами увидеть. «Пока своими глазами не увижу, не поверю», — гласит народная мудрость.

Конечно же иногда человеку, чтобы поверить, недостаточно просто видеть. Ведь существует вероятность галлюцинации или оптического обмана. К тому же не каждый может правильно объяснить то, что он видит (а видит он, например, то, что земля плоская). Получается, что осторожные и логичные умозаключения, основанные на большом объеме верных, но косвенных знаний, могут стать намного более надежным проводником к важным выводам, чем чувства.

И тем не менее, когда стало возможно посмотреть на атом, люди (в том числе и ученые) крайне обрадовались. А возможным это с помощью специальных микроскопов сделал немецкий физик Эрвин Вильгельм Мюллер.

Первым таким микроскопом стал созданный в 1936 году автоэлектронный микроскоп.  Его основу составляет тончайшая игла в вакууме. Под действием сильного электрического поля с конца этой игры срываются мельчайшие частицы и, попадая на экран вакуумной трубки, рисуют атомную структуру кончика иглы. К сожалению, даже в вакууме содержатся отдельные молекулы газов, летящие частицы ударяются о них и сбиваются с курса[118]. В результате картина становится смазанной, что называется «не в фокусе».

В 50-х годах Мюллер использовал более тяжелые частицы и добавил в вакуум немного атомов гелия. Как только один из таких атомов ударялся о кончик иглы, то под действием электрического поля преобразовывался в ион гелия и по прямой летел в экран.

Более тяжелые молекулы гелия реже сбиваются с курса при столкновениях с молекулами газа, и изображение получается гораздо более четкое. Такой микроскоп называется ионным.  На экране видно, что атомы кончика иглы идеально круглые и находятся в определенном порядке. В микроскопе можно применять лишь некоторые легкоплавкие металлы, но, тем не менее, он делает атомы «видимыми», то есть доказывает их существование. Несколько таких фотографий атомов уже стали классикой науки.

 

Глава 2.

ИОНЫ И ИЗЛУЧЕНИЕ

 

Электролиз

 

Итак, известны 103 элемента и соответственно 103 разных атома. Достаточно причин для беспокойства. Конечно, периодическая таблица приводит все эти элементы в определенный порядок, но, может быть, существует и какой-то другой порядок?

Почему элементов так много? Почему незначительная разница в массе атомов приводит к столь большим различиям свойств веществ? Например, разница между атомным весом аргона (39,9) и калия (39,1) небольшая, однако первый — очень инертный газ, а второй — весьма активный металл.

Чтобы понять это, нужно изучить сам атом. Быть может, у атомов тоже есть структура и именно она объясняет их свойства.

Первые попытки изучить атом были предприняты еще в 1816 году английским физиком Уильямом Праутом (1785–1850). В то время атомная теория была еще очень молодой, и ученым были известны лишь атомные веса элементов и масса атомов некоторых элементов, крайне приблизительно определенная Дальтоном. Все атомные веса являлись кратными целыми атомному весу водорода (1).

Для Праута это не было просто совпадением. Если массы атомов всех элементов были кратны массе атома водорода, то не логично ли, что атомы более тяжелых элементов состоят из атомов водорода? Например, атомный вес водорода 16, так, может быть, атом кислорода состоит из 16 тесно между собой связанных атомов водорода?

Праут опубликовал свою теорию анонимно, но вскоре выяснилось, что он был автором работы, и она получила название гипотезы Праута.

Столетие спустя многие химики произвели точные расчеты атомных весов элементов, в том числе и для того, чтобы проверить, являются ли они кратными целыми атомного веса водорода. Оказалось, что нет. Как я писал выше, атомный вес кислорода не в 16, а в 15,88 раза больше атомного веса водорода. Атомный вес никеля в 58,24 раза больше атомного веса водорода и т. д.

Гипотеза Праута несколько раз опровергалась, однако все равно не давала покоя химикам, так как атомные веса более чем у половины элементов оказались очень близкими к целым числам. Это не могло быть просто совпадением, это должно было иметь какое-то значение.

Значение было, и в конце концов его удалось определить с помощью электрического тока[119].

В 1807–1808 годах Гемфри Дэви удалось получить несколько элементов (натрий, калий, кальций, магний, стронций и барий), пропуская электричество через химические соединения, молекулы которых содержат атомы этих веществ. Работу продолжил английский химик Майкл Фарадей (1791–1867), который в молодости был ассистентом и протеже Дэви.

Представьте себе два металлических стрежня, подключенных к разным полюсам электрической батареи. Эти стержни получили название электроды (от  греч., означает «путь электричества»). Фарадей назвал электрод, подключенный к плюсу, катодом  («верхний путь»), а к минусу — анодом  (нижний путь). (В те времена считалось, что электричество течет от плюса к минусу, как вода, сверху вниз.)

Если электроды соединить, то по ним потечет электричество. Однако если между электродами находится воздух, то цепь разрывается и электричество не течет. Если же оба электрода погрузить в жидкость, то электричество может течь, а может и не течь в зависимости от того, что это за жидкость. Например, раствор серной кислоты или хлорида натрия пропускают электричество, т. е. является проводником, электролитом,  а дистиллированная вода или раствор сахара — не пропускают, т. е. являются изоляторами, или неэлектролитами.

Прохождение электричества через электролит сопровождается химическими реакциями. Как правило, это реакции распада некоторых молекул раствора на химические элементы (электролиз).  Именно с помощью электролиза Дэви удалось выделить из химических соединений отдельные металлы.

Элементы скапливаются возле электродов, газы тут же улетучиваются, а металлы «прилипают» к электродам (гальванопокрытие).

Элементы образуются и возле анода, и возле катода. Если электричество проходит через раствор серной кислоты, то водород скапливается возле катода, а кислород — возле анода. Когда электричество проходит через раствор хлорида натрия, то натрий образуется возле катода, а газообразный хлор — возле анода.

Фарадей не знал, как именно атомы распространяются внутри электролита. Некоторые называли такие атомы «дрейфующими», однако атомистическая теория тогда все еще была в новинку, и Фарадей относился к ней с недоверием, поэтому назвал их ионами  (что в переводе с греческого означает «бродяга»), ничего не говоря об их природе.

Те ионы, что образуются у катода (например, ионы натрия и водорода) называются катионами,  а те, что образуются возле анода (ионы кислорода и хлора), получили названия анионы.

Фарадей тщательно измерил массу элементов, образующихся под действием электрического тока, и в 1832–1833 годах написал работу, которая впоследствии получила название законы электролиза Фарадея.

Первый закон электролиза гласит: масса элементов, образующихся в результате электролиза, прямо пропорциональна количеству пропускаемого через электролит электричества. Единицей количества электричества в системе МКС является 1 кулон (см. ч. II). Если пропустить заряд в 1 кулон через серебросодержащее химическое соединение, то образуется 0,001118 г серебра. Согласно первому закону Фарадея, под действием заряда в два кулона образуется 0,001118 x 2 г серебра, а под действием заряда в X  кулон — 0,001118 x X г.

Один грамм-атом серебра равняется 107,87 г серебра. Какое количество электричества необходимо для получения 107,87 г серебра? Составляем уравнение 0,001118∙X =  107,87. Решением уравнения является X  = 96,5 кулона, или 1 фарадей. 1 фарадей — это количество электричества, необходимое для получения 1 грамм-атома серебра из серебросодержащего химического соединения.

Перед тем как перейти ко второму закону Фарадея, необходимо понять, что такое эквивалентная масса.

Молекула хлористого водорода (НСl) состоит из одного атома хлора и одного атома водорода, и, чтобы получить один грамм-атом хлористого водорода, необходимо соединить один грамм-атом хлора (35,5 г) и один грамм-атом водорода (1 г). Точно так же из одного грамм-атома натрия (23 г) и одного грамм-атома хлора получается один грамм-атом хлорида натрия (NaCl).

Однако один грамм-атом хлорида кальция (СаСl2) получается из одного грамм-атома хлора и лишь половины грамм-атома кальция. Это происходит потому, что один атом кальция присоединяет два атома хлора, а для реакции нужна лишь половина атомов кальция. Один грамм-атом кальция равен 40 г, то есть половина грамм-атома кальция равна 20 г. Значит, эквивалентная масса кальция по отношению к хлору (как и к водороду и натрию) при образовании химических соединений равна 20 г (впрочем, обычно эквивалентная масса берется по отношению к водороду).

Или, например, для образования одного грамм-атома хлорида магния (MgCl2) необходимо соединить один грамм-атом хлора с половиной грамм-атома магния, а для получения одного грамм-атома хлорида алюминия (АlСl3) необходимы один грамм-атом хлора и одна треть грамм-атома алюминия, значит, эквивалентной массой магния будет 12 г, т. е. атомный вес магния (24), разделенный на два, а алюминия — 9 г (27 разделить на 3).

Итак, в упрощенном виде второй закон Фарадея звучит так: если пропустить заряд в 1 фарадей через химическое соединение, то получаемые элементы будут иметь массу, равную их эквивалентной массе.

Под действием заряда в 1 фарадей образуется 108 г серебра, или 23 г натрия, или 35,5 г хлора, или 1 г водорода (т. е. масса образовавшихся элементов будет равна их атомному весу), или же 20 г кальция и 12 г магния (т. е. масса равна половине атомного веса элемента), или 9 г алюминия (треть атомного веса).

 

 

Электрические частицы

 

Изучив законы электролиза, ученые задались вопросом: а вдруг электричество, как и любое вещество, тоже состоит из частиц?

Давайте представим, что эти частицы действительно существуют, причем существуют они в двух вариантах: положительно заряженные частицы, которые притягиваются к отрицательно заряженному катоду, и отрицательно заряженные, притягивающиеся к положительно заряженному аноду. (Разноименные заряды притягиваются — см. ч. II). Эти заряды можно обозначить как «+» и «–». Так, заряды со знаком «+» переносят атомы водорода и натрия к катоду, а со знаком «–» — атомы кислорода и хлора к аноду.

Итак, если атом водорода переносится к катоду положительно заряженными частицами, то такой атом можно обозначить Н+. То есть Фарадей назвал бы его ионом водорода.  Точно так же можно обозначить ион натрия — Na+, а ион калия — К+. Все эти ионы являются положительными заряженными  (т. е. катионами).

Можно сказать, что 1 фарадей содержит равное числу Авогадро количество электрических частиц. Если одна частица переносит один атом, то электрический заряд в 1 фарадей перенесет к катоду равное числу Авогадро количество атомов водорода, то есть один грамм-атом. Точно так же под действием заряда в 1 фарадей на электроде образуется один грамм-атом натрия, или один грамм-атом серебра.

Так как под действием заряда в 1 фарадей всегда образуется один грамм-атом вещества, то вполне логично было предположить, что частица, переносящая один атом вещества, является мельчайшей.

Так как атомы хлора образуются возле анода — электрода с положительным зарядом, то их должны переносить отрицательно заряженные частицы. Ион хлора  обозначается как Сl–. Под действием заряда в 1 фарадей образуется один грамм-атом хлора, значит, количество и размер этих отрицательно заряженных частиц равны количеству и размеру положительно заряженных.

А как тогда быть с кальцием? Ведь под действием заряда в 1 фарадей образуется лишь половина грамм-атома кальция. Самый простым объяснением будет то, что для переноски одного атома кальция необходимы два катиона. То есть заряд в 1 фарадей перенесет в два раза меньше ионов кальция, чем, скажем, ионов натрия. Поэтому ион кальция  обозначается как Са++, ион магния —  Mg++, ион бария  — Ва++, а ион алюминия  — Аl+++ и т. д.

Первым, кто предположил, что на самом деле ионы Фарадея — это всего лишь положительно или отрицательно заряженные атомы, стал шведский химик Сванте Август Аррениус (1859–1927). В своих взглядах он опирался не только на работы Фарадея, но и на наблюдения других химиков.

По Аррениусу, под действием электричества молекула расплавленного хлорида натрия (NaCl) распадается не на атомы, а на заряженные ионы натрия (О”) и хлора (Na+). Затем ионы натрия устремляются к катоду, а хлора — к аноду. (Эта теория получила название теория диссоциации Аррениуса.)[120] У катода и анода ионы разряжаются и образуются незаряженные атомы: натрий у катода и газообразный хлор у анода.

Как правильно предположил Аррениус, заряженные атомы совсем не обязательно должны обладать теми же свойствами, что и незаряженные. Например, атомы натрия бурно реагируют с водой, а ионы натрия — не реагируют. Атомы хлора образуют молекулы хлора и улетучиваются, а ионы хлора — не улетучиваются.

Из исследования Аррениуса вытекало, что отдельные атомы и их группы могут нести электрический заряд. Например, хлорид аммония (NH4Cl) распадается на NH4 и Сl– — ионы аммония,  нитрат натрия (NaNO3) распадается на Na+ и NO3– — ионы нитрата. Такие, состоящие из нескольких атомов, ионы называются сложными (составными).  Сложными ионами являются, например, гидроксил (ОН–), сульфат (SO4––), карбонат (СO3––), фосфат (РO4–––).

Идея невидимой электрической частицы стала настолько популярной, что в своей работе, опубликованной в 1881 году, ирландский физик Джордж Джонстон Стоуни (1826–1911) назвал ее электроном.

Оглядываясь на прошлое, теория Аррениуса кажется вполне логичной, однако приняли ее далеко не сразу. Прошло несколько сот лет, прежде чем ученые убедились в существовании невидимых и бесструктурных атомов, о которых говорил еще Демокрит, а уж о том, чтобы поверить в то, что они еще и несут электрический заряд, без доказательств не могло быть и речи.

Доказательства появились лишь через несколько лет после смерти Аррениуса, но первые правильные шаги в этом направлении были сделаны еще при его жизни и даже раньше.

Основной сложностью при обнаружении электрических частиц являлось то, что, если даже электроны и существуют, они легко могут затеряться среди других, более крупных частиц на пути электричества.

Становилось ясно, что если пропустить электрический заряд через вакуум, то будет возможно увидеть «неприкрытые» электроны. Первым, кто в 1838 году пропустил электричество через вакуум, был сам Фарадей. Однако его наблюдения были не очень точными, так как в вакууме присутствовали посторонние частицы.

В 1854 году немецкий стеклодув Генрих Гейслер (1814–1879) изобрел гораздо более совершенный способ получения вакуума и изготовил гейслеровы трубы  с этим «чистым» вакуумом. Немецкий физик Юлиус Плюкер (1801–1868) применял подобные гейслеровы трубы, куда были вплавлены электроды.

Пропуская заряд через вакуум, Плюкер заметил, что вокруг катода появляется зеленоватое свечение. Независимо оттого, из какого металла были изготовлены электроды, свечение всегда было зеленым. На цвет не влияли и остатки газов, так или иначе присутствовавших в вакууме. Значит, это свечение было исключительно свойством электрического заряда, а не химических элементов.

Плюкер также выяснил, что если к трубе поднести магнит, то свечение отталкивается от одного его полюса и притягивается к другому. Это тоже указывало на электрическую природу свечения, так как электричество и магнетизм очень тесно взаимосвязаны (см. ч. II).

Вскоре стало очевидным, что феномен не только возникает лишь возле катода, но и что-то перемещается от анода к катоду, причем по прямой. Когда анод помещали в другое место внутри трубки, это «что-то» не попадало в него, удалялось о стекло, и в месте удара возникало зеленое свечение.

Два исследователя, немецкий физик Иоганн Вильгельм Гит-торф (1824–1914) и английский физик Уильям Крукс (1832–1919), независимо друг от друга показали, что если в такую трубку поместить какой-либо объект, то на стекле появится его тень. Гитторф опубликовал свою работу первым — в 1869 году.

 

Круксова труба

 

Стало ясно, что физики столкнулись с какой-то формой излучения, распространяющегося по прямой и отбрасывающего четкие тени. Немецкий физик Эуген Гольдштейн (1850–1930), посвятивший всю свою жизнь изучению лишь этого излучения, в 1876 году назвал его катодными лучами.  Большинство ученых приняли это наименование.

Тут возник спор о природе этого излучения. С одной стороны, катодные лучи всегда распространялись по прямой, а значит, не были подвержены силе притяжения, но с другой стороны, излучение можно было легко отклонить с помощью магнита, в то время как световые лучи (или любое другое световое излучение) не отклоняются магнитом.

Одним из предположений было то, что катодные лучи являлись электрически заряженными частицами — «атомами электричества», поэтому на них и влияло магнитное поле. А сила гравитации на них не действовала, вернее, действовала, но очень незначительно из-за их крайне малого веса.

 

 

Спектр излучения

 

Спорщики разделились чуть ли не по национальному признаку: большинство немецких физиков утверждали, что эти излучения являются волной, а английские физики уверяли, что это поток заряженных частиц.

Впрочем, такое разделение было вполне обоснованно, так как именно в Германии в конце XIX века были обнаружены новые виды волн, несмотря на то что первое такое открытие было сделано англичанином Джеймсом Клерком Максвеллом.

Изучая феномен электрического и магнитного излучения, Максвелл пришел к выводу, что благодаря тесной связи между двумя явлениями можно говорить о электромагнетизме. В дальнейшем он выявил, что переменный электрический заряд приводит к появлению волнообразного электромагнитного излучения, распространяющегося со скоростью света. А раз скорость распространения такого излучения равняется огромной скорости распространения света, то получается, что сам свет является всего лишь частным случаем электромагнитного излучения.

Но если Максвелл прав, то человек, изменяя частоту переменного тока, может сам вызывать различные электромагнитные излучения. Для получения света необходим квадрильон колебаний в секунду. На практике невозможно достичь такой частоты, однако, согласно Максвеллу, теоретически никаких ограничений не существовало. Например, колебания электрического тока довольно низкой частоты — 1000 раз в секунду — порождают 1000 электромагнитных волн в секунду. Если цуг волн распространяется со скоростью 300 000 километров в секунду, то каждая волна будет иметь длину 300 километров (что значительно превышает длину световой волны), но тем не менее существовать такие волны будут.

Первые попытки генерировать длинноволновое излучение были предприняты в 1997 году немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем (1857–1894). Он создал электромагнитную цепь, где сквозь небольшой воздушный промежуток проходила электрическая искра, которая и являлась тем вызывающим излучение переменным зарядом, о котором говорит Максвелл. Чтобы обнаружить, существует излучение или нет, Герц использовал специальный «приемник» — маленький прямоугольный кусок проволоки с небольшим разрывом на одной из сторон. Электромагнитное излучение, проходящее сквозь проволоку, должно было вызывать в ней электрический ток, под действием которого в воздушном промежутке должна была появиться электрическая искра.

И она появилась. Герц знал, что он обнаружил предсказанное Максвеллом электромагнитное излучение и тем самым доказал его теорию. Сначала излучение назвали волнами Герца, однако впоследствии его стали называть радиоволнами («волны, которые излучают»).

Открытие радиоволн показало физикам, насколько широк спектр электромагнитного излучения. Длина волны видимого спектра колеблется от 380 до 760 миллимикрон, т. е. одна октава. (Один миллимикрон — это миллиардная часть метра, а длина волны внутри одной октавы удваивается.)

В 1800 году немецкий астроном Уильям Гершель (1738–1822) открыл волны за пределами видимого спектра. Он изучал спектр солнечного света с помощью термометра и обнаружил, что наиболее сильно термометр нагревается лучами, находящимися ниже красного спектра. Гершель абсолютно верно заключил, что человеческий глаз не в состоянии увидеть весь спектр солнечного света.

Вначале лучи, столь быстро поднимающие столбик термометра, получили название «тепловые», но затем ученые стали использовать более научный термин инфракрасное излучение  (т. е. «выше красного»). С развитием волновой теории света (см. ч. II) стало ясно, что волны этого излучения длиннее, чем волны видимого света.

Сегодня за нижнюю границу инфракрасного спектра принята точка в 760 миллимикрон, а за верхнюю — произвольная точка в 3 000 000 миллимикрон. Впрочем, для инфракрасного излучения удобнее пользоваться еще одной счетной единицей — микроном (мк = 1000 миллимикрон). Таким образом, границами спектра инфракрасного излучения являются 0,76 и 3000 микрон, т. е. около 12 октав.

Далее начинаются уже радиоволны.  Сразу за отметкой в 3000 мк начинаются ставшие «известными» в последние годы микроволны  («микро» — означает «среди радиоволн»), их спектр — от 3000 до 300 000 мк. Здесь уже удобнее пользоваться миллиметрами (в миллиметре — 1000 микрон). То есть спектр микроволн — от 3 до 300 мм (30 см).

За микроволнами начинаются уже «настоящие» радиоволны. Верхней границы у радиоволн нет. Можно генерировать радиоволны все более и более высокой частоты, пока уровень их энергии не станет настолько низким, что их просто нельзя будет обнаружить современными средствами. (Чем больше длина волны, тем меньше ее энергия. См. «Квантовая теория», ч. II.) В технике используются радиоволны длиной до 30 000 000 мм, то есть можно сказать, что спектр полезного радиоволнового излучения — от 300 до 30 000 000 мм (или 0,3–30 000 м).

Длина электромагнитных волн выходит и за пределы фиолетовой части видимого спектра. Впервые это обнаружил немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер (1776–1810) в 1801 году. Он занимался изучением влияния света на нитрат серебра. Нитрат серебра белого цвета, однако под влиянием света из него высвобождаются частицы серебра черного цвета, вследствие чего сам нитрат приобретает сероватый оттенок. Эффект наиболее ярко выражен в тех участках, куда попадают короткие световые волны. (Впрочем, для современных ученых это вовсе не удивительно, так как известно, что короткие волны передают больше энергии, соответственно энергопотребляющая реакция протекает интенсивнее.) Риттер также обнаружил, что реакция идет еще быстрее под действием невидимого излучения, спектр которого лежит ниже фиолетовой части видимого спектра.

Как и Гершель, Риттер сделал вывод о том, что существует невидимое излучение, которое, вследствие своего действия на нитрат серебра, сначала получило название «химические лучи», но потом все чаще и чаще его стали называть ультрафиолетовым  («ниже фиолетового»). Позже ученые определили, что длина волн у этого излучения была короче, чем у видимого света.

Сегодня любое излучение называется ультрафиолетовым, если длина его волны колеблется от 360 до 1 миллимикрона (чуть более 8 октав). Как выяснилось в 1890-х годах, общая длина электромагнитного спектра от ультрафиолетового излучения до радиоволн составляет 44 октавы, из которых лишь одна является спектром видимого света.

Тем не менее в электромагнитном спектре еще оставались «белые пятна». Следующий шаг на пути изучения электромагнитных волн сделал немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923). Он занимался изучением катодных лучей, и в частности свечения, которое возникало под воздействием этих лучей на определенные химические соединения.

Это свечение очень слабое, поэтому для наблюдения за ним Рентген затемнил комнату и поместил трубку в коробку из тонкого картона черного цвета. 5 ноября 1895 года ученый заметил в комнате свет, исходящий не из коробки с трубкой. На некотором расстоянии от прибора находился листок бумаги, покрытый цианоплатинитом бария (веществом, которое под действием электромагнитного излучения светится). Если бы трубка не была полностью закрыта картоном, то ученый вряд ли бы уделил свечению бумаги особое внимание.

Рентген выключил трубку, и свечение прекратилось. Он снова включил аппарат, и бумага вновь начала светиться. Тогда он занавесил окна в соседей комнате и положил листок туда. При включенной трубке листок продолжал светиться.

Рентген решил, что катодная трубка испускала какие-то лучи, которые ударялись о картон, и при столкновении этих лучей с твердым материалом их кинетическая энергия преобразовывалась в новую форму излучения. Это излучение было настолько сильным, что могло проникать сквозь толстую бумагу и даже сквозь тонкие листы металла. Свой первый отчет об этом Рентген опубликовал 28 декабря 1895 года.

Это излучение называют рентгеновским, по имени открывателя, однако сам Рентген называл его Х-лучами (X — знак неизвестности в математике, а Рентген ничего не знал о природе этого излучения). Хотя сегодня природа лучей, открытых Рентгеном, не представляет никакой загадки, определенного названия они так и не получили. (В русском языке используются наименования «рентгеновы лучи», «рентгеновские лучи» и «рентгеновское излучение». — Пер.)

Я так подробно описываю опыты Рентгена, потому что открытие рентгеновского излучения ознаменовало начало второй научной революции (первая началась с экспериментов Галилея — см. ч. I).

В принципе такое название слишком драматично, поскольку опыты Рентгена не привели к перелому в ходе развития науки. Многие физики того времени занимались изучением катодного излучения, а Крукс и Герц обнаружили новое излучение даже раньше, чем Рентген, хотя и не смогли правильно оценить значение своего открытия, так что открытие рентгеновского излучения были лишь делом времени. Если бы его не открыл Рентген, то открыл бы еще кто-нибудь, может быть, даже в течение нескольких недель. Более того, существование рентгеновского излучения подразумевалось еще в теории Максвелла. Восемью годами ранее были обнаружены радиоволны, и именно это важное открытие подтвердило верность теории Максвелла.

Тем не менее оба ученых приступили к изучению рентгеновского излучения с огромным энтузиазмом, способность рентгеновских лучей проникать сквозь материю просто заворожила их. 23 января 1896 года Рентген во время лекции сделал рентгеновский снимок руки добровольца — немецкого биолога Рудольфа Альберта фон Кёлликера (1817–1905). На снимке были четко видны кости, поскольку они, в отличие от плоти и крови, задерживали рентгеновские лучи. То есть там, где была плоть, рентгеновские лучи засвечивали пленку, расположенную под рукой, а там, где были кости, — нет. Поэтому на снимки кости были белыми, а все остальное — серым.

Польза рентгеновского излучения для медицины и стоматологии была очевидна. В этих областях рентгеновские лучи используются и по сей день. (О том, что эти лучи вызывают рак, ученые узнали лишь спустя несколько лет.) За открытием последовала целая волна экспериментов, с помощью которых человек смог лучше понять природу и Вселенную. Это действительно стало настоящей научной революцией.

 

Глава 3.

ЭЛЕКТРОН

 

Открытие электрона

 

Так как все известные излучения, включая радиоволны, являлись волнами, ученые предполагали, что и рентгеновские лучи — тоже волны (окончательно это было доказано в 1912 году, см. гл. 4). Значит, и катодные лучи — тоже волны.

С одной стороны, опыты Герца еще в 1892 году показали, что катодные лучи проходят сквозь тонкие листы железа — довольно странное свойство для частиц. Однако открытие рентгеновского излучения несколькими годами позднее подтвердило, что волны действительно обладают подобным свойством. Ассистент Герца, немецкий физик Филипп Ленард (1862–1947), даже построил специальную катодно-лучевую трубку с небольшим «окошком» из тонкого металла. Катодные лучи, ударяясь о металл, проникали сквозь него и вылетали «через окно» наружу. Впоследствии такие лучи стали называть линаровыми.  (В русской литературе вместо словосочетания «линаровы лучи» используется название «катодные лучи». — Пер.)

Но если катодные лучи являются потоком заряженных частиц, то тогда их можно отклонить не только магнитным, но и электростатическим полем. Герц пропустил поток катодных лучей между двумя отрицательно и положительно заряженными пластинками, но не зафиксировал никаких отклонений курса и сделал вывод, что катодные лучи являются волнами.

Это стало пиком развития теории волн. На научной сцене появился еще один экспериментатор — английский физик Джозеф Джон Томсон (1856–1940). Он заявил, что для успешного проведения эксперимента с электростатическим полем его необходимо проводить в вакууме, иначе содержащиеся в воздухе частицы газа не дадут лучам отклониться. В 1897 году Томсон повторил эксперимент Герца, но на этот раз уже с использованием вакуума и обнаружил отклонение лучей.

Это стало последней тростинкой, перевесившей чашу весов. Если катодные лучи отклоняются под воздействием и электростатического, и магнитного полей, значит, эти лучи являются потоком частиц, и, судя по направлению отклонения, они несут отрицательный заряд.

Стало ясно, что это и есть электрические частицы, может быть, те самые невидимые частицы, о которых говорил один из физиков (см. гл. 2). Они вошли в научный мир под именем, которое им дал Стоуни, — электроны,  а 1897 год вошел в историю как год открытия электрона.

Но Томсон не только открыл электрон, но и определил самые важные его свойства.

Под действием магнитного поля прямолинейная траектория движения электрона меняется на криволинейную. (Так, например, Луна под действием гравитационного поля Земли изменяет свое движение с прямолинейного на криволинейное вокруг Земли.)

Траектория движения электрона отклоняется под действием магнитной силы. Величина этой силы прямо пропорциональна силе магнитного поля (H), величине электрического заряда (e)  и скорости движения (v) электрона. Именно эта скорость и определяет, сколько линий магнитного поля электрон пересечет. (На электрон в состоянии покоя или двигающийся параллельно этим линия магнитное поле не действует.) Таким образом, отклоняющая сила равна Hev.

При криволинейной траектории полета электрона на него также действует центробежная сила. Ее величина вычисляется по формуле mv2/r,  где m —  масса электрона, v — его скорость, а r — радиус кривой, по которой он перемещается.

При криволинейной траектории движения электрона между силой магнитного поля и центробежной силой существует баланс. Если же баланса нет, то траектория будет увеличиваться и уменьшаться, пока электрон не найдет траекторию, где обе силы находятся в равновесии. Для реальной траектории справедлива следующая формула:

 

Hev = mv2/r . (Уравнение 3.1)

 

Формулу можно упростить и представить в виде:

 

e/m = v/Hr. (Уравнение 3.2)

 

Сила магнитного поля известна, радиус кривизны частиц катодного луча можно легко определить по изменению положения светящегося пятна на стенке катодно-лучевой трубки. Теперь осталось лишь определить величину скорости v, чтобы высчитать отношение заряда электрона к его массе e/m.

Подвергнув катодные лучи воздействию и магнитного и элекростатического полей одновременно, Томпсону удалось определить скорость движения электрона. Дело в том, что эти поля отклоняют катодный луч в противоположных направлениях и таким образом уравновешивают друг друга. Степень отклонения, возникающего под действием электростатического поля, зависит от силы поля (F) и величины заряда электрона (e)  и не зависит от скорости электрона, так как разноименно заряженные частицы притягивают друг друга даже в состоянии покоя.

Таким образом, приравняв действие на электрон одного поля к действию другого, получим:

 

Hev = Fe  (Уравнение 3.3)

 

или

 

v = F/H. (Уравнение 3.4)

 

Силы полей ученые определили довольно легко и получили, что v равна приблизительно 30 000 км/с, то есть примерно одной десятой скорости света. Скорость электрона была самой большой скоростью материального объекта из измеренных учеными на тот период, и именно огромная скорость частиц, вылетающих из катодной трубки, объяснила, почему гравитационное поле на катодные лучи практически не действует.

Зная v, Томпсон по формуле 3.2 определил соотношение e/m.  Как ни удивительно, но значение e/m  электрона оказалось намного больше, чем у иона (ионы ведь тоже заряженные частицы).

Возьмем ионы Н+, Na+ и К+. Размер заряда у всех трех одинаков, так как для получения одного грамм-атома каждого из этих элементов достаточно тока в 1 фарадей. Но масса иона калия в 39 раз больше, чем водорода, а масса атома натрия в 23 больше массы атома водорода. Если значение e  одинаково, то чем меньше m, тем больше значение e/m.  Т. е. у Н+ значение e/m  будет в 23 раза больше, чем у Na+, и в 39 раз больше, чем у К+.

Действительно, так как ион водорода — самый легкий из всех известных элементов, то соотношение e/m  у него должно быть самое большое. И тем не менее значение соотношения e/m  иона водорода (по современным данным) в 1836 раз меньше, чем значение e/m  электрона.

Так как ион водорода несет самый маленький электрический заряд, логично предположить, что и электрон несет самый маленький заряд. А раз соотношение e/m  у электрона в 1836 раз больше, чем у иона, значит, все дело в массе, то есть масса электрона в 1836 раз меньше, чем масса иона водорода.

Масса атома водорода известна, а масса иона лишь ненамного меньше массы атома, и можно вычислить массу электрона. По современным подсчетам, масса электрона 9,1091∙10–28 г, или 0,00000000000000000000000000091091 г.

Получается, что атомы, которые со времен Демокрита считались мельчайшими частицами, по сравнению с электронами являются просто гигантами. Электроны настолько малы, что могут свободно проходить сквозь промежутки между атомами. Только так можно объяснить то, что электроны свободно проникают сквозь тонкие металлические листы, и именно поэтому медные провода легко проводят электрические заряды.

Таким образом, Томпсон открыл не только электроны, но и целый новый мир — мир субатомных частиц.

 

 

Заряд электрона

 

Даже имея точные размеры электрона, физики вовсе не сразу смогли определить величину его заряда. Конечно же можно было сказать, что заряд электрона равен заряду иона хлора или же заряду иона водорода, но имеет противоположный знак. Но в начале XX века ученые не знали точной величины заряда ни одного из ионов.

В 1911 году американский физик Роберт Эндрус Милликен (1868–1953) провел серию экспериментов и сумел определить величину заряда электрона.

Милликен использовал две пластины, расположенные горизонтально на расстоянии в 1,6 см друг от друга в сосуде с пониженным давлением. В верхней пластине, подключенной к положительному полюсу батареи, были проделаны несколько мельчайших отверстий. Над пластинами Милликен распылил немного не содержащего эфир масла. Когда капля масла падала на верхнюю пластину, то через отверстие она попадала в промежуток между пластинами. Чтобы каплю было лучше видно, Милликен направлял на нее пучок света с помощью увеличительного стекла.

Под действием гравитации капля медленно падала на нижнюю пластину. Скорость падения зависит от массы капли и сопротивления воздуха (а оно является существенным для столь малого объекта). По формуле английского физика Джорджа Габриеля Стокса (1819–1903) Милликен определил массу капли.

Затем направил на сосуд пучок рентгеновских лучей, под действием которых внутри его образовались ионы (см. гл. 7). Ионы «прилипали» к каплям, и если ион нес положительный заряд, то капля, отталкиваясь от верхней положительно заряженной пластины, устремлялась к нижней со скоростью, большей скорости падения под действием гравитации. Если же ион обладал отрицательным зарядом, то капля, притягиваясь к верхней пластине, летела вверх против силы притяжения.

Изменение скорости падения капли зависело от силы электромагнитного поля и заряда капли. Зная силу поля, Милликен смог вычислить заряд.

Милликен выяснил, что заряд капли зависел от природы и количества адсорбируемых ею ионов. Однако величина всех зарядов сводилась к одному числу, которое можно было принять за минимальный заряд иона, а следовательно, и электрона. Милликену довольно точно удалось рассчитать этот заряд. Принятая сегодня величина минимального заряда электрона равняется 4,80298∙10–10, или 0,000000000480298 электростатических единиц (см. ч. II).

Современная наука утверждает, что любой электрический заряд равен 4,80298∙10–10 электростатическим единицам и может быть как положительным, так и отрицательным. Давайте для простоты представим минимальный заряд как 1 и разделим все частицы на три группы:

1) частицы, заряд которых равен 0, то есть атомы и молекулы;

2) частицы, заряд которых либо равен –1, либо кратен –1. Это отрицательно заряженные ионы и конечно же электрон;

3) частицы с зарядом, равным или кратным +1, то есть положительно заряженные ионы.

Науке пока не известны частицы с зарядом +0,5 или –1,3, да и вообще с нецелочисленным зарядом. Возможно, такие частицы и будут открыты в будущем.

 

 

Электроника

 

Открытие электронов и субатомных частиц в целом сильно повлияло на таблицу химических элементов. Но прежде чем говорить об этом, давайте сначала посмотрим, как используется поток электронов в вакууме. (Наука о поведении этих электронов и о механизмах их контроля и управления ими получила название электроника.)

В 1883 году американский изобретатель Томас Эдисон (1847–1931) наблюдал за потоком электронов в вакууме при весьма необычных обстоятельствах. Четырьмя годами ранее Эдисон изобрел лампочку и теперь продолжал работу над ее совершенствованием. Первая лампочка состояла из угольной нити накала, помещенной в колбу с откачанным воздухом. (Под действием электрического тока нить накаляется добела и в случае присутствия воздуха тут же перегорает.)

Постепенно на внутренней стороне колбы образовывался темный нагар, и, как полагал Эдисон, это происходило потому, что из нити часть углерода улетучивалась и оседала на стенках. Все это приводило к истончению нити и помутнению стекла, и Эдисон начал принимать «контрмеры». Для начала он попробовал поместить рядом с нитью небольшую металлическую пластинку в надежде, что углерод станет оседать на металле, а не на стекле.

Этого, однако, не произошло, но Эдисон обнаружил странный эффект. Если подключить эту металлическую пластинку к «плюсу» батареи, то по ней начинал течь электрический ток, несмотря на то что пластинка и нить не соприкасались. Если же подключить пластинку к «минусу», то цепь не замыкалась. Эдисон не знал, какую пользу можно извлечь из этого феномена (в русской номенклатуре получил название термоэлектронная эмиссия. — Пер.),  и поэтому продолжал изучать его дальше.

Как только ученые более глубоко изучили природу катодных лучей, термоэлектронная эмиссия перестала быть загадкой. Горячая нить отдает свои электроны, грубо говоря, они «испаряются» с ее поверхности, и вокруг нити образуется небольшое облако из электронов.

Если же рядом поместить пластину, несущую положительный электрический заряд, то электроны начнут к ней притягиваться. Таким образом, электроны передавались от горячей нити к пластине, т. е. образовывалась замкнутая электрическая цепь, а когда пластину подключали к минусу, то отрицательно заряженные электроны от нее отталкивались, и цепь оставалась разомкнутой. Англичанин Джон Амброс Флеминг (1849–1945), электротехник по профессии, в 1880-х годах консультировал Эдисона и много лет спустя, в 1904 году, вспомнил об эксперименте Эдисона. Предположим, что металлическая пластинка подключена к источнику переменного тока (см. ч. II), то есть заряд пластины будет меняться с положительного на отрицательный 60 раз в секунду (в сети переменного тока 60 Гц), и цепь будет замыкаться только тогда, когда заряд будет положительным.

Таким образом, ток будет течь лишь половину времени, когда цепь замкнута, все остальное время он течь не будет.

Благодаря термоэлектрической эмиссии стало возможным разрывать электрическую цепь простой переменой полярности. Переменный электрический ток, проходя через такую «модернизированную» лампочку, становится постоянным. Конечно, будут присутствовать колебания электрического тока, однако он всегда будет течь лишь в одном направлении. Устройство получило название выпрямитель электрического тока.

Флеминг назвал свое устройство «вентилем», по аналогии с обычным водопроводным, так как оно перекрывало поток электрического тока. В США прижилось гораздо менее говорящее название электровакуумная трубка.  Однако лучшим названием является диод  («два электрода»), так как углеродная нить и металлическая полоска являются двумя электродами, запаянными в колбу.

Двумя годами позже, в 1906 году, американский изобретатель Ли Де Форест (1873–1961) добавил в трубку еще один электрод, состоящий из нескольких тонких проводков, и получился триод.  Проводки являются модулятором.

С помощью модулятора можно управлять потоком электронов с гораздо большей точностью. Диод может либо открывать, либо закрывать поток, как и его водопроводный аналог. Само наличие модулятора не влияет на работу прибора, так как практически все электроны свободно пролетают сквозь зазоры между проводами, и лишь некоторые электроны остановятся, столкнувшись непосредственно с самим проводом.

Однако если подключить модулятор к отдельной электрической цепи и пропустить сквозь него небольшой отрицательный заряд, то каждый проводок начнет отталкивать электроны. То есть за счет электрического поля каждый провод станет, грубо говоря, «толще», заполняя промежутки между проводами, и большинство электронов не смогут долететь до металлической пластины. С увеличением отрицательного заряда модулятора эффект будет лишь усиливаться. И небольшого заряда модулятора достаточно, чтобы полностью разорвать электрическую цепь даже при сравнительно большем заряде пластины, при этом сам «вентиль» будет оставаться открытым.

Этот эффект можно применять для усиления слабых переменных токов. Если цепь со слабым током подключить к модулятору, то лишь небольшие изменения отрицательного потенциала модулятора приведут к большим изменениям напряжения в цепи пластина — нить. Однако эти изменения будут в точности соответствовать изменениям потенциала в цепи модулятора. То есть «сильный» ток по своим характеристикам будет в точности соответствовать «слабому». Так устроен простейший усилитель.

У изобретателей появился способ вместо «рычагов» и «шестеренок» управлять крохотными, практически невесомыми электронами. Раз электроны обладают столь малой массой, значит, они обладают такой же малой инерцией, и поэтому скорость их движения можно изменять за доли секунды. Даже самые быстрые механические устройства не могут сравниться по скорости своей работы со стремительными электронными собратьями.

 

 

Радио

 

Появление диодов, триодов (или электронных ламп) и их более сложных потомков привело к рождению совершенно потрясающего устройства.

Еще Герц, открывший радиоволны, сделал прототип первого передатчика и приемника. Понятно, что если увеличить мощность передатчика и чувствительность приемника, то расстояние между ними можно увеличить до нескольких метров, а то и километров. Следовательно, если передавать радиоволны длинными и короткими вспышками, имитируя азбуку Морзе, то появится новый способ связи. Радиоволны смогут заменить линии телеграфа (см. ч. 11).

В результате получится «беспроводной телеграф». Англичане так его и называют, а американцы называют его «радиотелеграф», или просто радио.

В 1894 году итальянский радиотехник Гульельмо Маркони (1874–1937), ознакомившись с опытами Герца, сделал радиосвязь реальностью. Радиоволны генерировались по методу Герца, а принимались специальным устройством, когерером. Когерер состоял из емкости с металлической стружкой. Под действием радиоволн когерер начинает проводить электричество, превращая радиоволны в электрический ток.

Маркони усложнял конструкцию приемника и передатчика и в 1895 году смог передать сигнал на 1 км, в 1896 году — на 10, в 1897 году — на 12, а в 1898 году — уже на 20 км. Маркони даже организовал коммерческую компанию по передаче «маркониграмм».

Здесь возник один парадокс. Радиоволны, как и любая другая форма электромагнитного излучения, передаются только по прямой, а поскольку Земля круглая, то по идее передача радиоволн на большие расстояния просто невозможна.

Маркони заметил, что радиоволны «огибают» землю. Объяснения этому эффекту коммерсант дать не смог, что не мешало ему вовсю его использовать. 12 декабря 1901 года Маркони удалось послать сигнал через Атлантический океан из юго-западной части Англии на Ньюфаундленд. Эта дата считается датой изобретения радио.

Спустя год два английских ученых — электротехник Артур Эдвин Кеннелли (1861–1839) и физик Оливер Хевисайд (1850–1925), работая независимо друг от друга, смогли дать объяснение описанному выше эффекту. Все дело в том, что в верхних слоях атмосферы существуют зоны с высоким содержанием заряженных частиц. Радиоволны, отражаясь от этих частиц, летят по прямой, отражаются еще раз и так далее; таким образом пересекают Атлантику, а вовсе не «огибают Землю».

Эти зоны были обнаружены в 1924 году английским физиком Эдуардом Виктором Эплтоном (1892–1965). Они получили названия «зоны Е». Частицы являются конечно же ионами, и поэтому эта часть атмосферы получила название ионосфера.

Но использование радиоволн не ограничилось лишь беспроводным телеграфом. Ведь для того чтобы передавать не просто импульсы, а сами звуки, достаточно лишь подключить мембрану на входе передатчика и выходе приемника.

На первый взгляд передавать звуковые волны казалось непрактичным. Дело в том, что частота радиоволн хотя и ниже частоты световых, однако она в несколько раз выше, чем у звуковых. В среднем частота радиоволны составляет 1 000 000 колебаний в секунду, и поэтому подключать мембрану к радиоприемнику бессмысленно: человеческое ухо физически не сможет распознать звуки столь высокой частоты. Человек слышит звуки в диапазоне частот от 20 до 20 000 колебаний в секунду. Такие частоты называются звуковыми.  Радиоволны столь низкой частоты обладают ничтожной энергией, и передать их на значительное расстояние просто невозможно.

Тогда ученые пошли другим путем. Частота радиоволны оставалась неизменной, а сама волна стала так называемой несущей (волной).  Задачей несущей радиоволны являлась лишь непосредственная передача сообщения. Снимаемые микрофоном звуковые колебания преобразовывались в электрические импульсы, как и в случае с телефонным микрофоном (см. ч. II), и в зависимости от изменения звуковых колебаний изменялся и уровень энергии несущей волны.

 

Амплитудная модуляция

 

Частотная модуляция

 

Изменение несущей волны называется модуляцией.  Амплитудной модуляцией  называется изменение амплитуды волны согласно звуковым колебаниям.

Приемник «обрезает» нижнюю часть несущей волны, а верхнюю передает на мембрану, где создается переменное магнитное поле (как в случае с телефонной трубкой). Мембрана реагирует лишь на низкочастотные изменения амплитуды несущей волны, а не на высокочастотные колебания самой волны. Таким образом, мембрана приемника в точности воспроизводит передаваемые передатчиком звуковые волны.

В 1906 году канадский физик Реджинальд Обри Фессенден (1866–1932) впервые передал музыку с помощью радио. Отныне человечество получило возможность передавать по радио не только телеграммы, но и звук, и именно электронные лампы позволили осуществить передачу информации по радио.

Каждая радиостанция использует несущую волну определенной частоты, а слушатели должны поворотом ручки переменного конденсатора (см. ч. II) настроить свои приемники на эту волну. Однако когда радио только появилось, для точной настройки приемника требовалась длительная тренировка и навыки ювелира.

Во время Второй мировой войны американский электротехник Эдвин Хоуард Армстронг (1890–1954) изобрел так называемый супергетеродин.  Армстронг занимался разработкой системы обнаружения вражеских самолетов по электромагнитным колебаниям, излучаемым системой зажигания. Дело усложнялось слишком высокой частотой этих колебаний. Тогда Армстронг прибегнул к использованию вспомогательной радиоволны. Обе волны складывались и, как и звуковые волны (см. ч. I), создавали колебания гораздо более низкой частоты, а обнаружить их гораздо проще.

Первая мировая закончилась, и Армстронг так и не довел свое устройство до совершенства. Однако применение гетеродина в радиоприемниках заметно упрощало процесс настройки на радиостанции, и в домах стали появляться первые радиоприемники.

В дальнейшем Армстронг занялся и другой проблемой радио — электростатическим «треском». Автомобильные системы зажигания, щетки электромоторов, термостаты и прочие электроприборы, а также грозовые молнии порождают электростатическое излучение. Это излучение мешает передаче радиоволн, и из приемника начинает доноситься весьма неприятный шум и треск.

Армстронг изобрел новый тип модуляции — частотный.  При частотной модуляции изменяется не амплитуда несущей волны, а ее частота. При частотной модуляции внешние электромагнитные излучения практически не влияют на качество принимаемого сигнала, кроме того, частотная модуляция позволяет качественно передавать более широкий диапазон звуковых волн.

 

 

Телевидение и радиолокация

 

А сама катодно-лучевая трубка постепенно переродилась в устройство, полностью затмившее радиоприемники в сердцах людей. Все началось тогда, когда физики, используя низкую инерцию электронов, научились быстро отклонять их поток.

Представим, что анод катодно-лучевой трубки выполнен в виде полого цилиндра. Стремящийся к аноду пучок электронов пролетит сквозь цилиндр и ударится о стенку трубки, выполненную из покрытого люминофором квадратного куска стекла. В точке, куда попадет пучок, возникнет яркое свечение.

Если на пути пучка электронов поместить два электрода и подать на один из них положительный заряд, то электроны начнут к нему притягиваться, и светящаяся точка появится уже в углу экрана.

Если понижать положительный заряд постепенно, то точка медленно поползет обратно к центру экрана. Когда же заряд станет равен нулю, точка опять будет в середине экрана. Если же подать на этот же электрод отрицательный заряд, а на второй — положительный, то точка начнет двигаться в противоположную сторону. Если снова подать максимальный заряд на первый электрод, то точка снова окажется на своем прежнем месте.

Это можно повторять до бесконечности. Если же чередовать заряды электродов достаточно быстро, то точка превратится в горизонтальную линию, так как глаз не сможет уловить ее перемещение. (Нечто подобное происходит и в кино. Если прокручивать кадры пленки, сделанные последовательно, на большой скорости, то картинка «оживает».)

Теперь добавим еще одну пару электродов, на этот раз расположенных горизонтально. С их помощью можно заставить светящуюся точку прочертить вертикальную линию.

Наибольший эффект достигается при использовании сразу двух пар электродов. Например, если заставить одну пару рисовать горизонтальную линию, а вторую подключить к источнику переменного тока, то на экране появится изображение синусоиды.

Если подключить вторую пару электродов к источнику электрических звуковых волн, то на экране появится кривая, отображающая параметры звуковой волны (впрочем, продольная звуковая волна на экране будет выглядеть аналогично поперечной, см. ч. I). Именно поэтому немецкий изобретатель Карл Фердинанд Браун (1850–1918) и назвал свое устройство осциллографом  («рисующий волны»).

Электронно-лучевой осциллограф способен на гораздо большее. Представим, что напряжение второй пары электродов изменяется пошагово. Тогда, нарисовав на экране горизонтальную линию, электронный луч чуть поднимется и нарисует еще одну, потом еще и так далее. Таким образом, экран можно разделить на несколько сотен линий, и чем быстрее меняется напряжение, тем быстрее «бегает» электронный луч, то есть в секунду луч может пробежать по экрану несколько раз. Однако человеческий глаз будет видеть светящийся квадрат, хотя если придвинуться к экрану вплотную, то можно разглядеть, что квадрат состоит из многих горизонтальных линий, разделенных тонкими темными полосками. Эти полоски и отображают шаг изменения напряжения поднимающих электронный луч электродов.

По сути, это и есть телевизионная трубка.  Чтобы на экране такой трубки появилась «картинка», нужно каким-либо способом регулировать интенсивность пуска электрона. Тогда на экране станут появляться более темные или более светлые точки, которые и формируют изображение.

Первым такой способ придумал русский физик Владимир Кузьмич Зворыкин (1888–1982). В 1938 году он изобрел иконоскоп  (от греч., означает «картинка» и «смотреть»). Это устройство похоже на обычный фотоаппарат, только здесь вместо пленки используется пластина с большим количеством нанесенных на нее капель сплава цезия и серебра. Под действием света цезий отдает электроны, причем интенсивность электронной эмиссии прямо пропорциональна интенсивности светового излучения, чем выше интенсивность, тем меньше электронов, и наоборот. Таким образом, на пластине остается «электронный» рисунок попадающего через линзу изображения.

Этот рисунок можно воссоздать на экране лучевой трубки: чем больше электронов осталось в одной точке пластины, тем ярче эта точка будет светиться на экране. Если же изображение на экране сменяется достаточно быстро, то создается эффект движущейся картинки.

Электронно-лучевой осциллограф также является частью устройства, использующего электромагнитные волны для определения расстояния до каких-либо объектов (аналогично применению звуковых волн в эхолокации).

Электромагнитные волны распространяются с точно известной скоростью — 300 000 километров в секунду. Если же электромагнитный импульс столкнется с преградой, то он, отражаясь от нее, вернется назад к источнику электромагнитного излучения. Остается лишь регулировать частоту волны: для проникновения сквозь туман, дождь и облачность необходимы волны более низкой частоты, а для более эффективного отражения от препятствий — более высокой. Идеальной является волна микроволнового диапазона, длиной от 0,5 до 100 см.

Зная скорость распространения волны и время, за которое сигнал долетел до препятствия и вернулся назад, можно определить расстояние до объекта. А по самому сильному отраженному сигналу можно определить направление.

Над разработкой подобного устройства работало сразу несколько ученых, но создать его первым удалось шотландскому физику Роберту Александру Вагсон-Ватту (1992–1972). Благодаря его прибору уже в 1935 году стало возможным отслеживать движение самолета по отражению микроволновых волн от его обшивки. Система получила название «радиообнаружение и определение дальности». По-английски система сокращенно называется радар.

Микроволновый импульс радара отклоняет луч осциллографа так, что на экране вместо горизонтальной линии появляется «клин» — эхо-сигнал, мощности намного меньшей мощности изначального импульса, так как возвращается лишь часть отраженных электронов, остальные разлетаются в разные стороны, отображается в виде меньшего по размерам клина. Так как электронный луч перемещается из стороны в сторону с огромной скоростью, то даже за те доли миллисекунды, которые необходимы для возвращения сигнала, между импульсом и эхо-сигналом образуется зазор. Именно по величине этого зазора возможно судить о расстоянии до объекта.

Можно поступить иначе, сконструировав специальную вращающуюся вокруг своей оси радарную антенну. Антенна будет принимать и усиливать слабые эхо-сигналы, а электронный луч вслед за вращением антенны рисовать на экране осциллографа линию от центра к краю экрана. Появляющиеся на экране яркие точки и будут отраженными от объектов эхо-сигналами. Тогда по расстоянию от точки до центра экрана можно будет судить о расстоянии до объекта, а по местоположению точки на экране — определить направление. При следующем обороте антенны вращающаяся линия «сотрет» все точки на экране и отобразит новые. Если использовать люминофор с более длительным свечением, то на экране появится грубое схематическое изображение длинных объектов. А если установить такой радар на самолет, то на экране появится приблизительная карта местности, так как электромагнитные волны отражает и земля, и вода, и листья, и бетон.

 

Телевизионная электронно-лучевая трубка

 

Впрочем, с помощью электронных приборов можно обнаруживать не только лишь созданные человеком высокочастотные излучения. Все небесные тела излучают широкий спектр электромагнитных волн. Однако практически все из них не способны пробиться сквозь атмосферу Земли. Исключением является, например, видимый свет, составляющий довольно обширную часть спектра солнечного излучения.

Существуют и другие излучения, легко проникающие сквозь земную атмосферу.

В 1932 году американский радиоинженер Карл Янский (1905–1950) занимался определением источников электростатического излучения. Устранив все известные источники, ученый смог обнаружить присутствие слабого электростатического излучения. Янский не смог определить источник этого излучения. Источник находился где-то сверху и медленно изменял свое местоположение в течение дня. Сначала Янский предположил, что источник движется вместе с Солнцем, но затем заметил, что его движение ускоряется и за день источник «обгоняет» Солнце на 4 минуты. Именно так изменяется положение звезд по отношению к Солнцу, а значит, источник излучения находится где-то за пределами Солнечной системы.

К 1932 году Янскому удалось определить, что самое сильное излучение идет со стороны созвездия Стрельца, где, по мнению астрономов, находится центр нашей Галактики.

Хотя центр Галактики и скрыт от глаз облаками пыли, полностью поглощающими свет, его все-таки можно разглядеть с помощью микроволнового излучения. После Второй мировой войны развитие радаров привело к появлению радиотелескопов.  Радиотелескопы способны усиливать даже самые слабые сигналы. Началась новая эра — эра радиоастрономии.

 

Глава 4.

ЭЛЕКТРОНЫ В АТОМАХ

 

Фотоэлектрический эффект

 

Какое-то время ученых вполне устраивала идея о том, что все во Вселенной состоит по меньшей мере из двух типов никак между собой не связанных микрочастиц: различных видов относительно тяжелых атомов элементов и одинаковых электронов, составляющих электрический ток.

Но так ли уж они между собой не связаны? Вольт еще за сто лет до открытия электронов использовал для получения электрического тока устройство, состоявшее из помещенных в химический раствор металлических пластин. С тех пор химические источники тока претерпели большие изменения и превратились в современные батарейки и аккумуляторы.

Если несколько обладающих нейтральным зарядом химических элементов вместе способны давать состоящий из огромного количества электронов электрический ток, значит, связь между атомами и электронами все-таки существует. Теперь нужно выяснить, образуются ли электроны в процессе соединения и разъединения атомов, или же они всегда присутствуют в веществах, а во время реакции просто-напросто высвобождаются.

И у того и у другого взгляда были свои недостатки. Образование электронов, согласно закону сохранения массы (см. ч. II), а в 90-х годах XIX века ученые свято ему верили, просто невозможно. С другой стороны, если электроны в химических элементах существовали всегда, то почему тогда они никак себя не проявляли и почему заряд химических элементов остается нейтральным?

Масло в огонь подливал и следующий феномен, известный еще до открытия электрона.

Когда в 80-х годах XIX века Герц экспериментировал с радиоволнами, то обнаружил, что гораздо проще получить искру между металлическими иглами его устройства для обнаружения радиоволн, если на иглы падает свет. То есть под действием света в металле возникает электрический ток. Герц дал феномену название фотоэлектрический эффект.

В 1888 году немецкий физик Вильгельм Гальвакс (1859–1922) обнаружил, что свет действует на разноименные электрические заряды по-разному. Под действием ультрафиолета отрицательно заряженная цинковая пластина отдает свой заряд, а положительно заряженная — не отдает.

Объяснение появилось сразу после открытия электрона. Под действием света из металла высвобождались электроны, благодаря которым и появлялась искра. Отрицательно заряженная цинковая пластина содержит избыток электронов, который и высвобождается под действием ультрафиолета, в то время как в положительно заряженной пластине избытка электронов, понятное дело, нет.

В 1899 году Томсон доказал это утверждение, сравнив соотношение e/m  электронов катодного луча и частиц, высвобождающихся под действием света, и оказалось, что соотношения эти равны друг другу, и с тех пор эти частицы также считаются электронами.

Снова встал тот же вопрос. Появляются ли электроны в металле под действием света, или же они присутствуют в нем всегда? В 1905 году Эйнштейн, доказал, что существовавшая в XIX веке формулировка закона сохранения массы является неполной. На самом деле энергия может переходить в массу, и наоборот, поэтому следует говорить скорее о законе сохранения массы и энергии. Тем не менее энергии света, пусть даже и ультрафиолетового, просто недостаточно для образования электронов.

Значит, электроны присутствуют в самом металле. Тогда возникает еще один вопрос. Существуют ли электроны сами по себе, или же они находятся внутри атомов? Согласиться с последним оказалось не так-то просто: ведь тогда получается, что атом вовсе не та целостная, неделимая микрочастица, о которой говорили Демокрит и Дальтон и в существование которой научный мир поверил с таким трудом.

Доказательством верности второго утверждения стал следующий феномен. Филипп Ленард обнаружил, что энергия, с которой высвобождаются электроны, зависит от длины световой волны и электроны высвобождаются под действием света только с длиной волны меньше определенного значения (пороговая величина).  Зарождающаяся в начале XX века квантовая теория (см. ч. II) смогла объяснить причину этого феномена. Дело в том, что свет состоит из фотонов, и чем меньше длина волны, тем выше энергия фотонов.

Энергии света с пороговым значением длины волны достаточно для того, чтобы разорвать связи, удерживающие электроны внутри вещества. У каких-то химических элементов эти связи сильнее, а у каких-то — слабее. Скажем, для выделения электронов из одних металлов необходим обладающий высокой энергией ультрафиолетовый свет, а для других достаточно и «слабого» красного. Если электроны «привязаны» внутри вещества, значит, между атомами и электронами существуют связи, и сила этих связей зависит от веса и размеров конкретного атома. А если электроны удерживаются внутри атомов определенными силами, то логично предположить, что они являются частью атомов.

Новая теория помогла ученым лучше понять структуру атомов. Дело в том, что атомов существует великое множество, а электроны-то все одинаковые (исследования показали, что электроны, выделяющиеся под действием света из различных металлов, абсолютно идентичны), и, может быть, существование всего этого разнообразия атомов можно объяснить различным количеством электронов внутри атома, их местоположением, величиной удерживающей их силы и т. д. Появлялась возможность еще больше упорядочить элементы периодической таблицы, расставленные только лишь на основании умозаключений. Новая теория похоронила идею Демокрита о неделимости атома.

Действительно, поведение химических элементов вполне соответствует их месту в периодической системе. Например, наиболее интенсивно под действием света электроны отдают щелочные металлы, причем интенсивность растет с ростом атомного веса, т. е. чем ниже элемент находится в таблице, тем легче он отдает электроны. Таким образом, проще всего выделить электроны из цезия[121] — встречающегося в природе щелочного металла с самым большим атомным весом. Именно поэтому Зворыкин для своего иконоскопа использовал именно цезий.

Это еще раз доказывает, что Менделеев опередил свое время, ведь ученому ничего не было известно о фотоэлектрическом эффекте. Впрочем, настоящий ученый и должен быть впереди своего времени, создавая то, что порой невозможно объяснить, пользуясь уже существующими знаниями.

Фотоэлектрическому эффекту можно найти массу применений. Можно, например, изготовить электровакуумный прибор без применения нити накаливания, достаточно просто поместить в трубку спираль из металла, в котором под действием света будет возникать электрический ток. Такая трубка называется фотоэлементом.

Фотоэлемент можно подключить, например, к электромагниту, удерживающему дверь. С одной стороны от двери устанавливается фотоэлемент, а с другой — источник направленного света. Пока свет попадает на фотоэлемент, в цепи присутствует электрический ток и дверь закрыта. Подходя к двери, человек загораживает источник света, напряжение в цепи падает, электромагнит отключается, а дверь отпирается.

 

 

Атомное ядро

 

Открытие в атоме электронов подняло еще целый ряд непростых вопросов.

Известно, что заряд атомов нейтрален, значит, если внутри атома есть отрицательно заряженные электроны, то должен быть и носитель компенсирующего положительного заряда. Что же является носителем этого заряда и почему легкие положительно заряженные частицы не выделяются под действием света? Почему существуют только катодные, а не анодные лучи?

Ответ на вопрос дал Томсон. В 1898 году он сделал предположение, что атом — это твердая положительно заряженная сфера, внутри которой, как изюм в булочке, находятся электроны, благодаря которым заряд атома и остается нейтральным.

Это предположение многое объясняло, и теория Томсона показалась ученой общественности крайне привлекательной. Свет конечно же мог освободить несколько крошечных электронов, но вряд ли мог сдвинуть с места огромный положительно заряженный атом. В вакууме электроны действительно будут испаряться с нити накаливания, однако атом останется нетронутым: согласно кинетической теории (см. ч. I) при повышении температуры атомы начнут лишь сильнее колебаться, в то время как электроны просто «сорвутся» со своих мест. Это объясняет, почему положительно заряженные частицы никогда и нигде не были обнаружены.

Кроме того, теория Томсона объясняла и происхождение ионов. Когда атом теряет свои электроны, у него все равно остается положительный заряд, величина которого зависит от количества потерянных электронов. Например, ион водорода (Н+) и ион натрия (Na+) — это атомы водорода и натрия, потерявшие единственный электрон. Ион кальция (Са++) — это потерявший оба электрона атом кальция, а ион алюминия (Аl+++) — это атом алюминия без трех электронов.

А что произойдет, если, наоборот, добавить атому пару электронов? Ион хлора (Cl–) — это атом с хлора с «лишним» электроном. Если же добавить сульфату два, а фосфату — три электрона, то образуются сульфат (SO4––) и фосфат (PO4–––) ионы.

Таким образом, по Трмсону, отрицательно заряженные электроны являются единственными субатомными частицами, но с их помощью можно объяснить существование и отрицательно, и положительно заряженных ионов.

Но у такой привлекательной на первый взгляд теории Томсона был один серьезный недостаток. Ленард обнаружил, что состоящие из электронов катодные лучи могут проникать сквозь различные предметы. Тогда если атом, как утверждал Томсон, является твердой сферой, то электронам, хотя они и крайне малы, все равно приходится буквально протискиваться между атомами других веществ. В этом случае после столкновения с преградой катодный луч должен рассеиваться, однако этого не происходит. Пройдя сквозь препятствие, пучок электронов остается таким же «кучным». Получается, что электроны проходят мимо атомов, не встречая особого сопротивления.

В 1903 году Ленард предположил, что атом на самом деле вовсе не твердое тело, а, по сути, пустота. По мнению ученого, атом состоял из электронов и равного им количества положительно заряженных частиц, благодаря которым заряд атома и оставался нейтральным.

Но почему тогда не существует анодных лучей?

Новозеландский физик Эрнест Резерфорд (1871–1937) примирил взгляды Ленарда и Томсона. Начиная с 1906 года он провел серию экспериментов, в ходе которых облучал тонкие золотые листы альфа-частицами[122]. Под листами находилась фотопластинка.

Поток альфа-частиц с легкостью «пробивал» лист золота, словно того и вовсе не было, и засвечивал фотопластинку. Хотя толщина листа всего лишь 1/50000 см, это все равно 20 000 атомов. Тот факт, что альфа-частицы с легкостью проходили сквозь 20 000 атомов, был доводом в пользу «пустого» атома Ленарда, то есть атома, состоящего лишь из нескольких легких частиц, разделенных пустотами.

Но самое интересное заключалось в том, что не все альфа-частицы проходили сквозь золотой лист беспрепятственно. Если альфа-луч не встречает на своем пути преград, то на фотопластинке остается четкий отпечаток. Однако если между источником альфа-излучения и фотопластинкой поместить лист золота, то контур отпечатка становится размытым. Проходя сквозь металл, альфа-частицы отклоняются от своей траектории на несколько градусов, а каждая восьмитысячная частица — на 90° и более!

Но почему? Почему практически все альфа-частицы легко проходят сквозь золото нетронутыми и лишь небольшая их часть так сильно меняет траекторию своего полета? Ведь масса альфа-частицы в 7350 раз больше массы электрона и в 4 раза больше массы атома водорода. Так что даже если альфа-частица столкнется с электроном, то она просто сметет его. Траектория изменится только в случае столкновения с объектом, масса которого приближается к массе атома. А поскольку лишь некоторые частицы встречают преграды на своем пути, размеры этого объекта должны быть крайне малы.

Это как мыльный пузырь, в центре которого находится свинцовый шарик. Если стрельнуть по такому пузырю дробью, то большинство дробинок пройдет сквозь него беспрепятственно, но некоторые попадут в шарик и отскочат от него. Зная частотность рикошетов, можно высчитать приблизительные размеры пузыря и шарика.

Но этот пример не совсем точно отображает суть происходящего. Альфа-частицы не сталкиваются с объектом внутри атома физически. Резерфорд доказал: взаимодействие между ними имеет электрическую природу. Дело в том, что альфа-частицы обладают положительным зарядом (+2), а объект в центре атома также несет положительный заряд, поэтому альфа-частица просто-напросто отталкивается от объекта.

В 1911 году Резерфорд представил миру свою модель атома. Атом состоит из электронов и атомного ядра,  которое обладает огромной массой, однако размеры его гораздо меньше, чем предполагал Томсон.

Концепция ядерного атома  Резерфорда ныне принята во всем мире.

 

Атом

 

Судя по тому, как альфа-частицы отклоняются от своих траекторий, размеры ядра атома должны быть действительно крайне малы — от 10–18 до 10–12 см в диаметре, что составляет 1/100000, или 1/10000 от диаметра самого атома. Объем атомного ядра составляет одну триллионную (1/1000000000000) часть объема атома.

По сути, практически вся масса атома сконцентрирована в его ядре. Даже ядро самого легкого атома — атома водорода — в 1836 раз тяжелее электрона, в то время как масса ядра атомов более тяжелых элементов может превосходить массу электрона почти в 500 000 раз. Естественно, тяжелое ядро намного менее подвижно, чем практически невесомый электрон, и именно поэтому под действием света и высокой температуры освобождаются только лишь электроны.

У Резерфорда, как и у Ленарда, атом также «пустой». Пространство за пределами ядра занимают электроны. Масса электронов крайне мала, и они не являются препятствием для катодных и альфа-лучей.

Происхождение ионов с точки зрения модели атома Резерфорда объясняется присоединением и потерей электронов, как и у Томсона.

Модель атома Резерфорда полностью удовлетворяла ученых, оставалось лишь доработать некоторые детали.