Пути развития химии. Том 2. От начала промышленной революции до первой четверти XX века - [34]

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.

Джозеф Джон Томсон (1856-1940)

Решительным защитником корпускулярной гипотезы был Джордж Джонстон Стони[110]. 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[111]. На основе такой огромной разницы Томсон сделал вывод, что речь идет о неизвестной ранее элементарной частице[112]. 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. Гольдштейн наблюдал, что при испускании катодных лучей на сам катод попадают лучи иной природы, которым ученый приписал поэтому противоположный электронам[113] 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.

Роберт Эндрус Милликен (1868-1953)

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[114] 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.

Фредерик Содди (1877-1956)

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.