§ 74. Определение заряда и массы электрона

Удельный заряд электрона (т. е. отношение ) был впервые измерен Томсоном в 1897 г. с помощью разрядной трубки, изображенной на рис. 74.1. Выходящий из отверстия в аноде А электронный пучок (катодные лучи; см. § 85) проходил между пластинами плоского конденсатора и попадал на флуоресцирующий экран, создавая на нем светящееся пятно.

Подавая напряжение на пластины конденсатора, можно было воздействовать на пучок практически однородным электрическим полем. Трубка помещалась между полюсами электромагнита, с помощью которого можно было создавать на том же участке пути электронов перпендикулярное к электрическому однородное магнитное поле (область этого поля обведена на рис. 74.1 пунктирной окружностью). При выключенных полях пучок попадал на экран в точке О. Каждое из полей в отдельности вызывало смещение пучка в вертикальном направлении. Величины смещений определяются полученными в предыдущем параграфе формулами (73.3) и (73.4).

Включив магнитное поле и измерив вызванное им смещение следа пучка

Томсон включал также электрическое поле и подбирал его значение так, чтобы пучок снова попадал в точку О. В этом случае электрическое и магнитное поля действовали на электроны пучка одновременно с одинаковыми по величине, но противоположно направленными силами. При этом выполнялось условие

Решая совместно уравнения (74.1) и (74.2), Томсон вычислял .

Буш применил для определения удельного заряда электронов метод магнитной фокусировки. Суть этого метода заключается в следующем. Допустим, что в однородном магнитном поле вылетает из некоторой точки слегка расходящийся симметричный относительно направления поля пучок электронов, имеющих одинаковую по величине скорость v. Направления, по которым вылетают электроны, образуют с направлением В небольшие углы а. В § 72 было выяснено, что электроны движутся в этом случае по спиральным траекториям, совершая за одинаковое время

полный оборот и смещаясь вдоль направления поля на расстояние , равное

Рис. 74.1.

Вследствие малости угла а расстояния (74.3) для разных электронов оказываются практически одинаковыми и равными (для малых углов ). Следовательно, слегка расходящийся пучок сфокусируется в точке, отстоящей от точки вылета электронов на расстояние

В опыте Буша электроны, испущенные раскаленным катодом К (рис. 74.2), ускоряются, проходя разность потенциалов U, приложенную между катодом К и анодом А. В результате они приобретают скорость и, значение которой может быть найдено из соотношения

Вылетев затем из отверстия в аноде, электроны образуют узкий пучок, направленный вдоль оси эвакуированной трубки, вставленной внутрь соленоида. На входе в соленоид помещается конденсатор, на который подается переменное напряжение. Поле, создаваемое конденсатором, отклоняет электроны пучка от оси прибора на небольшие изменяющиеся со временем углы а. Это приводит к «завихрению» пучка — электроны начинают двигаться по различным спиральным траекториям. На выходе из соленоида ставится флуоресцирующий экран. Если подобрать магнитную индукцию В так, чтобы расстояние Г от конденсатора до экрана удовлетворяло условию

(l — шаг спирали, — целое число), то точка пересечения траекторий электронов попадет на экран — электронный пучок окажется сфокусированным в этой точке и возбудит на экране резкое светящееся пятно. Если условие (74.6) не соблюдается, светящееся пятно на экране будет размытым. Решив совместно уравнения (74.4), (74.5) и (74.6), можно найти

Наиболее точное значение удельного заряда электрона, установленное с учетом результатов, полученных разными методами, равно

Величина (74.7) дает отношение заряда электрона к его массе покоя . В опытах Томсона, Буша и других аналогичных опытах определялось отношение заряда к релятивистской массе, равной

Рис. 74.2

В опытах Томсона скорость электронов составляла примерно 0,1 с. При такой скорости релятивистская масса превышает массу покоя на 0,5%. В последующих опытах скорость электронов достигала очень больших значений. Во всех случаях было обнаружено уменьшение измеряемых значений с ростом v, происходившее в точном соответствии с формулой (74.8).

Заряд электрона был определен с большой точностью Милликеном в 1909 г. В закрытое пространство между горизонтально расположенными пластинами конденсатора (рис. 74.3) Милликен вводил мельчайшие капельки масла. При разбрызгивании капельки электризовались, и их можно было устанавливать неподвижно, подбирая величину и знак напряжения на конденсаторе.

Равновесие наступало при условии

здесь — заряд капельки, Р — результирующая силы тяжести и архимедовой силы, равная

(74.10)

( — плотность капельки, — ее радиус, — плотность воздуха).

Из формул (74.9) и (74.10), зная , можно было найти . Для определения радиуса измерялась скорость равномерного падения капельки в отсутствие поля. Равномерное движение капельки устанавливается при условии, что сила Р уравновешивается силой сопротивления (см. формулу (78.1) 1-го тома; — вязкость воздуха):

(74.11)

Движение капельки наблюдалось с помощью микроскопа. Для измерения определялось время, за которое капелька проходила расстояние между двумя нитями, видимыми в поле зрения микроскопа.

Точно зафиксировать равновесие капельки очень трудно. Поэтому вместо поля, отвечающего условию (74.9), включалось такое поле, под действием которого капелька начинала двигаться с небольшой скоростью вверх. Установившаяся скорость подъема определяется из условия, что сила Р и сила в сумме уравновешивают силу

(74.12)

Исключив из уравнения (74.10), (74.11) и (74.12) Р и , получим выражение для

(в эту формулу Милликен вносил поправку, учитывающую, что размеры капелек были сравнимы с длиной свободного пробега молекул воздуха).

Рис. 74.3.

Итак, измерив скорость свободного падения капельки и скорость ее подъема известном электрическом поле , можно было найти заряд капельки е. Произведя измерение скорости при некотором значении заряда , Милликен вызывал ионизацию воздуха облучая пространство между пластинами рентгеновскими лучами. Отдельные ионы, прилипая к капельке, изменяли ее заряд, в результате чего скорость также менялась. После измерения нового значения скорости снова облучалось пространство между пластинами и т. д.

Измеренные Милликеном изменения заряда капельки и сам заряд каждый раз получались целыми кратными одной и той же величины . Тем самым была экспериментально доказана дискретность электрического заряда, т. е. тот факт, что всякий заряд слагается из элементарных зарядов одинаковой величины.

Значение элементарного заряда, установленное с учетом измерений Милликена и данных, полученных другими методами, равно

(74.13)

Такую же величину имеет заряд электрона.

Из (74.7) и (74.13) получается для массы покоя электрона значение

(74.14)

приблизительно в 1840 раз меньшее массы самого легкого из атомов — атома водорода.

В обнаружении дискретной природы электричества сыграли большую роль законы электролиза, установленные экспериментально Фарадеем в 1836 г. Согласно этим законам масса вещества, выделяющегося при прохождении тока через электролит, пропорциональна переносимому током заряду

(74.15)

Здесь М — масса моля выделяющегося вещества, — валентность этого вещества, F — постоянная Фарадея (число Фарадея) равная

(74.16)

Разделив обе части равенства (74.15) на массу иона, получим

- число Авогадро, — количество ионов, содержащихся в массе m). Отсюда для заряда одного иона получается значение

Следовательно, заряд иона оказывается целым кратным величины

(74.17)

«угорая представляет собой элементарный заряд.

Таким образом, из анализа законов электролиза вытекает дискретность зарядов, которыми могут обладать ионы в электролитах.

Подстановка в (74.17) значения (74.16) для F и найденного из зпытов Перрена (см. § тома) значения NA дает для вели хорошо согласующуюся со значением, найденным Миллионом.

Поскольку точность, с которой определяется постоянная Фарадея F, и точность значения , полученного Милликеном, намного превосходят точность опытов Перрена по определению соотношение (74.17) было использовано для определения числа Авогадро. При этом было взято значение F, найденное из опытов по электролизу, и значение , полученное Милликеном.