Парадоксы электрона
Олег Юланов
Имеется много устоявшихся понятий, которые стали настолько привычными,
что совершенно не подвергаются сомнению. Каждый читатель знает или,
по крайней мере, слышал, что электрон имеет отрицательный заряд.
Эта информация как раз из числа таких устоявшихся понятий, которые
кажутся всем незыблемыми. Поэтому мне бы хотелось привлечь внимания
читателей к парадоксам, которые сопровождают существование и смысл
электрона. У меня есть своя версия ответа на вопросы, которые будут
здесь сформулированы. Однако мне хочется, чтобы читатели самостоятельно
поразмышляли над этими парадоксами и попытались дать свой ответ.
По этой причине в данной статье я не буду давать ответы или давать
какие-либо подсказки на эти вопросы.
Теперь мы перейдем к краткому рассмотрению одного из самых эпохальных
изобретений человечества – к радиолампе, которую американский изобретатель
Эдисон изобрел относительно случайно. Он хотел исследовать работу
электрической лампы и впаял в нее кусочек металла. Сразу же выяснилась
удивительная вещь: через пустоту между нитью накала (волоском) и
впаянным металлическим кусочком можно было пустить ток. И вслед
за тем выяснилась вторая вещь, еще более неожиданная: ток можно
было пустить только в одном направлении, только тогда, когда плюс
подавался на впаянный кусочек, а минус - на нить накала. При обратном
включении ничего не получалось. Воздух из электрической лампы выкачан
почти весь; лампа почти пуста. Как же может пустота проводить ток
и почему она проводит его только в одном направлении?
Версию ответа на эти вопросы скоро нашли: пустота оказалась не
при чем. Когда лампу гасили (отключали накал нити), протекавший
между нитью и кусочком металла ток сразу прекращался. Стало очевидным,
что разгадка этого странного явления сокрыта в нити накала. Оказалось,
что когда нить накалена, мельчайшие частицы - “электроны” - вылетают
из нее в пустоту, точно рой пчел. Эти электроны всегда заряжены
отрицательно.
Вот здесь и начинается самое интересное. Далее я излагаю версию,
представленную в любом учебнике по электровакуумным приборам.
Пока на кусочек металла не подают положительное напряжение электроны
“толпятся” около нити накала. Если же впаянному в лампу кусочку
металла дать положительный потенциал, они полетят к нему совсем
так же, как клочки бумаги летят к натертой о волосы гребенке. Прилетая
к нему, они своим отрицательным зарядом будут уничтожать положительное
электричество, находящееся на этом кусочке металла, и поэтому требуются
все новые и новые заряды с батареи.
А это значит, что по цепи батареи через кажущуюся пустоту лампы
потечет постоянный ток. Если же металлическому кусочку дать отрицательный
потенциал, то ничего не случится. Он не только не будет притягивать
отрицательно заряженных электронов, а, наоборот, будет их отталкивать.
Никакого мостика между ним и нитью накала не получится, и ток сквозь
лампу течь не может.
Явлению
дали название “эффекта Эдисона” и впаянный в лампу кусочек металла
назвали “анодом”, но на этом пока все кончилось, поскольку практического
применения лампе с анодом найти не могли. Много лет спустя появилось
радио. При его создании не сразу вспомнили об эдисоновской лампе,
а когда вспомнили, применили вместо кристаллического детектора.
Лампа исправно пропускала ток только в одну сторону, но была не
лучше самого простого кристаллика. Поэтому особым успехом она не
пользовалась.
Все
изменилось благодаря работам другого американца - Флемминга. Он
ввел “сетку” между анодом и нитью накала и сразу произвел переворот
в радиотехнике. Его лампа позволяла слушать радио на огромных расстояниях
и с любой громкостью. Его лампа была той самой радиолампой, что
стоит в наших ламповых приемниках. Возьмите ее в руки и взгляните.
Вот нить накала. Вокруг нее – сетка (спираль из тонкой проволоки),
а вокруг сетки - металлический цилиндр - анод. От концов нити накала
идут два провода, от сетки и анода - по одному. Все эти четыре провода
выведены к ножкам на цоколе радиолампы. Та ножка, на которую включен
анод, отставлена чуть назад. Это сделано для того, чтобы лампу нельзя
было неправильно вставить в её панельку.
При
создании радиолампы Флемминг действовал совершенно сознательно.
Чем дальше находится принимаемая станция, тем слабее её сигнал и
тем меньше размах переменного тока в антенне приемника. Когда они
слишком малы, детектор их вовсе не принимает. Что же нужно сделать,
чтобы увеличить дальность приема? Очевидно, нужно усилить колебания
приходящего с антенны тока высокой частоты. А что нужно сделать,
чтобы увеличить громкость работы приемника? Конечно, усилить колебания
звукового тока после детектора. Откуда же взять эту недостающую
колебаниям мощность? Из батареи питающей анод лампы. А как это сделать?
Очень просто.
Если мы на сетку лампы дадим отрицательный заряд, то отрицательно
заряженным электронам станет труднее протискиваться сквозь неё.
Она будет отталкивать их обратно к нити накала. От этого на анод
попадет меньше электронов, аноду меньше потребуется положительных
зарядов с “анодной батареи”, и сила “анодного тока” сразу упадет.
Если же сетку зарядить положительно, то она начнет притягивать электроны
и будет помогать аноду отрывать их от нити накала. На ней самой
останется только немного электронов. Анод всегда имеет более высокий
потенциал и сильнее к себе тянет электроны. Значит, от положительного
заряда сетки электронный поток усилится, а заодно усилит и анодный
ток.
Но если вместо постоянных потенциалов на сетку радиолампы подать
колебания переменного тока, сетка будет всё время менять свой потенциал.
Следовательно, анодный ток в лампе начнёт колебаться. Пришедшие
на её сетку колебания она мгновенно передает в свою анодную цепь,
сохраняя их частоту и добавляя им необходимую мощность, которую
она берет от анодной батареи. Таким образом, сетка дает возможность
создавать “усилители” колебаний переменного тока.
На этом я закончу экскурс в теорию работы радиолампы, поскольку
уже совершенно ясно, что это описание работы построено на одном
единственном постулате – электроны имеют отрицательный заряд, что
и подтверждает практика использования, в частности, радиоламп. Можно
сказать даже больше. Все дальнейшее развитие радиотехники, а затем
и систем автоматики, вычислительной техники началось с принятия
в качестве определенного постулата положения об отрицательном заряде
электрона.
Еще немного истории из “жизни” электрона.
В 1897 г. Дж. Дж. Томсон измерил соотношение между массой и зарядом
электрона e/m = -1.76*1011 Кл/кг (Кулон на килограмм).
В 1911 г. Малликен измерил величину заряда электрона - 1.6*10-19Кл.
Эта величина являет собой то, что мы теперь приняли за единицу заряда.
Масса электрона составляет 9.1*10-19г или 1/1837 массы атома водорода.
Если в атоме есть электроны в некотором количестве, то должен быть
и равный положительный заряд, поскольку атом электронейтрален.
Последнее следует отдельно прокомментировать. Электронейтральность
атома означает, что число протонов и число электронов в атоме всегда
одинаково, или, что одно и то же - в атоме нет, и не может быть
никаких лишних электронов.
Теперь,
когда все данные у нас имеются, мы можем перейти к рассмотрению
парадоксов, связанных непосредственно с электроном. Для этого мы
рассмотрим картину “электронного облака”, существующего около катода
до момента подачи положительного напряжения на анод.
Эта картинка представлена на цветном рисунке, причем светло-желтый
цвет здесь соответствует низкой концентрации электронов, а апельсиновый
(или морковный) цвет – высокой концентрации электронов непосредственно
около нагретого катода (представлено сечение облака).
Если все свойства электрона таковы, как об этом написано во всех
учебниках, то той картинки, как это представлено на рисунке не может
быть, поскольку такая картина соответствует полному отсутствию какого-либо
заряда у электрона. Это следует из того, что кулоновские силы при
наличии заряда у электрона заставили бы их разлетаться от катода
с огромной скоростью, и облако этих электронов исчезло бы полностью.
Самое парадоксальное в этой ситуации то, что в тот же момент, как
мы подадим положительный потенциал на анод, у электрона, как будто,
появляется отрицательный заряд, поскольку его поведение становится
именно таким, как об этом и пишут в учебниках.
Но чудес подобного рода не бывает, а это означает, что у электрона,
как у индивидуальной и самостоятельной частицы (в том числе и в
радиолампе), нет, и не может быть какого-либо заряда. Зарядовые
эффекты возникают, по-видимому, совершенно по другой причине.
Второй парадокс электрона связан с тем, что из катода излучаются
материальные частицы, которые как будто имеют массу. К чему могло
бы приводить такое излучение? Если бы мы поместили на точные весы
радиолампу с разогретым катодом и при отсутствующем напряжении на
аноде, мы должны были бы заметить уменьшение массы радиолампы. Это
происходило бы потому, что излученные электроны оказываются в другой
системе измерения, не связанной с системой катода радиолампы, что
и должно было бы обнаруживать изменение (уменьшение) массы радиолампы.
Однако как бы мы ни старались, как бы мы ни повышали точность взвешивания,
изменения массы радиолампы нам не удалось бы обнаружить совершенно.
Следовательно, парадоксальность вывода огромна.
У электрона нет, и не может быть массы. Во всяком случае, у электрона
нет никакой массы покоя. Термоэмиссия электронов вынуждает иначе
взглянуть на существо материи как таковой.
Наконец, рассмотрим третий парадокс электрона, который также необходимо
рассмотреть при отсутствующем на аноде напряжении. Дело в том, что
химическая наука построена на том основании, что в молекуле (и атоме)
нет ни одного лишнего электрона, поскольку при отсутствии хоть одного
электрона у вещества будут меняться химические и физические свойства
(валентность, кислотные или щелочные свойства). Физика, напротив,
почему-то может предполагать, что эти лишние электроны в катоде
радиолампы имеются в избытке.
Но этого не может быть хотя бы по той же модели атома Резерфорда-Бора,
поскольку каждый электрон в атоме должен занимать вполне определенную
орбиту и не может ни “упасть” на ядро атома, ни “уйти” со своей
орбиты. Следовательно, избытка электронов в атоме и выхода каких-то
“освобождающихся” от атомных структур электронов нет, и не может
быть.
Можно высказать предположение, что “избыточные” электроны как-то
порождены подведенной тепловой энергией, но тогда становится сомнительной
знаменитая формула Эйнштейна, связывающая массу и энергию.
Разрешение этих парадоксов электрона связано с пересмотром многих
современных оснований физики и химии. Осмысление указанных парадоксов
электрона существенно влияет и на многие философские концепции.
И все сходится к тому, что изменять существующую систему взглядов
придется. Но для этого философам, физикам и химикам потребуется
определенное мужество для признания факта столетних и устойчивых
заблуждений.
Олег Юланов
Парадоксы
электрона