35. ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА

ОПЫТ ТОМСОНА

Гипотеза о существовании атомов, тех неделимых частиц, различные конфигурации которых в пустоте образуют окружающий нас объективный мир, так же стара, как и наша цивилизация:

«На тела основные природа все разлагает» [1].

Твердые, обладающие массой и неделимые атомы Ньютона; атомы в кинетической теории, средняя кинетическая энергия которых отождествляется с температурой тела; атомы в химии, стройные комбинации которых обнаруживаются в химических реакциях; водородный атом, из различных сочетаний которого Проут составлял все элементы. Понятие атома существует уже по крайней мере 25 столетий, хотя часто оно отодвигалось на второй план или было в загоне.

Но что такое атом? И какой смысл следует вкладывать в этот вопрос? К концу девятнадцатого века, когда завершилось создание классической теории и появились новые технические средства, все

настойчивее стал звучать старый вопрос: какова природа атома? Эта тема и ее вариации стали лейтмотивом физики двадцатого столетия.

На исходе девятнадцатого века было проведено много опытов по изучению электрического разряда в разреженных газах. Разряд возбуждался (с помощью индукционной катушки или электростатической машины, создающих большие разности потенциалов) между отрицательным электродом, названным катодом, и положительным электродом, названным анодом, причем оба электрода запаивались внутрь стеклянной трубки, из которой был откачан воздух. Когда воздух в трубке становился достаточно разреженным, темная область вокруг катода, известная под названием темного круксова пятна, постепенно расширялась, пока не достигала противоположного конца трубки, который начинал после этого светиться, причем цвет свечения зависел от сорта стекла, из которого была сделана трубка.

Фиг. 62.

Если в трубку ввести различные экраны, например, как на фиг. 62, то светиться будет небольшое пятно, расположенное на конце трубки, как будто что-то проходит через отверстия в экране и, достигая стекла, вынуждает его светиться. Это что-то окрестили катодными лучами.

В конце девятнадцатого века происходили оживленные дискуссии о природе этих лучей. Некоторые считали, что лучи, подобно свету, обязаны своим происхождением процессам в эфире; другие же полагали, что они состоят из электрически заряженных частиц. В 1895 г. Жану Перрену удалось собрать эти лучи в изолированном сосуде и доказать, что они несут отрицательный заряд. Вскоре после этого Дж. Дж. Томсон осуществил свой классический эксперимент, в котором он впервые отождествил катодные лучи с частицами, названными позднее электронами. Он писал:

«Эксперименты, описанные в этой статье, были проведены с целью получения некоторой информации о природе катодных лучей. По поводу этих лучей существуют совершенно противоположные точки зрения; согласно почти единодушному мнению германских физиков, они вызываются какими-то процессами в эфире, которым — ввиду того, что их путь в однородном магнитном поле является не прямолинейным, а круговым — ни в одном из ранее наблюдавшихся явлений нет аналога; согласно

другому мнению, эти лучи далеко не эфирного происхождения, а материального и являются просто потоком частиц материи, заряженных отрицательным электричеством» [2].

Далее Томсон переходит к описанию опыта, с помощью которого ему удалось измерить величину отношения заряда этих частиц к их массе, если считать, что катодные лучи суть заряженные частицы.

Фиг. 63. Схема установки Томсона (взято из [2]).

Создавая электрическое поле между пластинами, обозначенными на фиг. 63 буквами и или магнитное поле, направленное перпендикулярно направлению распространения лучей, Томсон наблюдал смещение светящегося пятна на конце трубки; чем сильнее были электрическое или магнитное поля, тем больше смещалось пятно. Убедившись, что это явление не зависит от того, какой газ находится в трубке, Томсон писал:

«Поскольку катодные лучи несут отрицательный заряд, отклоняются под действием электростатической силы, как если бы они были отрицательно заряженными, и реагируют на магнитную силу точно так же, как реагировали бы на нее отрицательно заряженные тела, двигавшиеся вдоль линии распространения лучей, я не могу не прийти к заключению, что катодные лучи суть заряды отрицательного электричества, переносимые частицами материи. Тогда встает вопрос: что это за частицы? Являются ли они атомами, молекулами или материей в более тонком состоянии разделения? С целью пролить некоторый свет на этот вопрос я провел целый ряд измерений отношения массы этих частиц к величине заряда, переносимого ими» [3].

Далее приводится следующий расчет. Сила, действующая на заряженную частицу (обозначим ее заряд через со стороны электрического поля Е, включенного между пластинами и

В то же самое время сила, действующая на заряженную частицу со стороны магнитного поля В, перпендикулярного направлению ее движения:

Если, например, частица заряжена отрицательно, а электрическое поле направлено от к то электрическая сила будет отклонять частицу вниз. Магнитная же сила, действующая на частицу, которая движется в магнитном поле, направленном так, как показано на фиг. 64, будет отклонять частицу вверх: Поэтому, подбирая напряженности электрического и магнитного полей так, чтобы светящееся пятно оставалось несмещенным, Томсон тем самым выравнивал силы, действующие на частицы со стороны электрического и магнитного полей:

или

Фиг. 64.

Отсюда он узнавал скорость гипотетических частиц. Затем, выключая электрическое поле и варьируя напряженность магнитного поля, он мог изменять величину отклонения частиц в конце трубки. Зная время, в течение которого частицы находились в магнитном поле (так как он знал их скорость), Томсон тем самым мог рассчитать действие на них этого поля. Отсюда по измеренной величине отклонения ему удалось определить отношение заряда частиц к их массе.

В конце концов он получил следующую величину отношения массы к заряду для своих гипотетических частиц

В заключение Томсон писал:

«Из этих измерений видно, что величина не зависит от природы газа, а ее значение очень мало по сравнению с величиной являющейся наименьшим из ранее известных значений для этого отношения и относящейся к ионам водорода, которые участвуют в электролизе.

Таким образом, величина отношений для носителей электричества в катодных лучах значительно меньше, чем соответствующая величина в электролизе. Малость объясняется либо малостью либо большим значением либо и тем и другим одновременно» [4].

Этот носитель электричества, активная составная частица катодных лучей, был назван со временем электроном, который явился первой элементарной частицей двадцатого столетия.

Позднее Томсон писал:

«Моя первая попытка отклонить пучок катодных лучей состояла в пропускании их между двумя параллельными металлическими пластинами, укрепленными внутри разрядной трубки, и возбуждении электрического поля между этими пластинами. Таким способом получить регулярное отклонение мне не удалось... Отсутствие отклонения объяснялось наличием в трубке газа (давление оставалось слишком высоким), поэтому было необходимо получить более высокий вакуум. Но это было легче сказать, чем осуществить. Техника получения высокого вакуума в те дни находилась в зачаточном состоянии» [5].

Уже не в первый раз осуществление решающего эксперимента наталкивалось не на трудности его идейного замысла, а на отсутствие необходимых технических средств.

После измерений Томсона чрезвычайно важно было определить либо величину заряда, либо массу этих частиц по отдельности. Заряд газообразных ионов, измеренный ранее в лаборатории Томсона, равнялся примерно Полагая, что заряд этих ионов такой же, как и заряд, переносимый катодной частицей, нетрудно показать, что масса этих частиц чрезвычайно мала:

В те годы Томсон называл катодные частицы «корпускулами», или изначальными атомами; слово «электрон» использовалось им для обозначения количества заряда, переносимого «корпускулой». Однако со временем электроном стали называть саму частицу. Значительно позднее (в 1909 г.) Милликен, измеряя величину заряда на капельках масла, установил, что элементарный заряд (предполагалось, что его величина такая же, как и заряд электрона) равен приблизительно Приведем современные значения заряда и массы электрона: