Из статьи Р. Э. Милликена «Новые доказательства кинетической теории материи и атомистической теории электричества»

...Около 1900 г. был сделан большой шаг вперед: атомистическую гипотезу стали применять не только к растворам, но и к металлическим проводникам, и причину электрических токов стали видеть в перенесении по проводнику раздельных единиц электричества, получивших название электронов, причем эти единицы передаются от атома к атому или проталкиваются каким-либо иным путем через промежутки между атомами. Этот взгляд, знаменовавший собой возврат к взглядам Франклина, нашел новое подтверждение в следующем факте: в трубках с разреженным воздухом, типа трубок для Х-лучей, оказалось возможным получить от всякого рода вещества мельчайшие тельца, заряженные отрицательным электричеством, которые при всех условиях вели себя совершенно одинаково в электрическом и магнитном поле и обладали массой приблизительно в 1/1760 массы атомов водорода, мельчайшего из всех известных нам атомов. Правда, не было прямых доказательств того, что заряды этих телец все равны между собою, так как не было еще выработано метода исследовать их в отдельности; тем не менее, еще в 1899 г. Таунсенд из Оксфорда с достаточной убедительностью показал, что средняя величина заряда этих электронов равна заряду атома водорода при электролизе; в то же время сэр Дж. Дж. Томсон нашел способ грубого определения абсолютной величины этого среднего заряда. Метод этот был усовершенствован в 1902 г. Г. А. Вильсоном и лет пять спустя послужил фактически исходной точкой работ, в результате которых путем ряда естественных шагов возникли опыты, давшие возможность улавливать и точно измерять отдельные обособленные электроны или желаемое число их до 150.

Представим себе две круглые пластинки М и N(рис. 1), 22 см в диаметре, находящиеся друг от друга на расстоянии 16 миллиметров. Их можно зарядить электричеством: одну — положительным, другую — отрицательным,соединив их с полюсами батареи на 10000 В. Предположим также, что с помощью выключателя 5 пластинки по желанию могут быть моментально разряжены и таким образом лишены всех своих электрических свойств. Когда пластинки внезапно получают заряд, воздух между ними остается совершенно спокойным и свободным от каких бы то ни было конвекционных токов — результат, показывающий, что фактически все молекулы воздуха между пластинками в электрическом отношении нейтральны. Если же на воздух между этими пластинками направить пучок Х-лучей, то некоторые из этих нейтральных воздушных молекул расщепляются Х-лучами на заряженные электричеством части, мгновенно устремляющиеся одни — к пластинкеМ, другие — к пластинке N. Это убедительно показывает, что обыкновенные нейтральные молекулы воздуха состоят из электрических составных частей, другими словами, что каждая из них содержит одинаковое количество положительного и отрицательного электричества. Как ультрафиоле­товые лучи, так и лучи радия обладают, подобно Х-лучам, аналогичной способностью ионизировать газы, и даже при отсутствии всякой внешней ионизирующей причины из 27 биллионов молекул, содержащихся в каждом кубическом сантиметре обыкновенного воздуха, от двух до двадцати расщепляются в секунду на ионы. Как мы сейчас покажем, этот процесс ионизации состоит в отщеплении от нейтральной молекулы чрезвычайно ничтожной части входящего в ее состав отрицательного электричества — электрона, так что остаток молекулы, вероятно, похож на нейтральные молекулы окружающего газа, за исключением того, что он теперь несет в себе свободный и ничем не уравновешиваемый положительный заряд, соответствующий отрицательному заряду утраченного им электрона. Вырвавшийся на свободу электрон, вероятно, скоро опять присоединяется к нейтральной молекуле, так что вскоре после разложения молекулы газ оказывается в том же состоянии, как и до разложения, исключая то, что две из его молекул, бывших прежде нейтральными, обладают теперь электрическим зарядом: одна — положительным, другая — отрицательным. Мы не можем еще с полной достоверностью сказать, вызывается ли это разложение молекул, постоянно происходящее в обыкновенном воздухе, лучами от следов радиоактивных веществ, все время присутствующих в воздухе, или случайным самопроизвольным взрывом молекулы; впрочем, факты настойчиво говорят в пользу первого предположения. Но, каким бы способом ни образовались эти ионы, постоянное присутствие их в воздухе, в количестве от 1 до 15 на кубический миллиметр, не подлежит сомнению; нельзя также сомневаться, что именно эти атмосферные ионы обусловливают все проявления атмосферного электричества, составлявшие во все века предмет ужаса и поклонения для человека.

Задача, поставленная перед описываемым опытом, заключалась в том, чтобы уловить эти отдельные атмосферные ионы и определить характер их заряда. Сыщик для улавливания столь ничтожной по размерам вещи, очевидно, должен был сам обладать малой величиной. В качестве такого сыщика взята была капля масла, еле видная в самый сильный микроскоп. Впрочем, в описываемых опытах не было необходимости в столь сильном микроскопе, так как в достаточно ярком солнечном луче подобную капельку, несмотря на ее ничтожно малые размеры, можно заметить даже простым глазом в виде блестящей точки. Опыт производился следующим образом. Из обыкновенного пульверизатора А (рис. 2) выдувались брызги масла в свободную от пыли камеру С, и одна или несколько таких масляных капелек впускались через отверстие у р в пространство между М и N. В то время как она парила здесь, медленно опускаясь под действием силы тяжести, она освещалась мощным лучом от электрической дуги, пропускавшимся через расположенные диаметрально отверстия в эбонитовом кольце с. Наблюдалась она через третье отверстие, расположенное при выходе луча приблизительно градусов на 16 в сторону от направления его распространения...Масляная капля в короткофокусный телескоп наблюдателя представлялась в виде блестящей звезды на черном фоне. Прежде чем эта звезда достигла нижней пластинки, между пластинками М и N возбуждалось электрическое поле и она тотчас же стала снова подниматься по направлению к пластинке М. Объясняется это тем, что при распылении жидкости капля обычно приобретает заряд от трения: как известно, сильное трение всегда вызывает электризацию. Если этот заряд имел знак, заставляющий каплю опускаться, а не подниматься, то при включении батареи 10000В знаки зарядов на М и N изменялись на обратные. Когда капля находилась близко от М, пластинки разряжались и капле представлялась возможность снова падать под действием силы тяжести до тех пор, пока она не оказывалась совсем вплотную около N. Таким образом попеременно вводя или выключая электрическое поле, мы заставляем нашего сыщика, масляную каплю, прохаживаться вверх и вниз между пластинками в надежде захватить и удержать какой-нибудь неосторожный ион, попавшийся ей на пути. Когда опыт проводился в первый раз, один ион был пойман через несколько минут, и сигналом для наблюдателя об его поимке послужило изменение скорости движения капли вверх после того, как было введено электрическое поле: так как ион нес на себе электрический заряд, то его переход на каплю изменил заряд на последний, а следовательно, изменил и скорость, с какой она подталкивалась вверх по направлению к М. Если пластинка М была заряжена положительно, то сама капля, чтобы электрическое поле подталкивало ее вверх, должна была обладать отрицательным зарядом; в этом случае поимка положительного иона уменьшала этот отрицательный заряд, а следовательно, и скорость движения капли в электрическом поле, тогда как поимка отрицательного иона увеличивала отрицательный заряд, а в силу этого также и скорость в электрическом поле. Таким образом, зная знак и величину этого изменения скорости и сопоставляя его с постоянной скоростью падения под действием силы тяжести, можно было легко определить знак и точную величину заряда пойманного иона.

G
13,6
13,8
13,4
13,4
13,6
13,6
13,7
13,5
13,5
13,8
13,7
13,8
13,6
13,5
13,4
13,8
13,4.

E
12,5
12,4
21,8
34,8
84,5
85,5
34,6
34,8
16,0
34,8
34,6
21,9

Средняя
13,595

Каплю можно заставлять двигаться описанным способом в течение четырех или пяти часов за один прием, и в продолжение этого времени вследствие захватывания ионов она будет менять свой заряд раз двадцать или тридцать, и величину каждого из этих различных зарядов можно вычислить. Изящество и точность этихизмерений и строгую непреложность, с какой атомистическая теория электричества вытекает из полученных таким образом результатов, лучше всего можно оценить по подробной записи всех элементов опыта, проделанного с какой-нибудь отдельной каплей. В столбце G приведены последовательно цифры, показывающие время, требовавшееся капельке, чтобы переместиться между двумя закрепленными поперечно волосками в наблюдательном телескопе, расстояние между которыми в этом случае соответствовало фактической длине падения 0,5222 см. Как видно из таблицы, все эти числа одинаковы в пределах ошибки, допустимой при измерении с помощью секундомера. В столбце Е даны последовательно цифры, показывающие время, требовавшееся капельке, чтобы подняться вверх под действием электрического поля, возбужденного в этом случае разностью потенциалов 5051 Вна пластинках М и N. Следовательно, после второго подъема капли время подъема изменилось с 12,4 до 21,8, показывая (так как в данном случае заряд капли был положителен), что из воздуха был захвачен отрицательный ион. Следующая цифра в столбце E 34,8 показывает, что был захвачен еще один отрицательный ион. Дальнейшая цифра 84,5 свидетельствует о поимке еще нового отрицательного иона. Этот заряд держался в течение двух экскурсий капли, после чего скорость снова вернулась к цифре 34,6, показывая, что на этот раз захвачен положительный ион, несущий совершенно точно такой же заряд, как и отрицательный ион, вызвавший перед тем обратное изменение во времени перемещения, т. е. скачок от 34,8 к 84,5.

Все последовательные величины заряда, какой несет на себе капля в продолже­ние всего опыта, можно легко вычислить, исходя из постоянной ее скорости под действием силы тяжести и из последовательных величин скорости в электрическом поле. Для определения абсолютной величины этих зарядов необходимо знать вес капли, а вычисление этого веса может дать погрешность самое большее на дробную часть какого-нибудь процента, но так как этот вес остается постоянным в течение всего опыта, то относительные величины последовательных зарядов можно найти с абсолютной уверенностью и большой точностью, даже не зная этого веса.Фактически они просто пропорциональны последовательным значениям, какие принимает сумма двух скоростей (скорости под действием силы тяжести и скорости в электрическом поле*).

Подобным же образом заряд любого захваченного иона пропорционален изменению, вызванному в этой сумме благодаря его поимке... Если электричествоатомистично по своему строению, то все различные заряды, появляющиеся при этом опыте как на ионах, так и на капле, должны быть строгими кратными элементарной единице заряда.

 

* Дело в том, что если тела движутся медленно и равномерно через сопротивляющуюся среду, то любые две силы вызывают скорости, пропорциональные этим силам. Сила, действующая вниз и вызываемая действием силы тяжести, здесь есть mg, а сила, направленная вверх и вызываемая полем, есть eE, где Е обозначает напряженность поля, а е – заряд капли. Отсюда если через u1обозначить скорость движения вниз под действием силы тяжести, а через u2 – скорость движения вверх, обусловленную перевесом силы электрического поля над силой тяжести, то получим:

Теги: