Век с электроном (стр. 2 из 2)
В 1895 году В. Рентген (Rontgen, 1845-1923) открыл рентгеновские лучи, которые он сам назвал Х-лучами, а в 1896 г A. Беккерель (Becquerel, 1852-1908) обнаружил естественную радиактивность. Томсон сразу стал использовать рентгеновское и радиактивное излучение как ионизаторы и обнаружил, что это позволяте производить многие ранее невыполнимые опыты. "К моему великому восторгу, - писал он о рентгеновских лучах,- они делали газ проводником тока, даже если электрическая сила приложенная к газу, была чрезвычайно мала. Х-лучи, казалось, превращали газ в газообразный электролит". В результате исследования и разряда, и катодных лучей стали быстро продвигаться вперед.
После открытия катодных лучей возникли два взгляда на их природу. Некоторые исследователи ( в основном немецкие, и, в частности, знаменитые Г. Герц (Hertz, 1857-1894) и Ф. Ленард (Lenard, 1862-1947) считали, что лучи имеют волновую природу. Другие (в основном англичане) считали,что лучи представляют собой поток заряженных частиц. Для нас особенно интересна работа А. Шустера (1851-1934), так как, обобщая именно его опыты, Томсон окончательно доказал корпускулярную (электронную) природу катодных лучей. В своих экспериментах 1884 года А. Шустер помещал газоразрядную трубку во внешнее магнитное полеи, наблюдая отклонение лучей полем от прямолинейного движения, сумел вычислить удельный заряд (т.е. отношение заряда е к массе m) частицу, из которых гипотетически лучи и состоят. Он получил близкое к истинному ( на порядок ниже истинного) значения e/m, но, к сожалению, не сумел правильно интерпретировать результат, продолжая считать катодные лучи потоком. Томсон использовал в своих опытах не только магнитное, но и электрическое поле, и значительно поднял точность экспериментов.
Обсудим теперь схему опытов Томсона. Он вводил в газоразрядную трубку конденсатор, между пластинами П которого проходил выделенный диафрагмой Д катодный луч.
Если на конденсатор не подано напряжение, то луч вызывает свечение экрана (покрытой люминафором части трубки) в точке a. Если же на конденсатор подать напряжение, создающее между его пластинами электрическое поле с напряженностью E, то местом падения луча будет точка b. Направление смещение луча сразу говорит об отрицательном заряде частиц катодных лучей. Величину смещения луча S после прохождения пластин длиной l нетрудно связать с величиной поля Е и удельным зарядом e/m. Действительно, ускорение a, сообщаемое частицей в поле Е, равно
Геометрия опыта такова, что составляющая V скорости луча вдоль пластин конденсатора не меняется, каким бы ни было по величине поле E перпендикулярное скорости луча (составляющих его частицу) v. Время пролета частиц через конденсатор равна следоватльно
| S = | at2 2 | = | eE 2m | | l2 v2 | . (6) |
Из (6) мы находим что
Величина S легко определяется по смещению луча из точки a в точку в с привлечением только сведений о геометрии установки (после конденсатора лучи распространяются прямолинейно). Поэтому для определения e/m необходимо еще найти скорость v.
А. Шустер в своих опытах сталкивался с той же проблемой. Он помещал газоразрядную трубку в магнитное поле на рисунке изображена газоразрядная трубка в магнитном поле, индукция которого B направлена перпендикулярно плоскости чертежа.
Составляющие луч частицы оказывались подвержены действию силы Лоренца и пятно на экране смещалось из точки a в точку с. Только теперь траектория частиц в области, где есть магнитное поле, оказывается частью окружности,а не параболы, как было в случае электрического поля, ибо сила Лоренца все время перпендикулярна скорости и может менять ее только по направлению. Но это не мешает выразить e/m через величину индукции поля B, смещение луча из точки a в точку с и скорость лучей v. Шустер предложил определить v, полагая что кинетическая энергия частиц, составляющих луч, целиком определяется тем, что они проходят разность потенциалов U между анодом и катодом, то есть он находил U из соотношения
где V известно экспериментатору. Для выражения e/m через измеримые величины он подставлял
в свое выражение, аналогичная формула (7). Томсон мог бы подставить (9) в свою формулу (7). Но, желая повысить точность измерений, он воздействовал на луч одновременно электрическим и магнитным полями, добиваясь того, чтобы луч не испытывал смещения. В этом случае электрическая и магнитная силы компенсируют друг друга и можно записать соотношение
Из (10) следует, что
Этот красивый компенсационный метод определения v гораздо точнее приблизительно го метода Шустера.
Что же дали измерения Томсона ? Он сам, называя еще электрон "ионом катодных лучей", писал: "Когда мы рассматриваем электрический заряд, несомый ионом в катодных лучах, мы, принимая, что он равен по модулю заряду, несомому водородным ионом при электролизе, заключаем, что масса водородного иона должна быть в 770 раз больше массы иона в катодных лучах; следовательно, носитель отрицательного электричества в этих лучах должен быть очень малым по сравнению с массой водородного атома". Результат был очень неожиданным. Томсон совершенствует методику измерений, меняет вещество катода, газ в трубке, способы эмиссии (изучает фотоэффект, термоэмиссию) - и убеждается что всегда сталкивается с одними и теми же частицами. Он пишет: "атомы не неделимы, отрицательно заряженные частицы могут вылетать из них под действием электрических сил, удара быстро движущихся атомов, ультрафиолетового света или тепла";
"...все эти частицы одинаковой массы и несут одинаковый заряд отрицательного электрическтва от любого рода атомов, и они являются составной частью всех атомов";
"...масса этих частиц меньше однатысячной массы атома водорода."
Томсон еще не использует термин "электрон", количественно его результат довольно далек от современного значения (как известно, масса протона mp = 1,6710-27 кг, а электрона me = 0,911030 кг, так что по современным данным me/mp = 1835; напомним здесь и величину заряда электрона e = 1,610-19 Кл, но он уверен в существовании электрона-частицы, качественно отличающейся от атома. Не сразу, но с течением времени все физики прониклись этой уверенностью, и наука ХХ века без идеи электрона просто немыслима. Электрон стали использовать при построении моделей атомов (первую модель предложил сам Томсон). Выяснилось, что движение электрона в атоме нельзя описать на языке классической физики - пришлось создавать квантовую механику. Оказалось, что электрон обладает каким-то внутренним движением, проявляющимся в существовании у него так называемого спина. Была обнаружена античастица, сопоставляемая электрону - позитрон. Электронная теория твердых дел стала теоретической основной для технологий, дающих возможность создавать самую современную технику. Газоразрядная трубка превратилась в электронные лампы и электронно-лучевые трубки. Как мы уже говорили, последствия открытия электрона трудно даже просто перечислить.
В 1906 году Дж. Дж. Томсон получил Нобелевскую премию по физике за "Теоретические и экспериментальные исследования прохождения электричества через газы".
В заключении несколько слов о Джозефе Джоне Томсоне. Он родился 18 декабря 1856 года в Манчестере, в семье торговца книгами. В 1876-1880 годах учился в Кембридже, в Тринити - колледже, знаменитом тем, что в нем двумя веками раньше был профессором Ньютон. По окончании университета Томсон был принят на работу в тогда совсем молодую Кавендишскую лабораторию. Она открылась 16 июня 1874 года и была так названа потому, что деньги на ее строительство дал герцог Кавендиш, потомок знаменитого физика-любителя Генри Кавендиша (1731-1810). Выдающиеся способности Томсона привели к тому, что в 1884 году, в 28 лет он уже стал директором лаборатории (после Максвелла и Релея и перед Резерфордом) и оставался им до 1919 года. Разумеется он руководил научной работой многих молодых сотрудников лаборатории, позднее отзывавшихся о нем с большой теплотой и огромной благодарностью. Среди его учеников шесть (!) лауреатов Нобелевской премии: Ф. Астон, Ч. Баркла, Г. Бегг, У. Вильсон, Э. Резерфорд, О. Ричардсон. В 1908 году Томсон был возведен в ранг рыцаря. Нобелевским лауреатом был и сын Дж. Дж. Томсона Джордж Паджет Томсон (1892-1975). Умер Томсон 30 августа 1940 г. Он похоронен в Вестминстерском аббатстве. Его вклад в физику никогда не будет забыт.
Список литературы
ЛитератураУ. И. Франкфурт, А. М. Френк. У истоков квантовой теории.-М.:Наука, 1975-168 с.
Л. И. Пономарев. Под знаком кванта.-М.:Советская Россия, 1984-352 с.
Ю. А. Храмов. Физика.-М.:Наука, 1983-400с.
С.П. Кудрявцев. Д.Д.Томсон.-М.: Просвещение, 1986-80 с.
С. П. Кудрявцев. История физики, т.3,-М.:Просвещение, 1971-424 с.