Развитие электронной теории

В 1881 году в речи, посвященной памяти Фарадея, Гельмгольц высказал его идею о дискретности электричества в четко определенной форме: «Если мы допускаем существование химических атомов, то мы принуждены заключить отсюда, что также и электричество, как положительное, так и отрицательное, разделяется на определенные элементарные количества, которые играют роль атомов электричества». Это элементарное количество электричества Гельмгольц назвал электрическим зарядом иона.

Еще в 1858 – 59 гг. немецкий физик Юлиус Плюккер, исследуя электрический разряд в газоразрядных трубках, заметил, что в случае очень разреженного газа и достаточно высокой разности потенциалов между катодом и анодом свечение в трубке имеет форму «шнура», исходящего из катода. Оказалось, что «шнур» отклоняется магнитным полем. Данное явление получило название катодных лучей. Плюккер пришел к заключению, что катодные лучи – это поток заряженных частиц, летящих от катода к аноду.

К 80-м годам было установлено, что проводимость газов можно увеличить, подвергнув их нагреванию. В 1882 году Вильгельм Гизе высказал мнение, что, подобно проводимости электролитов, проводимость газов объясняется наличием в них заряженных частиц – ионов. Согласно его теории, в газах всегда имеется некоторое количество заряженных частиц, образующихся в результате деления молекул на положительные и отрицательные ионы. При комнатных температурах количество ионов в газах ничтожно мало. При высоких температурах их число увеличивается и проводимость возрастает.

Такую точку зрения разделял и английский физик Артур Шустер. В 1884 году он попытался опытным путем определить отношение заряда ионов, составляющих, по его мнению, катодные лучи, к их массе. Для этого он использовал отклонение катодных лучей в магнитном поле. В то время уже было известно, что движущаяся со скоростью частица с зарядом e и массой m, попадая в магнитное поле, вектор напряженности которого перпендикулярен направлению скорости, описывает дугу окружности, радиус которой r определяется из равенства . Считая, что скорость частицы в катодных лучах обусловлена разностью потенциалов V между катодом и анодом , можно получить формулу для удельного заряда частицы: . Таким образом, зная напряженность магнитного поля H, разность потенциалов V и определив из опыта радиус окружности r, можно было вычислить отношение заряда к массе для частиц катодных лучей. Такой эксперимент и проделал Шустер. Но его результат показался Шустеру сомнительным. Он ожидал, что отношение в катодных лучах по порядку величины должно быть равно такому же отношению для иона водорода. Получилось же значение, примерно в 1500 раз большее. «Я мог отсюда заключить, – писал Шустер, – что или количество электричества, переносимое при разряде в газах, значительно больше переносимого ионами при электролизе, или что масса его носителя гораздо меньше». Однако Шустер окончательного заключения не сделал; его исследования были опубликованы в 1890 году, но никто не обратил на них внимания.

Начиная с 70-х годов XIX века, разработкой электронной теории занялся Лоренц, объяснивший с ее помощью многие электромагнитные и оптические явления. Ранее твердые тела рассматривались как сплошные, а электромагнитное поле в них – как колебания эфира, пронизывающего эти тела. Вопрос об источниках этих колебаний оставался открытым. В теории Максвелла свойства среды, в которой наблюдаются электромагнитные и оптические явления, описывались феноменологическими коэффициентами: диэлектрической проницаемостью , проводимостью  и магнитной проницаемостью , определяемыми из опыта. Лоренц указывал, что « … если мы хотим понять, каким образом электрические и магнитные свойства зависят от температуры, плотности, химического строения или кристаллического состояния вещества, то мы не можем удовлетвориться простым введением для каждого вещества этих коэффициентов, значения которых должны определяться из опыта; мы будем принуждены обратиться к какой-нибудь гипотезе относительно механизма, лежащего в основе всех этих явлений». В качестве такой гипотезы Лоренц привлек концепцию атомизма. Он предположил, что вещество построено из атомов, между которыми находится пустое пространство, заполненное эфиром. Атомы представляют собой элементарные осцилляторы, обладающие электрическим зарядом. Под действием световой волны заряды в атомах приходят в колебательное движение и становятся источниками вторичных электромагнитных волн, распространяющихся в эфире. Эти волны, интерферируя с первичными, и обусловливают отражение и преломление света. Эта модель позже послужила основой для создания электронной теории дисперсии света.

Полученные им результаты в области электронной теории Лоренц последовательно изложил в ряде статей. В 1892 году он выпустил работу «Электромагнитная теория Максвелла и ее приложение к движущимся телам», в этом же году опубликовал заметку «Относительное движение Земли и эфира», в которой обсудил результаты эксперимента Майкельсона – Морли и для спасения представлений об эфире предложил гипотезу сокращения продольных размеров тел. В 1895 году вышла фундаментальная работа Лоренца «Опыт теории электрических и оптических явлений в движущихся телах», в которой он дал систематическое изложение электронной теории. Завершила этот цикл работ опубликованная им в 1903 году статья «Электронная теория».

Согласно Лоренцу, заряженные частицы вещества, которые он назвал ионами, создают в окружающем их эфире электрическое и магнитное поля, определяемые векторами напряженности и . Величина и изменение этих полей со временем определяются уравнениями Максвелла, которые с учетом того, что электрический ток является движением электрических зарядов, записываются для эфира и находящихся в нем зарядов следующим образом:

;

(13.9)

где – скорость движения заряженных частиц;   плотность электрического заряда. Последние две величины удовлетворяют уравнению непрерывности:

(13.10)

Заряженная частица, движущаяся в электрическом и магнитном полях, испытывает действие силы, зависящей от модулей и направления векторов и в данной точке траектории, а также от скорости ее движения. Эта сила, получившая впоследствии наименование силы Лоренца, в расчете на единичный электрический заряд равна

. (13.11)

Непосредственно применять уравнения Лоренца для описания электромагнитных процессов в среде в макроскопических масштабах нельзя (в вакууме же они просто совпадают с уравнениями Максвелла). Значения напряженностей и изменяются на межатомных расстояниях столь быстро, что доступными измерению оказываются лишь их средние значения. Усреднение уравнений Лоренца (13.9) по физически бесконечно малому объему с одновременным введением обозначений и , приводило к следующим уравнениям:

(13.12)

Для получения уравнений электродинамики, применимых для макроскопических тел, требовалось в уравнениях (13.12) определить величины и .

Вскоре после создания электронной теории была развита классическая теория металлов. Немецкий физик Друде предположил, что электрический ток в металлах переносится свободными электронами, поведение которых аналогично поведению совокупности молекул идеального газа. Эта гипотеза дала ему возможность, применив методы кинетической теории газов к электронам внутри металла, построить в 1900 году электронную теорию металлов, которая была развита Лоренцем в 1904 – 1907 гг.

Создание электронной теории позволило развить и начальные теоретические представления о магнитных свойствах вещества. Магнитные свойства парамагнетиков объяснялись еще старой теорией, согласно которой молекулы парамагнетика имеют постоянный магнитный момент. В отсутствие магнитного поля магнитные моменты молекул ориентированы хаотически, так что суммарный магнитный момент всего тела равен нулю. При включении внешнего магнитного поля магнитные моменты молекул обретают преимущественную ориентацию в направлении магнитного поля, и тело приобретает суммарный магнитный момент.

Электронную теорию диамагнетизма начал разрабатывать английский ученый Джозеф Лармор. В 1895 году он разработал теорию прецессии круговых молекулярных токов Ампера во внешнем магнитном поле. В 1905 году более строгую электронную теорию диамагнетизма и парамагнетизма развил Поль Ланжевен. Его объяснение явления диамагнетизма основывалось на применении ларморовской теории прецессии к электронам, движущимся по круговым орбитам во внешнем магнитном поле. Ланжевен показал, что вследствие прецессии возникает дополнительный магнитный момент орбиты, направленный навстречу внешнему магнитному полю.