Часть I
Чтобы начать эту статью, я должен вернуться как минимум на 208 лет назад - в 1816 год к одному очень интересному человеку. В то время еще обычному ученику, но будущему талантливому экспериментатору с огромной интуицией, революционеру в физике и искусному оратору, которому было почти 25 лет - Майклу Фарадею (Michael Faraday, 1791-1867). Сейчас, я "пробегусь" лишь по части его трудов имеющих отношение к теме, но к этому человеку я еще вернусь в своих следующих статьях не один раз. А в будущем, я планирую в виде отдельной статьи подробно осветить жизнь и труды этого гения-революционера в физике и химии.
В том далеком 1816 году Майкл Фарадей только начал читать свои первые лекции " об общих свойствах материи" в организованном им городском философском обществе для бедных людей. Одна из этих лекций имела очень интересное название: «О лучистой материи»:
"Представим себе такое состояние вещества, которое так же резко отличается от парообразного, как последнее от жидкого состояния, и примем при этом во внимание соответствующее изменение свойств; поскольку мы в состоянии представить себе это, мы придем приблизительно к понятию лучистой материи. Если при превращении из жидкого состояния в газообразное вещество потеряло некоторые из своих свойств, то при этом новом превращении исчезнут еще другие свойства".
Майкл Фарадей, был очень увлечен этой идеей, три следующих года он много и глубоко размышлял об этой высшей форме материи и 1819 году представил новые объяснения в поддержку своей поразительной для того времени гипотезы. Майкл Фарадей решает, что материю можно разделить на четыре состояния — твердое, жидкое, газообразное и лучистое. Он признает, что существование лучистой материи - конечно, это только его предположение, которое еще предстоит доказать.
В 1838 г. Майкл Фарадей, изучая электрический разряд в газоразрядной трубке, обнаружил необычное явление: свечение при разряде было не непрерывным, а разделенным на две яркие области вблизи 2х электродов и темную область -темное пространство, находящееся между свечением у катода и свечением положительного столба у анода, которое получило название «темное пространство Фарадея».
Он предположил, что необычное свечение разреженного газа в вакуумной трубке в электрическом разряде и является свойством вещества в четвертом состоянии, которое он назвал «лучистой материей» 22 года назад.
Явление открытое Майклом Фарадеем в газоразрядных трубках привлекло большой интерес к исследованиям других ученых того времени.
Важным шагом на пути дальнейшего исследования газовых электрических разрядов было изготовление усовершенствованной высоковольтной индукционной катушки в 1851 году немецким инженером-приборостроителем Генрихом Даниэлем Румкорффом (Heinrich Daniel Ruhmkorff (1803–1877).
Эта катушка позволяла генерировать импульсное напряжение на выходе до 200 тысяч вольт. Изготовление такой усовершенствованной катушки открыло эпоху в новых исследованиях и открытиях в физике XIX века, что вполне можно сравнить по значимости с появлением ускорителей элементарных частиц в XX веке.
видео работы катушки Румкорфа тут:
Уильям Роберт Гроув (William Robert Grove 1811-1896) 1го апреля 1852г представил две свои работы, прочитанные им в Королевском обществе: «Об электрохимической полярности газов» и «О полосах, наблюдаемых в электрическом разряде в вакууме». Скорее всего, его интересовал электрический газовый разряд как возможный источник света, поскольку он активно занимался изобретением различных электрических ламп для освещения.
В своих работах он написал:" я наблюдал электрический разряд в вакуумной трубке, который был исчерчен поперечными несветящимися полосами...и такие узоры сопровождают все электрические разряды в вакуумных трубках"
Уильям Гроув установил, что прохождение электричества через частично откачанную стеклянную трубку вызывает интенсивное свечение газа, цвет которого зависел от химического состава газа и его давления. Но, ниже определенного давления- интенсивность свечения падала и оно представляло собой многослойный узор из ярких и темных полос.
В 1854 г. английский бизнесмен и ученый-любитель Джон Гассиот (John Peter Gassiot, 1797—1877), приобрел герметичную частично вакуумированную стеклянную трубку с впаянными в её концы платиновыми электродами для проведения своих обширных исследований электрического разряда в разреженном воздухе.
Интерес Джона Гассиота к изучению газового разряда возник из-за работ его друга Уильяма Гроува. Джон Гассиот на личные средства оборудовал себе лабораторию, где исследовал разные методики проведения экспериментов с разрядной трубкой уже собственной конструкции (диаметр 5 см, длина 127 см) и индукционными катушками с разными характеристиками. Одну индукционную катушку ему дал Уильям Гроув, а другую катушку прислал из Парижа и лично изготовил для него Генрих Румкорф. В своей работе Джон Гассиот отмечает, что с помощью указанных индукционных катушек он получил в газовом разряде поперечные тусклые и темные полосы, которые впервые описал в своей статье его друг Уильям Гроув.
Джон Гассиот пишет: «Невозможно описать красоту этого эксперимента. Это нужно увидеть, чтобы это оценить, но те эксперименты, о которых я собираюсь упомянуть, определяют возможности технического инструментария (имеется в виду катушка Румкорфа) и характер исследований, к которым он применим". В своих первых исследованиях Джон Гассиот продемонстрировал, что, при достижении низкого давления газа в стеклянной трубке могут образовываться полосы. Главное, на опытах он показал, что электрофо́рная машина производит такой же полосатый разряд, как и катушка Румкорфа подключенная к гальваническим элементам-ячейкам Уильяма Гроува. А это еще раз подтвердило тождество этих двух источников электричества. Джон Гассиот также установил очень важное - мощный электромагнит разделяет полосы на две отдельные колонки. Он также установил влияние на отклонение разряда не только магнитных полей, но и электрических полей тоже. О своих результатах исследований Джон Гассиот объявил в ходе своего доклада для Королевского общества в 1858 г.
В 1855 году, к этой теме подключился немецкий математик-геометр Юлиус Плюккер( Julius Plucker 1801-1868), решивший оставить математику и заняться изучением электропроводности и свечения газов. Его исследования основывались на идеях и работах Майкла Фарадея, с которым он часто переписывался в течение 15 лет. Для своих исследований он использовал стеклянную трубку с двумя платиновыми электродами на концах -газоразрядную трубку Генриха Гейслера, которую заполнял изучаемым газом и откачивая газ, постепенно уменьшая давление газа в трубке, подавал высокое напряжение, при этом газ начинал испускать характерное свечение-каждый газ имел свой индивидуальный цвет свечения.
Такие светящиеся стеклянные трубки стали назвали Гейслеровыми, по имени знаменитого немецкого стеклодува - изобретателя и производителя своих светящихся трубок- Генриха Гейслера(Geissler Heinrich, 1814-1879), который достиг высочайшего мастерства в их изготовлении. Свои исследования Юлиус Плюккер по этой причине провел в тесном сотрудничестве с Генрихом Гейслером. Сам Юлиус Плюккер, как математик слабо владел способностями хорошего экспериментатора, но Генрих Гейслер, кроме совместной исследовательской работы решал ещё и сложные технические задачи экспериментального характера. Стиль исследовательской работы Юлиуса Плюккера был скорее интуитивным, но его эксперименты отличались умением исследовать сложные задачи. К сожалению, теоретическим объяснениям или даже к применению привычной ему математики Юлиус Плюккер в этих работах никогда не прибегал и вероятно у него не возникало желания установить законы с математической формулировкой.
В 1857году Юлиус Плюккер занялся исследованием влияния магнитного поля на процессы газового разряда. В одной из своих статей он отмечал, что влияние магнитного поля на газовый разряд он увидел у Джона Гассиота: «Если прикоснуться к трубке в ее темном месте рядом с отрицательным электродом слабым подковообразным магнитом, то система белых облаков втянется в темное пространство; прекрасное явление, которое я видел у мистера Гассиота, но, которое я до этого не мог наблюдать ни в одной из трубок Генриха Гейслера». Затем он решил воздействовать на эту пустоту более мощным магнитом и обнаружил удивительное явление:
свет исходивший из области катода(отрицательного электрода) "отрицательный свет", распространяющийся от катода внутри трубки, изгибался в соответствии с магнитными силовыми линиями Майкла Фарадея.
Об увиденном в своих опытах Юлиус Плюккер срочно написал Майклу Фарадею: " Я не могу рассказать все в нескольких словах, кроме того, что с помощью отрицательного электрического света, я могу сделать светящимися ваши силовые магнитные линии.....теперь есть способ получить изображение этих кривых линий не только используя железные опилки, "отрицательный свет" мог бы служить более подходящим средством неподверженному действию силы тяжести." После обнаружения влияния магнита на газовый разряд в вакуумной трубке, Юлиус Плюккер стал называть "отрицательный свет" “магнитным светом”. Его поведение в магнитном поле резко отличалось от поведения свечения газа в области положительного электрода- "положительного света". Т.е. он разделил возникающий в трубке свет на "магнитный" и "положительный", положительный свет был назван “электрическим светом” .
В понимании Юлиуса Плюккера световые эффекты были взаимосвязью электричества и материи. Он, как и Майкл Фарадей, был убежден, что электричества без материи не существует, а следовательно и электрического света. Любое объяснение электрического света должно было сопровождаться более глубоким пониманием природы "лучистой материи" как некой среды электрического тока.
За период 1858-1862 гг Юлиус Плюккер опубликовал девять статей о проведенных им исследованиях, а это более 100 страниц, но, что удивительно, ни в одну из девяти статей он не включил в качестве соавтора Генриха Гейслера, на что Генрих Гейслер очень обижался.
В1860 г. Генрих Гейслер значительно улучшил характеристики и конструкцию ртутного вакуумного насоса, что позволило значительно снизить давление газа в стеклянных трубках.
И оказалось, что при более глубоком разрежении в трубке, вблизи катода свет вдруг начинал исчезать и появлялось темное пространство, а если еще больше откачивать газ из трубки, то темное пространство увеличивалось и наступал момент, когда газ переставал светиться и темнота заполняла всю трубку. И самое интересное, в этот момент с противоположной стороны катода, само стекло начинало излучать бледный зелено-яблочный или синий цвет.
Видео изменения картины разряда при понижении давления тут
Другой очень важной областью исследования, которая все больше и больше привлекала внимание Юлиуса Плюккера, был призматический анализ световых эффектов. Он обнаружил, что при пропускании светового потока газового разряда через призму, оттенки свечения газа можно свести к нескольким характерным линиям “математической четкости”. Юлиус Плюккер обнаружил, что каждый газ имеет свои линии, но для более глубоко исследования этого явления собственных знаний в области химии было недостаточно и нужен был такой человек, который смог бы помочь решить эту задачу.
И такой человек был найден в 1862г. - его ученик и сотрудник Иоганн Вильгельм Гитторф (Johann Wilhelm Hittorf, 1824-1914). Это был немецкий ученый-химик с фундаментальным образованием, экспериментатор, изобретатель с отличными инженерными навыками, человек с глубоким и строгим системным подходом в изучении различных явлений - это была хорошая кандидатура для исследования этого природного феномена - Иоганн Вильгельм Ги́тторф.
1862 год можно рассматривать как начало исследовательского пути в изучении электрических разрядов в газах , пути, которому Иоганн Гитторф отдал более 20 лет своей жизни.
Иоганн Гитторф в начале сотрудничества с Юлиусом Плюккером сразу взял на себя задачу более тщательной технической подготовки газоразрядных трубок для изучения спектрального свечения газов – он сильнее откачивал воздух и заполнял трубку более очищенным от примесей и паров воды изучаемым газом. Это было просто необходимо для снижения загрязненности посторонними примесями, которые могли сильно искажать результаты опыта. Иоганн Гитторф не только развил способы очистки веществ, но и внедрил важные усовершенствования в вакуумную технологию- использовав улучшенный ртутный вакуумный насос Шпренгеля с очень хорошей глубиной вакуума. В итоге его технологическое мастерство превзошло мастерство самого Генриха Гейслера.
Наиболее важным результатом сотрудничества Юлиуса Плюккера и Иоганна Гитторфа стало наблюдение того, что один газ может иметь до трех совершенно разных спектров, т.е. одно вещество может демонстрировать различные спектры излучения. Это было новым и необычным открытием. Юлиус Плюккер и Иоганн Гитторф объяснили вариации спектров аллотропностью молекул газа, т.е. несколькими видами молекул газа. На тот момент, такое объяснение было революционным и некоторые ученые того времени не соглашались с подобным объяснением, да и честно говоря, этот факт не привлекал к себе особого внимания. Но, после смерти Юлиуса Плюккера в 1868, этим открытием заинтересовался один очень молодой ученый, в возрасте 18 лет он начал подробно изучать результаты исследований Юлиуса Плюккера и Иоганна Гитторфа, а затем продолжил их и добился огромных успехов- это был немецкий физик Ойген Гольдштейн (Gotthilf-Eugen Goldstein, 1850—1930).
В 1870 году, в возрасте 20 лет он начал проводить собственные исследования с газоразрядными трубками. Ойген Гольдштейн был учеником и другом физика Германа фон Гельмгольца. Герман фон Гельмгольц представил работу Ойгена Гольдштейна в Королевской Прусской академии наук в Берлине 13 августа 1874 года под названием «О наблюдениях газовых спектров», эта работа стала первой научной публикацией Ойгена Гольдштейна и началом более чем пятидесятилетнего исследования, которое он сформулировал, как «электрический разряд в разреженных газах». Ойген Гольдштейн использовал различные источники электричества (индукторы, лейденские банки, электрофорные машины) для создания газового разряда и смог получать разные электрические разряды. На тот момент у ученых не было четкого понимания причины появления различных вариантов спектров излучения газа. Обсуждались различные причины и одна из причин называлась "зависимость от типа электрического разряда". В своей работе Ойген Гольдштейн смог доказать, что разновидность электрических разрядов не влияет на появление разных спектров".
Спустя два года после первой публикации, 1876 году, Ойген Гольдштейн исследуя испускаемое катодное излучение, пришел к его пониманию "как фундаментальное проявление электричества и как проявление свойств эфира". Этому излучению он присвоил название: «катодные лучи», которые было выбрано им из всей совокупности терминов, употребляемых в исследованиях Юлиуса Плюккера и Иоганна Гитторфа. Среди различных терминов были: "катодные лучи", «отрицательный свет», «катодный свет», «магнитный свет» и др.. .К дальнейшим революционным работам Ойгена Гольдштейна я еще вернусь в следующих статьях.
По решению Юлиуса Плюккера его сотрудничество с Иоганном Гитторфом завершилось в 1865г, фактически за три года до смерти Юлиуса Плюккера. В 1867 году Иоганн Гитторф по воле судьбы принимает в наследство то научное состояние, которое осталось от работ Юлиуса Плюккера и Генриха Гейслера. Как талантливый ученый и исследователь, он приходит к мысли о переосмыслении и чистке богатого, но чрезмерно противоречивого экспериментального наследия. Его строгий и глубокий научный подход создает новую стратегию для продолжения начатых исследований. Условно ее можно разделить на три этапа:
Первый этап новых исследований - была попытка понять и измерить размеры и масштабы изучаемого явления, т.е. найти те максимальные границы, при которых феномен существует, как называют его физики - границы феноменологического поля, исследуя структуры и границы этого поля, нужно определить область экспериментального пространства, например - найти и понять нужные параметры экспериментальной технической базы. На этом этапе, Иоганну Гитторфу удалось сконструировать новый вакуумный насос и откачивать им трубки до такой глубины вакуума, что такая трубка не разряжала даже самую высоковольтную катушку Румкорфа . Этими вакуумными трубками он доказал, что вакуум не проводит электричество. Такие трубки "наполненные вакуумом" производились и хорошо продавались компанией Генриха Гейслера как “резистивные трубки Гитторфа” и рекламировались как содержащие “идеальный вакуум". Как нечто сувенирное.
Второй этап можно назвать "подготовка к микроизмерениям", т.е. подготовка нужной экспериментально-технической базы. Иоганн Гитторф разработал и изготовил различные приборы, которые нужны были для более качественных и точных измерений.
Третий этап предполагал приступить к более глубоким исследованиям с более точными измерениями, в т.ч. того, что было сделано ранее, то, что уже обнаружили Юлиус Плюккер и Генрих Гейслер,
В 1868 году Юлиус Плюккер умирает. В 1869 году Иоганн Гитторф самостоятельно приступил к началу системного исследования газового разряда и «отрицательного света» с целью количественного измерения результатов своих опытов, для этого он решил использовать закон Джоуля-Ленца (закон открыт 1841-1842): "количество теплоты, выделяемое проводником при протекании по нему электрического тока, равно произведению силы этого тока в квадрате, сопротивлению проводника и времени, за которое по проводнику течёт ток
Используя эту идею, он все свел в единую исследовательскую систему: излучаемый свет, электричество, тепло и изменение состояния газа . И главное - благодаря закону Джоуля-Ленца, электрический ток можно было рассматривать не только как инструмент для обеспечения химических или физических воздействий в опытах , но измеряя величину тока, напряжения и времени в реакциях, делать эти реакции управляемыми и поддающиеся измерениям, что позволяло провести так необходимые расчеты.
Пытаясь регулировать мощность электрического разряда и яркость электрического света у анода, Иоганн Гитторф обнаружил и измерил необычное электрическое сопротивление на катоде, которое, вероятно, имело туже природу, что и "отрицательный свет". Но, большинство его коллег полагали, что "отрицательный свет" является побочным эффектом "положительного света"- т.е. процессов происходящих вблизи анода. Поэтому, долгое время Иоганн Гитторф оставался один в своем исследовании "отрицательного света".
В процессе своих исследований Иоганн Гитторф описал и сформулировал основные свойства "отрицательного света", исходящего от катода и распространяющейся к аноду. Он установил, что этот свет распространяется по прямой линии, производит флуоресценцию (бледно зеленое свечение), когда лучи света попадают на стенку стеклянной трубки, и что металлическая полоска помещенная между катодом и стеклянными стенками газоразрядной трубки, отбрасывают резкие прямые тени, что наводит на мысль о том, что катод является источником неизвестного излучения, которое не только электрически заряжено, но и распространяется по прямым линиям, подобно лучам света и предположительно имеет волновую природу.
К концу 1870-х годов Иоганн Гитторф уже располагал хорошей технической базой для лабораторных исследований- он мог создавать различную глубину вакуума, регулировать и измерять величину электрического тока и напряжения в широком диапазоне. Но, ему не нравились любые резкие изменения измеряемых величин. Его убеждение состояло в том, что явление, может быть хорошо исследовано только в том случае, если измерения будут проводиться с плавным изменением измеряемых величин и все полученные данные будут объединены в единую структуру эксперимента.
Однако Иоганн Гитторф приступил к третьей фазе своих исследований только в начале 1880-х годов. Одним из немногих показательных результатов третьей фазы является разработанные им разные по форме многоэлектродные трубки, с помощью которых он начал составлять карту изменения потенциала внутри трубки. У него было убеждение в том, что газы будут проводить электричество способом , похожим с проводимостью металлов и электролитических растворов. Чтобы исследовать проводящие свойства трубок в связи с изменениями световых эффектов, Иоганн Гитторф использовал дополнительные электроды в трубках,
Им были сконструированы специальные многоэлектродные трубки для наблюдения за поведением положительного и отрицательного света при различных давлениях. Во всех этих экспериментах возникающие световые эффекты служили индикаторами, которые были связаны с изменениями электрических свойств исследуемого газа. Знание и понимание тонкой взаимосвязи формы трубок, электродов и электрических параметров - было очень важно для понимания условий процесса газового разряда. Как выяснилось, процесс исследования проводимости газов требовал, чтобы электрический разряд в трубке был непрерывным, т.е. постоянным. Обеспечение подходящим электрическим источником было очень сложной и затратной задачей. Для этих целей нужен был источник высокого напряжения постоянного тока, а не импульсный, который, мог выдавать только импульсное напряжение. Единственным подходящим источником постоянного тока была высоковольтная гальваническая батарея – очень дорогой образец “большой науки” девятнадцатого века. Иоганну Гитторфу потребовалось несколько лет, чтобы только в 1883 году собрать нужную батарею из 2400 элементов и получить постоянное напряжение на выходе почти в 5000 вольт.
Последняя работа Иоганна Гитторфа о газовом разряде была опубликованная в 1884 году, в который он так и не представил свои окончательные выводы. Возможная причина этого в том, что он столкнулся с серьезным проблемами несостыковки результатов своих опытов и покорившей его теории Джеймса Максвелла 1873г. Несмотря на то, что он смог создать очень хорошую экспериментальную базу для своих исследований, он не смог объединить результаты своих опытов с теорией Джеймса Максвелла. Он так и не смог найти ответы на свои вопросы в теории Джеймса Максвелла и я думаю, что именно предположение о волновой природе "отрицательного света" завело Иоганна Гитторфа в идейный тупик.
Была и еще более серьезная проблема- в начале 1880-х годов у Иоганна Гитторфа произошел серьезный нервный срыв. Он сопровождался сильной апатией ко всему и всякому. Целыми днями он не произносил ни единого слова, сосредоточившись на одном и том же ходе мыслей, связанных с проблемами математической физики, которые вероятно перенапрягали даже его острый интеллект. Эти перенапряжения донимали его все время - книга Джеймса Максвелла сопровождала его почти днем и ночью. Он потерял аппетит, сон и, наконец, уравновешенное настроение. Мрачный и молчаливый, почти все время сидел в своем кабинете и читал.
Вот отрывок из воспоминаний его жены:" Мы пытались выводить его на прогулку, устраивали походы в театр и даже умудрялись пригласить его и его сестру посмотреть комедию – в большинстве случаев его неугомонность приводила его домой раньше запланированного срока, где он снова был поглощен непостижимым Максвеллом. Потеря веса моего мужа в то время была ужасающей, мы решили, что с целью оздоровления мой муж присоединится к своему другу для путешествия по горам, но в тайне он взял с собой книгу Джеймса Максвелла".
Касательно здоровья Иоганна Гитторфа - мое личное предположение, что в своих опытах с газоразрядными трубками, он получил приличную дозу неоткрытого еще на тот момент рентгеновского излучения.
Конец 70-х и 80-е года 19-го столетия стали очередной точкой перелома и прорыва в физике. Это было уникальное время труда титанов, на плечах которых стоит вся современная физика. Да, Майкл Фарадей, Уильям Гроув, Джон Гассиот, Юлиус Плюккер, Генрих Гейслер, Иоганн Гитторф - сделали много -они создали фундамент для дальнейшего шага- шага к открытию электрона. Но, на сцену физики выйдут уже другие выдающиеся личности, которые смогли своими трудами открыть то чудо, которое сейчас мы знаем как электрон. Продолжение в следующей статье.
часть II : "У истоков электрона. Викторианский оккультизм и таинственные катодные лучи"
часть III: "У истоков электрона. Спиритуалист Уильям Крукс и радиометр"
Спасибо за прочтение моей статьи. За лайками не гонюсь, если статья понравилась, ваш лайк лишним не будет.