::

Вся бібліотека

Зміст

 


100 великих наукових відкриттів


Дмитро Самин

   

Основи світобудови

 

Електрон

  

 

Ясні і чіткі ідеї про атомну будову електрики з'явилися у В. Вебера, які він розвивав їх у ряді робіт, починаючи з 1862 року: «При загальному поширення електрики можна прийняти, що з кожним вагомим атомом пов'язаний електричний атом». Він розвиває у зв'язку з цим погляди на провідність струму в металах, які відрізняються від електронних тільки тим, що він вважає рухомими атоми позитивного електрики. Їм була висловлена і думка про молекулярному тлумачення тепла Джоуля-Ленца:

 

«Жива сила всіх містяться в провіднику молекулярних струмів збільшується при проходження струму пропорційно опору і пропорційно квадрату сили струму».

 

Ці і подібні висловлювання Вебера дали привід А.І. Бачинскому назвати Вебера одним з творців електронної теорії, а О.Д. Хвольсону помістити його ім'я в початковому параграфі глави про електронної теорії провідності металів. Але треба зауважити, що Вебер не пов'язує свого «електричного атома» з конкретними фактами електролізу. Ця зв'язок вперше була встановлена Максвеллом у першому томі його «Трактату». Але Максвелл не став розвивати цю важливої ідеї. Навпаки, він стверджував, що ідея молекулярного заряду не утримається в науці.

 

У 1874 році ірландський фізик Стоней на засіданні Британської асоціації звернув увагу на існування в природі трьох «природних одиниць»: швидкості світла, постійної тяжіння і заряду «електричного атома». З приводу цієї останньої одиниці він сказав:

 

«Нарешті природа обдарувала нас явища електролізу цілком певною кількістю електрики, не залежним від тіл, з якими воно пов'язано». Стоней дав оцінку цього заряду, розділивши кількість електрики, що виділяється при розкладанні кубічного сантиметра водню, на кількість його атомів за тодішнім даними, і отримав значення порядку 10 у мінус двадцятій ступеня електромагнітних одиниць. Цей електричний атом Стоней запропонував назвати «електроном».

 

5 квітня 1881 року Гельмгольц в своїй відомій промові заявив: «Якщо ми допускаємо існування хімічних атомів, то ми змушені укласти звідси далі, що також і електрику, як позитивне, так і негативне, поділяється на певні елементарні кількості, які відіграють роль атомів електрики».

 

У 1869 році Гитторф, отримавши в розрядній трубці вакуум зі ступенем розрідження нижче одного міліметра, помітив, що темна катодний простір швидко поширюється по всій трубці, внаслідок чого стінки трубки починають сильно флюоресцировать. Він помітив, що світіння трубки зміщуються під дією магніту.

 

Через десять років після спостережень Гитторфа з'явилися роботи Ст. Крукса. За припущеннями Крукса, частинка променистої матерії викидається з електродів з величезною швидкістю. Темне катодний простір - це простір, в якому вільно рухаються негативні молекули газу, що летять від катода і затримувані на його кордоні зустрічними позитивними молекулами. Однак німецькі фізики не прийняли точку зору Крукса. Е. Гольдштейн в 1880 році показав, що ототожнення розмірів темного катодного простору з довжиною вільного пробігу неправильно. Він показав, що катодні промені зовсім не закінчуються на межі темного шару, вони при великих разрежениях пронизують і світиться простір анода.

 

Австрійський вчений В.Ф. Гинтль в тому ж році висловив гіпотезу, що катодні промені являють собою потік металевих частинок, вырываемых з катода електричним струмом, які рухаються прямолінійно. Цю точку зору підтримав і розвинув далі Пулуа. У тому ж 1880 році Е. Відеман ототожнив катодні промені з ефірними коливаннями такої короткої довжини хвилі. На його думку, вони не виробляють світлового дії; однак, падаючи на вагому матерію, сповільнюються і перетворюються на видиме світло.

 

Вирішальне значення у зміцненні ефірної хвильової теорії катодних променів відіграли досліди Ленарда. Він переконливо довів, що катодні промені можуть вийти назовні при збереженні вакууму в трубці, тобто ці промені не можуть бути частинками газу, як припускав Крукс. Але цього мало. Катодні промені в повітрі виробляють люминисцирующее і фотографічне дію. Ленарду вдалося отримати у випущеному їм потоці фотографію предмета, герметично закритого алюмінієвої коробочкою з тонкими стінками. Спостерігаючи відхилення випущеного пучка магнітом, він встановив, що це відхилення не залежить від роду газу, а головне, що залишається частина променів, не відхилених магнітом.

 

Ленард був першим фізиком, спостерігав дію рентгенівських променів і навіть отримав першу рентгенограму. Але він не зумів зрозуміти в належній мірі свого відкриття і характеризував його як доказ хвильової природи катодних променів. Його експеримент таїв у собі великі можливості, які вчений не використовував.

 

Теорія Відемана - Герца - Ленарда була сильно похитнулася в 1895 році досвідом Перрена (1870-1942), який спробував виявити заряд катодних променів. З цією метою він в розрядній трубці помістив проти катода фарадеївський циліндр, з'єднаний з электрометром. При проходженні розряду циліндр зарядився негативно. Звідси Перрен зробив висновок, що «перенесення негативних зарядів невіддільний від катодних променів».

 

Перрен з безсумнівністю встановив перенесення заряду катодними променями і вважав, що цей факт важко поєднати з теорією вібрацій, тоді як з теорією закінчення він узгоджується дуже добре. Тому він вважав, що «якщо теорія закінчення може спростувати всі заперечення, які вона викликала, вона повинна бути визнана дійсно придатною».

 

Однак для того щоб спростувати всі заперечення, необхідно було докорінно змінити погляди на будову матерії і допустити існування в природі частинок менших атомів.

 

В історію науки англійський фізик Джозеф Томсон (1856-1940) увійшов як людина, відкрив електрон. Одного разу він сказав: «Відкриття зобов'язані гостроті і силі спостережливості, інтуїції, непохитному ентузіазму до остаточного вирішення всіх суперечностей, що супроводжують піонерської роботі».

 

Джозеф Джон Томсон народився в Манчестері. Тут, у Манчестері, він закінчив Оуенс-коледж, а у 1876-1880 роках навчався в Кембріджському університеті в знаменитому коледжі святої Трійці (Трініті-коледж). У січні 1880 року Томсон успішно витримав випускні іспити і почав працювати в Кавендишській лабораторії.

 

Перша його стаття, опублікована 1880 року, була присвячена електромагнітної теорії світла. У наступному році з'явилися дві роботи, одна з яких поклала початок електромагнітної теорії маси.

 

Томсон був одержимий експериментальною фізикою. Одержимий в кращому сенсі цього слова. Наукові успіхи Томсона були високо оцінені директором лабораторії Кавендіша Релея. Йдучи в 1884 році з посади директора, він, не вагаючись, рекомендував своїм наступником Томсона.

 

З 1884 по 1919 рік Томсон керував лабораторією Кавендіша. За цей час вона перетворилася у великий центр світової фізики, міжнародну школу фізиків. Тут почали свій науковий шлях Резерфорд, Бор, Ланжевен і багато інших, у тому числі і російські вчені.

Програма досліджень Томсона була широкою: питання проходження електричного струму через гази, електронна теорія металів, дослідження природи різного роду променів...

 

Взявшись за дослідження катодних променів, Томсон насамперед вирішив перевірити, досить ретельно були поставлені досліди його попередниками, добилися відхилення променів електричними полями. Він задумує повторний експеримент, конструює для нього спеціальну апаратуру, стежить сам за ретельністю виконання замовлення, і очікуваний результат очевидний.

 

В трубці, сконструйованої Томсоном, катодні промені слухняно притягувалися до позитивно зарядженої пластинки і явно відштовхувалися від негативної. То є вели себе так, як і належало потоку швидколетящих крихітних корпускул, заряджених негативною електрикою. Чудовий результат! Він міг, безумовно, покласти край усім суперечкам про природу катодних променів. Але Томсон не вважав своє дослідження закінченим. Визначивши природу променів якісно, він хотів дати точне кількісне визначення та складових їх корпускулам.

 

Окрилений першим успіхом, він сконструював нову трубку: катод, прискорюють електроди в вигляді кілець і пластинки, на які можна було подавати отклоняющее напруга. На стінку, протилежну катода, він завдав тонкий шар речовини, здатної світитися під ударами налітаючих частинок. Вийшов предок электроннолучевых трубок, так добре знайомих нам в століття телевізорів і радіолокаторів.

 

Мета досвіду Томсона полягала в тому, щоб відхилити пучок корпускул електричним полем і компенсувати це відхилення магнітним полем. Висновки, до яких він прийшов у результаті експерименту, були вражаючі.

 

По-перше, виявилося, що частинки летять в трубці з величезними швидкостями, близькими до світловим. А по-друге, електричний заряд, який доводився на одиницю маси корпускул, був фантастично великою. Що ж це були за частки: невідомі атоми, що несуть на собі величезні електричні заряди, або крихітні частинки з незначною масою, але зате і з меншим зарядом?

 

Далі він виявив, що відношення питомого заряду до одиниці маси є величина постійна, що не залежить ні від швидкості частинок, ні від матеріалу катода, ні від природи газу, в якому відбувається розряд. Така незалежність насторожувала. Схоже, що корпускули були якимись універсальними частинками речовини, складовими частинами атомів.

 

«Після тривалого обговорення експериментів - пише у своїх спогадах Томпсон, - виявилося, що мені не уникнути наступних висновків:

 

1. Що атоми не є неподільними, так як з них можуть бути вирвані негативно заряджені частинки під дією електричних сил, удару швидко рухомих частинок, ультрафіолетового світла чи тепла.

 

2. Що ці частинки всі однакової маси, несуть однаковий заряд негативного електрики, від якого б роду атомів вони не відбувалися, і є компонентами всіх атомів.

 

3. Маса цих часток менше, ніж одна тисячна маси атома водню. Я спочатку назвав ці частинки корпускулами, але вони тепер називаються більш підходящим ім'ям «електрон».

 

Томсон взявся за розрахунки. Насамперед, слід визначити параметри таємничих корпускул, і тоді, можливо, вдасться вирішити, що вони собою представляють. Результати розрахунків показали: сумнівів нема, невідомі частки не що інше, як дрібні електричні заряди - неподільні атоми електрики, або електрони.

 

29 квітня 1897 року в приміщенні, де вже більше двохсот років відбувалися засідання Лондонського королівського товариства, відбувся його доповідь. Слухачі були в захваті. Захоплення присутніх пояснюється зовсім не тим, що колега Дж. Дж. Томсон настільки переконливо розкрив справжню природу катодних променів. Справа було набагато серйозніше. Атоми, найперший цеглинки матерії, перестали бути елементарними круглими зернами, непроникними і неподільними, частками без всякого внутрішньої будови... Якщо з них могли вилітати негативно заряджені корпускули, значить, і представляти собою атоми повинні були якусь складну систему, систему, що складається з чогось зарядженого позитивним електрикою і з негативно заряджених корпускул - електронів.

 

Тепер стали видні і подальші, необхідні напрями майбутніх пошуків. Насамперед, звичайно, необхідно було визначити точно заряд і масу одного електрона. Це дозволило б уточнити маси атомів усіх елементів, розрахувати маси молекул, дати рекомендації до правильного складання реакцій.

 

У 1903 році в тій же Кавендишській лабораторії у Томсона Р. В.вільсон вніс важливе зміна метод Томсона. В посудині, В якому проводиться швидке адиабатическое розширення ионизируемого повітря, поміщені пластинки конденсатора, між якими можна створювати електричне поле і спостерігати падіння хмари, як при наявності поля, так і в його відсутності. Вимірювання Вільсона дали значення для заряду електрона як 3,1 помножену на 10 в мінус десятої ступеня абс.эл. од.

 

Метод Вільсона був використаний багатьма дослідниками, в тому числі і студентами Петербурзького університету Маліковим і Алексєєвим, які знайшли заряд рівним 4,5 помножену на 10 в мінус десятої ступеня абс.эл. од.

 

Це був найбільш наближається до істинного значення результат з усіх отриманих до того, як Міллікен почав з 1909 року вимірювання з окремими краплями.

 

Так був відкритий і виміряно електрон - універсальна частка атомів, перша з відкритих фізиками так званих «елементарних часток».

 

Це відкриття дало можливість фізикам, перш за все, по-новому поставити питання про вивчення електричних, магнітних та оптичних властивостей речовини.

 

 

Вся бібліотека

Зміст