1. Электрические заряды и атом
Кто из вас не знает такого опыта: если гребешок из пластмассы слегка потереть куском сукна, то гребешок, а также суконка приобретают способность притягивать к себе различные лёгкие тела — кусочки бумаги, пушинки. Говорят, гребешок и суконка в этом случае «наэлектризовываются», приобретают «электрический заряд».
Убедиться в том, что оба натёртых тела — гребешок и суконка — действительно приобретают электрические заряды, можно при помощи простого физического прибора — электроскопа. Этот прибор представляет собой стеклянный или металлический сосуд, закрытый пробкой из эбонита, янтаря или другого вещества, в котором движение электрических зарядов невозможно (такие вещества называются изоляторами). В пробку вставлен металлический стержень, а к концу его прикреплены два тонких, лёгких алюминиевых или золотых листочка или же листочки из папиросной бумаги.
Если металлический стержень зарядить, то-есть перенести на него электрический заряд с какого-либо наэлектризованного тела, то листочки электроскопа разойдутся. И чем больше будет заряд стержня, тем сильнее разойдутся листочки электроскопа. Если удалить со стержня заряд, например, дотронувшись до него пальцем, то листочки под действием собственной тяжести снова сойдутся.
Поднесите поочерёдно оба натёртых тела к стержню электроскопа — его листочки в обоих случаях разойдутся. И вот что интересно: в том и другом случае листочки прибора разойдутся на один и тот же угол. Это говорит о том, что оба заряда, возникшие на гребешке и на суконке, одинаковы по величине.
Если же вы перенесёте электрические заряды с гребешка и суконки — один за другим — на электроскоп, не разряжая его после перенесения заряда с гребешка, то листки электроскопа сначала разойдутся, а потом снова упадут. Оба заряда как бы уничтожат, нейтрализуют друг друга!
Выходит, что если по количеству заряды на суконке и гребешке и равны друг другу, то в качественном отношении они различны.
И действительно, было установлено, что в природе существуют электрические заряды двух «родов».
Чтобы различать эти два вида электрических зарядов, один из них называют положительным и обозначают знаком «+», а другой заряд отрицательным и обозначают знаком «—».
Таким образом, при электризации двух тел — и не только при электризации трением — на них всегда возникают заряды обоих видов и притом в одинаковом количестве.
Если зарядить два лёгких пробковых шарика зарядами одного и того же знака, то шарики будут отталкиваться друг от друга, словно их отбрасывает какая-то сила. И, наоборот, когда шарики имеют электрические заряды разных знаков, они притягиваются друг к другу (рис. 10).
Рис. 10. Взаимодействие заряженных шариков.
Все эти факты были известны давно. Но как их объяснить?
И вот тогда родилась догадка о существовании электрического вещества, причём вещества двух родов — положительного и отрицательного. В самом деле, когда оба рода такого электрического вещества находятся в каком-либо теле в одинаковых количествах, тело не имеет электрического заряда, положительное и отрицательное электрическое вещество нейтрализуют друг друга. Если же каким-либо образом в теле создаётся избыток одного вида электрического вещества, тело становится электрически заряженным, приобретает электрический заряд.
Если это так, то всякий процесс электризации тел сводится лишь к тому, что мы должны каким-то способом разделить частицы положительного и отрицательного электричества. При этом в одном теле окажется избыток положительного электрического вещества — положительный электрический заряд, а в другом — избыток отрицательного электричества — отрицательный заряд. По величине оба заряда будут одинаковы.
Такая догадка оказалась в известном смысле правильной, хотя никакой «тонкой электрической жидкости», наполняющей материю, о которой так много писали физики в XVIII веке, и не существует. Оказалось, что электрический заряд является свойством материи.
В конце прошлого века было твёрдо установлено, что электрический заряд не может быть бесконечно мал. Был найден и измерен самый маленький, далее уже неделимый заряд — своего рода «атом электричества». Иначе говоря, оказалось, что электрические заряды, подобно химическим элементам, состоят из мельчайших равных между собой частичек.
Правда, это можно было сказать пока только об отрицательных электрических зарядах, так как обнаружен был лишь «атом отрицательного электричества». Он получил название электрон.
Таким образом, если какое-то тело имеет отрицательный заряд, то это означает, что в нём в избытке находятся мельчайшие частички «отрицательного электричества» — электроны.
Ну, а что же тогда представляет собой заряд «положительного электричества»? И что, вообще, представляют собой эти частички электричества?
Эти вопросы возникли в науке в конце прошлого и начале нашего столетия и требовали настоятельного ответа.
В 1888 году известный русский физик профессор Московского университета А. Г. Столетов проводил очень интересные опыты.
Он наблюдал рождение электрического тока под действием света!
Установка Столетова изображена на рисунке 11.
Рис. 11. Опыт А. Г. Столетова.
В ней два небольших диска — сплошная металлическая пластинка и тонкая металлическая сетка — соединялись друг с другом проволокой. Тут же были включены электрическая батарея и чувствительный прибор для измерения слабых электрических токов — гальванометр. Таким образом получалась так называемая электрическая цепь. При этом отрицательный полюс батареи соединялся с металлической пластинкой.
Поскольку электрическая цепь была разомкнута, между дисками находился воздушный промежуток, то естественно, что электрического тока в ней не наблюдалось, хотя в цепь и была включена электрическая батарея.
Однако стоило только направить на металлическую пластинку сильный свет от электрической дуги, как стрелка гальванометра тотчас же отклонялась — в цепи появлялся ток!
Выходило, что свет как бы переносил электрические заряды с диска на диск — с пластинки на сетку.
Столетов брал для своих опытов диски из самых различных металлов — алюминиевые, цинковые, медные, серебряные, и во всех случаях он наблюдал, что под действием света электрической дуги в цепи его опытной установки возникал электрический ток. Это наблюдалось, однако, лишь в том случае, если металлическая пластинка была соединена с отрицательным полюсом батареи, а сетка — с положительным. Если же переместить полюсы батареи, то-есть металлическую пластинку соединить с положительным полюсом батареи, а сетку — с отрицательным, ток в цепи не появляется.
Таким образом, выходило, что свет способен переносить с пластинки на сетку лишь отрицательные электрические заряды.
Заинтересованный этим необычным физическим явлением, названным позднее «фотоэлектрическим эффектом» («фотос» — по-гречески «свет», а латинское слово «эффект» означает «влияние», «действие»), Столетов ставит новые и новые опыты.
И устанавливает ещё более замечательный факт.
Оказывается, что даже совершенно не заряженная пластинка при освещении её светом электрической дуги приобретает небольшой положительный электрический заряд.
В то же время было установлено, что при освещении металлической пластинки из неё вылетают «атомы отрицательного электричества» — электроны. Именно они и создавали электрический ток в цепи установки Столетова.
Но как можно объяснить это явление? Откуда здесь взялись электроны? Ведь пластинка, на которую падает свет, состоит только из атомов.
Выходит, что электроны входят в состав самих атомов.
Да. Так именно и обстоит дело в действительности. Электроны входят в состав атомов всех элементов[4]. В настоящее время в этом нельзя сомневаться. Учёные доказали этот факт самыми различными опытами. Так, те же опыты с фотоэлектрическим эффектом показали, что это явление можно наблюдать почти у всех тел природы — у твёрдых, жидких и газообразных. Нужно только подобрать соответствующее освещение. У одних тел электроны вылетают из атомов под влиянием обычного белого света, для других необходимы ультрафиолетовые лучи и т. д.
Оказалось, что можно удалять электроны из металлов и другим, ещё более простым способом — нагреванием. Достаточно, например, взять тонкую проволочку из вольфрама (из этого металла делают волоски электрических лампочек) и раскалить её докрасна, и из проволочки, как из сита, «посыплются» электроны. Если около такой нити поместить положительно заряженное тело, то электроны, вылетающие из нагретой проволочки, устремятся к нему. В то же время можно убедиться, что при вылете электронов из раскалённой нити последняя приобретает положительный электрический заряд.
Были получены электроны из атомов и другими путями. И во всех случаях электроны, как бы они ни были получены, были тождественны друг другу. Они притягивались положительно заряженными телами, отклонялись при своём движении под действием магнита, имели один и тот же заряд и одну и ту же массу. Масса электрона, определённая очень тонким и сложным способом, была во всех случаях равна 1/1840 доле массы самого лёгкого атома — атома водорода.
Таким образом, было твёрдо установлено, что в атомах всех химических элементов, а значит, и во всех телах Вселенной имеются электрически заряженные частички — электроны. Но мы знаем, что в обычном состоянии атом не имеет электрического заряда, как говорят, он нейтрален. Значит, ясно, что в нём, наряду с отрицательными частичками, должны находиться и положительные заряды.
Что же представляют собой эти положительные заряды атома? Как они располагаются в атоме вместе с электронами? Вообще, как устроен атом, эта, как долго думали, простейшая неделимая частичка материи?