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.

Гейсслеровская трубка

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 гейсслеровской 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 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) и Густав 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 Плюккера, помещает между катодом и анодом внутри трубки препятствие и обнаруживает тень от препятст­вия, создаваемую катодными луча­ми.

Тень от препятствия на нити катодных лучей

В 1879 г. английский физик Уильям Крукс (1832-1919) создает вакуумные трубки с впаян­ными внутри их различными люминесцирующими веществами, вертушками и другими устройства­ми. Под действием катодных лучей вещества испускали разноцветные световые лучи, вертушки враща­лись, отбрасывая тень на поверх­ность стеклянной колбы, светив­шуюся таинственным зеленым светом. Эксперименты с круксовыми трубками привлекли внимание людей, далеких от физи­ки, к физическим явлениям, вы­званным катодными лучами.

Круксова трубка

В 1883 г. Генрих Герц в серии экспериментов показал, что катодные 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, Видеманн 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, Ленарда, 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 v, 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 ПО, 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 = evB. Отсюда можно определить значение скорости катодных лучей: v = Е/В.

Прибор Томсона для определения удельного заряда электрона

Зная скорость катодных лучей, можно рассчитать от­ношение заряда частицы к ее массе по измерению радиуса окружности, по которой частица движется в магнитном поле

В этом случае сила Лоренца, действующая на частицу, являет­ся центростремительной силой.

Движение заряженной час­тицы в магнитном поле

По второму закону Ньютона 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 давало 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^-19 Кл. Для массы электрона была получе­на величина, равная 9,1 • Ю^{-31 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.