Электрон

Название «электрон» происходит от греческого слова, означающего «янтарь». В Древней Греции естествоиспытатели проводили эксперименты с кусками янтаря – их терли шерстью, после чего те начинали притягивать к себе мелкие предметы. Первым слово «электрон» использовал Джордж Стони, в дальнейшем его стал использовать и Джозеф Джон Томсон, о котором мы расскажем ниже. Это стабильная отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Заряд электрона неделим, впервые он был измерен русским физиком А. Ф. Иоффе в 1911 году и американским физиком Робертом Милликеном в 1912 году. Эта величина служит единицей измерения электрического заряда других элементарных частиц, хотя, в отличие от заряда электрона, элементарный заряд обычно берется с положительным знаком.

Датой открытия электрона считается 1897 год – в этом году Джозеф Джон Томсон поставил эксперимент по изучению катодных лучей. Томсон долгие годы возглавлял Кавендишскую лабораторию в Кембридже, к этому периоду относятся все исследования Томсона по прохождению электричества через газы, за которые он получил Нобелевскую премию по физике в 1906 году.

Вопрос природы катодных лучей занимал Томсона на протяжении многих лет, он всегда склонялся к тому, что эти лучи состоят из отрицательно заряженных частиц, исходящих из катода, в отличие от ряда немецких физиков, которые считали, что это волны, проходящие в эфире. На мнение Томсона влиял, в основном, тот факт, что лучи отклонялись в магнитном поле в поперечном их движению направлении.

Джозеф Джон Томсон (1856–1940) – английский физик, один из основоположников классической электронной теории металлов

Вначале ученый считал, что заряженные частицы были молекулами или атомами. Но измеряя магнитное отклонение количественно, он начал сомневаться в правильности этой точки зрения, поскольку отклонение было существенно больше, чем предсказывала гипотеза. Совмещая данные по электростатическому и магнитному отклонению, он смог получить скорость частиц в лучах и отношение их заряда к массе. Это значение оказалось отличным от найденного для атомов водорода при электролизе. Предполагая, что заряд был одним и тем же в обоих случаях, из экспериментальных данных следовало, что масса частиц катодных лучей была очень мала по сравнению с массой атома водорода. Томсон приблизительно подтвердил это значение отношения массы к заряду калориметрическим измерением энергии, переносимой лучами одновременно с передаваемым ими зарядом.

К этому времени еще не ставилось ни одного эксперимента, в котором можно было бы одновременно определить и заряд, и отношение массы к заряду частицы катодного луча. Томсон увидел возможность одновременного определения этих величин для частиц, уносящих отрицательный заряд при попадании ультрафиолетового излучения на цинк. Он разработал метод определения отношения массы к заряду для них и заряда одной частицы методом капельной конденсации. Целью эксперимента было однозначно показать: эти частицы имеют массу порядка одной тысячной от массы водорода и заряд, равный заряду атома водорода в электролизе. В первых публикациях на эту тему Томсон еще не использовал слово «электрон», он называл эти частицы «корпускулами».

Питер Зееман (1865–1943) – голландский физик. Исследователь воздействия магнитного поля на спектральные линии источника излучения. Открыл эффект, известный теперь под названием «эффекта Зеемана»

Затем Томсон стал подробнейшим образом разрабатывать концепцию электронов как частиц, входящих в состав атома. Он определил, что количество электронов в атоме зависит от атомного веса. Томсон предложил модель атома, который состоит из положительно заряженной сферы, в которой электроны находятся в стабильном статическом равновесии с их взаимным отталкиванием и притяжением к положительно заряженной сфере. Он показал, что такая модель будет иметь периодические свойства, если электроны собираются в последовательные кольца по мере увеличения их числа.

То есть мы точно знаем, что электроны существуют, с 1897 года. Также мы знаем, что их присутствие в атомах является источником спектра. Даже до того как Томсон доказал это – доказал так, что не осталось сомнений, ученые подозревали, что существует эта составляющая атома, и даже приходили к выводу, что у нее имеется электрический заряд и она обладает двусторонним магнетизмом, сродни двойственности северный полюс – южный полюс самого обычного магнита. Полвека спустя это объяснил Поль Дирак и предсказал существование антиматерии.

В 1896 году Питер Зееман, физик Амстердамского университета, а в дальнейшем директор института физики этого университета, лауреат Нобелевской премии по физике 1902 года за выдающиеся заслуги в исследованиях влияния магнетизма на радиационные явления, обратил внимание на то, что, когда сильные магниты находятся рядом с его образцами, яркие желтые линии, излучаемые натрием, слегка меняются.

Спектральные линии, которые он исследовал, обычно были резкими и четкими, но, как обратил внимание Зееман, расширялись в магнитном поле. В дальнейшем, после появления более мощной аппаратуры, выяснилось: то, что казалось расширением, в действительности является разделением одной линии на две или больше. Зееман в свое время при имевшихся в его распоряжении инструментах этого видеть не мог. Он смотрел на спектральные линии, как смотрит близорукий человек без очков.

Выяснилось, что это происходит из-за магнетизма электрона. Так же как магниты могут притягивать и отталкивать в зависимости от расположения севера и юга, точно так же и движение электрона в магнитном поле влияет на его энергию. Следствием этого является легкая модификация энергий любых эмитируемых фотонов, а поэтому изменяется и рисунок спектральных линий.

«Эффект Зеемана» показал, что электрон может действовать как маленький магнит со своим собственным северным и южным магнитными полюсами. Создавалось впечатление, что электрон способен вращаться и делать это в магнитном поле как в одну, так и в другую сторону, то есть по часовой стрелке и против. Сегодня идея о том, что электрон, размер которого не поддается измерению, может «вращаться», кажется не имеющей смысла, но физики все равно продолжают использовать слово «спин», когда говорят о способности электрона действовать как магнит.

Определенно гипотеза о такой двойственности электрона объяснила множество данных в атомной спектроскопии, но на протяжении многих лет идея о «вращении» (спине) была немногим более отчаянной попытки найти смысл во множестве собранных данных. И только Поль Дирак, соединив теорию относительности с квантовой механикой, смог объяснить, каким образом появилось это свойство и почему это происходит.

* **

Вращение и антиматерия являются необходимыми свойствами физического мира, когда соединяются квантовые законы и теория относительности Эйнштейна. Именно Эйнштейн первым показал, что такое энергия на самом деле, поразительным следствием стал вывод о том, что материя – это пойманная в ловушку энергия. Когда энергия замораживается в частицах материи, то оставляет отрицательный след, это и есть антиматерия. Это первым обнаружил Поль Дирак.

Классические законы движения были открыты Исааком Ньютоном свыше 300 лет назад. Первый закон гласит, что всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят это состояние. Тела не любят выходить из состояния покоя или менять прямолинейное движение, а опыт показывает, что легче передвинуть лист, чем кусок свинца. Ньютон утверждал, что если применить одну и ту же силу к двум телам, то их относительное ускорение будет мерой внутренней инерции, или массы.

А что происходит, если непреодолимая сила встречается с неподвижным предметом? У неподвижного предмета должна быть бесконечная масса. Но такая концепция невозможна, по крайней мере, в механике Ньютона, поскольку вся масса во Вселенной не является бесконечной, хотя и огромной. Однако после того, как Эйнштейн переписал наш взгляд на мир в своей теории относительности, идея о бесконечной массе и полном сопротивлении ускорению там, где происходит искажение пространства и времени, становится реальностью.

Если мы имеем неподвижное тело и в течение секунды применяем к нему силу, то его скорость увеличится на некое значение, например 10 метров в секунду. А теперь снова приложим ту же силу. По Ньютону и по нашему жизненному опыту, скорость снова увеличится на 10 метров в секунду. Если повторять этот эксперимент, то тело будет ускоряться и ускоряться без ограничений. Хотя по Эйнштейну, если очень точно измерять изменения в скорости, обнаружится, что, хотя скорость выросла на 10, следующий толчок ускорит его чуть меньше, чем на 10 метров в секунду, и по мере движения быстрее и быстрее ускорять его станет труднее и труднее. Если тело будет двигаться на скорости, близкой к скорости света, то применение силы едва ли изменит его скорость.

Правила Ньютона являются идеальным приближением к точным законам движения, пока мы имеем дело только с предметами, которые двигаются медленно относительно скорости света. Скорость света составляет 300 000 километров в секунду, и законы Ньютона очень точны в том, что касается нашей обычной жизни. Но если нас интересует поведение электронов в ускорителе частиц, где совсем другие скорости, следует пользоваться описанием Эйнштейна.

В теории относительности Эйнштейна масса тела становится больше и больше по мере того, как оно движется быстрее и быстрее. При приближении к скорости света масса растет чрезвычайно быстро, заставляя тело еще больше сопротивляться ускорению. В конце концов, если попытаться достичь скорости света, то масса станет бесконечной. Поэтому невозможно ускорить массивный предмет до скорости света. И передвигаться со скоростью света может только то, что не имеет массы, например сам свет!

Хотя идея о том, что инерция меняется вместе со скоростью, может показаться странной с точки зрения нашего «здравого смысла», тем не менее это так, как показывают годы экспериментов с частицами высоких энергий. Если частицы материи отправляются в путь в лабораториях уровня ЦЕРН, чтобы встретиться с лучами антиматерии, идущими в другом направлении, то расчет времени является чрезвычайно важным для того, чтобы они прибыли куда следует, когда следует, и при этом нужно учитывать относительность.

Взаимоотношение между энергией и движением, о котором известно с времен Ньютона, и которое приняли пионеры новой квантовой механики, изначально помогло в описании поведения атомов и электронов, но в действительности оно является более сложным.

Удивительным и имеющим гораздо большее значение в теории относительности Эйнштейна является то, что даже неподвижный предмет содержит энергию, которая «поймана в ловушку» в составляющих его атомах. Количество энергии – это «Е» в знаменитом уравнении Е = mc², где m – это масса, а с – скорость света. Она латентна внутри материи, даже если та неподвижна.

Если мы говорим о движущемся теле, то в сумму должна быть добавлена кинетическая энергия. Естественным кажется простое добавление кинетической энергии к энергии, содержащейся в массе (mc²). Это было бы так, если бы не тот факт, что при движении масса предмета m увеличивается, и таким образом величина mc² также меняется. Хотя разобраться со всем этим сложно, ответ для общей энергии Е движущегося тела оказался довольно простым. Рассчитывают ее, вначале добавив возведенную в квадрат энергию движения к возведенной в квадрат энергии в массе движущегося тела mc². Квадратный корень получившегося числа будет ответом. Так что, например, если количество энергии в покое равнялось четырем джоулям, а движение дало еще три джоуля, то в целом будет пять джоулей (три на три, прибавленные к четыре на четыре, дают в целом двадцать пять, что является тем же самым, что и пять на пять).

Значение теории относительности Эйнштейна для природы энергии просто поразительно. Во-первых, массивные предметы в покое содержат количество энергии mc², пойманное в ловушку внутри них. Во-вторых, даже что-то не имеющее массы, например фотон, который движется со скоростью света, будет иметь энергию благодаря своему движению. Если энергия в целом законсервирована, то для энергии в луче света возможно трансформироваться в энергию, пойманную в ловушку в материи.

Но как может электрон с отрицательным электрическим зарядом появиться из энергии в струе света, который не имеет электрического заряда? И именно здесь мы начинаем говорить о двух формах материи, существующих в природе. Отрицательно заряженный электрон имеет положительно заряженную форму, известную как позитрон. Энергия фотона, частицы света, оказывается в ловушке в этих двух взаимодополняющих частях вещества. Этот процесс также может происходить наоборот: электрон и позитрон могут аннигилировать друг друга, энергию каждого возьмут фотоны, которые несутся со сцены разрушения на скорости света.

Появление вещества из чистой энергии, чистейшей формой которой является свет, огромно в своих масштабах. В случае антиматерии, отрицательного образа материи, мы вступаем в контакт с богами созидания. Здесь мы начинаем видеть, как наша Вселенная появилась в результате Большого взрыва. Невероятный жар и свет с огромной энергией были заморожены, или пойманы в ловушку в уравновешенных частях материи и антиматерии. Теория относительности Эйнштейна с ее глубоким значением для природы энергии дает основания для предположений о том, как материя создавалась в начале времен. Важной частью этого является идея о том, что у материи есть зеркальный образ – антиматерия. Теория относительности объясняет подсчеты энергии, а при соединении теории относительности с квантовой механикой открывается вся сила природы. Из этого союза двух великих теорий ХХ века родилась идея антиматерии.