Матвей Бронштейн - Атомы и электроны

Это - невообразимо огромные скорости, если сравнить их с обычными скоростями окружающих нас тел - скоростью поезда, скоростью артиллерийского снаряда,- но они не выглядят такими же внушительными с точки зрения физика, который привык встречаться в своих расчетах и с гораздо большей скоростью - со скоростью света, которая равна 300 000 км/с (это - та самая скорость, с которой распространяются лучи света; расстояние от Солнца до Земли - 150 миллионов километров - лучи света] пробегают за 500 секунд). Поэтому физики не очень удивились, когда Томсон опубликовал свой результат измерения скорости катодных лучей: все сочли эту скорость сравнительно скромной по величине. Гораздо интереснее было то, что Томсон сообщил о найденном в его опытах значении величины e/m. Из его измерений вытекало, что величина e/m получается (в отличие от скорости) всегда и всюду одинаковой. Во всех опытах с катодными лучами она неизменно оказывалась равной e/m = 5,307.10 17абс. ед.,

если е выражено в абсолютных единицах, а m (масса электрона) - в граммах. Это было хорошим подтверждением догадки Крукса о том, что катодные лучи - поток каких-то совершенно одинаковых частиц.

Из этого значения e/m Томсон сейчас же вывел совершенно поразительное следствие. Вспомним, что из фарадеевских законов электролиза мы получили N*e = 2,895*10 14абс. ед.

Но что такое N? Это - число атомов водорода в одном грамме водорода. Значит, масса атома водорода должна составить N-ю часть грамма. Если мы обозначим массу атома водорода буквой М, то окажется, что M=l/N. Поэтому умножить какое-нибудь число на N - это все равно что разделить его на М, и наоборот. Выходит, что формулу N*e=2,895-10 14абс. ед. можно еще написать в виде e/M = 2,895-10 14абс. ед.

Таким образом, число 2,895-10" есть отношение элементарного электрического заряда (т. е. заряда электрона), выраженного в абсолютных единицах, к массе атома водорода, выраженной в граммах. А число 5,307-10" есть отношение того же самого заряда электрона к массе уже не атома водорода, а самого электрона. Число 5,307*10 17, как нетрудно сосчитать, примерно в 1840 раз больше числа 2,895*10 14. Что это значит? У двух дробей e/m и e/М числители одинаковы, а между тем первая дробь в 1840 раз больше второй. Значит, знаменатель первой дроби в 1840 раз меньше знаменателя второй дроби. Иными словами, электрон в 1840 раз легче атома водорода, т. е. чуть ли не в две тысячи раз легче самого легкого из атомов. Итак, атом водорода не есть самая легкая частица в мире, как мы думали до сих пор: электрон гораздо легче его.

Для того чтобы понять всю огромную важность этого результата, полученного впервые Дж. Дж. Томсопом, вспомним следующее: в явлениях электролиза мы имеем дело с атомами, заряженными положительным и отрицательным электричеством, причем заряд каждого атома может равняться по величине одному, или двум, или трем и т. д. зарядам электрона. Электрон играет роль того «атома электрической жидкости», о котором говорил старик Франклин. Легко понять, каким образом атом вещества может иметь один, или два, или три отрицательных элементарных заряда: для того чтобы зарядить атом таким отрицательным зарядом, стоит только приклеить к нему один, или два, или три и т. д. электрона. Но как зарядить атом одним, или двумя, или тремя положительными зарядами? Для этого необходимо отнять у атома отрицательный заряд: ведь отнять отрицательный заряд - это все равно что прибавить положительный. Значит, нужно отнять у атома один, или два, или три и т. д. электрона. Выходит, что атом водорода, переносящий на себе в электролите один положительный элементарный заряд,- это есть атом водорода, у которого отнят электрон. Атом цинка, несущий два положительных элементарных заряда,- это атом цинка, у которого отняты два электрона, и т. д., и т. д. Но для того, чтобы можно было отнять у атома электроны, необходимо - так, по крайней мере, говорит здравый смысл,- чтобы они у него были.

Таким образом, мы приходим к взгляду на атом как на какую-то сложную систему, в состав которой входят электроны. У атомов можно оторвать один или несколько электронов - при этом образуется положительно заряженный «ион» (отрыв электронов от атома принято называть ионизацией, в. заряженный атом, который при этом образуется,- ионом; это греческое название, которое значит «передвигающийся», так как заряженный атом получает способность передвигаться в электрическом поле, чем и объясняется, например, передвижение атомов при электролизе). Если к атому добавить один или несколько электронов, получается отрицательно заряженный ион.