Из архивов: Открытие электронов открывает субатомную эру

В августовском номере журнала Popular Science за 1901 год физик Дж. Дж. Томсон с воодушевлением описывал свои методы открытия электрона.

Отредактировано 2023-25-06
Изображение номера ежемесячного научно-популярного журнала за 1901 год"О телах меньше атомов" (Дж. Дж. Томсон, 1901).

В честь 150-летнего юбилея мы вновь обращаемся к историям Popular Science (как удачным, так и неудачным), которые помогли определить научный прогресс, понимание и инновации - с добавлением современного контекста. Ознакомьтесь со всей серией "Из архивов" и посмотрите все наши юбилейные материалы здесь.

Насколько известно человечеству, 30 апреля 2022 года электрону исполнилось 125 лет. Конечно, субатомные частицы существуют с момента Большого взрыва, но здесь, на Земле, о них никто не знал, пока британский физик Дж. Дж. Томсон не объявил о своем открытии 30 апреля 1897 года в Королевском институте в Лондоне.

В августе 1901 года Томсон написал статью "О телах, меньших, чем атомы" для журнала Popular Science, в которой подробно описал свое открытие и методы. По сегодняшним меркам эта статья похожа на гибрид журнальной статьи и мемуаров, в ней запечатлены его гордость и восторг от открытия. Томсон был удостоен Нобелевской премии по физике за выделение электронов как фундаментального элемента всех атомов.

На момент открытия Томсона никто еще не обнаружил ничего меньше атома водорода (один протон и один электрон, без нейтрона). Однако способность электричества проходить через материалы - в сочетании, как отмечает Томсон, с экспериментами Мари Кюри с излучением и связанными с ним электрическими полями - предполагала такую возможность.

Томсон не просто открыл электроны; его метод, предполагающий ускорение частиц между электродами, положил начало новому способу изучения субатомного мира, используя ускорители и коллайдеры для разрушения мельчайших частиц. К 1911 году Эрнест Резерфорд представил свою атомную модель, которая подтвердила открытие Томсоном электронов, но опровергла его более широкую гипотезу о равномерном распределении атомов (протоны в паре с электронами). Сегодня множество частиц, меньших, чем электроны, таких как кварки и нейтрино, составляют Стандартную модель Вселенной, разработанную в 1970-х годах. Самым неуловимым, пожалуй, является бозон Хиггса, который считается источником массы всех субатомных частиц, впервые обнаруженный в 2012 году физиками на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе. Но даже в Стандартной модели есть свои пробелы, например, темная материя и антиматерия, которые спустя столетие продолжают подпитывать поиски тел, меньших, чем атомы.

"О телах, меньших, чем атомы" (Дж. Дж. Томсон, август 1901 г.)

Массы атомов различных газов были впервые исследованы около тридцати лет назад методами Лошмидта, Джонстоуна Стоуни и лорда Кельвина. Эти физики, используя принципы кинетической теории газов и делая определенные предположения, которые, надо признать, не вполне удовлетворительны, относительно формы атома, определили массу атома газа: и когда масса атома одного вещества известна, массы атомов всех других веществ легко выводятся из известных химических соображений.

"Можно подумать, что результаты этих исследований не оставляют места для существования чего-либо меньшего, чем обычные атомы, поскольку они показали, что в кубическом сантиметре газа при атмосферном давлении и температуре 0° C. содержится около 20 миллионов, миллионов, миллионов (2 X 1019) молекул газа. молекул газа.

Хотя некоторые аргументы, использованные для получения этого результата, можно подвергнуть сомнению, сам результат был подтвержден соображениями совершенно иного рода. Так, лорд Рейли показал, что это число молекул на кубический сантиметр дает примерно правильное значение оптической непрозрачности воздуха, а метод, который я сейчас опишу, с помощью которого мы можем непосредственно измерить число молекул в газе, приводит к результату, почти идентичному результату Лошмидта. Этот метод основан на законах электролиза Фарадея; из этих законов мы выводим, что ток через электролит переносится атомами электролита, и что все эти атомы несут одинаковый заряд, так что вес атомов, необходимых для переноса данного количества электричества, пропорционален переносимому количеству. Мы также знаем, по результатам экспериментов по электролизу, что для переноса единичного заряда электричества требуется набор атомов водорода, которые вместе весят около 1/10 миллиграмма; следовательно, если мы можем измерить заряд электричества на атоме водорода, мы увидим, что 1/10 этого заряда будет весом в миллиграммах атома водорода. Этот результат относится к случаю, когда электричество проходит через жидкий электролит. Теперь я объясню, как мы можем измерить массу носителей электричества, необходимую для передачи заданного заряда электричества через разреженный газ. В этом случае нельзя использовать прямые методы, применимые к жидким электролитам, но есть другие, пусть и более косвенные, методы, с помощью которых мы можем решить эту проблему. Первый случай проведения электричества через газы, который мы рассмотрим, это так называемые катодные лучи, те струйки от отрицательного электрода в вакуумной трубке, которые производят хорошо известную зеленую фосфоресценцию на стекле трубки. Теперь известно, что эти лучи состоят из отрицательно наэлектризованных частиц, движущихся с большой скоростью. Давайте посмотрим, как можно определить электрический заряд, переносимый данной массой этих частиц. Мы можем сделать это, измерив влияние электрических и магнитных сил на частицы. Если частицы заряжены электричеством, то они должны отклоняться, когда на них действует электрическая сила. Однако прошло некоторое время, прежде чем такое отклонение было замечено, и многие попытки добиться этого отклонения были безуспешными. Неудача объяснялась тем, что быстро движущиеся наэлектризованные частицы, составляющие катодные лучи, делают газ, через который они проходят, проводником электричества; частицы, таким образом, как бы движутся внутри проводящих трубок, которые отгораживают их от внешнего электрического поля; уменьшив давление газа внутри трубки до такой степени, что осталось очень мало газа для проведения, я смог избавиться от этого эффекта экранирования и получить отклонение лучей электростатическим полем. Катодные лучи также отклоняются магнитом, причем сила, действующая на них со стороны магнитного поля, находится под прямым углом.

Таким образом, для переноса данного заряда электричества атомами водорода требуется масса в тысячу раз большая, чем для переноса его отрицательно наэлектризованными частицами, составляющими катодные лучи, и очень важно, что в то время как масса атомов, необходимая для переноса данного заряда через жидкий электролит, зависит от вида атома, будучи, например, в восемь раз больше для кислорода, чем для атомов водорода, масса частиц катодных лучей, необходимая для переноса данного заряда, совершенно не зависит от газа, через который проходят лучи, и от природы электрода, с которого они начинаются.

Чрезвычайно малая масса этих частиц для данного заряда по сравнению с массой атомов водорода может быть обусловлена либо тем, что масса каждой из этих частиц очень мала по сравнению с массой атома водорода, либо тем, что заряд, переносимый каждой частицей, велик по сравнению с зарядом атома водорода. Поэтому очень важно определить электрический заряд, переносимый одной из этих частиц. Проблема заключается в следующем: предположим, что в замкнутом пространстве имеется несколько наэлектризованных частиц, каждая из которых несет одинаковый заряд, требуется найти заряд каждой частицы. Электрическими методами легко определить общее количество электричества на коллекции частиц, и, зная это, мы можем найти заряд на каждой частице, если сможем сосчитать количество частиц. Чтобы сосчитать эти частицы, необходимо сделать их видимыми. Мы можем сделать это, воспользовавшись открытием, сделанным К. Т. Р. Уилсоном, работавшим в Кавендишской лаборатории. Вильсон показал, что при наличии положительно и отрицательно электризованных частиц во влажном воздухе без пыли образуется облако, когда воздух закрывается в результате внезапного расширения, хотя этого расширения было бы совершенно недостаточно для образования конденсата, если бы не было электризованных частиц: вода конденсируется вокруг электризованных частиц, и, если их не слишком много, каждая частица становится ядром маленькой капли воды. Теперь сэр Джордж Стокс показал, как можно вычислить скорость падения капли воды через воздух, если мы знаем размер капли, и наоборот, мы можем определить размер капли, измерив скорость ее падения через воздух, следовательно, измерив скорость падения облака, мы можем определить объем каждой маленькой капли; весь объем воды, выпавшей при охлаждении воздуха, может быть легко вычислен, и, разделив весь объем воды на объем одной из капель, мы получим число капель, а значит, и число наэлектризованных частиц. Мы видели, однако, что если бы мы знали число частиц, то могли бы получить электрический заряд каждой частицы; действуя таким образом, 1 нашли, что заряд, переносимый каждой частицей, составляет около 6,5 × 10-10 электростатических единиц электричества или 2,17 × 10-20 электромагнитных единиц. Согласно кинетической теории газов, в кубическом сантиметре газа при атмосферном давлении и температуре 0° C содержится 2 × 1019 молекул. ; поскольку кубический сантиметр водорода весит около 1/11 миллиграмма, каждая молекула водорода весит около 1/(22 × 1019) миллиграмма, а каждый атом, следовательно, около 1/(44 × 1019) миллиграмма, и поскольку мы видели, что при электролизе растворов одна десятая часть 2 миллиграмма несет единичный заряд, атом водорода будет нести заряд, равный 10/(44 × 1019)= 2,27 × 10-29 электромагнитных единиц. Заряд на частицах в газе, как мы видели, равен 2,17 × 10-20 единиц, эти числа настолько почти равны, что, рассмотрим

Поскольку заряды на частице и атоме водорода одинаковы, тот факт, что масса этих частиц, необходимая для переноса данного заряда электричества, составляет лишь одну тысячную часть массы атомов водорода, показывает, что масса каждой из этих частиц составляет лишь около 1/1000 массы атома водорода. Эти частицы возникли в катодных лучах внутри разрядной трубки, так что мы получили из вещества внутри такой трубки частицы, имеющие гораздо меньшую массу, чем масса атома водорода, - наименьшую массу из всех до сих пор известных. Эти отрицательно наэлектризованные частицы, которые я назвал корпускулами, имеют одинаковый электрический заряд и одинаковую массу, независимо от природы газа внутри трубки или природы электродов; заряд и масса неизменны. Поэтому они являются неизменной составной частью атомов или молекул всех газов и, предположительно, всех жидкостей и твердых тел.

Не ограничиваются корпускулы и несколько недоступными областями, в которых находятся катодные лучи. Я обнаружил, что их испускают раскаленные металлы, металлы при освещении ультрафиолетовым светом, а исследования Беккереля и профессора и мадам Кюри показали, что их испускает это удивительное вещество - радиоактивный радий. Фактически в каждом случае, когда исследовался перенос отрицательного электричества через газ при низком давлении (т.е. когда корпускулам не к чему прилипать), было обнаружено, что носителями отрицательного электричества являются эти корпускулы неизменной массы.

Совсем другое положение вещей имеет место для положительного электричества. Массы носителей положительного электричества были определены для положительной электризации в вакуумных трубках Вином и Эверсом, а я измерил то же самое для положительной электризации, производимой в газе проволокой накаливания. Результаты этих экспериментов показывают замечательное различие между свойством положительной и отрицательной электризации, так как положительное электричество, вместо того чтобы быть связанным с постоянной массой 1/1000 массы атома водорода, как оказалось, всегда связано с массой, которая того же порядка, что и масса обычной молекулы, и которая, кроме того, изменяется в зависимости от природы газа, в котором происходит электризация.

Эти два результата, неизменность и малость массы носителей отрицательного электричества и изменчивость и сравнительно большая масса носителей положительного электричества, как мне кажется, безошибочно указывают на вполне определенную концепцию природы электричества. Разве они явно не предполагают, что отрицательное электричество состоит из этих корпускул или, говоря иначе, что эти корпускулы и есть отрицательное электричество, и что положительная электризация заключается в отсутствии этих корпускул у обычных атомов? Таким образом, эта точка зрения очень близко подходит к старой теории одной жидкости Франклина; по этой теории электричество рассматривалось как жидкость, а изменения в состоянии электризации рассматривались как следствие переноса этой жидкости из одного места в другое. Если рассматривать электрический флюид Франклина как совокупность отрицательно наэлектризованных корпускул, то старая однофлюидная теория во многом выражает результаты новой. Мы видели, что нам многое известно об "электрической жидкости"; мы знаем, что она имеет молекулярный или, скорее, корпускулярный характер; мы знаем массу каждой из этих корпускул и заряд электричества, переносимый ею; мы видели также, что скорость, с которой движутся корпускулы, может быть определена без труда. На самом деле электрическая жидкость гораздо лучше поддается экспериментам, чем обычный газ, и детали ее структуры легче определить.

Отрицательное электричество (т.е. электрический флюид) имеет массу; тело, наэлектризованное отрицательно, имеет большую массу, чем то же самое тело в нейтральном состоянии; положительная электризация, с другой стороны, поскольку она включает отсутствие корпускул, сопровождается уменьшением массы.

Возникает интересный вопрос о природе массы этих корпускул, который мы можем проиллюстрировать следующим образом. Когда заряженная корпускула движется, она создает в области вокруг себя магнитное поле, сила которого пропорциональна скорости корпускулы; теперь в магнитном поле есть количество энергии, пропорциональное квадрату силы, а значит, в данном случае пропорциональное квадрату скорости корпускулы.

Таким образом, если e - электрический заряд на корпускуле, а v - ее скорость, то в области вокруг корпускулы будет находиться количество энергии, равное ½βe2v2, где β - константа, зависящая от формы и размера корпускулы. Если m - масса тела, то его кинетическая энергия равна ½mv2, и, таким образом, полная энергия движущегося наэлектризованного тела равна ½(m + βe2)v2, так что при той же скорости оно обладает той же кинетической энергией, что и неэлектризованное тело, масса которого больше массы наэлектризованного тела на βe2. Таким образом, заряженное тело обладает в силу своего заряда, как я показал двадцать лет назад, кажущейся массой, отличной от массы, возникающей из обычной материи в теле. Таким образом, в случае этих корпускул часть их массы, несомненно, обусловлена их электризацией, и возникает вопрос, можно ли объяснить таким образом всю их массу. Недавно я провел несколько экспериментов, которые должны были проверить этот вопрос; принцип, лежащий в основе этих экспериментов, заключался в следующем: если масса корпускулы является обычной "механической массой, то, если быстро движущуюся корпускулу привести в покой, столкнув с твердым препятствием, ее кинетическая энергия, находящаяся в корпускуле, будет потрачена на нагревание молекул препятствия вблизи места столкновения, и мы должны ожидать, что механический эквивалент тепла, произведенного в препятствии, будет равен кинетической энергии корпускулы. Если, с другой стороны, масса корпускулы "электрическая", то кинетическая энергия находится не в самой корпускуле, а в среде вокруг нее, и, когда корпускула останавливается, энергия распространяется наружу в пространство в виде импульса, ограниченного тонкой оболочкой, движущейся со скоростью света. Некоторое время назад я предположил, что этот импульс формирует лучи Ронтгена, которые образуются, когда корпускулы ударяются о препятствие. С этой точки зрения, первым эффектом столкновения является образование лучей Ронтгена, и поэтому, если препятствие, о которое ударяется корпускула, не поглощает все эти лучи, энергия тепла, выделяемого в препятствии, будет меньше энергии корпускулы. Таким образом, исходя из того, что масса корпускулы имеет полностью или в основном электрическое происхождение, мы должны ожидать, что эффект нагрева будет меньше, когда корпускулы ударяются о цель, проницаемую для лучей Ронтгена, испускаемых трубкой, в которой производятся корпускулы, чем когда они ударяются о цель, непрозрачную для этих лучей. Я проверял эффекты нагрева, производимые в проницаемых и непроницаемых мишенях, но никогда не мог получить доказательства существенной разницы между этими двумя случаями. Наблюдаемые различия были малы по сравнению с общим эффектом и иногда были в одном направлении, а иногда в противоположном. Таким образом, эксперименты свидетельствуют против мнения, что вся масса корпускулы обусловлена ее электрическим зарядом. Идея о том, что масса в целом имеет электрический заряд

Малый размер этих частиц указывает на то, что они могут стать очень ценным средством для изучения деталей молекулярной структуры, структуры настолько тонкой, что даже световые волны имеют слишком большой масштаб, чтобы быть пригодными для ее изучения, поскольку одна длина волны распространяется на большое количество молекул. Это предвидение было полностью реализовано в экспериментах Ленарда по изучению препятствий, возникающих при прохождении этих корпускул через различные вещества. Ленард обнаружил, что это препятствие зависит только от плотности вещества, а не от его химического состава или физического состояния. Он обнаружил, что если взять пластинки различных веществ одинаковой площади и толщины, чтобы масса всех пластинок была одинаковой, то, из чего бы ни были сделаны пластинки, из изоляторов или проводников, из газов, жидкостей или твердых тел, сопротивление, которое они оказывают прохождению через них корпускул, будет одинаковым. Именно это и произошло бы, если бы атомы химических элементов представляли собой скопления большого числа одинаковых частиц равной массы; масса атома пропорциональна числу этих частиц, содержащихся в нем, а атом представляет собой совокупность таких частиц, между которыми может оказаться корпускула. Таким образом, столкновение между корпускулой и атомом будет не столько столкновением между корпускулой и атомом в целом, сколько между корпускулой и отдельными частицами, из которых состоит атом; и число столкновений, которые совершит корпускула, а значит, и сопротивление, которое она испытает, будет одинаковым, если число частиц в единице объема будет одинаковым, какова бы ни была природа атомов, в которые эти частицы объединены. Число частиц в единице объема, однако, фиксируется плотностью вещества, и поэтому, с этой точки зрения, плотность и только плотность должна определять сопротивление, оказываемое веществом движению корпускулы через него; это, однако, именно результат Ленарда, который, таким образом, является сильным подтверждением мнения, что атомы элементарных веществ состоят из более простых частей, все из которых одинаковы. Этот и подобные взгляды на строение материи часто отстаивались; так, в одной из форм этой гипотезы, известной как гипотеза Праута, предполагалось, что все элементы являются соединениями водорода. Однако мы знаем, что масса первобытного атома должна быть намного меньше массы водорода. Сэр Норман Локьер отстаивал составную точку зрения на природу элементов на спектроскопических основаниях, но эта точка зрения никогда не была изложена более смело, чем давным-давно Ньютоном, который сказал:

"Мельчайшие частицы материи могут скрепиться под действием сильнейшего притяжения и образовать более крупные частицы более слабой силы, а многие из них могут скрепиться и образовать более крупные частицы, чья сила еще слабее, и так далее в разнообразной последовательности, пока прогрессия не закончится самыми крупными частицами, от которых зависят операции в химии и цвета природных тел, и которые, прилипая, образуют тела разумной величины".

Рассуждения, которые мы использовали для доказательства того, что сопротивление движению корпускулы зависит только от плотности, справедливы только в том случае, если сфера действия одной из частиц на корпускуле не простирается так далеко, как ближайшая частица. В дальнейшем мы покажем, что сфера действия частицы на корпускулу зависит от скорости корпускулы, причем чем меньше скорость, тем больше сфера действия, и что если скорость корпускулы падает до 107 сантиметров в секунду, то, исходя из того, что мы знаем о заряде на корпускуле и размере молекул, можно ожидать, что сфера действия частицы простирается дальше, чем расстояние между двумя частицами, и поэтому для корпускул, движущихся с этой и меньшими скоростями, мы не должны ожидать, что закон плотности будет выполняться.

Существование свободных корпускул или отрицательного электричества в металлах

В описанных до сих пор случаях отрицательно наэлектризованные тельца были получены в результате процессов, требующих, чтобы тела, из которых освобождаются тельца, подвергались несколько исключительной обработке. Так, в случае катодных лучей корпускулы были получены с помощью интенсивных электрических полей, в случае накаленной проволоки - путем сильного нагрева, в случае холодной металлической поверхности - путем воздействия света. Возникает вопрос, не происходит ли в какой-то степени, даже в материи, находящейся в обычном состоянии и свободной от действия таких агентств, спонтанное освобождение этих корпускул, своего рода диссоциация нейтральных молекул вещества на положительно и отрицательно наэлектризованные части, из которых последние являются отрицательно наэлектризованными корпускулами.

Давайте рассмотрим последствия такого эффекта, происходящего в металле: атомы металла расщепляются на отрицательно наэлектризованные корпускулы и положительно наэлектризованные атомы, которые через некоторое время вновь объединяются, образуя нейтральную систему. Когда все приходит в устойчивое состояние, число корпускул, рекомбинирующих за определенное время, будет равно числу освобожденных за то же время. Таким образом, через металл будут распространяться рои этих корпускул, которые будут двигаться во всех направлениях подобно молекулам газа, и, поскольку они могут приобретать или терять энергию при столкновении с молекулой металла, мы должны ожидать по кинетической теории газов, что они приобретут такую среднюю скорость, что средняя кинетическая энергия корпускулы, движущейся в металле, будет равна той, которой обладает молекула газа при температуре металла; Таким образом, средняя скорость корпускул при температуре 0° C. около 107 сантиметров в секунду. Этот рой отрицательно электризованных корпускул при воздействии электрической силы будет дрейфовать в направлении, противоположном силе; это дрейфование корпускул будет представлять собой электрический ток, так что таким образом можно объяснить электропроводность металлов.

Количество электричества, проведенного через единицу площади под действием данной электрической силы, будет зависеть от (1) числа свободных корпускул на единицу объема металла, (2) свободы, с которой они могут двигаться под действием силы между атомами металла; последнее зависит от средней скорости этих корпускул, так как если они движутся с очень большой скоростью, электрическая сила будет иметь очень мало времени для действия, прежде чем корпускула столкнется с атомом, и эффект, произведенный электрической силой, будет аннулирован. Таким образом, средняя скорость дрейфа, передаваемая корпускулам электрическим полем, будет уменьшаться по мере увеличения средней скорости перемещения, которая фиксируется температурой. Поскольку средняя скорость перемещения увеличивается с ростом температуры, корпускулы будут двигаться более свободно под действием электрической силы при низких температурах, чем при высоких, и, таким образом, по этой причине электропроводность металлов будет увеличиваться с понижением температуры. В работе, представленной на Международном физическом конгрессе в Париже осенью прошлого года, я описал метод, с помощью которого можно определить число корпускул на единицу объема и скорость, с которой они двигаются под действием электрической силы. Применяя этот метод к висмуту, оказалось, что при температуре 20° C в кубическом сантиметре содержится примерно столько же корпускул, сколько молекул в том же объеме газа при той же температуре и давлении около ¼ атмосферы, и что корпускулы под действием электрического поля напряженностью 1 вольт на сантиметр будут двигаться со скоростью около 70 метров в секунду. В настоящее время висмут является единственным металлом, для которого существуют данные, необходимые для применения этого метода, но в Кавендишской лаборатории проводятся эксперименты, которые, как надеются, позволят применить этот метод к другим металлам. Однако мы знаем достаточно, чтобы быть уверенными, что корпускулы в хороших проводниках, таких как золото, серебро или медь, должны быть намного многочисленнее, чем в висмуте, и что корпускулярное давление в этих металлах должно составлять много атмосфер. Эти корпускулы увеличивают удельную теплоту металла, а удельная теплота дает высший предел их количеству в металле.

Интересным приложением этой теории является проведение электричества через тонкие пленки металла. Лонгден недавно показал, что когда толщина пленки падает ниже определенного значения, удельное сопротивление пленки быстро увеличивается по мере уменьшения ее толщины. Этот результат легко объяснить с помощью теории металлической проводимости, поскольку, когда пленка становится настолько тонкой, что ее толщина сравнима со средней силой пути корпускулы, число столкновений, совершаемых корпускулой в пленке, будет больше, чем в металле в массе, поэтому подвижность частиц в пленке будет меньше, а электрическое сопротивление, следовательно, больше.

Распространенные по металлу корпускулы будут не только проводить электрический ток, но и переносить тепло от одной части к другой неравномерно нагретого куска металла. Ведь если корпускулы в одной части металла обладают большей кинетической энергией, чем в другой, то, вследствие столкновений корпускул друг с другом и с атомами, кинетическая энергия будет стремиться перейти от тех мест, где она больше, к тем, где она меньше, и таким образом тепло будет переходить от горячих частей металла к холодным, так как скорость, с которой переносится тепло, будет увеличиваться с ростом числа корпускул и их подвижности, на нее будут влиять те же обстоятельства, что и на проводимость электричества, так что хорошие проводники электричества должны быть также хорошими проводниками тепла. Если мы рассчитаем отношение тепловой и электрической проводимости, исходя из предположения, что все тепло переносится корпускулами, то получим значение того же порядка, что и экспериментально.

Вебер много лет назад предположил, что электропроводность металлов обусловлена движением через них положительно и отрицательно наэлектризованных частиц, и эта точка зрения была недавно значительно расширена и развита Рикке и Друде, возражение против любого электролитического взгляда на проводимость через металлы состоит в том, что, Это возражение не относится к теории, изложенной выше, так как по этой точке зрения ток проводят корпускулы, это не атомы металла, а очень маленькие тела, одинаковые для всех металлов.

Можно спросить, если корпускулы рассеяны по металлу и движутся в нем со средней скоростью около 107 сантиметров в секунду, то как получается, что некоторые из них не вылетают из металла в окружающий воздух? Мы должны помнить, однако, что эти отрицательно электризованные корпускулы притягиваются положительно электризованными атомами и, по всей вероятности, нейтральными атомами, так что для того, чтобы вырваться из этих притяжений и освободиться, корпускула должна обладать определенным количеством энергии; если бы корпускула обладала меньшей энергией, то, даже будучи отброшенной от металла, она, пройдя небольшое расстояние, упала бы обратно в него. Когда металл имеет высокую температуру, как в случае с проволокой накаливания, или когда он освещен ультрафиолетовым светом, некоторые из корпускул приобретают достаточную энергию, чтобы выйти из металла и произвести электризацию в окружающем газе. Можно также ожидать, что если бы мы могли зарядить металл отрицательным электричеством настолько сильно, что работа, совершаемая электрическим полем над корпускулой на расстоянии не большем, чем сфера действия атомов на корпускулу, была бы больше, чем энергия, необходимая для выхода корпускулы, то корпускулы вышли бы и из металла пошел бы поток отрицательного электричества. В этом случае разряд мог бы происходить без участия газа, окружающего металл, и мог бы даже происходить в абсолютном вакууме, если бы мы смогли его создать. Пока у нас нет никаких доказательств такого рода разряда, если только некоторые интересные результаты, недавно полученные Эрхартом с помощью очень коротких искр, не будут свидетельствовать об эффекте такого рода.

Очень интересным случаем спонтанного испускания корпускул является радиоактивное вещество радий, открытое М. и мадам Кюри. Радий испускает отрицательно наэлектризованные корпускулы, которые отклоняются магнитом. Беккерель определил отношение массы к заряду корпускул радия и нашел, что оно такое же, как у корпускул в катодных лучах. Скорость движения корпускул радия, однако, превышает все наблюдавшиеся до сих пор скорости катодных лучей или лучей Ленарда: она, как установил Беккерель, составляет 2 X 1010 сантиметров в секунду, или две трети скорости света. Эта огромная скорость объясняет, почему корпускулы из радия обладают гораздо большей проникающей способностью, чем корпускулы из катодных лучей или лучей Ленарда; разница в этом отношении очень поразительна, так как в то время как последние могут проникать в твердые тела только тогда, когда они выбиты в тончайшие пленки, корпускулы из радия, как было установлено Кюри, способны проникать в кусок стекла толщиной 3 миллиметра. Чтобы увидеть, как увеличение скорости может увеличить проникающую способность, возьмем в качестве иллюстрации столкновения между корпускулой и частицами металла случай заряженной корпускулы, движущейся мимо наэлектризованного тела; можно сказать, что столкновение между ними происходит, когда корпускула подходит так близко к заряженному телу, что направление ее движения после прохождения тела заметно отличается от того, с которого она начинала. Простой расчет показывает, что отклонение корпускулы будет значительным только тогда, когда кинетическая энергия, с которой корпускула начинает свой путь к заряженному телу, невелика по сравнению с работой, проделанной электрическими силами над корпускулой на ее пути к кратчайшему расстоянию от заряженного тела. Если d - кратчайшее расстояние, e и e' - заряды тела и корпускулы, то совершенная работа равна ee'/d; если же m - масса, а v - скорость, с которой движется корпускула, то кинетическая энергия для начала равна ½mv2; таким образом, значительное отклонение корпускулы, т.е, столкновение произойдет только тогда, когда ee'/d будет сравнимо с ½mv2; а d - расстояние, на котором происходит столкновение, будет изменяться обратно пропорционально v2. Поскольку d - радиус сферы действия столкновения и поскольку число столкновений пропорционально площади участка этой сферы, число столкновений пропорционально d2 и, следовательно, изменяется обратно пропорционально v4. Эта иллюстрация объясняет, как быстро уменьшается число столкновений и, следовательно, сопротивление, оказываемое движению корпускул через вещество, по мере увеличения скорости корпускул, так что мы можем понять, почему быстро движущиеся корпускулы радия способны проникать в вещества, которые почти непроницаемы для более медленно движущихся корпускул катодных лучей и лучей Ленарда.

Космические эффекты, производимые корпускулами

Поскольку очень горячий металл испускает эти корпускулы, не кажется невероятной гипотеза, что они испускаются этим очень горячим телом - Солнцем. Некоторые из следствий этой гипотезы были развиты Паульсеном, Биркеландом и Аррениусом, которые разработали теорию Aurora Borealis с этой точки зрения. Предположим, что солнце испускает корпускулы, которые распространяются через межпланетное пространство; некоторые из них попадают в верхние области земной атмосферы и затем или даже раньше попадают под влияние магнитного поля Земли. Находясь в таком поле, корпускулы будут описывать спирали вокруг линий магнитной силы; поскольку радиусы этих спиралей будут малы по сравнению с высотой атмосферы, мы можем для нашей цели предположить, что они движутся вдоль линий магнитной силы Земли. Таким образом, корпускулы, которые ударяются в атмосферу Земли вблизи экваториальных областей, где линии магнитной силы горизонтальны, будут двигаться горизонтально и, таким образом, останутся в верхней части атмосферы, где плотность настолько мала, что прохождение корпускул через газ вызывает лишь незначительное свечение; по мере того как корпускулы перемещаются в более высокие широты, где линии магнитной силы наклоняются, они следуют этим линиям и спускаются в нижние и более плотные части атмосферы, где они производят свечение, которое, с этой точки зрения, является Авророй.

Как отметил Аррениус, интенсивность Авроры должна быть максимальной на широте, промежуточной между полюсом и экватором, поскольку, хотя в экваториальных областях дождь корпускул от Солнца наибольший, магнитная сила Земли удерживает их в таком сильно разреженном газе, что они производят мало света, в то время как на полюсе, где магнитная сила тянет их прямо вниз в более плотный воздух, корпускул почти не так много; поэтому максимальная яркость будет где-то между этими точками. Аррениус полностью разработал эту теорию Авроры и показал, что она дает очень удовлетворительное объяснение различным периодическим колебаниям, которым она подвержена.

Как газ становится проводником электричества, когда через него проходят корпускулы, так и верхние области воздуха будут проводить электричество, и когда в этих областях возникают воздушные течения, проводящая материя будет перемещаться по силовым линиям магнитного поля Земли, в воздухе будут индуцироваться электрические токи, а магнитная сила, обусловленная этими токами, будет вызывать изменения магнитного поля Земли. Бальфур Стюарт давно предположил, что вариации магнитного поля Земли вызваны токами в верхних областях атмосферы, а Шустер, применив метод Гаусса, показал, что место этих вариаций находится над поверхностью Земли.

Отрицательный заряд в атмосфере Земли не будет увеличиваться бесконечно вследствие потока отрицательно электризованных корпускул, поступающих в нее от Солнца, поскольку, как только она становится отрицательно электризованной, она начинает отталкивать отрицательно электризованные корпускулы от ионизированного газа в верхних областях воздуха, и состояние равновесия будет достигнуто, когда Земля будет иметь такой отрицательный заряд, что корпускулы, гонимые ею из верхних областей атмосферы, будут равны по количеству тем, которые достигают Земли от Солнца. Таким образом, согласно этой точке зрения, межпланетное пространство заполнено корпускулярным движением: быстро движущиеся корпускулы выходят от Солнца, а более медленно движущиеся вливаются в него.

В случае планеты, которая, как и Луна, не имеет атмосферы, не будет газа для ионизации корпускул, и отрицательная электризация будет возрастать до тех пор, пока не станет настолько интенсивной, что отталкивание, оказываемое ею на корпускулы, будет достаточно велико, чтобы помешать им достичь поверхности планеты.

Аррениус предположил, что свечение туманностей может быть вызвано не высокой температурой, а прохождением через их внешние области корпускул, блуждающих в пространстве, при этом газ в туманностях довольно холодный. Эта точка зрения, по-видимому, в некоторых отношениях имеет преимущества перед той, которая предполагает, что туманности имеют очень высокую температуру. Эти и другие иллюстрации, которые можно было бы привести, если бы позволило место, делают вероятным, что эти корпускулы могут играть важную роль как в космической, так и в земной физике.

*Профессор Шустер в 1889 году первым применил метод магнитного отклонения разряда для определения величины m/e; он нашел довольно широко разнесенные предельные значения этой величины и пришел к выводу, что она того же порядка, что и в электролитических растворах; результат упомянутого выше метода, а также методов Вихерта, Кауфмана и Леонарда делает ее значительно меньшей.

Физика элементарных частиц фотоОбложка августовского ежемесячника "Popular Science Monthly" за 1901 год.

Некоторые тексты отредактированы в соответствии с современными стандартами и стилем.