Металлы являются наиболее распространенным видом проводников. Какого же сорта заряженные частицы могут свободно в них двигаться, делая их проводящими? Обладают ли эти частицы положительным или отрицательным зарядом или же тем и другим? Нет такого опыта, который ответил бы на этот вопрос в такой же отчетливой форме, как в случае проводящих газов и жидкостей. Однако одно наблюдение дает нам весьма обещающий ключ к разгадке; вместе с другими данными оно приводит к исчерпывающему ответу.

Естественно предположить, что заряженные частицы в металлах участвуют в тепловом движении подобно молекулам газа. Опыты показывают, что заряженный кусок металла, находящийся в вакууме, сколь угодно долго сохраняет свой заряд. Следовательно, заряженные частицы при обычных условиях не могут покидать металл. Отсюда мы заключаем, что когда движущиеся частицы оказываются вблизи поверхности металла, на них действуют силы, препятствующие их вылету и втягивающие их обратно в металл.
Теперь нагреем металл. С повышением температуры скорости частиц должны возрасти, как это происходит со скоростями молекул газа. При достаточно высоких температурах значительная доля частиц должна обладать скоростями, достаточными для вылета. Подобно ракетам, движущимся достаточно быстро для того, чтобы преодолеть гравитационное притяжение Земли, эти быстро движущиеся частицы могут выходить за пределы действия сил притяжения. скачать книги

С прибором, показанным на рис., мы можем провести опыты, позволяющие увидеть, что же именно происходит при нагревании металла. Существенную часть этой установки представляет полый металлический цилиндр с тонкой металлической нитью, укрепленной вдоль его оси. Цилиндр с нитью впаяны в стеклянный сосуд, который тщательно откачан. Для нагрева нити присоединим ее к батарее накала А. Присоединим также нить через измеритель тока к отрицательному полюсу батареи В. Положительный полюс батареи В присоединен к цилиндру.
Пока нить находится при обычных температурах, в цепи батареи В нет тока. Но если постепенно повышать температуру нити, то измеритель отметит появление тока, показывая, что заряженные частицы проходят через безвоздушное пространство между нитью и цилиндром. По мере повышения температуры нити, которая от оранжевого свечения перейдет к белому, ток будет очень быстро возрастать.
Повторим опыт, изменив в обратном порядке соединение с батареей B. Цилиндр теперь заряжен отрицательно, а нить — положительно. В этом случае прибор не покажет наличия тока, даже если нагреть нить до белого каления.
Что означают эти результаты? Предположим сначала, что горячая нить испускает отрицательные частицы. Когда нить заряжена отрицательно, а цилиндр положительно, то эти частицы отталкиваются нитью и притягиваются цилиндром. Следовательно, они движутся от нити к цилиндру; затем они переходят по металлической проволоке к положительному полюсу батареи и от отрицательного полюса через металлическую проволоку — снова к горячей нити. Таким образом, испускание нитью отрицательных частиц действительно перекидывает мост между нитью и цилиндром, так что в цепи наблюдается устойчивый ток.
Предположим теперь, что нить испускает положительные частицы. Они образуют мост, если нить заряжена положительно, а цилиндр — отрицательно; тогда мы наблюдали бы ток в цепи батареи В. Следовательно, тот факт, что при положительно заряженной нити ток отсутствует, доказывает, что нить не испускает положительных частиц. Отсюда мы делаем вывод, что все заряженные частицы, вылетающие из нагретого металла, заряжены отрицательно.
Естественно, мы приходим к убеждению, что здесь, при испускании в вакуум, мы имеем дело с теми же самыми частицами, которые движутся внутри металла. Эти частицы называются электронами. Испускание электронов металлами известно как явление термоэлектронной эмиссии.
Дальнейшие опыты показывают, что электроны одинаковы во всех металлах. В описанном выше опыте можно изготовить нить и цилиндр из различных металлов, например из вольфрама и никеля. Будем затем длительное время пропускать термоэлектронный ток, но при температуре, при которой вольфрам заметно не испаряется. Мы не обнаружим на цилиндре следов металла нити, независимо
от того, как долго протекали электроны. Не происходит также изменений химического состава цилиндра или нити. Электроны, вылетевшие из вольфрама, должны быть тождественны с электронами, находящимися в никеле.
Этот вывод подкрепляется аналогичными данными для соприкасающихся металлов. Можно соединить никелевой проволокой медные полюсы батареи и пропускать ток в течение нескольких дней; при этом не будет заметно никакого изменения как в самой проволоке, так и в полюсах батареи. От одного металла к другому при этом перейдет очень много электронов, но не произойдет никакого изменения ни в меди, ни в никеле. Таким образом, электроны никеля и меди неразличимы.
В конечном итоге мы приходим к выводу, что электроны должны принадлежать к числу мельчайших кирпичиков, которые входят в состав всех металлов и вообще всех атомов. В настоящее время правильность этого заключения не вызывает сомнений, и в последующих главах мы найдем этому еще много подтверждений.