Карта незримого. Восемь путешествий по физике элементарных частиц. Джон Баттерворт
Читать онлайн книгу.
от того, какой материал был использован в качестве источника катодных лучей. Положительный ответ послужил бы критерием того, что электрон – действительно частица. Первым ключевым доказательством стал тот факт, что катодные лучи отклонялись в электрическом и магнитном полях именно таким образом, как это ожидалось для пучка заряженных частиц. Ни одна волна, известная в то время, не являлась переносчиком заряда, и поэтому это могло считаться хоть и косвенным, но сильным доказательством в пользу трактовки электрона как частицы. Вторую часть доказательства Томсон получил, изучив, как ведет себя в вакууме траектория пучка катодных лучей под действием электрического и магнитного полей. Томсон смог настроить поля таким образом, что они взаимно компенсировали друг друга. Путем такого регулирования можно было получить на выходе скорость пучка[15].
Наконец, поскольку скорость известна, магнитное поле можно отключить, и степень отклонения пучка в электрическом поле поможет определить отношение заряда к массе[16]. Как отметил Томсон, для электрона отношение заряда к массе примерно в две тысячи раз больше, чем соответствующее соотношение для иона водорода, который представляет собой одиночный протон – легчайшую частицу из известных на тот момент. Сказанное означает, что или заряд электрона сильно превышает заряд протона, или масса электрона гораздо меньше массы протона.
Существует много способов выяснить, какое из двух предположений верно. Вероятно, наш старый друг лоцман, попадись мы ему снова, захотел бы нас подразнить и предложил бы подвешивать в электрическом поле маленькие заряженные сферы. Электростатическая сила, действующая на заряженную сферу, зависит как от напряженности электрического поля, так и от наведенного электрического заряда сферы. Если сфера неподвижна (не падает и не поднимается), то электростатическая сила должна в точности компенсировать гравитационную силу, зависящую от массы сферы. Таким образом, если напряженность поля и масса сферы известны, то заряд может быть вычислен. Производя такие измерения и расчеты много раз, можно увидеть, что заряд сферы всегда кратен небольшой величине, которую будем называть e. Сферы могут нести заряд e, или 2e, или 3e, или сотни e, но никогда не половину e или еще какую-то дробную часть этой величины, называемой «заряд электрона»[17].
Результатом всех этих доказательств стало утверждение о существовании крошечной частицы электрона, обладающей определенными массой и зарядом. Поскольку электроны намного меньше атомов, то разумно предположить, что прежде чем сформировать катодные лучи, они обитают где-то внутри атомов. Вот теперь мы действительно готовы вернуться на землю Атома и начать исследование ее внутренних областей.
VII. Ядерные свойства
Знания, добытые нами в порту Электрон, позволяют нам уверенно ступить на землю Атома с готовностью понять некоторые особенности, которые мы там обнаружим.
Действующая на частицу магнитная сила зависит как от скорости этой частицы, так и от ее заряда, тогда как электрическая сила зависит только от заряда частицы. Следовательно, если добиться равенства магнитной и электрической сил, неизвестное значение заряда может быть удалено из соответствующих уравнений путем алгебраических преобразований – таким образом можно вычислить скорость частицы.
Знать скорость чрезвычайно важно, поскольку ее величина расскажет, как долго действовала на электроны электрическая сила при прохождении пучка между двумя пластинами. Степень отклонения пучков прямо пропорциональна величине заряда (больший заряд означает более продолжительное действие силы и, следовательно, большее отклонение пучка) и обратно пропорциональна массе (бо́льшая масса означает бо́льшую инертность и, следовательно, меньшее отклонение пучка). Таким образом, отклонение пучка определяется отношением заряда к массе.
Это очень кропотливый эксперимент, тем более что для него берут капли масла, а не сферы, которые первоначально были в распоряжении американского физика Роберта Милликана в 1910 году. Эксперимент проводится до сих пор, в основном безуспешно, во многих лабораториях – силами щурящихся и нетерпеливых аспирантов.