Яков Гегузин - Капля

• Название: Капля
• Автор: Яков Гегузин
• Издательство: «НАУКА»
• Жанр: Физика
• Год: 1973

Книга состоит из отдельных очерков о физиче­ских законах, управляющих поведением капли, об ученых, которым капля помогла решить ряд сложных и важных задач в различных областях науки.

Книга иллюстрирована кадрами скоростной ки­носъемки и будет интересна самому широкому кругу читателей.

---

Итак, все элементы будущей камеры налицо: быстрое снятие давления с перегретой сжатой жидкости способ­ствует ее вскипанию, а пролетающая в жидкости иони­зирующая частица делает это вскипание более легким вдоль траектории полета, которая оказывается отмеченной ниточкой «отрицательной росы». Все дальнейшее — дело техники.

Я не уверен в том, что мысль Глезера развивалась имен­но так, как представлено в очерке. Важен результат: он сумел предложить идею прибора, с помощью которого ре­шаются сложнейшие задачи физики элементарных частиц.

В 1960 году, через 33 года после Вильсона, Глезер был приглашен в Стокгольм, где ему вручили медаль лауреа­та Нобелевской премии.

Из истории исследования электрона

Речь пойдет о почти шестнадцатилетнем периоде — с 1897 по 1912 год — в истории экспериментального изучения электрона, история попыток убедиться в его реальности и определить его заряд — одно из тех чисел, на которых, как на прочном и надежном фундаменте, по­коится естествознание. История эта — отличный повод ознакомиться со многими свойствами капли, и, кроме того, она богата примерами великолепного экспериментального мастерства исследователей.

Пятнадцать лет экспериментаторы пытались узнать у капли заряд электрона, добивались, чтобы было названо искомое число. Но вопрос ставился нечетко, и поэтому ответ звучал расплывчато — был близок к истине, но с числом не совпадал. В долгих и упорных поисках вопрос выкристаллизовался, и возникла идея чистого, безупреч­ного эксперимента с каплей.

Итак, рассказ об истории экспериментальных работ по определению заряда электрона. Как и всякую историю

(когда ее излагаешь), эту удобно условно разделить на последовательность отдельных этапов, хотя, конечно же, в жизни никаких этапов не существовало — исследования велись непрерывно.

Этап первый. 1897 год. Дж. Дж. Томсон. В нашем рас­сказе этот этап носит характер предыстории — в нем кап­ля еще не участвует.

Дж. Дж. Томсон, третий директор знаменитой Кавендишской лаборатории, в этом году поставил серию опытов и показал, что заряженные частицы, возникающие при ионизации газа, и те, которые испускаются раскаленными металлами, несут на себе отрицательный заряд и имеют одинаковое отношение заряда к массе — не одинаковый заряд и одинаковую массу, а одинаковое их отношение, а оно ведь может быть одинаковым и при различных зна­чениях соотносимых величин.

Чтобы убедиться в том, что Томсон во всех опытах наб­людал одну и ту же элементарную частицу с определенны­ми зарядом и массой, нужно было в независимом опыте определить либо заряд, либо массу. Если окажется, что не только отношение этих величин одинаково, но, скажем, и заряды одинаковы, это будет означать, что Томсон от­крыл новую частицу. Любопытно, что частица, которая была открыта в 1897 году, за шесть лет до этого была пред­сказана как «естественная единица электричества» и названа «электроном».

Итак, после опытов Томсона возникли следующие экс­периментальные задачи: во-первых, убедиться в том, что существует определенная «естественная единица электри­чества», носителем которой является электрон, и, во-вто­рых, если такая единица существует, определить ее физические характеристики, в частности заряд.

Этап второй. 1897 год. Дж. Таундсенд.

Таундсенд, ученик Томсона, работавший в его лабора­тории, был первым, кто привлек каплю к участию в поис­ках величины заряда. Идея его опыта была по замыслу элементарно проста: в пространство, где имеется насы­щенный водяной пар, извне вводится некоторое количест­во ионов. В опытах Таундсенда ионы выделялись на элект­роде электролизера, а затем поступали в камеру основной установки. Камера была заполнена паром, в котором по­сле поступления ионов возникло облако капель. Таундсенд предполагал, что каждая капелька сформировалась вокруг одного иона и что все капельки имеют приблизи­тельно одинаковый объем.

Средний объем капли Таундсенд определил по скорости ее свободного падения в воздухе. Эта скорость опреде­ляется с помощью формулы Стокса — с ней мы уже зна­комились, когда обсуждали падение дождевой капли. Да­лее он с помощью электрометра определял общий заряд всего объема облака. В отдельном эксперименте о массе этого облака судили по увеличению веса осушающих тру­бок, через которые пропускалась изучаемая часть облака. Если массу облака разделить на массу одной капли, полу­чится число капель; если общий заряд облака разделить на число капель, получится заряд одного иона. Из про­веденных опытов следовало число е= (2,8—3,1) •10-10 электростатических единиц заряда.

Таундсенд проявил много остроумия и мастерства — и все же задал природе вопрос не лучшим образом. В его опытах, а затем и в обработке результатов много не впол­не оправданных допущений. Во-первых, нет гарантии, что каждый ион — центр конденсации капли — несет один заряд; во-вторых, можно с уверенностью утверждать, что, вопреки предположению Таундсенда, не все капли в облаке одинакового размера; в-третьих, не исключено, что иные ионы, несущие заряд, не стали центрами образова­ния капель; в-четвертых, Таундсенд не очень тщательно заботился о том, чтобы в пространстве, где изучалось па­дение капель, воздух был абсолютно неподвижен. Если во время опыта воздух хоть немного переместится, данные о скорости падения будут искажены, а значит, искажены будут и данные о размере и массе капель. Поэтому к ве­личине заряда, найденной Таундсендом, надо относиться как к оценке. Оценку такой точности можно получить и на основании различных косвенных соображений и обработ­ки результатов, полученных в опытах по прохождению тока в гальванической ванне.

Если задаться вопросом, в чем же в таком случае заслу­га Таундсенда, которому не удалось пойти вперед по срав­нению с гальваническими опытами, и почему его деятель­ность выделена в отдельный этап, ответить следовало бы так: в том, что он обратился к капле. Он понял, что мак­роскопическая капля — ведь даже если ее диаметр всего один микрон, она макроскопическая по сравнению с элек­троном — может помочь в поисках истины.

Этап третий. 1897 год. Дж. Дж. Томсон.

Томсон немного усовершенствовал приемы Таундсенда, сохранив основную идею эксперимента практически неиз­менной. Ионы он получал не в электролизере, а с помощью непрерывно работающей рентгеновской трубки. В те дни только-только стало известно, что рентгеновские лучи способны ионизировать воздух, и Томсон воспользовался новинкой. И еще одну совершенно «свежую» новинку при­менил Томсон. Незадолго перед его опытами стали извест­ны результаты одного из его сотрудников — Ч. Т. Р. Виль­сона, который показал, что внезапное расширение возду­ха, содержащего влагу, приводит к образованию капель на ионах. Именно так Томсон и создавал капли. Он по­ставил эксперимент на более современном уровне, чем( Таундсенд, но, к сожалению, не улучшил, а, быть может, ухудшил условия его эксперимента, добавив пятый источник сомнений: так как капли возникали вследствие резкого охлаждения воздуха, есть основания подозревать, что за время, пока их температура уравнивается с темпе­ратурой среды, они могут частично испаряться.

Томсон это, конечно, понимал, но, видимо, надеялся на то, что «в-пятых» себя не успеет проявить за время изме­рения и что, сравнивая упругость пара до и после внезап­ного расширения объема камеры, он точнее, чем Таунд­сенд, определит общую массу облака. Найденное им зна­чение е лежало в интервале (5,5—8,4) •10-10 электроста­тических единиц. Томсон задал природе вопрос, быть может, в немного более изощренной форме, но от этого вопрос четче не прозвучал. И ответ оказался расплывчатым и, как увидим, далеким от числа.

Этап четвертый. 1903 год. Г. А. Вильсон (не Ч.Т.Р., а Г. А. Вильсон. Ч.Т.Р Вильсон в те годы неотступно про­должал исследование поведения капель в туманной ка­мере).

Г. А. Вильсон сделал огромный шаг на пути к достовер­ному измерению заряда электрона. Начал он с усовер­шенствования методики. В камере, где находилось обла­ко капель, сконденсированных на ионах, Вильсон парал­лельно располагал две латунные пластинки, к которым можно было подключить полюсы источника напряжения 2000 в. Экспериментальная процедура Вильсона состояла из последовательности двух опытов. В первом опыте, по­лучая резким расширением облако заряженных капель (как это делал и Томсон), он определял скорость его паде­ния (υ1) в пространстве между латунными пластинками в отсутствие электрического поля. Во втором опыте он проделывал то же, однако в этом случае электрическое поле было включено и капли в облаке падали со скоростью υ2 не только под влиянием одной лишь силы тяжести тg, как в первом случае, а под влиянием двух сил mg + еЕ, где Е — напряженность электрического поля. В обоих опытах Вильсон наблюдал не за всем облаком, а лишь за теми каплями, которые находятся в его вершине. Капли в вершине облака несут на себе самый маленький заряд, а следовательно, и испытывают на себе действие самой маленькой силы.