Электрон - парадокс или вызов современной картине мира?

Перейдём к краткому рассмотрению одного из самых эпохальных изобретений человечества – к радиолампе, которую Эдисон изобрёл относительно случайно. Он хотел исследовать работу электрической лампы и впаял в неё 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, ещё 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?

Ответ на эти вопросы скоро нашли: пустота оказалась ни при чём. Когда лампу гасили (отключали накал нити), протекавший между нитью и кусочком металла ток сразу прекращался. Стало очевидным, что разгадка явления сокрыта в нити накала.

Оказалось, что когда нить нагрета, мельчайшие частицы – "электроны" — вылетают из неё в пустоту, точно рой пчел. Эти электроны заряжены отрицательно.

Вот здесь и начинается самое интересное. Рассмотрим версию, представленную в любом учебнике по электровакуумным приборам.

Пока на кусочек металла не подают положительное напряжение электроны "толпятся" около нити накала. Если же к впаянному в лампу кусочку металла приложить положительный потенциал, они полетят к нему совсем так же, как клочки бумаги летят к натёртой о волосы гребёнке.

Прилетая к нему, они своим отрицательным зарядом будут "уничтожать" положительное электричество, находящееся на этом кусочке металла, и поэтому требуются всё новые и новые заряды с батареи.

А это значит, что по цепи батареи через кажущуюся пустоту лампы потечёт постоянный ток. Если же металлическому кусочку дать отрицательный потенциал, то ничего не случится. Он не только не будет притягивать отрицательно заряженные электроны, а, наоборот, будет их отталкивать. Никакого мостика между ним и нитью накала не получится, и ток сквозь лампу не пойдёт.

Явлению дали название "эффекта Эдисона" и впаянный в лампу кусочек металла назвали "анодом", но на этом пока всё 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.

Всё изменилось благодаря работам другого американца — Флемминга. Он ввёл "сетку" между анодом и нитью накала и сразу произвёл 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 приёмниках.

Возьмите её в руки и взгляните. Вот нить накала. Вокруг неё – 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, которая соединена с анодом, 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 приёмника.

Когда они слишком малы, детектор их вовсе не принимает. Что же нужно сделать, чтобы увеличить дальность приёма? Очевидно, нужно усилить колебания приходящего с антенны тока высокой частоты. А что нужно сделать, чтобы увеличить громкость работы приёмника? 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 подадим отрицательный заряд, то отрицательно заряженным электронам станет труднее протискиваться сквозь неё. Она будет отталкивать их обратно к нити накала. От этого на анод попадёт меньше электронов, аноду меньше потребуется положительных зарядов с "анодной батареи", и сила "анодного тока" сразу упадёт.

Если же сетку зарядить положительно, то она начнёт притягивать электроны, и будет помогать аноду отрывать их от нити накала. На ней самой останется только немного электронов. Анод всегда имеет более высокий потенциал. 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 передаёт в свою анодную цепь, сохраняя их частоту и добавляя им необходимую мощность. Таким образом, сетка даёт 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, тех же радиоламп. Можно сказать даже больше. Всё дальнейшее развитие радиотехники, а затем и систем автоматики, вычислительной техники началось с принятия в качестве определённого постулата положения об отрицательном заряде электрона.

Ещё немного истории из "жизни" электрона.

В 1897 году Дж. Дж. Томсон измерил соотношение между массой и зарядом электрона e/m = -1,76*10¹¹ Кл/кг (Кулон на килограмм).

В 1911 году Малликен измерил величину заряда электрона – 1,6*10^-19 Кл. Эта величина являет собой то, что мы теперь приняли за единицу заряда.

Масса электрона составляет 9,1*10^-19 грамм 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, причём светло-жёлтый цвет здесь соответствует низкой концентрации электронов, а апельсиновый 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 определённую 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 подведённой тепловой энергией, но тогда становится сомнительной знаменитая формула Эйнштейна, связывающая массу и энергию.

Разрешение этих парадоксов электрона связано с пересмотром многих современных основ физики и химии. Осмысление указанных парадоксов существенно влияет и на многие философские концепции. И всё сводится к тому, что изменять существующую систему взглядов придётся. Но для этого философам, физикам и химикам потребуется определённое мужество для признания факта столетних и устойчивых заблуждений.

Источник: Membrana