Открытие электрона томсоном кратко

Обновлено: 05.07.2024

Электрон представляет собой субатомную частицу, реагирующую на воздействие и электрических, и магнитных полей.

На протяжении всей второй половины XIX века физики активно изучали феномен катодных лучей. Простейший аппарат, в котором они наблюдались, представлял собой герметичную стеклянную трубку, заполненную разреженным газом, в которую с двух сторон было впаяно по электроду: с одной стороны катод, подключавшийся к отрицательному полюсу электрической батареи; с другой — анод, подключавшийся к положительному полюсу. При подаче на катодно-анодную пару высокого напряжения разреженный газ в трубке начинал светиться, причем при низких напряжениях свечение наблюдалось лишь в области катода, а при повышении напряжения — внутри всей трубки; однако при откачивании газа из трубки, начиная с какого-то момента, свечение исчезало уже в области катода, сохраняясь около анода. Это свечение ученые и приписали катодным лучам.

К концу 1880-х годов дискуссия о природе катодных лучей приняла острый полемический характер. Подавляющее большинство видных ученых немецкой школы придерживалось мнения, что катодные лучи представляют собой, подобно свету, волновые возмущения невидимого эфира. В Англии же придерживались мнения, что катодные лучи состоят из ионизированных молекул или атомов самого газа. У каждой стороны имелись веские доказательства в пользу своей гипотезы. Сторонники молекулярной гипотезы справедливо указывали на тот факт, что катодные лучи отклоняются под воздействием магнитного поля, в то время как на световые лучи магнитное поле никак не воздействует. Следовательно, они состоят из заряженных частиц. С другой стороны, сторонники корпускулярной гипотезы никак не могли объяснить ряда явлений, в частности обнаруженного в 1892 году эффекта практически беспрепятственного прохождения катодных лучей через тонкую алюминиевую фольгу.

Наконец в 1897 году молодой английский физик Дж. Дж. Томсон положил конец этим спорам раз и навсегда, а заодно прославился в веках как первооткрыватель электрона. В своем опыте Томсон использовал усовершенствованную катодно-лучевую трубку, конструкция которой была дополнена электрическими катушками, создававшими (согласно закону Ампера) внутри трубки магнитное поле, и набором параллельных электрических конденсаторных пластин, создававших внутри трубки электрическое поле. Благодаря этому появилась возможность исследовать поведение катодных лучей под воздействием и магнитного, и электрического поля.

Используя трубку новой конструкции, Томсон последовательно показал, что: (1) катодные лучи отклоняются в магнитном поле в отсутствие электрического; (2) катодные лучи отклоняются в электрическом поле в отсутствие магнитного; и (3) при одновременном действии электрического и магнитного полей сбалансированной интенсивности, ориентированных в направлениях, вызывающих по отдельности отклонения в противоположные стороны, катодные лучи распространяются прямолинейно, то есть действие двух полей взаимно уравновешивается.

Долгое время атом считался наименьшей неделимой частицей вещества. Такое представление об атоме было разрушено в \(1897\) году. Этот год считается датой открытия элементарной частицы — электрона .

Этот вид излучения наблюдался при пропускании электрического тока через разреженные газы. Схема установки, которую использовал Томсон, представлена на рисунке \(2\).

По углу отклонения луча от первоначального направления Томсону удалось измерить удельный заряд электрона \(q/m\), который оказался приблизительно в \(2000\) раз больше, чем у иона водорода, удельный заряд которого уже был известен к тому времени. А это означало, что при том же заряде масса электрона примерно в \(2000\) раз меньше, чем масса иона водорода.

Датой открытия электрона считается 1897 год, когда Томсоном был поставлен эксперимент по изучению катодных лучей. Первые снимки треков отдельных электронов были получены Чарльзом Вильсоном при помощи созданной им туманной камеры.

Содержание

Предпосылки открытия, гипотезы

В 1749 году Бенджамин Франклин высказал гипотезу, что электричество представляет собой своеобразную материальную субстанцию. Центральную роль электрической материи он отводил представлению об атомистическом строении электрического флюида. В работах Франклина впервые появляются термины: заряд, разряд, положительный заряд, отрицательный заряд, конденсатор, батарея, частицы электричества.

Иоганн Риттер в 1801 году высказал мысль о дискретной, зернистой структуре электричества.

Вильгельм Вебер в своих работах с 1846 года вводит понятие атома электричества и гипотезу, что его движением вокруг материального ядра можно объяснить тепловые и световые явления.

Катодные лучи

Катодные лучи открыты в 1859 году Юлиусом Плюккером, название дано Эйгеном Гольдштейном, который высказал волновую гипотезу: катодные лучи представляют собой процесс в эфире. Английский физик Уильям Крукс высказал идею, что катодные лучи это потоки частичек вещества. В 1895 году французский физик Жан Перрен экспериментально доказал, что катодные лучи — это поток отрицательно заряженных частиц, которые движутся прямолинейно, но могут отклоняться магнитным полем.

Бета-лучи

В то же время Анри Беккерель исследовал естественную радиацию и в 1900 году показал, что лучи, испускаемые радием, которые Эрнст Резерфорд назвал бета-лучами, имеют такой же удельный заряд, что и катодные лучи.

Опыт Томсона

Опыт Томсона заключался в изучении пучков катодных лучей проходящих через систему параллельных металлических пластин, создававших электрическое поле и систем катушек, создававших магнитное поле. Обнаружено, что лучи отклонялись при действии отдельно обоих полей, а при определенном соотношении между ними пучки не изменяли прямой траектории. Это соотношение полей зависело от скорости частиц [1] . Проведя ряд измерений Томсон выяснил что скорость движения частиц гораздо ниже скорости света — таким образом было показано, что частицы должны обладать массой. Далее было выдвинуто предположение о наличии этих частиц в атомах и модель атома, впоследствии развитая в опытах Резерфорда.

Примечания

Источники

История физики
1897 год в науке
Эксперименты в физике элементарных частиц

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое "Открытие электрона" в других словарях:

АТОМА СТРОЕНИЕ — раздел физики, изучающий внутреннее устройство атомов. Атомы, первоначально считавшиеся неделимыми, представляют собой сложные системы. Они имеют массивное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, вокруг которого в пустом пространстве движутся… … Энциклопедия Кольера

МАТЕРИАЛИЗМ — (от лат. materialis вещественный) многозначная идея, которой чаще всего придается один или некоторые из следующих смыслов. 1. Утверждение относительно существования или реальности: только материя существует или является реальной; материя является … Философская энциклопедия

История физики — История науки … Википедия

НАУКА — особый вид познавательной деятельности, направленный на выработку объективных, системно организованных и обоснованных знаний о мире. Взаимодействует с др. видами познавательной деятельности: обыденным, художественным, религиозным, мифологическим … Философская энциклопедия

Негатрон (физика) — Электрон Символ Масса 9,10938215(45)×10−31кг, 0,510998910(13) МэВ/c2 Античастица позитрон Классы фермион, лептон … Википедия

Электрон (квазичастица) — Электрон Символ Масса 9,10938215(45)×10−31кг, 0,510998910(13) МэВ/c2 Античастица позитрон Классы фермион, лептон … Википедия

Электрон (физич.) — Электрон Символ Масса 9,10938215(45)×10−31кг, 0,510998910(13) МэВ/c2 Античастица позитрон Классы фермион, лептон … Википедия

Электрон (частица) — Электрон Символ Масса 9,10938215(45)×10−31кг, 0,510998910(13) МэВ/c2 Античастица позитрон Классы фермион, лептон … Википедия

Электроны — Электрон Символ Масса 9,10938215(45)×10−31кг, 0,510998910(13) МэВ/c2 Античастица позитрон Классы фермион, лептон … Википедия

К концу XIX в. электричество уже нашло широкое применение как в промышленности (электродвигатели, генераторы, электротехнологии), так и в быту (телеграф, телефон, освещение). Вершиной науки об электричестве и магнетизме была электромагнитная теория, или электродинамика, Максвелла, созданная в 1864 г. и объясняющая все известные в этой области эффекты. Однако в ней не было места электрону.

Предыстория открытия электрона

Электродинамика Максвелла не давала ответа на вопрос, который мучил всех физиков: а что же такое электрический ток? К тому времени уже было установлено, что все вещества состоят из молекул и мельчайших частиц — атомов, но какое отношение они имеют к электрическому току, было неизвестно. Существовали две основные точки зрения [1–4]:

Максвелл обошел этот вопрос, введя параметры диэлектрической постоянной, проводимости и магнитной проницаемости среды без объяснений, почему разные материалы имеют разные характеристики. Косвенным ответом могли служить известные к тому времени физические явления — электролиз, электрический разряд в газах, катодные лучи [1].

Действительно, первый закон электролиза Фарадея прямо указывал на однозначную связь количества вещества, перенесенного в гальванической ванне, с величиной протекающего заряда. Электрический тлеющий разряд в газах также первым изучил великий Фарадей.

Рис. 1. Трубка Крукса

Немецкий физик Генрих Гейслер (Heinrich Geißler) с помощью изобретенного им ртутного вакуумного насоса добился высокого вакуума и создал газоразрядные трубки с ярким свечением (трубки Гейслера) [2]. Очевидно, что свечение молекул газа может вызываться только их бомбардировкой какими-то частицами, которые движутся между катодом и анодом и были названы катодными лучами, а открыл их в 1859 г. немецкий профессор физики университета Бонна Юлиус Плюккер (Julius Plücker) при проведении опытов с трубкой Гейслера [2, 4, 5]. Это устройство, улучшенное в 1875 г. британским ученым Уильямом Круксом (William Crookes), работавшим в собственной лаборатории, показано на рис. 1, где: 1 — вакуумная трубка, 2 — катод, 3 — анод, 4 — фосфоресцирующий экран. При высоком напряжении, порядка 10 тыс. В, в центре экрана возникало светящееся пятно. Было выяснено, что катод испускал какие-то лучи, распространявшиеся прямолинейно и отклонявшиеся мощным электромагнитным полем. Однако, как показал Герц, электрическое поле на эти лучи не влияет. Крукс предположил, что открытые лучи — это поток отрицательно заряженных частиц. Но такая идея была поначалу опровергнута Герцем, показавшим, что катодные лучи легко проникают через экран из золотой фольги внутри трубки.

Рис. 2. Вильгельм Рентген (1845–1923)

Немецкий физик Вильгельм Рентген (Wilhelm Röntgen, рис. 2), экспериментируя с мощными трубками Крукса, открыл в 1895 г. знаменитые X-лучи, называемые в России рентгеновскими [1, 4].

Рис. 3. Установка Рентгена

Как это часто бывает, все произошло случайно. Задержавшись после работы в лаборатории, Рентген обнаружил, что фотопластинки, запечатанные в плотную черную бумагу, темнели вблизи трубки Крукса. Решив с этим разобраться, он продолжил исследования и через шесть недель опубликовал снимки, которые потрясли весь мир. Установка Рентгена с трубкой Крукса на штативе показана на рис. 3.

На первой рентгенограмме была рука человека с кольцом (рис. 4), по которому друзья легко угадали жену ученого. Потом, когда выяснилось, что рентгеновские лучи смертельно опасны, недоброжелатели говорили, что Рентген это знал и потому подставил свою жену.

На другом снимке Рентгена был виден кошелек с монетами внутри. Рентгеновские лучи довольно быстро нашли применение, и уже во время Первой мировой войны полевые лазареты оснащались мобильными рентгеновскими установками, спасшими жизнь тысячам раненых солдат. Вполне заслуженно профессор Рентген стал первым Нобелевским лауреатом по физике в 1901 г.

Рис. 4. Первая рентгенограмма

Рис. 5. Хендрик Лоренц (1853–1928)

Первым эту гипотезу использовал знаменитый голландский физик Хендрик Лоренц (Hendrik Lorentz) (рис. 5) в 1875 г. в своей докторской диссертации [7]. Он же определил величину и направление силы, действующей на заряженную частицу в магнитном поле (сила Лоренца).

Работа Лоренца была впоследствии названа первой электронной теорией, и он был удостоен Нобелевской премии по физике 1902 г. Позднее Лоренц вместе с немецким физиком Паулем Друде (Paul Drude) построил электронную теорию электропроводности металлов, объясняющую, в частности, законы Ома и Джоуля — Ленца.

Однако все эти теоретические рассуждения нуждались в серьезной экспериментальной проверке, тем более что не все физики смирились к этому времени даже с атомом, а им предлагалась какая-то еще более мелкая частица.

Эксперименты Томсона и Милликена

Рис. 6. Джозеф Джон Томсон (1856-1940)

Установка Томсона показана на рис. 7, где: A, B — аноды, C — катод, D, E — отклоняющие пластины, F — электромагнит, Ф— магнитный поток, f — электромагнитная сила, приложенная к движущейся частице. Прежде всего Томсон добился отклонения катодных лучей в электрическом поле. Он объяснил неудачу опыта Герца, упомянутого выше, недостаточно высоким вакуумом, вследствие чего остаточный газ ионизировался катодными лучами, образуя экран вокруг потока частиц, препятствующий внешнему электрическому полю.

Откачивая газ в течение нескольких дней, Томсон добился чрезвычайно высокого вакуума внутри трубки и наблюдал явные отклонения катодного луча — например вниз, как показано на рис. 7. Это отклонение могло быть скомпенсировано магнитным полем, отклоняющим катодный луч, подобно электрическому току, вверх, согласно правилу левой руки (правилу Флеминга).

Рис. 7. Эксперимент Томсона

Рис. 8. Роберт Милликен (1868–1953)

Таким образом, рухнуло представление о том, что атом является фундаментальной и неделимой частицей. Эксперименты Томсона по управлению потоком электронов были настолько убедительными, что 1897 год считается годом открытия электрона. Томсон был удостоен Нобелевской премии в 1906 г., получил много других престижных наград и даже был посвящен в рыцари. Семеро его студентов и его сын также стали нобелевскими лауреатами.

Однако для убедительного измерения самого заряда электрона нужна была совершенно другая идея. И ее предложил в 1910 г. профессор Чикагского университета (США) Роберт Милликен (Robert Millikan, рис. 8), ассистент профессора Альберта Майкельсона (Albert Michelson), измерившего скорость света [2–4].

Начав заниматься научными исследованиями только в 40 лет, он стал нобелевским лауреатом в 1923 г. за измерение заряда электрона и экспериментальное подтверждение теории фотоэлектрического эффекта Эйнштейна. Установка Милликена показана на рис. 9.

Рис. 9. Эксперимент Милликена

Она представляла собой камеру диаметром 22 см, содержащую верхний (1), нижний (2) электроды и стеклянную стенку (3). После впрыскивания масла (oil) внутри камеры образовывалось облако капелек (4), облучение которых рентгеновской трубкой (5) заряжало их отрицательно. Движение отдельной капельки можно было наблюдать через микроскоп (6). Скорость опускания каждой капельки при отсутствии напряжения U позволяла определить ее массу, а скорость подъема при приложении высокого напряжения — ее заряд. Заряд каждой капли q = N×e, где N — число электронов в капле. Естественно, число электронов N в каждой капле является неизвестным, но можно рассчитать наименьшее общее кратное заряда разных капель — e, которое и будет равно заряду одного электрона. Для статистической достоверности эксперимента Милликену пришлось терпеливо выполнить более тысячи опытов за пять лет. В итоге заряд электрона оказался равным 1,6×10 –19 Кл, что по порядку величины совпадало с оценкой Стоуни. После этого из известного отношения Томсона e/m была найдена и масса электрона 9,1×10 -28 г, которая оказалась в 1800 раз меньше массы атома водорода.

Результаты Милликена были подтверждены опытами ученика Рентгена, российского физика Абрама Федоровича Иоффе, проведенными в Санкт-Петербургском политехническом институте в 1913 г. [3]. Иоффе использовал аналогичную камеру, но вместо масляных капель впрыскивал мельчайшие частицы цинка, а рентгеновский аппарат заменил ультрафиолетовым источником, выбивающим из цинка электроны за счет фотоэффекта. Иоффе был основателем советской школы полупроводниковой и ядерной физики. Однако в 1942 г. он уклонился от руководства проектом советской атомной бомбы и рекомендовал на этот пост своего ближайшего ученика Игоря Васильевича Курчатова [8]. Он не стал нобелевским лауреатом, но двое его студентов — Николай Николаевич Семенов и Петр Леонидович Курчатов — были удостоены этой награды.

Таким образом, существование новой частицы, электрона, было твердо установлено. С этим согласился даже Рентген, долго ее не признававший. Это открытие проложило дорогу к созданию первых вакуумных электронных приборов в начале ХХ в.

Открытие электрона, ставшее вершиной науки об электричестве и магнетизме в XIX столетии, включало:

Читайте также: