Парадокси електрона
Є багато усталених понять, які стали настільки звичними, що не піддаються сумніву. Кожен читач знає чи принаймні чув, що електрон має негативний заряд. Ця інформація саме з-поміж таких усталених понять, які здаються всім непорушними. Тому мені хотілося б привернути увагу читачів до парадоксів, які супроводжують існування та сенс електрона. Я маю свою версію відповіді на питання, які будуть тут сформульовані. Однак мені хочеться, щоб читачі самостійно поміркували над цими парадоксами та спробували дати свою відповідь. З цієї причини в цій статті я не даватиму відповіді або давати будь-які підказки на ці запитання.
Тепер ми перейдемо до короткого розгляду одного з найепошніших винаходів людства – радіолампи, яку американський винахідник Едісон винайшов відносно випадково. Він хотів дослідити роботу електричної лампи і вкинув у неї шматочок металу. Відразу ж з'ясувалась дивовижна річ: через порожнечу між ниткою розжарення (волоском) та впаяним металевим шматочком можна було пустити струм. І потім з'ясувалась друга річ, ще більш несподівана: струм можна було пустити тільки в одному напрямку, тільки тоді, коли плюс подавався на впаяний шматочок, а мінус - на нитку розжарення. При зворотному включенні нічого не виходило. Повітря з електричної лампи викачано майже все; лампа майже порожня. Як може порожнеча проводити струм і чому вона проводить його тільки в одному напрямку?
Версію відповіді на ці питання скоро знайшли: порожнеча виявилася ні до чого. Коли лампу гасили (відключали розжар нитки), струм, що протікав між ниткою і шматочком металу, відразу припинявся. Стало очевидним, що розгадка цього дивного явища прихована в нитці напруження.Виявилося, що коли нитка розжарена, найдрібніші частки - "електрони" - вилітають із неї в порожнечу, наче рій бджіл. Ці електрони завжди заряджені негативно.
Ось тут і починається найцікавіше. Далі я викладаю версію, представлену в будь-якому підручнику з електровакуумних приладів. Поки на шматочок металу не подають позитивну напругу електрони "товпляться" біля нитки розжарення. Якщо ж впаяному в лампу шматочку металу дати позитивний потенціал, вони полетять до нього зовсім так, як клаптики паперу летять до натертого об волосся гребінця. Прилітаючи до нього, вони своїм негативним зарядом знищуватимуть позитивну електрику, що знаходиться на цьому шматочку металу, і тому потрібні нові і нові заряди з батареї.
А це означає, що по ланцюгу батареї через порожню лампу потече постійний струм. Якщо ж металевому шматочку дати негативний потенціал, то нічого не станеться. Він не тільки не притягуватиме негативно заряджених електронів, а, навпаки, їх відштовхуватиме. Ніякого містка між ним та ниткою розжарення не вийде, і струм крізь лампу текти не може.
Яві дали назву "ефекту Едісона" і впаяний в лампу шматочок металу назвали "анодом", але на цьому поки все скінчилося, оскільки практичного застосування лампі з анодом знайти не могли. Через багато років з'явилося радіо. При його створенні не відразу згадали про едісонівську лампу, а коли згадали, застосували замість кристалічного детектора. Лампа справно пропускала струм тільки в один бік, але була не кращою за найпростіший кристалик. Тому особливим успіхом вона не мала.
Все змінилося завдяки роботам іншого американця – Флеммінга. Він ввів "сітку" між анодом і ниткою розжарення і відразу зробив переворот у радіотехніці. Його лампа дозволяласлухати радіо на величезних відстанях та з будь-якою гучністю. Його лампа була тією самою радіолампою, що стоїть у наших лампових приймачах. Візьміть її до рук і погляньте. Ось нитка розжарення. Навколо неї – сітка (спіраль із тонкого дроту), а навколо сітки – металевий циліндр – анод. Від кінців нитки напруження йдуть два дроти, від сітки та анода - по одному. Всі ці чотири дроти виведені до ніжок на цоколі радіолампи. Та ніжка, яку включений анод, відставлена трохи тому. Це зроблено для того, щоб лампу не можна було вставити в її панельку неправильно.
При створенні радіолампи Флемінг діяв цілком свідомо. Чим далі знаходиться станція, тим слабший її сигнал і тим менше розмах змінного струму в антені приймача. Коли вони дуже малі, детектор їх зовсім не приймає. Що потрібно зробити, щоб збільшити дальність прийому? Очевидно, потрібно посилити коливання струму високої частоти, що приходить з антени. А що потрібно зробити, щоб збільшити гучність роботи приймача? Звісно, посилити коливання звукового струму після детектора. Звідки ж взяти цю потужність, що бракує коливань? З батареї живить анод лампи. А як це зробити? Дуже просто.
Якщо ми на сітку лампи дамо негативний заряд, то негативно зарядженим електронам буде складніше протискуватися через неї. Вона відштовхуватиме їх назад до нитки розжарення. Від цього на анод потрапить менше електронів, аноду менше буде потрібно позитивних зарядів з "анодної батареї", і сила "анодного струму" відразу впаде. Якщо сітку зарядити позитивно, то вона почне притягувати електрони і допомагатиме аноду відривати їх від нитки розжарення. На ній самій залишиться лише небагато електронів. Анод завжди має більш високий потенціал та сильніше до себе тягне електрони. Значить, від позитивногозаряду сітки електронний потік посилиться, а заразом посилить і анодний струм.
Але якщо замість постійних потенціалів на сітку радіолампи подати коливання змінного струму, сітка постійно змінюватиме свій потенціал. Отже, анодний струм у лампі почне вагатися. Коливання, що прийшли на її сітку, вона миттєво передає в свій анодний ланцюг, зберігаючи їх частоту і додаючи їм необхідну потужність, яку вона бере від анодної батареї. Таким чином, сітка дає можливість створювати підсилювачі коливань змінного струму.
На цьому я закінчу екскурс у теорію роботи радіолампи, оскільки вже цілком зрозуміло, що цей опис роботи побудований на одному єдиному постулаті – електрони мають негативний заряд, що підтверджує практика використання, зокрема, радіоламп. Можна сказати навіть більше. Весь подальший розвиток радіотехніки, а потім і систем автоматики, обчислювальної техніки почалося з прийняття як певного постулату положення про негативний заряд електрона.
Ще трохи історії із “життя” електрона.
У 1897 р. Дж. Дж. Томсон виміряв співвідношення між масою та зарядом електрона e/m = -1.76*1011 Кл/кг (Кулон на кілограм). У 1911 р. Маллікен виміряв величину заряду електрона - 1.6 * 10-19Кл. Ця величина є те, що ми тепер прийняли за одиницю заряду. Маса електрона становить 9.1*10-19г або 1/1837 маси атома водню. Якщо в атомі є електрони в деякій кількості, то має бути рівний позитивний заряд, оскільки атом електронейтральний.
Ця картинка представлена на кольоровому малюнку, причому світло-жовтий колір відповідає низькій концентрації електронів, а апельсиновий (або морквяний) колір – високій концентрації електронів безпосередньо біля нагрітого катода (представлено перетин хмари).
Якщо всі властивості електрона такі, як про це написано у всіх підручниках, то тієї картинки, як це представлено на малюнку не може бути, оскільки така картина відповідає повній відсутності будь-якого заряду електрона. Це випливає з того, що кулонівські сили за наявності заряду у електрона змусили б їх розлітатися від катода з величезною швидкістю, і хмара цих електронів зникла б повністю. Найпарадоксальніше в цій ситуації те, що в той же момент, як ми подамо позитивний потенціал на анод, у електрона начебто з'являється негативний заряд, оскільки його поведінка стає саме такою, як про це й пишуть у підручниках.
Але чудес подібного роду не буває, а це означає, що у електрона, як у індивідуальної та самостійної частинки (у тому числі і в радіолампі), немає, і не може бути будь-якого заряду. Зарядові ефекти виникають, мабуть, зовсім з іншої причини.
Другий парадокс електрона пов'язаний з тим, що з катода випромінюються матеріальні частинки, які мають масу. До чого могло б спричинити таке випромінювання? Якби ми помістили на точні ваги радіолампу з розігрітим катодом і за відсутності напруги на аноді, ми мали б помітити зменшення маси радіолампи. Це відбувалося б тому, що випромінювані електрони опиняються в іншій системі вимірювання, не пов'язаної із системою катода радіолампи, що й мало б виявляти зміну (зменшення) маси радіолампи. Однак як би ми не намагалися,як би ми не підвищували точність зважування, зміни маси радіоламп нам не вдалося б виявити зовсім.
Отже, парадоксальність виведення величезна. Електрон не має, і не може бути маси. У всякому разі, електрон не має жодної маси спокою. Термоемісія електронів змушує інакше поглянути на істоту матерії як такої.
Нарешті, розглянемо третій парадокс електрона, який також необхідно розглянути за відсутності на аноді напрузі. Справа в тому, що хімічна наука побудована на тій підставі, що в молекулі (і атомі) немає жодного зайвого електрона, оскільки за відсутності хоч одного електрона речовина змінюватиме хімічні та фізичні властивості (валентність, кислотні або лужні властивості). Фізика, навпаки, чомусь може припускати, що ці зайві електрони в катоді радіолампи є надлишком.
Але цього не може бути хоча б за тією ж моделлю атома Резерфорда-Бора, оскільки кожен електрон в атомі повинен займати цілком певну орбіту і не може ні "впасти" на ядро атома, ні "піти" зі своєї орбіти. Отже, надлишку електронів в атомі та виходу якихось “звільняються” від атомних структур електронів немає, і не може бути.
Можна припустити, що "надлишкові" електрони якось породжені підведеною тепловою енергією, але тоді стає сумнівною знаменита формула Ейнштейна, що пов'язує масу та енергію.
Дозвіл цих парадоксів електрона пов'язаний з переглядом багатьох сучасних основ фізики та хімії. Осмислення зазначених парадоксів електрона істотно впливає і багато філософські концепції. І все сходиться до того, що змінювати систему поглядів доведеться. Але для цього філософам, фізикам та хімікам знадобиться певна мужність для визнанняфакту столітніх та стійких оман.
Секрети "парадоксів електрона". (Дивитись *.doc (200 кб), скачати архів статті (40 кб))