3.7. Опыты, которые привели к открытию электрона

Вы здесь

Множество интересных опытов с электричеством было проведено физиками на протяжении XIX ст. Эти экспериментальные работы неминуемо вели к открытию электрона. Чтобы понять их, необходимо иметь некоторые представления о том, как на движение электрически заряженной частицы влияют другие электрические заряды или магнит.

Взаимодействие электрического заряда с другими электрическими зарядами и с магнитами

Принято считать, что электрический заряд окружен электрическим полем, с определенной силой притягивающим или отталкивающим другие электрические заряды, находящиеся поблизости. Напряженность электрического поля измеряют путем определения силы, действующей на единичный электрический заряд.

В экспериментальной работе часто оказывается весьма полезным устройство, подобное приведенному на рис. 3.3, в котором две большие параллельные металлические пластины находятся на небольшом постоянном расстоянии одна от другой. От батареи или генератора электричества одна из параллельных пластин заряжается положительно (т. е. какое-то количество электронов от нее отводят), другая заряжается отрицательно. 

Рис. 3.3. Движение электрически заряженной частицы в однородном электрическом поле между заряженными пластинами.

Проволоку или пластину, имеющую избыточный положительный заряд, называют анодом. Проволоку или пластину, имеющую избыточный отрицательный заряд, называют катодом. На рис. 3.3 верхняя пластина — анод, нижняя — катод.

Частица с отрицательным электрическим зарядом, помещенная между пластинами, будет притягиваться верхней пластиной и отталкиваться нижней. Она будет, следовательно, двигаться в направлении верхней пластины. Подобным же образом частица с положительным электрическим зарядом, помещенная между пластинами, будет двигаться в направлении нижней пластины.

Сила электрического поля, образующегося между пластинами, действует на положительный заряд таким же образом, как сила земного притяжения действует на некоторую массу. В соответствии с этим положительно заряженная частица, летящая с определенной скоростью, попав в пространство между пластинами, будет падать на нижнюю пластину по траектории, показанной пунктирной линией на рис. 3.3; точно так же падает на поверхность Земли камень, брошенный в горизонтальном направлении.

Известно, что если кусок железа или стали намагнитить, то образуется магнит и такой магнит обладает способностью притягивать другие куски железа. Магнит обладает также свойством воздействовать на любую электрически заряженную частицу, движущуюся вблизи него. Магнит, следовательно, можно использовать и для изучения частиц.

Рис. 3.4 Путь движущегося электрического заряда в магнитном поле.

На покоящийся электрический заряд постоянное магнитное поле не действует. Если же электрический заряд перемещается в магнитном поле, он испытывает действие силы. Это иллюстрирует рис. 3.4. Полюса магнита обозначают буквами N (северный) и S (южный); силовые линии идут от северного полюса к южному. Положительно заряженная частица, показанная на рисунке, движется через магнитное поле слева направо. Природа электричества и магнетизма такова, что действующая сила пропорциональна напряженности магнитного поля, величине электрического заряда частицы и скорости ее движения; такая сила действует под прямым углом к плоскости, образованной направлением движения частицы и направлением силовых линий магнитного поля; эта плоскость расположена вне плоскости рисунка. Действие такой силы вызывает отклонение движущейся заряженной частицы в направлении, показанном на рис. 3.4.

Электричество и магнетизм

Каждый изучающий данный курс вправе задать вопрос, как ученые объясняют тот факт, что электрон отталкивается другим электроном и почему вообще два электрически заряженных тела взаимно отталкиваются или притягиваются. Можно спросить также, чем объясняют ученые еще более необычный факт выталкивания электрического заряда в определенном направлении при его движении в магнитном поле, выталкивания, являющегося результатом взаимодействия электрического заряда и поля. Ответы на поставленные вопросы сводятся к тому, что объяснения не существует. Эти свойства электрических зарядов и электрического и магнитного полей просто присущи миру, в котором мы живем.

Установление того факта, что электрический заряд, движущийся в магнитном поле, испытывает воздействие силы, привело к весьма важным практическим приложениям. Обычный электрический генератор (динамо-машина) вырабатывает электричество именно благодаря этому явлению. В эдектрическом генераторе проволока быстро движется в магнитном поле, направление которого перпендикулярно направлению проволоки. Движение проволоки (вместе с электронами, находящимися в ней) через магнитное поле приводит к тому, что электроны начинают двигаться относительно атомов, из которых состоит проволока, в направлении одного из концов проволоки, а именно к тому концу, который определяется правилом, схематически показанным на рис. 3.4. Таким образом, в проволоке возникает поток электронов (электрический ток). Практически всю электрическую энергию, потребляемую в мире, получают этим способом, а энергию, необходимую для приведения в движение электрических генераторов (для движения проволоки в магнитном поле), получают за счет течения воды в поле земного тяготения или за счет горения угля и нефти в паровых двигателях, а также за счет ядер- ной энергии. Небольшое количество электрической энергии получают непосредственно химическим путем, что будет рассмотрено в гл. 11.

Открытие электрона

На протяжении XIX ст. многие физики ставили опыты по определению электропроводности газов. Так, если в стеклянную трубку длиной примерно 50 см вмонтировать электроды и к ним приложить разность потенциалов около 10 000 В, то вначале электрического тока между электродами не наблюдается. Если же воздух или иной газ частично удалить из трубки, то возникает электрический ток — газ в ней начинает светиться. Это явление известно всем — каждый видел множество неоновых рекламных светящихся табло и вывесок. Такие лампы заполнены неоном или каким-либо другим газом, который и испускает свет при прохождении через него электрического тока.

При дальнейшем понижении давления газа в трубке вблизи катода появляется темное пространство, а в остальной части трубки чередуются светлые и темные участки. При продолжающемся понижении давления темное пространство увеличивается до тех пор, пока не распространится на всю трубку. При этом давлении оставшийся в трубке газ уже не испускает света, однако само стекло начинает светиться слабым зеленоватым светом.

Было установлено, что зеленоватое свечение стенок возникает в результате бомбардировки стекла лучами, испускаемыми катодом. Эти лучи, называемые катодными лучами, распространяются прямолинейно от катода к стеклу. Это было подтверждено простым опытом (рис. 3.5): объект, в данном случае это крест, помещенный внутри трубки, оставляет тень на стекле, флуоресцирующем во всех точках, кроме участка, на который падает тень.

Как показал в 1895 г. французский ученый Жан Перрен (1870— 1942), катодные лучи состоят из отрицательно заряженных частиц. Его опыт иллюстрирует рис. 3.6. В трубке был установлен экран со щелью благодаря чему можно было получать пучок катодных лучей. Кроме того, в трубку был вмонтирован флуоресцирующий экран*, так что за пучком катодных лучей можно было наблюдать по флуоресценции экрана. Когда магнит подводили близко к трубке, наблюдалось отклонение пучка в таком направлении, которое свидетельствовало о присутствии отрицательного заряда на частицах.

 Рис. 3.5. Эксперимет, доказывающий прямолинейное распространение катодных лучей в трубке Крукса.

 Рис. 3.6. Эксперимент, доказывающий, что катодные лучи несут отрицательный заряд. 1 — фосфоресцирующий экран; 2 — диафрагма.

 Рис. 3.7. Установка, попользованная Дж. Дж. Томсоном для определения отношения величины электрического заряда к массе катодных лучей путем одновременного отклонения этих лучей электрическим и магнитным полями. 1 — катод; 2 — флуоресцирующий экран; 3—батарея высокого напряжения; 4 — анод.

Дж. Дж. Томсон выполнил затем ряд опытов, позволивших получить некоторые количественные характеристики частиц, составляющих катодные лучи. Он использовал установку, приведенную на рис. 3.7, в которой пучок катодных лучей подвергался воздействию или магнита, подводимого к трубке, или электрического поля, создаваемого путем наложения электрического потенциала на две металлические пластины в трубке; кроме того, пучок мог подвергаться одновременному воздействию магнита и электрического поля. Результаты такого воздействия на пучок катодных лучей прослеживали при помощи флуоресцирующего экрана. Результаты эксперимента привели Томсона к выводу, что частицы, составляющие катодные лучи, представляют собой особую форму материи, отличающуюся от обычной. Эти частицы, как показали опыты Томсона, во много раз легче атомов. Более поздние и точные эксперименты установили, что масса такой частицы составляет лишь 1/1837 часть массы атома водорода. И другие исследователи провели важные опыты по изучению катодных лучей, однако приоритет открытия электрона остается за Томсоном, поскольку именно его количественные эксперименты позволили получить первые убедительные доказательства того, что катодные лучи состоят из частиц (электронов), которые значительно легче атомов.

Определение заряда электрона

После открытия Томсоном электрона многие исследователи занялись проблемой точного определения его заряда. Из ранних экспериментаторов наибольшего успеха добился американский физик Р. Э. Милликен (1868—1953), начавший свои опыты еще в 1906 г. Проводя опыты с заряженными каплями масла, он в 1909 г. определил значение заряда электрона с точностью до 1%.

Использованная им установка показана на рис. 3.8. Некоторая часть мелких капель масла, образующихся в распылителе, захватывала электроны, отделявшиеся от молекул под действием пучка рентгеновских лучей. Экспериментатор наблюдал в микроскоп одну из таких капель масла. Сначала он измерял скорость ее падения в поле земного тяготения. Капля падала со скоростью, зависящей от ее размера, и измерение скорости падения капли позволило экспериментатору рассчитать ее размеры.

После наложения электрического поля путем заряжения пластин, ограничивающих сверху и снизу пространство, в котором движутся капли масла, часть капель (не несущих электрического заряда) продолжала падать, как и прежде. Другие же капли, несущие электрические заряды, изменяли скорость движения и могли даже подниматься вверх под действием притяжения электрического заряда верхней, противоположно заряженной пластины. При этом замерялась изменившаяся скорость падения капель. Данные таких измерений позволяют рассчитать величину электрического заряда капли.

После исследований Милликена были разработаны многие другие методы определения заряда электрона, и в настоящее время эта величина известна с точностью примерно до 0,001 %.

Рис. 3.8. Схема установки, использованной Милликеном для определения заряда электрона методом масляных капель. 1 — микроскоп; 2 — распылитель; 3 — масляные капли; 4 — пластины конденсатора; 5 — однополюсный перекидной переключатель; 6 — двухполюсный перекидной переключатель; 7 — батарея на 10 000 В; 8 — наблюдаемая капля масла; 9 — секундомер. 


* Флуоресцирующий экран представляет собой бумажный или стеклянный лист, покрытый веществом, способным давать светящееся пятно под действием удара быстро летящего электрона или другой частицы, обладающей высокой энергией.