ЭЛЕКТРОНЫ

ТОК В ГАЗАХ

Дуг ы уже говорили, что при нагревании и облучении ^ светом из металла могут вырываться электроны. Освободившиеся из катода электроны (см. рис. 7 и 8) быстро пробегают через разрежённый газ к аноду, об­разуя электрический ток.

В металлических проводниках поток электронов дви­жется сравнительно медленно; в разрежённом газе элек­троны летят к аноду очень быстро, но зато их бывает гораздо меньше — ведь наружу из металла вылетает только очень малая часть всех свободных электронов.

Находящийся в трубке газ играет большую роль в образовании электрического тока. Дело в том, что в газе всегда имеется некоторое количество ионов, которые так же, как и электроны, будут двигаться к электродам. Од­нако газ при нормальной температуре и обычном атмо­сферном давлении является плохим проводником элек­тричества. Поэтому, например, всякое наэлектризованное тело в воздухе долго сохраняет свой заряд. В то же время воздух или любой другой газ может стать хоро­шим проводником тока, если разрядная трубка доста­точно сильно откачана, до давлений порядка стотысяч­ных и миллионных долей атмосферы, т. е. если газ в трубке очень сильно разрежён. Кроме того, необходимо приложить к электродам сильное напряжение. В чём тут дело? Как объяснить это явление?

Пусть стеклянная трубка (рис. 18) заполнена доста­точно разрежённым воздухом. В изображённой на ри­сунке трубке катод имеет форму чашечки (для того чтобы собирать вылетающие электроны в пучок; см. рис. 12), а анод — форму серпа и молота. Заметим, что форма электродов, вообще говоря, не имеет большого значения.

Электроды присоединены к источнику высокого на­пряжения, и между ними создаётся сильное электриче­ское поле. При этих условиях, несмотря на то, что катод

Остаётся холодным, через трубку идёт заметный электри­ческий ток, а если разрежение газа не слишком высоко, то газ светится.

Как мы уже говорили, газ, заполняющий трубку, всегда содержит некоторое, вначале очень небольшое, чи­сло ионов. Положительные ионы под действием электриче­ского поля устремляются к катоду. Не встречая препят­ствий на своём пути (воздух почти весь выкачан), тяжё­лые по сравнению с электронами ионы приобретают ог­ромную скорость и ударяются о катод. При этом за счёт своей энергии каждый ион выбивает из катода один или даже несколько электронов. Электроны на пути от катода к аноду также ускоряются электрическим полем. Стал­киваясь с молекулами воздуха, электрон может ионизо­вать молекулу, выбить из неё один из внешних электро­нов. После этого движение обоих электронов вновь уско­ряется, они вновь сталкиваются с молекулами, вновь ионизуют их. Образовавшиеся ионы движутся в проти­воположном направлении. Образуется так называемая «ионная лавина». В результате в трубке течёт электриче­ский ток, который представляет, таким образом, два встречных, быстро текущих потока электронов и ионов.

Легко понять, почему газ, находящийся при нормаль­ном давлении, является плохим проводником. В этом случае столкновение электронов с молекулами происхо­дит слишком часто, так что электрон не успевает при­обрести энергию, потребную для ионизации молекул газа. Ионизации молекул не происходит, ионная лавина не образуется. Ясно поэтому, что для получения значитель­ного электрического тока через трубку надо брать сильно разрежённый газ.

В некоторых случаях сила удара электрона об атом будет достаточна для того, чтобы атом потерял свой электрон и превратился в ион. Но иногда удар более слаб и вызывает только колебание электрона. Электрон при этом не теряет связи с ядром, но, как было выяснено в предыдущей главе, излучает свет. Можно подобрать количество газа в трубке и силу электрического поля в ней так, что столкновений, возбуждающих излучение света, будет очень много и столб газа в трубке будет ярко светиться, хотя трубка останется холодной. Такой «холодный» свет дают газосветные трубки (см. рисунок на обложке); они теперь часто применяются для светя­щихся надписей на вывесках магазинов, кино, а в по­следнее время и для освещения.

Если же газ в трубке выкачан почти полностью и ско­рость электронов достаточно велика, то часть электро­нов, пролетающая мимо анода и падающая на заднюю стенку трубки, вызывает яркозелёное свечение стекла. На зелёном фоне стенки образуется тогда тень от анода, точно такая же, какую мог отбросить анод, если бы на него падал пучок лучей света. Когда учёные впервые на­блюдали это интересное явление, они ещё не знали, что имеют дело с электронами, и решили, что из ка­тода выходят какие-то неизвестные ещё лучи, «катод­ные лучи».

Академик А. Ф. Иоффе доказал, что катодные лучи действуют на магнитную стрелку так же, как и обыкно­венный ток в проводе. Теперь нам это вполне понятно, так как мы знаем, что катодные лучи — это не что иное, как поток электронов в пустоте. Катодные лучи теперь обыкновенно называют электронными лучами. Это очень удачное название. Электронные лучи действительно имеют немалое сходство с лучами света: они распростра­няются прямолинейно и вызывают почернение фотопла­стинки так же, как и световые лучи. Более того, сейчас есть аппараты, где электронные лучи используются, так сказать, в роли световых лучей. Это электронные микро­скопы [3]).

Не только стекло, но и многие другие вещества све­тятся под ударами электронов. Вещества, дающие осо­бенно яркое свечение, называются светящимися соста­вами или фосфорами. Если на пути электронных лучей поместить экран, покрытый светящимся составом, то можно видеть следы от ударов электронов.

С помощью электронных лучей учёные лучше узнали свойства электрона. До открытия электронных лучей было известно, что электрон очень мал и лёгок и имеет очень маленький отрицательный заряд. Электронные лучи дали возможность «взвесить» электрон, то-есть из­мерить его массу. Оказалось, что электроны, независимо от того, каким образом они вырваны из катода (нагрева­нием, освещением и т. д.), всегда имеют одинаковую массу. Масса электрона в 1840 раз меньше массы лег­чайшего из атомов — атома водорода. Все электроны оказались в точности похожими один на другой: в при­роде существует только один «сорт» электронов.

После того как была измерена масса электрона, от­пали последние сомнения в том, что здесь мы имеем дело с частицей вещества. Поэтому 1897 год, год, когда впер­вые была измерена масса электрона, принято считать да­той открытия электрона.

Скажем несколько слов о размерах электрона. Мы уже знаем, что электроны много меньше атомов. Попе­речник атома имеет размер в несколько десятимиллион­ных долей миллиметра — размер, который трудно себе представить.

Вообразим себе, что размер атома увеличился в десять миллиардов раз. Тогда его поперечник будет равен 2—3 метрам. Но даже и в этой увеличенной модели атома электрон представился бы нам частицей с попереч­ником в одну сотую миллиметра, то-есть едва ли был бы виден невооружённым глазом.