J. J. Thomson, Conduction of electricity through gases § 10

Ионы.

Общие соображения.

Прохождение электрического тока через газы и пустоту.

В предыдущей главе мы познакомились с общей характеристи­кой того сложного электромагнитного комплекса, который воспри­нимается нами, как электрический ток. Мы видели, что основной энергетический процесс в этом явлении локализован в пространстве, окружающем так называемый проводник. В то же время внутри проводника мы имеем другую сторону явления тока — движение электричества, причем это движение обычно распространено па всему объему проводника. Отвлекаясь от того, что имеет место вне проводника, мы можем сосредоточить свое внимание на дета­лях, происходящих внутри него движений. В этом отношении про­хождение тока через газы и пустоту представляет особый интерес ввиду возможности в данном случае сравнительно легко контро­лировать различные подробности, которыми характеризуется этот процесс, и проследить отдельные его элементы.

Как и в электролитах, прохождение тока через газы сопрово­ждается переносом через поперечное сечение проводника обычных материальных частиц, заряженных.положительным и отрицательным электричеством. Но, в отличие от того, что происходит в электро­литах, в случае газов мы встречаемся, сверх того, с носителем от­рицательного электричества, который оказывается, так сказать, не­материальным в грубом смысле этого слова. Мы имеем в виду электрон, масса которого во много раз меньше массы самого лег­кого атома обычной материи, т. е. атома водорода. Электрон является каким-то элементом той физической первоматерии, из ко­торой построены атомы обычной материи. При помощи электронов может быть осуществлен также постоянный перенос электричества через пространство, освобожденное от обычной материи путем вы­качивания газа самым совершенным методом, т. е. через так назы­ваемую пустоту.

Краткому рассмотрению основных вопросов, относящихся к пе­реносу электричества через газообразную среду и через пустоту, настоящая глава и посвящена.

В нормальном своем состоянии газы столь слабо проводят электрический ток, что требуются совершенно особые, в высшей сте­пени чувствительные методы, чтобы это обнаружить. В связи с ука­занным обстоятельством, газы обычно рассматривают как среду, обладающую очень высокими изолирующими свойствами. Но есть целый ряд физических факторов, сообщающих газам довольно за­метную проводимость. Примером этого могут служить рентгеновы лучи. Проходя сквозь газообразную среду, они сообщают ей свой­ство проводимости.

Представим себе некоторый электроскоп А (рис. 131), стеклян­ная камера которого снабжена металлическим дном и крышкой с двумя вделанными в нее трубками, служащими для пропускания сквозь камеру воздуха.

Одна из этих трубок присоединена к отка­чивающему насосу, а другая через посредство стеклянной трубы В присоединена к стеклянной же воронке С, позволяющей засасывать воздух из района, подверженного воздействию рентгеновских лучей. Рентгенова трубка помещена в свинцовом ящике с окном против воронки С. Благодаря такому расположению электроскоп защищен. от непосредственного действия лучей. Когда рентгенова трубка находится в действии, но насос не работает, и при этом воздух в камере А неподвижен, заряженный электроскоп долго сохраняет свой заряд. Если же насос работает, создавая медленное движение воздуха сквозь камеру А, электроскоп более или менее быстро те­ряет свой заряд независимо от того, будет ли он положителен или отрицателен.

Необходимо отметить, что из этого опыта, кроме факта сообще­ния воздуху проводимости путем воздействия со стороны рентге­новских лучей, следует еще доказательство способности воздуха сохранять приобретенное свойство проводимости в продолжение некоторого промежутка времени, в течение которого воздух про­ходит сквозь трубу В. Проводимость, однако, уменьшается по мере удлинения этого промежутка времени при прочих равных условиях. И если, не заряжая предварительно электроскопа, заполнить его камеру А воздухом, получившим свойство проводимости от рентге­новских лучей, а затем прекратить ток воздуха и выждать доста­точное время, то после этого, зарядив электроскоп, мы убедимся, что воздух совсем уже перестал проводить электричество: электроскоп будет сохранять свой заряд.

При помощи описанного устройства (рис. 131) можно убедиться, что воздух теряет свое свойство проводимости и в том случае, если, не прекращая его просасывания через камеру А, мы будем пропускать его сквозь стеклянную вату, заполняющую трубу В, или если заставим воздух на пути от С к A проходить мелкими пузырь-

ками через воду, сохраняя при этом неизменной скорость движе­ния воздуха сквозь камеру А. Если, далее, заменить стеклянную трубку В металлической сравнительно малого диаметра, то воздух опять же теряет свойство проводимости, проходя по этой металли­ческой трубке, причем чем трубка тоньше, тем скорее исчезает проводимость. Можно, наконец, уничтожить проводимость воздуха и путем пропускания его до камеры А сквозь электрическое поле. Для этого можно, например, заменить стеклянную трубу В метал­лической достаточно большого диаметра и расположить по оси этой трубы некоторую проволоку, изолировав ее от самой трубы. Если разность потенциалов между трубой и проволокой равна нулю, то можно будет наблюдать спадение листочков электроскопа при про­тягивании воздуха сквозь камеру А. Если же, оставляя все прочее неизменным, мы создадим некоторую, не слишком большую разность потенциалов между трубою и проволокой, электроскоп пере­станет разряжаться, из чего следует, что электрическое поле спо­собно уничтожить свойство проводимости, приобретенное газом. Дж. Дж. Томсон, один из основателей современного учения о прохождении тока через газы, анализируя вышеописанные опыты, так формулирует свое заключение по поводу них: „Удаление про­водимости путем фильтрации через стеклянную вату или воду, а также при пропускании газа сквозь тонкую металлическую трубку показывает, что свойство проводимости является результатом ка­кой-то примеси к газу, так как эта примесь отделяется от газа в одном случае фильтрацией, в другом же случае — диффузией к стенкам металлической трубки. Далее удаление проводимости путем воздей­ствия электрическим полем показывает, что это нечто, примешан­ное к газу, заряжено электричеством и движется под действием электрического поля; так как газ, находящийся в состоянии про­водимости, в целом не обнаруживает какого-либо знака электриза­ции, то, следовательно, удаляемые заряды должны быть обоих зна­ков: как положительные, так и отрицательные. Таким образом, мы приходим к заключению, что проводимость газа обязана присут­ствию в нем наэлектризованных частиц, причем некоторые из этих частиц заряжены положительным электричеством, другие же —

отрицательным. Мы будем называть эти наэлектризованные частицы ионами, а процесс, при помощи которого газу сообщается свойство проводимости, — ионизацией газа. Мы покажем далее, как могут быть определены массы и заряды ионов, и тогда будет видно, что ионы в газах не тождественны с ионами, встречающимися при элек­тролизе растворов".

В связи с тем, что говорилось в § 76, можно, таким образом, по поводу носителей электричества в газах сказать следующее: ионами в данном случае являются как обладающие зарядами обыч­ные материальные частицы, так и электроны. Электроны, освобо­ждаемые благодаря отрыванию их от нейтральных молекул и ато­мов, всегда являются принципиально отрицательными ионами. Как показывают исследования, другая категория ионов состоит прежде всего из молекул газа (в случае одноатомных газов — из атомов газа), лишенных электрона и потому заряженных положительно. Сверх того, встречаются и тяжелые отрицательные ионы, образо­вавшиеся путем присоединения к свободному электрону нейтраль­ной молекулы газа. Наконец, к свободному электрону, и к первич­ному положительному иону могут присоединяться целые группы нейтральных молекул, образуя довольно громоздкие образования с общей массой, иногда значительно превышающей массу нормаль­ной молекулы газа. Получаются таким путем целые, так сказать, грозди молекул, прилипших к электрону или положительному остатку нормальной молекулы газа. Все эти ионы разных категорий приходят в движение под действием электрического поля и уча­ствуют в процессе прохождения тока через газы. Итак, мы видим, что в случае газообразной среды характер носителей электричества может быть, вообще говоря, весьма разнообразный, и в связи с этим условия прохождения тока через газы более или менее осложняются.

Дата добавления: 2014-11-29