3.7. Досліди, що привели до відкриття електрона

Фізики провели протягом XIX ст. безліч цікавих дослідів з електрикою. Ці експериментальні роботи неминуче вели до відкриття електрона. Щоб зрозуміти їх, необхідно мати деяке уявлення про те, як на рух електрично зарядженої частинки впливають інші електричні заряди або магніт.

Прийнято вважати, що електричний заряд оточений електричним полем, яке з певною силою притягує або відштовхує інші електричні заряди, що перебувають поблизу. Напруженість електричного поля вимірюють, визначаючи силу, яка діє на одиничний електричний заряд.

В експериментальній роботі часто виявляється дуже корисним пристрій, подібний до наведеного на рис. 3.3, у якому дві великі паралельні металеві пластини містяться на невеликій сталій відстані одна від одної. Від батареї або генератора електрики одна з паралельних пластин заряджається позитивно (тобто від неї відводять якусь кількість електронів), а друга заряджається негативно. 

Рис. 3.3. Рух електрично зарядженої частинки в однорідному електричному полі між зарядженими пластинами.

Дріт або пластину, що має надлишковий позитивний заряд, називають анодом. Дріт або пластину, що має надлишковий негативний заряд, називають катодом. На рис. 3.3 верхня пластина — анод, нижня — катод.

Частинка з негативним електричним зарядом, поміщена між пластинами, притягуватиметься верхньою пластиною і відштовхуватиметься нижньою. Отже, вона рухатиметься в напрямку верхньої пластини. Так само частинка з позитивним електричним зарядом, поміщена між пластинами, рухатиметься в напрямку нижньої пластини.

Сила електричного поля, що утворюється між пластинами, діє на позитивний заряд так само, як сила земного тяжіння діє на певну масу. Відповідно позитивно заряджена частинка, що летить із певною швидкістю, потрапивши в простір між пластинами, падатиме на нижню пластину по траєкторії, показаній пунктирною лінією на рис. 3.3; так само падає на поверхню Землі камінь, кинутий у горизонтальному напрямку.

Відомо, що коли шматок заліза або сталі намагнітити, то утворюється магніт, і такий магніт має здатність притягувати інші шматки заліза. Магніт має також властивість діяти на будь-яку електрично заряджену частинку, що рухається поблизу нього. Отже, магніт можна використовувати і для вивчення частинок.

Рис. 3.4 Шлях руху електричного заряду в магнітному полі.

На електричний заряд, що перебуває в спокої, постійне магнітне поле не діє. Якщо ж електричний заряд переміщується в магнітному полі, він зазнає дії сили. Це ілюструє рис. 3.4. Полюси магніту позначають літерами N (північний) і S (південний); силові лінії йдуть від північного полюса до південного. Позитивно заряджена частинка, показана на рисунку, рухається через магнітне поле зліва направо. Природа електрики і магнетизму така, що сила, яка діє, пропорційна напруженості магнітного поля, величині електричного заряду частинки та швидкості її руху; така сила діє під прямим кутом до площини, утвореної напрямком руху частинки й напрямком силових ліній магнітного поля; ця площина розташована поза площиною рисунка. Дія такої сили спричиняє відхилення зарядженої частинки, що рухається, в напрямку, показаному на рис. 3.4.

Кожен, хто вивчає цей курс, має право запитати, як учені пояснюють той факт, що електрон відштовхується іншим електроном і чому взагалі два електрично заряджені тіла взаємно відштовхуються або притягуються. Можна запитати також, чим пояснюють учені ще незвичніший факт виштовхування електричного заряду в певному напрямку під час його руху в магнітному полі, виштовхування, яке є результатом взаємодії електричного заряду і поля. Відповіді на ці запитання зводяться до того, що пояснення не існує. Ці властивості електричних зарядів та електричного й магнітного полів просто притаманні світові, в якому ми живемо.

З'ясування того факту, що електричний заряд, який рухається в магнітному полі, зазнає дії сили, привело до дуже важливих практичних застосувань. Звичайний електричний генератор (динамо-машина) виробляє електрику саме завдяки цьому явищу. В електричному генераторі дріт швидко рухається в магнітному полі, напрямок якого перпендикулярний до напрямку дроту. Рух дроту (разом з електронами, що містяться в ньому) через магнітне поле призводить до того, що електрони починають рухатися відносно атомів, з яких складається дріт, у напрямку одного з кінців дроту, а саме до того кінця, який визначається правилом, схематично показаним на рис. 3.4. Таким чином, у дроті виникає потік електронів (електричний струм). Практично всю електричну енергію, що споживається у світі, одержують цим способом, а енергію, потрібну для приведення в рух електричних генераторів (для руху дроту в магнітному полі), одержують за рахунок течії води в полі земного тяжіння або за рахунок горіння вугілля й нафти в парових двигунах, а також за рахунок ядерної енергії. Невелику кількість електричної енергії одержують безпосередньо хімічним шляхом, що буде розглянуто в розд. 11.

Протягом XIX ст. багато фізиків ставили досліди з визначення електропровідності газів. Так, якщо в скляну трубку завдовжки приблизно 50 см вмонтувати електроди і прикласти до них різницю потенціалів близько 10 000 В, то спочатку електричного струму між електродами не спостерігається. Якщо ж повітря або інший газ частково видалити з трубки, то виникає електричний струм — газ у ній починає світитися. Це явище відоме всім — кожен бачив безліч неонових рекламних світних табло й вивісок. Такі лампи заповнені неоном або якимось іншим газом, який і випромінює світло під час проходження крізь нього електричного струму.

Під час подальшого зниження тиску газу в трубці поблизу катода з'являється темний простір, а в решті трубки чергуються світлі й темні ділянки. Якщо тиск продовжує знижуватися, темний простір збільшується доти, доки не поширюється на всю трубку. За такого тиску газ, що залишився в трубці, уже не випромінює світла, проте саме скло починає світитися слабким зеленавим світлом.

З'ясувалося, що зеленаве світіння стінок виникає внаслідок бомбардування скла променями, які випромінює катод. Ці промені, що їх називають катодними променями, поширюються прямолінійно від катода до скла. Це було підтверджено простим дослідом (рис. 3.5): предмет, у цьому разі хрест, поміщений усередині трубки, залишає тінь на склі, яке флуоресціює в усіх точках, крім ділянки, на яку падає тінь.

Як показав 1895 р. французький учений Жан Перрен (1870— 1942), катодні промені складаються з негативно заряджених частинок. Його дослід ілюструє рис. 3.6. У трубці було встановлено екран зі щілиною завдяки чому можна було одержувати пучок катодних променів. Крім того, у трубку було вмонтовано флуоресцентний екран*, так що за пучком катодних променів можна було спостерігати за флуоресценцією екрана. Коли магніт підводили близько до трубки, спостерігалося відхилення пучка в такому напрямку, який свідчив про наявність негативного заряду на частинках.

 Рис. 3.5. Експеримент, що доводить прямолінійне поширення катодних променів у трубці Крукса.

 Рис. 3.6. Експеримент, що доводить, що катодні промені несуть негативний заряд. 1 — фосфоресцентний екран; 2 — діафрагма.

 Рис. 3.7. Установка, використана Дж. Дж. Томсоном для визначення відношення величини електричного заряду до маси катодних променів шляхом одночасного відхилення цих променів електричним і магнітним полями. 1 — катод; 2 — флуоресцентний екран; 3—батарея високої напруги; 4 — анод.

Дж. Дж. Томсон виконав потім низку дослідів, які дали змогу одержати деякі кількісні характеристики частинок, що утворюють катодні промені. Він використав установку, наведену на рис. 3.7, у якій пучок катодних променів зазнавав дії або магніту, підведеного до трубки, або електричного поля, створюваного накладанням електричного потенціалу на дві металеві пластини в трубці; крім того, пучок міг зазнавати одночасної дії магніту й електричного поля. Результати такої дії на пучок катодних променів простежували за допомогою флуоресцентного екрана. Результати експерименту привели Томсона до висновку, що частинки, які утворюють катодні промені, являють собою особливу форму матерії, відмінну від звичайної. Ці частинки, як показали досліди Томсона, у багато разів легші за атоми. Пізніші й точніші експерименти встановили, що маса такої частинки становить лише 1/1837 маси атома Гідрогену. Інші дослідники також провели важливі досліди з вивчення катодних променів, проте пріоритет відкриття електрона лишається за Томсоном, оскільки саме його кількісні експерименти дали змогу одержати перші переконливі докази того, що катодні промені складаються з частинок (електронів), які значно легші за атоми.

Після відкриття Томсоном електрона багато дослідників узялися за проблему точного визначення його заряду. З-поміж перших експериментаторів найбільшого успіху досяг американський фізик Р. Е. Мілікен (1868—1953), який почав свої досліди ще 1906 р. Проводячи досліди із зарядженими краплями олії, він 1909 р. визначив значення заряду електрона з точністю до 1%.

Установку, яку він використовував, показано на рис. 3.8. Певна частина дрібних крапель олії, що утворювалися в розпилювачі, захоплювала електрони, які відділялися від молекул під дією пучка рентгенівських променів. Експериментатор спостерігав у мікроскоп одну з таких крапель олії. Спочатку він вимірював швидкість її падіння в полі земного тяжіння. Крапля падала зі швидкістю, що залежить від її розміру, і вимірювання швидкості падіння краплі давало змогу експериментатору розрахувати її розміри.

Після накладання електричного поля шляхом заряджання пластин, що обмежують зверху й знизу простір, у якому рухаються краплі олії, частина крапель (які не несуть електричного заряду) продовжувала падати, як і раніше. Інші ж краплі, що несли електричні заряди, змінювали швидкість руху і могли навіть підніматися вгору під дією притягання електричного заряду верхньої, протилежно зарядженої пластини. При цьому вимірювали змінену швидкість падіння крапель. Дані таких вимірювань дають змогу розрахувати величину електричного заряду краплі.

Після досліджень Мілікена було розроблено багато інших методів визначення заряду електрона, і нині ця величина відома з точністю приблизно до 0,001 %.

Рис. 3.8. Схема установки, використаної Мілікеном для визначення заряду електрона методом масляних крапель. 1 — мікроскоп; 2 — розпилювач; 3 — масляні краплі; 4 — пластини конденсатора; 5 — однополюсний перекидний перемикач; 6 — двополюсний перекидний перемикач; 7 — батарея на 10 000 В; 8 — спостережувана крапля олії; 9 — секундомір. 

* Флуоресцентний екран являє собою паперовий або скляний аркуш, вкритий речовиною, здатною давати світлу пляму під дією удару електрона, що швидко летить, або іншої частинки, яка має високу енергію.