Электроны вылетают из атомов

В 90-х годах прошлого столетия в биографии электрона оказались записанными ответы на три анкетных вопроса: «имя», «масса» и «заряд». Однако сведения, занесенные в две последние графы, не заслуживали безусловного доверия, их следовало подтвердить непосредственными лабораторными измерениями. Но должно было пройти почти пятнадцать лет, прежде чем нашли способ, как определить опытным путем точные значения массы и заряда электрона.
За этот промежуток времени ученые, продолжая исследовать мир предельно малых частиц, сумели приобрести сведения и для четвертой графы анкеты: «местожительство».
В 1896 году были впервые замечены явления радиоактивности урана, способность его испускать невидимые лучи. Три года спустя знаменитый физик Мария Склодовская-Кюри, совместно со своим мужем Пьером Кюри, нашла новые радиоактивные, то есть излучающие элементы. Радиоактивными оказались кроме урана: полоний, радий, торий.
Уран и торий были известны и ранее, а радий и полоний были открыты Склодовской-Кюри, которая выделила их из урановой руды.
Радиоактивные вещества привлекали внимание физиков своими необычайными, поистине волшебными свойствами. В присутствии радия драгоценные камни даже в полной темноте начинают сверкать и искриться, а краски, изготовленные с примесью сернистого цинка, излучают лунное зеленоватое свечение. Стекло пробирки с радием со временем меняет окраску и приобретает фиолетовый оттенок. Электрические машины в присутствии радия перестают действовать, так как воздух под влиянием лучей радия становится проводником электричества. Прикосновение пробирки с радием к коже вызывает тяжелые трудно, заживляемые ожоги.
Радий портит фотографические пластинки, упакованные даже не в картонные, а в металлические коробки.
Самые обычные вещества, соприкасавшиеся с радием в свою очередь становятся радиоактивными. Лучи радиоактивных веществ проходят сквозь стекло и металлы (рис. 38).

Открытие радиоактивных элементов подтвердило гениальное предвидение, высказанное Фридрихом Энгельсом и русскими передовыми учеными прошлого века — А. М. Бутлеровым и Н. А. Умовым о том, что атомы лишь кажутся неделимыми, на самом же деле они представляют особые сложные миры.
Однажды в лаборатории Кюри произошел чрезвычайно интересный случай, показавший ученым одну важную особенность радия.
Крупинки радиевой соли, добытые Марией Скло-довской из отходов урановой руды, супруги хранили в ампулах,— в небольших, наглухо запаянных, стеклянных трубочках. Пьеру Кюри для опытов понадобилась новая порция радия. Кюри взял в одну руку ампулу, а в другую нож, намереваясь метким и осторожным ударом отбить кончик ампулы так, чтобы не рассыпать драгоценное вещество. Намечая место удара, Пьер Кюри приложил лезвие ножа к ампуле и в тот же момент услышал характерный треск электрической искры. В стеклянной стенке ампулы появилась трещинка и маленькая круглая дырочка.
Пьер Кюри позвал жену, и они вдвоем сквозь лупу стали рассматривать отверстие, пробитое неизвестно откуда взявшейся искрой.
Пьер Кюри взял из шкафа другую ампулу, и оба исследователя, напрягая слух и зрение, склонились над ней. Пьер Кюри осторожно приблизил нож к ампуле. Как только лезвие коснулось стекла, раздался треск электрической искры. Пьер Кюри почувствовал легкий толчок в руку, а в стекле ампулы появилась крошечная круглая дырочка. Сомнений не оставалось: за время хранения радий выделил электрические заряды.
Затем было обнаружено, что радий непрерывно выделяет из себя газ радон, который со временем превращается в обычный гелий. Распад атомов больше не вызывал сомнений.

Бета-частицы оказались электронами

Так как радиоактивные элементы, распадаясь, выбрасывают какие-то частицы, то физики занялись исследованием излучения радия. Они надеялись, что в лучах радия окажутся осколки атомов, и это позволит судить об устройстве самих атомов.
Чтобы исследовать все, что вылетает из атомов радиоактивных элементов, был построен несложный прибор. Его главная часть состояла из пустотелой свинцовой «бомбочки» с очень толстыми стенками. В эту бомбочку поместили небольшое количество радиевой соли.
Свинец для изготовления бомбочки был выбран потому, что он поглощает излучение радия и, тем самым, мешает частицам разлетаться во все стороны. Излучение радия должно было проникать за пределы свинцовой бомбочки только через маленькое круглое отверстие-окошко, просверленное в стенке свинцового кубика.
На некотором расстоянии против окошка поместили экран, покрытый сернистым цинком. Когда в лаборатории потушили свет, ученые увидели на экране светящееся зеленоватое пятнышко — след лучей радия, выходящих из отверстия.
Затем к невидимой струйке, вырывавшейся из отверстия в свинцовом кубике, поднесли магнит, и тотчас на экране зеленоватое пятнышко разделилось на части. Вместо одного пятнышка заискрились три. Это наглядно свидетельствовало, что струйка частиц, излучаемая радием, под влиянием магнита распалась на три самостоятельных и разнородных луча (рис. 39).

Среднее пятнышко осталось на прежнем месте,—очевидно, в излучении радия есть нечто такое, что не имеет электрического заряда и потому не поддается влиянию магнитного поля. Ученые назвали этот вид излучения гамма-лучами. По своим свойствам гамма-лучи близки свету или ультрафиолетовым лучам.
Второе пятнышко отошло от среднего положения на очень небольшое расстояние, оно только слегка отклонилось в сторону; это указывало, что масса частиц, образующих второй луч, сравнительно велика. Направление, в котором отклонялись летящие частицы, свидетельствовало об их положительном заряде. Этот поток тяжелых, положительно заряженных частиц ученые назвали альфа-лучами, а частицы — альфа-частицами. Они оказались ядрами атомов гелия.
Третья струйка изогнулась точь в точь так же, как и электронный луч в катодной трубке. Эта струйка состояла из отрицательно заряженных частиц, которые получили название бета-частиц. После всесторонней проверки выяснилось, что бета-частицы обладают всеми свойствами электронов, иными словами, они и есть самые обыкновенные электроны.
Этим-то и объясняется странное явление, которое пришлось наблюдать Кюри, когда они вскрывали ампулы с радиевой солью. Быстрые электроны прорывались сквозь тонкое стекло ампул, а положительный заряд накапливался в ампуле и пробивал стекло, когда Кюри касался его ножом.
Бета-частицы содержатся в излучении многих радиоактивных элементов. Следовательно, при распаде атомов наряду с другими лучами и частицами возникают также и электроны. Ученые того времени сделали поэтому вывод, что электроны входят непременной частью в состав атомов. Это было необычайно важным открытием. Оно окончательно и бесповоротно доказало, что местообитанием электронов, а может быть даже и их родиной, являются атомы.
Ученые того времени сделали правильный вывод из... ошибочных предпосылок. Теперь мы знаем, что у радиоактивных атомов распадаются ядра, в которых электронов не содержится. Они именно родятся в момент распада. И все же в любом атоме действительно есть электроны, только не в ядре, а в оболочке.

Идеалисты переходят в наступление

Большинство ученых XIX века представляли себе атом неделимым, абсолютно постоянным, обладающим неизменной массой. Они считали его первоначальным, извечным и неизменным «кирпичом мироздания».
И вдруг в мире привычных научных воззрений стали известны новые удивительные факты — ученые ознакомились с явлениями радиоактивности.
Атомы, казавшиеся до того времени несокрушимыми, разваливались буквально на глазах. Вещество исчезало, распадалось, а среди продуктов распада находились не только веществежные частицы — атомы других более легких химических элементов, но и частицы отрицательного электричества — электроны и даже гамма-лучи.
Все это было ново, необычно, странно. Все это под корень подрубало старые понятия и о веществе и об энергии. Прежние воззрения рушились. Казалось, пошатнулись основы физических наук.
Ученые-идеалисты воспрянули духом. В течение всего XIX века, под напором непрерывных успехов науки, они были вынуждены сдавать одну позицию за другой. Открытия Фарадея, Менделеева, Бутлерова, Максвелла, Столетова и многих других ученых разрушали идеалистические представления о мире.
Теперь же, на рубеже XX века, новые факты давали идеалистам удобный случай перейти в решительное контрнаступление и вернуть утраченный авторитет. С еще большим рвением ученые и философы идеалистического лагеря ринулись в атаку на материализм, надеясь, что им удастся раз и навсегда сокрушить материалистическое миропонимание.
Штурм начался с самых различных позиций. Одни, опираясь на незавершенные опыты Кюри, утверждали, что радиоактивные элементы являются неисчерпаемыми источниками энергии — вечными двигателями, в которых энергия рождается из ничего. И, следовательно, великий ломоносовский закон: «из ничего не может возникнуть что-то» — неверен. Идеалисты объявили этот основной закон природы недействительным.
Другие доказывали, что материя в радиоактивных элементах превращается в излучение, а излучение, рассеиваясь в пространстве, якобы бесследно исчезает. И они делали ложный вывод, что материя не вечна, она исчезает, уничтожается.
Третьи обращали свое внимание на природу электрона.
Эти физики признавали электрон не мельчайшей частицей вещества, а только простейшим элементарным зарядом, а электричество - считали одним из видов энергии.
И все эти физики-идеалисты, искажая истину, говорили: атомы состоят из электронов, а электроны только заряды. Значит атомы не материальны, не вещественны. Материя в действительности не существует, а существуют одни заряды — одна энергия.
Наконец, нашлись ученые, которые, повторяя теории древних философов-идеалистов, отрицали все. Они пытались доказать, что будто бы ни атомов, ни электронов и вообще ничего на свете нет. Земля, Вселенная, атомы и электроны — это не более как наши ощущения, это только понятия, введенные для удобства мышления и рассуждений. Материи нет, есть только наши понятия, которые можно облачать в форму математических уравнений.
Весь этот вздор, оглушая и ослепляя исследователей природы, мешая разобраться в сущности новых и непонятных явлений, хлынул в науку.
Все сторонники идеалистического мировоззрения, несмотря на некоторое различие во взглядах, дружно стремились к одной цели. Они пытались доказать, что материя уничтожима, не вечна, не действительна, а бог, дух — неуничтожимы, вечны.