КАТОДНЫЕ ЛУЧИ. ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА
КАТОДНЫЕ ЛУЧИ. ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА Первыми частицами, у которых были обнаружены волновые свойства, были электроны. Электроны были открыты в 1897 г. английским физиком Дж. Дж. Томсоном в Кавендишской физической лаборатории Кембриджа. Открытию электрона предшествовали увлекательные физические исследования, в которых приняли участие многие физики разных стран. В 1838 г. М. Фарадей, наблюдая электрический разряд в газах при пониженном давлении, обнаружил фиолетовое свечение столба воздуха у анода и темное пространство у катода. В 1855 г. немецкий инженер Генрих Гейсслер (1814— 1879) создает ртутный вакуумный насос и изобретает вакуумные трубки с впаянными в них металлическими электродами и заполненными различными газами при пониженном давлении. Если на электроды гейссле-ровской трубки подать электрическое напряжение в несколько десятков тысяч вольт, то в газе происходит электрический разряд, и газ начинает светиться характерным для него светом. На рисунке 107 показаны гейсслеровская трубка, наполненная гелием, и ее свечение под действием электрического разряда. В 1858 г. немецкий физик Юлиус Плюккер (1801—1868) открывает неизвестное излучение, испускаемое катодом гейсслеров-ской трубки, и называет его катодными лучами. Он же замечает, что катодные лучи вызывают зеленоватое свечение стеклянных стенок трубки. В 1859 г. немецкие физики профессора Гейдельбергского университета Роберт Бунзен (1811—1899) иГустав Кирхгоф (1824—1887), изучая особенности электрического разряда в газах при пониженном давлении, открывают спектральный анализ. Спектральный анализ — это метод определения химического состава вещества по спектральному составу излучения этого вещества. Со временем спектральный анализ стал одним из самых чувствительных и точных методов по определению состава различных тел. В 1869 г. Иоганн Гитторф (1824—1914), ученик Плкж-кера, помещает между катодом и анодом внутри трубки препятствиеи обнаруживает тень от препятствия, создаваемую катодными лучами (рис. 108). ^ В 1879 г. английский физик Уильям Кру кс (1832-1919) создает вакуумные трубки с впаянными внутри их различными лю-минесцирующими веществами, вертушками и другими устройства-„г ми. Под действием катодных лучей вещества испускали разноцветные световые лучи, вертушки вращались, отбрасывая тень на поверхность стеклянной колбы, светив-* шуюся таинственным зеленым светом (рис. 109). Эксперименты с круксовыми трубками привлекли внимание людей, далеких от физи-' ки, к физическим явлениям, вызванным катодными лучами. В 1883 г. Генрих Герц в серии экспериментов показал, что катод- ные лучи не переносят электрического заряда, что оказалось не соответствующим действительности. Герц также установил, что катодные лучи способны проходить через тонкие слои (фольги) различных металлов. В 1884 г. английский физик Артур Шустер (1851 — 1934) предложил использовать для изучения свойств катодных лучей магнитное поле. В 1894 г. Филипп Ленард, ученик Герца, вывел катодные лучи из вакуумной трубки наружу и обнаружил, что длина свободного пробега лучей в воздухе составляет при атмосферном давлении около 1 см. Для объяснения наблюдаемых свойств катодных лучей были выдвинуты две гипотезы. Немецкие физики Гольдштейн, Герц, Виде-манн в 1880 г. предполагали, что катодные лучи — это электромагнитные волны. Это предположение как будто подтверждалось и последующими исследованиями Герца об отсутствии у катодных лучей электрического заряда. Однако английские физики придерживались другой точки зрения. Так, Крукс рассматривал катодные лучи как поток молекул газа, находящегося внутри трубки, получивших отрицательный заряд при столкновении с катодом трубки. Артур Шустер предложил считать катодные лучи потоком отрицательно заряженных частиц, образовавшихся в результате распада молекул в газовом разряде. Экспериментальные исследования Шустера по отклонению катодных лучей в магнитном поле опровергали опыты Герца, не обнаружившего электрического заряда у катодных лучей. Из экспериментов Шустера следовало, что катодные лучи переносят отрицательный заряд. Этот же вывод следовал из опытов французского физика Жана Перрена (1870—1942), проведенных им в 1895 г. по определению знака заряда катодных лучей. Используя результаты исследований Шустера, Перрена, Ленар-да, молодой английский физик Дж. Дж. Томсон создает экспериментальную установку, с помощью которой ему удается измерить скорость катодных лучей, которые он рассматривал как поток отрицательно заряженных частиц. Основная идея эксперимента Томсона заключается в том, что катодные лучи как отрицательно заряженные частицы могут взаимодействовать как с электрическим, так и с магнитным полем. Если предположить, что электрический заряд каждой из частиц, образующих катодные лучи, равен е, то в электрическом поле напряженностью Е на частицу будет действовать сила,равная еЕ, а в магнитном поле с индукцией В, направленной перпендикулярно скорости движения частицы и, на частицу будет действовать сила, равная evB. В скрещенных электрическом и магнитном полях, для которых направления Е и В перпендикулярны друг другу, как показано на рисунке 110, электрическая сила и магнитная сила, действующие на движущуюся частицу, будут направлены в противоположные стороны. Подбором значений Е и В можно добиться равенства этих сил. При этом катодные лучи не будут отклоняться, проходя через скрещенные электрические и магнитные поля. В этом случае еЕ = еиВ. Отсюда можно определить значение скорости катодных лучей: и = Е/В. Зная скорость катодных лучей, можно рассчитать отношение заряда частицы к ее массе по измерению радиуса окружности, по которой частица движется в магнитном поле (рис. 111). В этом случае сила Лоренца, действующая на частицу, является центростремительной силой. Рис. щ. Движение заряженной час-По второму закону Ньютона тицы в магнитном поле В и о mv2/R = evB. Отсюда с учетом выражения для скорости катодных лучей можно получить выражение для отношения е/т\ е/т = E/B2R. В результате проведенных экспериментальных исследований оказалось, что отношение е/т для катодных лучей равно 1,7-10" Кл/кг. Томсон установил, что отношение заряда к массе частиц, входящих в состав катодных лучей, не зависит от состава газа, заполняющего вакуумную трубку, а размеры частиц значительно меньше размеров известных молекул. Все это дайало основание утверждать, что катодные лучи представляют поток частиц, ранее неизвестных физике, обладающих отрицательным электрическим зарядом, весьма малой массой и размерами. Ирландский физик Георг Стоней (1826—1911) еще в 1874 г., исходя из анализа законов электролиза Фарадея, пришел к выводу о дискретной структуре электричества. В 1891 г. он предложил элементарный электрический заряд называть электроном. Открытие Томсона дискретной структуры катодных лучей создавало физическую основу для подтверждения идеи Стонея о дискретности электрического заряда. Последующие многочисленные эксперименты позволили отождествить катодные лучи с потоком электронов. Электрический заряд электрона был измерен американским физиком Робертом Милликеном (1868—1953) в 1910—1914 гг.' и оказался равным 1,6-10" Кл. Для массы электрона была получена величина, равная 9,1 • 10"3' кг. За свои работы по определению отношения е/т для катодных лучей, которые привели к открытию первой элементарной частицы — электрона, Томсон был удостоен Нобелевской премии по физике в 1906 г., а Милликен за измерение заряда электрона стал Нобелевским лауреатом в 1923 г. ? Вопросы 1. Что привело к открытию катодных лучей? 2. Какие свойства проявляют катодные лучи? 3. Какова природа катодных лучей? 4. Какой метод использовал Томсон для измерения скорости катодных лучей? 5. Как Томсон определил отношение е/т для катодных лучей? 6. Чему равен заряд электрона?