Электрон и протон

Атомистическая теория Дальтона получила в начале XX в. такие важные подтверждения, которые привели к коренному изменению представлений о строении атомов. В XIX в. были сделаны два важнейших открытия, которые, как тогда казалось, поставили под сомнение правомерность атомистических представлений. Одно из этих открытий было следствием электрохимических работ Фарадея, а второе — результатом исследований необычного излучения, испускаемого некоторыми веществами. Это излучение, как показали Анри Беккерель, а также супруги Пьер и Мария Кюри, оказалось радиоактивностью. (Дальнейшую судьбу электрохимических воззрений Фарадея рассмотрим ниже.)

Фарадей пытался выяснить, является ли вакуум проводником электрического тока. Однако он не смог это установить, поскольку не добился достаточно хорошего вакуумирования. Это удалось Юлиусу Плюккеру, у которого было соответствующее оборудование — стеклянные сосуды, изобретенные в 1855 г. Генрихом Гейслером. Плюккер впаял в сосуд два электрода и создал между ними разность потенциалов. Ему удалось зарегистрировать прохождение тока между электродами. К тому же Плюккер наблюдал возникающее при этом свечение, яркость которого зависела от величины вакуума. При очень хорошем вакууме, например, наблюдалось очень яркое свечение, а вблизи анода стекло приобретало зеленоватый оттенок.

В 1875 г. Уильям Крукс изготовил трубки (названные затем его именем) с еще более глубоким вакуумом. Используя их, он смог обнаружить, что электрический ток направлен от катода к аноду. Вблизи анода ток попадал на стекло и вызывал его свечение. Чтобы показать это отчетливее, Крукс впаял в трубку металлическую пластину, которая отбрасывала тень на стекло в противоположном от катода конце трубки. Однако в то время трудно было понять, что представляет собой этот ток от катода к аноду, и лишь Эуген Гольдштейн первым произнес термин «катодные лучи». Он высказал предположение, что речь идет о каком-то виде света, так как катодные лучи распространялись, подобно свету, прямолинейно, не испытывая влияния силы тяжести. Одни физики присоединились к этому предположению, другие хотели видеть в катодных лучах частицы, которые могут так легко и быстро перемещаться потому, что они или вообще не испытывают действия силы тяжести, или же это действие не проявляется в сколько-нибудь заметной степени. Плюккер и Крукс обнаружили отклонение катодных лучей в магнитном поле. Это доказывало, что лучи представляют собой поток частиц, ибо волны должны были в значительно меньшей степени подвергаться влиянию магнитного поля.

Решительным защитником корпускулярной гипотезы был Джордж Джонстон Стони. В 1891 г. он дал дискретной частице название «электрон», рассматривая ее как элементарную единицу электрического заряда.

В 1895 г. Жан Перрен показал, что катодные лучи состоят из отрицательно заряженных частичек; на пути катодных лучей он ставил экран со щелью и всю установку помещал в магнитное поле, при этом катодные лучи отклонялись к положительному полюсу.

Джозеф Джон Томсон в 1897 г. определил скорость катодных лучей, а из величины их отклонения в магнитном поле нашел отношение заряда к массе частиц. Значение массы оказалось примерно в 1000 раз меньше массы самого легкого атома — водорода. На основе такой огромной разницы Томсон сделал вывод, что речь идет о неизвестной ранее элементарной частице. Точную массу электрона, равную 1/1837 массы атома водорода, установил в 1909−1913 гг. Роберт Эндрус Милликен.

Открытие электрона предшествовало открытию протона — положительно заряженной частицы. Еще в 1886 г. Гольдштеин наблюдал, что при испускании катодных лучей на сам катод попадают лучи иной природы, которым ученый приписал поэтому противоположный электронам положительный заряд. В 1907 г. Дж. Дж. Томсон назвал их положительно заряженными лучами. Дальнейшее исследование показало, что частицы, составляющие эти лучи, отличаются от электронов не только знаком заряда, но также и значительно большей массой. Масса «протонов», как назвал их в 1920 г. Э. Резерфорд, была примерно равна массе атома водорода, т. е. в 1837 раз больше массы электрона.

В конце XIX — начале XX вв. были сделаны и другие открытия, которые заставили многих физиков сомневаться в правильности атомистических представлений. Среди них следует назвать, например, открытие Генрихом Рудольфом Герцем в 1888 г. фотоэлектрического эффекта (фотоэффекта): при облучении катода ультрафиолетовым светом наблюдается (даже при слабом напряжении) довольно сильный электрический разряд между двумя электродами. В 1898 г. Дж. Дж. Томсон обнаружил, что металлические пластины, облученные ультрафиолетовым светом, испускают отрицательные заряды. Спустя четыре года Филипп Эдуард А. Ленард показал, что фотоэлектрический эффект заключается в «выбивании» электронов из металла, при этом нет необходимости в наложении внешнего электрического поля. Ленард представлял атом в виде облака, состоящего из положительных и отрицательных частиц. Дальнейшие исследования показали, что каждое вещество обладает определенным фотоэлектрическим порогом, который, например, у натрия лежит около 6500 А. Выбиваемые электроны, названные фотоэлектронами, приобретают кинетическую энергию, величина которой зависит от длины волны падающего света.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн дал объяснение фотоэлектрического эффекта: кванты света, или фотоны, попадают на металл и их энергия вызывает испускание фотоэлектронов. При поглощении металлами света энергия фотонов превращается в энергию фотоэлектронов. Фотоэлектрон использует часть энергии, чтобы оторваться от металла, а остальная энергия остается у фотоэлектрона в виде кинетической.

Открытие рентгеновских лучей и особенно радиоактивности дало дальнейший толчок для критического переосмысления существующей атомистической теории. Превращение радиоактивных элементов в другие элементы показало, что существуют атомы, которые можно разделить, что противоречило всему накопленному к тому времени опыту, а также самому определению понятия «атом».

В 1902 г. Э. Резерфорд и Ф. Содди смогли доказать, что в результате излучения атомом урана α-частиц возникает новый атом с иными радиоактивными признаками. Последний атом в результате радиоактивного распада превращается в другой атом и т.д. Вскоре после этого (в 1904 г.) Резерфорд установил период полураспада радиоактивных веществ; оказалось, что для разных элементов он очень различен: некоторые радиоактивные элементы распадаются уже в течение секунд, другие «живут» миллион лет.

Теоретическое объяснение нового явления было сделано главным образом в работах Резерфорда.

Эрнест Резерфорд родился в 1871 г. в г. Нелсоне (Новая Зеландия). В 1898 г. он стал профессором Монреальского университета (Канада), а в 1919 г.— директором Кавендишской лаборатории в Кембридже.

В 1906 г. Резерфорд выполнил исследование, которое привело к созданию нового представления об атоме. Еще ранее (в 1903 г.) Томсон предложил одну из первых атомных моделей: атом — положительно заряженная сфера с вкрапленными в нее электронами. Сумма отрицательных зарядов этих электронов определяет равный по величине положительный заряд атомной сферы. В соответствии с этим присоединение или отдача электронов приводит к появлению отрицательного или положительного заряда на атоме. Резерфорд провел бом­бардировку золотой фольги α-частицами, чтобы выяснить, будут ли частицы, проходя через фольгу, менять траекторию движения. Если бы атомы золота имели шарообразную форму и заметные размеры, то α-частицы должны были бы отскакивать от них и изменять свое направление (по аналогии со столкновением бильярдных шаров). Толщина золотой фольги была такова, что а-частицы должны были пройти через слой в ~1000 атомов. Однако выяснилось, что из сотен тысяч α-частиц только отдельные изменяют траекторию. Поэтому Резерфорд сделал вывод, что атом имеет ядро, диаметр которого должен быть в 100 000 000 раз меньше диаметра всего атома. Если попытаться представить себе это соотношение и предположить, что по величине атом равен небольшому мячу, то почти вся масса атома должна быть сосредоточена в его ядре размером в песчинку диаметром 1/20 мм. В этом масштабе α-частица тоже имела бы размеры такой песчинки, и поэтому вероятность ее столкновения с атомным ядром очень незначительна.

Следует еще добавить, что в опыте, проведенном Резерфордом в 1906 г., электроны вряд ли могли играть какую-либо роль, так как они намного легче α-частиц. После работ Резерфорда ученые стали представлять атом состоящим из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Следующий шаг в изучении структуры атома был сделан Максом Лауэ в 1912 г. Он облучал кристаллические вещества рентгеновскими лучами и установил, что кристаллы состоят из атомов, расположенных в определенном геометрическом порядке (структуре). Они рассеивают (дифрагируют) рентгеновские лучи, и по получающейся при этом дифракционной картине можно было рассчитать длину волны рентгеновского излучения. По сути, рентгеновские лучи похожи на световые лучи, но с очень малой длиной волны.