Глава 2.3 загадки электрона

К пониманию необходимости изучения свойств физического вакуума человечество могло подступиться еще в конце XIX века, когда был открыт электрон. Открытие электрона впервые дало в руки исследователей возможность вполне конкретно и определенно начать изучение свойств физического вакуума, или, как тогда говорили, эфира.

Поэтому представляет интерес проследить тот путь, который увел физиков на путь мифотворчества. И началось все с некритического восприятия свойств электрона. Имеется много устоявшихся понятий, которые стали настолько привычными, что совершенно не подвергаются сомнению. Каждый читатель знает или, по крайней мере, слышал, что электрон имеет отрицательный заряд. Эта информация как раз из числа таких устоявшихся понятий, которые кажутся всем незыблемыми. Поэтому мне хотелось бы привлечь внимание читателей к загадкам, которые сопровождают существование и смысл электрона. У меня есть своя версия ответов на вопросы, которые будут здесь сформулированы. Однако мне хочется, чтобы читатели предварительно поразмышляли над этими загадками и попытались дать свой ответ.

Теперь перейдем к краткому рассмотрению одного из самых эпохальных изобретений человечества – к радиолампе, которую американский изобретатель Эдисон изобрел относительно случайно. Он хотел исследовать работу электрической лампы и впаял в нее 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, еще 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 напряжения 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?

Версию ответа на эти вопросы скоро нашли. И пустота оказалась, как будто, ни при чем. Когда лампу гасили (отключали накал нити), протекавший между нитью и кусочком металла ток сразу прекращался. Стало очевидным, что разгадка этого странного явления сокрыта в нити накала. Оказалось, что когда нить накалена, мельчайшие частицы - “электроны” - вылетают из нее в пустоту, точно рой пчел. Эти электроны, как было принято, всегда заряжены отрицательно.

Вот здесь и начинается самое интересное.

Далее я излагаю версию, представленную в любом учебнике по электровакуумным приборам.

Пока на кусочек металла не подают положительное напряжение электроны “толпятся” около нити накала. Если же впаянному в лампу кусочку металла дать положительный потенциал, они полетят к нему совсем так же, как клочки бумаги летят к натертой о волосы гребенке. Прилетая к нему, они своим отрицательным зарядом будут уничтожать положительное электричество, находящееся на этом кусочке металла, и поэтому требуются все новые и новые заряды с батареи.

А это значит, что по цепи батареи через кажущуюся пустоту лампы потечет 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 течь не может.

Явлению дали название “эффект Эдисона”, а впаянный в лампу кусочек металла назвали “анодом”. На этом пока все 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.

Все изменилось благодаря работам другого американца - Флеминга. Он ввел “сетку” между анодом и нитью накала и сразу произвел переворот в радиотехнике. Его лампа (рисунок 2.1) позволяла слушать радио на огромных расстояниях и с любой громкостью. Эта лампа была той самой радиолампой, что стоит в наших ламповых приемниках. Возьмите ее в руки и взгляните. Вот нить

=акалаЮ

накала. Вокруг нее – сетка (спираль из тонкой проволоки), а вокруг сетки - металлический цилиндр - анод. От концов нити накала идут два провода, от сетки и анода - по одному (рисунок 2.2). Все эти четыре провода выведены к ножкам на цоколе радиолампы. Та ножка, на которую включен анод, отставлена чуть назад. Это сделано для того, чтобы лампу нельзя было неправильно вставить в её панельку.

При создании радиолампы Флеминг действовал совершенно сознательно. Чем дальше находится принимаемая станция, тем слабее её сигнал и тем меньше размах переменного тока в антенне приемника. Когда они слишком малы, детектор их вовсе не принимает. Что же нужно сделать, чтобы увеличить дальность приема? Очевидно, нужно усилить колебания приходящего с антенны тока высокой частоты. А что нужно сделать, чтобы увеличить громкость работы приемника? 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 дадим отрицательный заряд, то отрицательно заряженным электронам станет труднее протискиваться сквозь неё. Она будет отталкивать их обратно к нити накала. От этого на анод попадет меньше электронов, аноду меньше потребуется положительных зарядов с “анодной батареи”, и сила “анодного тока” сразу упадет.

Если же сетку зарядить положительно, то она начнет притягивать электроны и будет помогать аноду отрывать их от нити накала. На ней самой останется только немного электронов. Анод всегда имеет более высокий потенциал и сильнее к себе тянет электроны. 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 (рисунок 2.3). Следовательно, анодный ток в лампе начнёт колебаться. Пришедшие на её сетку колебания она мгновенно передает в свою анодную цепь, сохраняя их частоту и добавляя им необходимую мощность, которую она берет от анодной батареи. Таким образом, сетка дает 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, радиоламп (вспомним – практика как критерий истины). Можно сказать даже больше. Все дальнейшее развитие теоретической физики, радиотехники, а затем и систем автоматики, вычислительной техники началось с принятия в качестве определенного постулата положения об отрицательном заряде электрона.

Еще немного истории из “жизни” электрона.

В 1897 г. Дж. Дж. Томсон измерил соотношение между массой и зарядом электрона e/m = -1.76*1011 Кл/кг (Кулон на килограмм).

В 1911 г. Малликен измерил величину заряда электрона - 1.6*10-19Кл. Эта величина являет собой то, что мы теперь приняли за единицу заряда.

Масса электрона составляет 9.1*10-19г 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 свойств электрона, на которые ранее не обращали внимания. Для этого мы рассмотрим картину “электронного облака”, существующего около катода до момента подачи положительного напряжения на анод.

Эта картинка представлена на цветном рисунке (рисунок 2.4), причем светло-желтый цвет здесь соответствует низкой концентрации электронов, а апельсиновый (или морковный) 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 2.4 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. 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.

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.

Я представляю себе, какая волна возражений на положения данной главы может быть. И возражения окажутся вполне ожидаемыми. Действительно, настолько привычным является общепринятое понимание наличия заряда и массы у электрона, что взглянуть как-то иначе на суть явления у нас нет ни желания, ни сил. Ведь опасность нового понимания сущности электрона заключается не только и не столько в том, есть или отсутствует заряд у электрона, частицы, изученной, казалось бы, вдоль и поперек. Опасность заключается в том, что принятие новых положений разрушает устои не только электродинамики и электростатики, но и вообще современной и классической физики. А вот этого, по мнению читателей, допускать никак нельзя.

Отсюда естественным будет первое возражение оппонентов, которое связано с “доказательствами” наличия заряда у электрона. Далее я буду приводить текстуально точные формулировки возражений оппонентов, поступивших мне при обсуждении изложенных положений.

Вот типичное высказывание моих оппонентов.

“Изначально, мы имеем электрически нейтральный! катод. Облако электронов возле катода удерживает положительный заряд самого катода без этих электронов. По той же причине электрон не улетает от ядра атома. Другими словами: электроны сидят в потенциальной яме кулоновского потенциала положительно заряженного катода. При подаче напряжения на анод, поле в лампе меняется, и, если на анод был подан положительный потенциал, то при наложении потенциальных ям катода и анода образуется потенциальная яма другой формы с более низким барьером, соответственно, электроны, обладающие достаточной кинетической энергией, могут пройти над барьером. (Аналогия потенциальной ямы с обычной ямой, в которой мячик удерживается тяготением, очевидна; если нет - смотри школьный курс физики, электричество)”.

Слабость позиции оппонентов выявляется немедленно, поскольку в самом начале было сказано, что на анод лампы мы не подаем никакого напряжения. Это означает, что из электрически нейтрального катода электроны все-таки излучаются и остаются вблизи катода. Причем очевидно, что каждый электрон обладает собственной (индивидуальной) механической (или кинетической) энергией. Электрон удаляется от катода на расстояние, определяемое значением этой механической энергии. Благодаря этому и возникает распределение плотности электронов около катода, которое можно охарактеризовать примерной функцией, приведенной на рисунке 2.5

"еперьР<ожноР?роанализироватьРAитуациюЮ

Теперь можно проанализировать ситуацию. Итак, положим, что электрон имеет электрический заряд. Кроме того, положим, что при излучении электронов катод приобретает положительный заряд, величина которого должна соответствовать суммарному значению зарядов электронов, излученных катодом. На этом основании и считается, что электроны не могут удалиться от катода настолько, что достигнут анода (на котором, напомним, нет никакого напряжения).

Однако кулоновские силы отталкивания отрицательно заряженных электронов должны существенно исказить данную диаграмму распределения плотности распределения электронов около катода, поскольку как бы ни было велико притяжение катода (который, как будто, приобрел положительный заряд) кулоновские силы отталкивания электронов друг от друга наибольшее значение должны иметь как раз около катода. Этого не происходит, что и позволяет предположить отсутствие заряда у электрона.

Кроме того, согласно представлениям оппонентов катод приобретает заряд, равный суммарному значению зарядов электронов, вылетевших из катода. При этом катод имеет этот заряд в виде суммы зарядов, а электрон – только собственный, который в миллиарды и миллиарды раз меньше. Следовательно, удержаться около катода электрон не в состоянии. Электрон обязан либо немедленно “свалиться” на катод за счет кулоновских огромных сил притяжения, либо улететь от катода за счет кулоновских сил отталкивания от действия зарядов других электронов. Но ни того, ни другого не происходит.

Но это не единственные аргументы в защиту положения об электронейтральности электрона. Дело в том, что облако электронов расположено вблизи катода и сравнительно далеко удалено от анода. Поэтому (при условии возникновения заряда катода) значение этого “наведенного” потенциала будет так велико, что на анод будет необходимо подать огромное напряжение, чтобы “вырвать” электроны из “объятий” катода. Но и это не так.

Например, известны термоэмиссионные электрогенераторы, в которых достаточно подать небольшой потенциал на сетку лампы, чтобы в цепи анода сформировалось за счет этого напряжение. Именно так вырабатывается электроэнергия в термоэмиссионных генераторах, реализуемых, например, на основе элементов Пельтье. Поэтому мы должны сделать однозначное заключение, что потенциальной ямы около катода не возникает, что вновь приводит нас к заключению – электрон не имеет никакого заряда.

Кроме того, наличие указанного распределения около катода должно быть как-то объяснено с точки зрения наличия очевидного равновесия в этом облаке электронов. Суть возражения здесь заключается в том, что эмиссия электронов происходит непрерывно, а плотность электронного облака остается постоянной в рамках указанного распределения.

Продолжим рассмотрение.

Если электроны возвращаются обратно на катод, тогда становится совершенно непонятным, что же заставило их вылетать из разогретого катода. Дело в том, что в самый первый момент – момент отрыва электрона от катода – кулоновские силы (если они действуют) в этом случае имеют максимальное значение и это должно удерживать электроны рядом с катодом или, даже, немедленно возвращать электроны обратно на катод.

Мои оппоненты не замечают (или не хотят замечать), что разное расстояние отдельных электронов относительно катода необходимо как-то объяснить, так как указанное на рисунке 2.5 распределение все-таки стационарно. Поскольку сила кулоновского взаимодействия изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния между зарядами, то у более удаленных от катода электронов по этой логике должен быть и больший заряд, но это будет противоречить другим свойствам электрона. Поэтому получается, что ситуация может разрешиться лишь в одном случае – у электрона нет никакого заряда.

Но фактически электроны вовсе не должны возвращаться на катод (напомню – при отсутствии напряжения на аноде). Электроны постепенно распадаются на фотоны и излучаются из радиолампы. Это приводит к тому, что видимые размеры катода как бы увеличиваются, а контуры катода при этом становятся размытыми. Я полагаю, что этот эффект наблюдал любой внимательный исследователь. Именно разрушение электронов на фотоны и излучение фотонов обеспечивает постоянство плотности распределения электронов около катода. На это обстоятельство также никто не обращает внимания.

Еще одно соображение, заставляющее предполагать отсутствие заряда у электрона, связано с необходимостью четкого объяснения, откуда берутся “лишние” электроны. Ответ на этот вопрос обязателен, поскольку отсутствие объяснения при предположении о наличии заряда позволяет считать качественное изменение физической структуры материала и химического состава катода. Однако этого вовсе не происходит. Напомню, что мы пока рассматриваем ситуацию, когда на анод не подается напряжение.

Если предположить, что заряда электрон не имеет, тогда необходимо лишь объяснить механизм термоэмиссии, в результате которого из катода может излучаться любое количество электронов. Если принять отсутствие заряда у электрона, тогда всем указанным фактам имеется вполне объективное объяснение. Впоследствии мы рассмотрим кратко эти аргументы.

Вторая загадка электрона связана с тем, что из катода излучаются частицы, которые как будто имеют массу. К чему могло бы приводить такое излучение? Если бы мы поместили на точные весы радиолампу с разогретым катодом при отсутствующем напряжении на аноде, мы должны были бы заметить уменьшение массы радиолампы после начала разогрева катода. 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.

Вот как на это утверждение могут возразить оппоненты.

“Во-первых, вы ставили подобный эксперимент? Исходя из массы электрона, я вообще сомневаюсь, что можно в принципе измерить эту разницу в весе. Во-вторых, нельзя рассматривать разные системы отсчета одновременно по определению. В-третьих, если поток электронов стационарен, то пока электрон летит, он меняет составляющую импульса вдоль поля тяжести. При ударении об анод этот добавочный импульс переходит к аноду и ко всей лампе в целом. Постоянный поток электронов передает как раз столько импульса в единицу времени, сколько сам весит. Для проверки можете взвесить систему из кастрюли, бутылки и воды. Причем вода течет из бутылки в кастрюлю, закрепленную неподвижно относительно бутылки”.

Возражения очень приблизительны. Кроме того, мой оппонент не замечает, как быстро он переходят от рассмотрения одного явления к анализу другого. Напомню: мы рассматриваем случай, когда на анод напряжение не подается. Поскольку до подачи напряжения на анод электроны оказываются не связанными каким-либо образом с катодом, их масса не может быть включена в массу катода. Следовательно, как бы ни было мало значение суммарной массы улетающих от катода электронов, на точных весах дефицит массы радиолампы был бы заметен. Но тогда мы должны были бы предположить наличие именно структурной и химической перестройки материала катода. Но этого не происходит.

В этой связи следует вспомнить энциклопедическое определение массы, принятое в классической физике.

“Масса, механ., величина, которою определяется инертность тела, то есть стремление его сохранять величину и направление скорости абсолютного движения. Количество материи называют М. тела. М. равна отношению между движущей силой (f) и произведенным ею ускорением (a), или М:a, то есть М. прямо пропорциональна силе и обратно пропорциональна ускорению. Сравнение различных М. между собою производится посредством рычажных весов. М. величина, единица которой легла в основу абсолютной системы единиц,- сантиметр - грамм - секунда (С.G.S.)”.

Это определение массы дает нам ясное понимание того, что при отсутствии внешней силы, действующей на тело, значение массы определить невозможно. Можно сказать и более жестко.

Масса покоя для любого тела вообще не существует.

Существование массы покоя является примером классического заблуждения, относящегося не только к анализу массы покоя электрона, но к любому телу. Масса - величина, которою определяется инертность тела, то есть стремление его сохранять величину и направление скорости абсолютного движения. Движение любого тела может возникнуть лишь вследствие воздействия на это тело какой-либо силы, вызывающей изменение состояния системы координат, связанной с телом. И именно массивность тела ощущается только в момент воздействия этой силы. Другого варианта выявления меры инертности (массы) не существует.

Во второй части энциклопедического определения так и говорится: масса прямо пропорциональна силе и обратно пропорциональна ускорению. Причем здесь масса покоя? Масса покоя – это не более чем логическое заблуждение, доставшееся нам от теории относительности вследствие неверного использования математических преобразований. Из сказанного следует, что четкого понимания массы в современной физике нет, поскольку физика не освободилась до сих пор от понятия “масса покоя”. Переход к новому пониманию семантики понятия массы потребует пересмотра многих положений современной физики.

Тем не менее, нас интересует масса электрона в классическом смысле как мера инертности. Значение этой массы для электрона будет определяться энергией, которую сообщили электрону при определенном воздействии на него. В этом смысле электрон подчиняется обычным классическим законам механики и его масса (как мера энергетической инертности) может быть определена. Однако и здесь не все так просто. Как будет в дальнейшем показано, энергия электрона может меняться в достаточно широком диапазоне. По этим причинам целесообразно крайне осторожно использовать по отношению к электрону такое понятие как масса, если не иметь при этом в виду его энергетические характеристики.

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 третью загадку электрона, которую 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 определенную 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 подведенной тепловой энергией, но тогда становится сомнительной знаменитая формула Эйнштейна, связывающая массу и энергию. Более определенное заключение об этой формуле Эйнштейна – она является некоторым итогом математической эквилибристики и никак не связана с реальностью.

Мои оппоненты вместо того, чтобы вдуматься в смысл данной загадки, отсылают меня к учебникам физики. Но ведь учебники физики как раз и написаны моими оппонентами. По этой причине ссылаться на самого себя некорректно.

“Откуда Вы взяли эти утверждения? Если электрон уйдет из атома, его химические свойства поменяются. В случае лампы к катоду все время поступают "свежие" электроны по питающим проводам. Причем движутся они к катоду как раз потому, что какие-то электроны оттуда ушли, и катод стал положителен. Даже в этой модели электрон может спокойно уйти либо на другую орбиту атома, либо вообще стать свободным, если у него достаточно энергии. Слова про "определенную орбиту" стоит трактовать, как то, что электрон в связанном состоянии (в атоме) не может принимать любые значения энергии”.

Снова повторю, что мы рассматриваем только случай, когда к аноду напряжение не подводится. И именно для этого случая вопрос о появлении свободных электронов становится чрезвычайно актуальным. Кстати говоря, данное возражение моих оппонентов наглядно показывает, что сегодня нет хоть какой-то приблизительной модели электропроводности веществ. Ответив на вопрос об источнике свободных электронов, мы можно спокойно ответить на вопрос о сущности электричества. На этот – последний – вопрос современная физическая наука никак не может ответить даже приблизительно.

В приведенном возражении моих оппонентов привлекает внимание и утверждение, что электрон в связанном состоянии (в атоме) не может принимать любые значения энергии. На самом деле речь должна идти совершенно о другом. Электрон не может излучать любые количества энергии, но излучает энергию в виде фотонов, т.е. дискретно. Поэтому непонятно, откуда автор возражения взял эту идею. Само непонимание этого вытекает из использования кинетической теории теплоты – теории сугубо механической, которая, на мой взгляд, никогда не давала понятной картины теплопередачи и вообще – теплоты.

Когда я утверждал, что электроны родились в результате преобразования тепловой энергии в электрон, который и становится продуктом эмиссии, то я имел в виду не голословные утверждения. Например, в специальных экспериментах, когда в условиях наличия тока воды создают плазменный разряд между электродами, зафиксирован синтез элементов практически всего начала таблицы Менделеева. При этом чистота эксперимента (тщательность контроля) соблюдается. Следовательно, формирование из тепловой энергии электронов – это реальная вещь, с которой сталкивались все радиоинженеры. Однако объяснение этому эффекту давалось неверное.

Между тем, признание этого факта реально опровергает одно из фундаментальных положений теории относительности о связи энергии и массы в том виде, как это дал Эйнштейн. Его соотношение становится, очевидно, ошибочным. На тему ошибочности теории относительности можно было бы говорить и больше, но не будем повторять выводы первой части. По этой причине здесь я лишь ограничусь констатацией того, что тепловая (в частности) энергия может преобразовываться в материальные частицы, если электрон можно назвать материальной частицей.

Разрешение этих загадок электрона связано с пересмотром многих современных оснований физики и химии, их осмысление существенно влияет и на многие философские концепции. И все сходится к тому, что изменять существующую систему взглядов придется. Но для этого философам, физикам и химикам потребуется определенное мужество для признания факта столетних и устойчивых заблуждений.