Kvant. Открытие электрона
Кикоин А.К. Открытие электрона //Квант. — 1985. — № 3. — С. 18-20.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Слово «электрон» — название одной из заряженных элементарных частиц — и производные от него, пожалуй, чаще всего встречаются в наши дни в научно-технической литературе. Сравнительно недавно появилось слово «электроника», обозначающее, с одной стороны, науку о взаимодействиях электронов с электромагнитными полями, а с другой — новую область техники. Такие прилагательные, как «электронный», «электронная» и т. д., широко вошли в наш язык и в нашу жизнь. Достаточно напомнить, например, о существовании различных электронных приборов и электронных вычислительных машин.
Когда, кем и как был открыт электрон? Когда, кто и как определил его основные свойства и выяснил его роль в природе?
Лучи или частицы?
Открытие электрона представляет собой завершение длившегося несколько десятилетий исследования газового разряда, то есть процесса прохождения электрического тока через газ («Физика 9», § 70-72). В частности, приблизительно к середине прошлого века было выяснено, что если к электродам, впаянным в стеклянную трубку с газом, приложить достаточно высокое напряжение, то через газ проходит электрический ток, а сам газ при этом светится. Характер свечения зависит от давления газа и приложенного напряжения, а цвет света определяется природой газа. Однако при достаточно малом давлении (около одного паскаля, то есть стотысячной доли атмосферы) свечение газа почти исчезает (хотя ток продолжает идти), но зато начинает светиться зеленоватым светом стекло трубки.
Что же происходит в разрядной трубке после исчезновения свечения газа? По этому поводу возник длительный спор между физиками, наиболее активно изучавшими это явление.
Немецкие физики (Г. Герц, Э. Гольдштейн) считали, что из катода трубки исходят особые лучи, которые и вызывают свечение стекла. Их поэтому стали называть катодными лучами. Герц, открывший электромагнитные волны, естественно, склонен был считать, что катодные лучи — это особые электромагнитные волны, похожие на свет, но свет невидимый.
Английские физики (У. Крукс, А. Шустер, затем Дж. Дж. Томсон) полагали, что из катода выходят не лучи, а какие-то отрицательно заряженные частицы и что именно под их воздействием возникает свечение стекла. Крукс, например, утверждал, что это газовые молекулы, которые, удаляясь о катод, приобретают отрицательный заряд и затем ускоряются силой притяжения к аноду. В пользу этого говорило то, что катодные лучи отклоняются магнитным полем. Об этом важном факте знали, конечно, и немецкие физики, но в то время еще не было твердо установлено, что электромагнитные волны с магнитным полем не взаимодействуют.
Обеими спорящими сторонами было твердо установлено, что свойства катодных лучей не зависят от того, из какого материала сделан катод. Спор этот был весьма плодотворным, так как каждая группа ученых старалась придумать и поставить такие опыты, которые доказали бы их правоту.
Решающие опыты были выполнены в 1897 году английским физиком Джозефом Джоном Томсоном. Опыты эти состояли в наблюдении движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях.
Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях
В прошлом номере в заметке «О числе Фарадея и удельном заряде заряженной частицы» было показано, что скорость υ и ускорение а заряженной частицы в электрическом поле определяются удельным зарядом частицы \(~\dfrac{q}{m}\) (q — заряд частицы, m — ее масса):
где U — напряжение, а E — напряженность поля.
Но оказывается, движение частицы в магнитном поле тоже определяется ее удельным зарядом. Покажем это.
На частицу с зарядом q (для простоты будем считать его положительным), движущуюся с начальной скоростью \(~\vec \upsilon\) в магнитном поле с индукцией \(~\vec B\), действует сила Лоренца \(~\vec F_L\) («Физика 9», §89). Если вектор \(~\vec \upsilon\) перпендикулярен вектору \(~\vec B\), то сила Лоренца по модулю равна qυB и направлена перпендикулярно вектору скорости и вектору магнитной индукции. Поскольку сила перпендикулярна скорости частицы, она заставляет частицу двигаться по окружности, сообщая ей центростремительное ускорение. Второй закон Ньютона для этого случая имеет вид
откуда для радиуса r окружности получаем
Таким образом, при заданном значении магнитной индукции и начальной скорости частицы радиус кривизны ее траектории действительно определяется удельным зарядом частицы \(~\left( \dfrac{q}{m} \right)\).
Из последнего равенства можно получить формулу для определения самого удельного заряда:
Радиус окружности r и индукцию В измерить нетрудно. Но нужно еще знать скорость υ частицы, которую измерить не так просто. Томсон сумел обойти эту трудность. И вот каким способом.
Опыты Дж. Дж. Томсона
Целью опытов Томсона было определение удельного заряда тех предполагаемых частиц, которые, по мнению английских физиков, образуют катодные лучи. Прибор, созданный Томсоном, схематически показан на рисунке.
В стеклянный сосуд впаяны катод К, и анод А, диафрагма и пластины конденсатора. Между К и А подается достаточно высокое напряжение, необходимое для возникновения катодных лучей. Отверстия в аноде и диафрагме «вырезают» узкий пучок лучей, попадающий на противоположную стенку сосуда, где он вызывает свечение стекла. Пунктирная окружность на рисунке изображает катушки (вне сосуда), создающие магнитное поле, перпендикулярное электрическому полю конденсатора (и плоскости рисунка).
Когда в трубке создано только электрическое поле конденсатора и верхняя пластина заряжена положительно, пучок лучей, если он действительно состоит из отрицательно заряженных частиц, отклоняется вверх (траектория a на рисунке). Если создано только магнитное поле, направленное от нас за плоскость рисунка, пучок отклоняется вниз (траектория b). По свечению торцевой стенки трубки легко установить, куда именно попадает пучок.
Но можно подобрать такие значения напряженности электрического поля \(~\vec E\) и магнитной индукции \(~\vec B\), чтобы пучок вовсе не отклонялся и двигался по прямолинейной траектории (показанной на рисунке красным цветом). Это означает, что электрическая сила, действующая на частицу, равна по модулю силе Лоренца: qE = qυB. Отсюда для скорости частицы получаем выражение \(~\upsilon = \dfrac{E}{B}\). Подставив его в формулу для удельного заряда, находим
Все в опыте Томсона происходило так, как и предполагалось. В электрическом поле пучок двигался по одной траектории (a), в магнитном — по другой (b). При одновременном действии обоих полей пучок не отклонялся вовсе.
По формуле (*), в которую входят легко измеряемые величины (и не входит скорость частиц), можно было определить удельный заряд частиц, образующих то, что до того называлось катодными лучами. Удельный заряд этих частиц оказался чудовищно большим: 1,76·1011 Кл/кг. Эти-то частицы и получили название электронов. Поэтому теперь принято считать, что год открытия электрона — 1897, а автор этого важнейшего открытия — Джозеф Джон Томсон.
Так как электроны вылетают из катода разрядной трубки всегда, независимо от того, из какого материала изготовлен катод, можно было сделать вывод о том, что электроны входят в состав любого атома. Эту гипотезу Томсон высказал в том же 1897 году.
В течение нескольких последующих лет Томсон (а также и другие ученые) показал, что частицы, вылетающие из нагретого металла при термоэлектронной эмиссии, имеют тот же удельный заряд, то есть что это тоже электроны. Тот же удельный заряд имеют и частицы, вырываемые из металлов светом. И это тоже электроны!
За теоретические и экспериментальные исследования прохождения электричества через газы (приведшие к открытию электрона) Дж. Дж. Томсон в 1906 году получил Нобелевскую премию по физике.
О массе и заряде электрона
Зная значение удельного заряда электрона, еще ничего нельзя сказать ни о значении заряда, ни о значении массы электрона по отдельности. Однако к концу прошлого века было уже известно значение удельного заряда иона водорода, а также то, что заряд иона водорода по модулю (но не по знаку) равен заряду электрона. А это позволяет кое-что сказать о массе электрона. В самом деле, удельные заряды электрона и иона водорода равны соответственно
(здесь е — модуль заряда электрона, как его принято обозначать, me — масса электрона, mH — масса иона водорода). Разделив \(~\dfrac{e}{m_e}\) на \(~\dfrac{e}{m_H}\), получаем, что масса электрона примерно в 1840 раз меньше массы иона водорода.
Приблизительно через 15 лет после опытов Томсона Р. Милликен в США и А. Ф. Иоффе в России непосредственно измерили заряд электрона, который оказался равным 1,6·10-19 Кл. Отсюда для массы электрона получается значение 9,1·10-31 кг. Это самые маленькие значения заряда и массы в природе.
