1.1 Descoberta do elétron e da radioatividade.

O nascimento de ideias sobre a complexa estrutura do átomo

A natureza discreta da corrente elétrica se reflete no trabalho de Faraday sobre eletrólise - a mesma corrente leva à liberação de diferentes quantidades de substância nos eletrodos, dependendo de qual substância é dissolvida. Quando um mol de uma substância monovalente é liberado, uma carga de 96.500 C passa através do eletrólito e, com uma substância divalente, a carga dobra. Depois de definido no final do século XIX. O número de Avogadro permitiu estimar a magnitude da carga elétrica elementar. Como 6,02 · 10 23 átomos transferem uma carga de 96.500 C, então a parcela de um é 1,2-10 -19 C. Portanto, esta é a menor porção de eletricidade ou um “átomo de eletricidade”. Georg Stoney sugeriu chamar esse “átomo de eletricidade” de elétron.

Trabalhar com correntes em gases é complicado pelas dificuldades de obtenção de um ambiente gasoso rarefeito. O soprador de vidro alemão G. Geisler fabricava tubos para entretenimento com gás rarefeito que brilhava quando uma corrente elétrica passava por eles. Neles, V. Gitthoff descobriu a radiação do cátodo que causava fluorescência nas paredes do tubo, que foi chamada raios catódicos. Como estabeleceu o físico inglês W. Crookes, esses raios se propagavam em linha reta, eram desviados por um campo magnético e tinham efeito mecânico.

O físico francês J. Perrin colocou um cilindro de metal com um orifício oposto ao cátodo dentro do tubo na frente do cátodo e descobriu que o cilindro estava carregado negativamente. Quando os raios foram desviados pelo campo magnético e não entraram no cilindro, ele estava descarregado. Dois anos depois, J. Thomson colocou o cilindro não na frente do cátodo, mas na lateral: um ímã trazido dobrou os raios catódicos para que entrassem no cilindro e o carregassem negativamente, mas a mancha fluorescente no vidro mudou. Isso significa que os raios são partículas carregadas negativamente. Esse dispositivo de medição é chamado de tubo de raios catódicos de alto vácuo. Sob a influência da força de Lorentz causada pelo campo magnético ativado na área do capacitor, o traço luminoso da incidência do feixe na tela se desloca. Assim, em 1895, nasceu uma nova ciência - eletrônicos.

Agindo simultaneamente com os campos elétricos e magnéticos e alterando sua magnitude, Thomson os selecionou para que fossem compensados, os raios catódicos não se desviassem e a mancha no vidro não se movesse. Ele obteve a razão entre carga elétrica e massa de partícula e/t = 1,3 10 -7 C/g. Independentemente de Thomson, este valor foi medido para raios catódicos por V. Kaufman e obteve valor semelhante. Thomson nomeou esta partícula corpúsculo, e um elétron é apenas sua carga, mas então a própria partícula dos raios catódicos era chamada de elétron (do grego. elétron - âmbar).

A descoberta do elétron e o estudo de suas propriedades únicas estimularam a pesquisa sobre a estrutura do átomo. Ficaram claros os processos de absorção e emissão de energia pela matéria; semelhanças e diferenças entre elementos químicos, sua atividade química e inércia; o significado interno da Tabela Periódica dos Elementos Químicos de DI Mendeleev, a natureza das ligações químicas e os mecanismos das reações químicas; Surgiram dispositivos completamente novos nos quais o movimento dos elétrons desempenha um papel decisivo. As opiniões sobre a natureza da matéria mudaram. A descoberta do elétron (1897) deu início à era da física atômica.

A partir de numerosos experimentos com a transmissão de elétrons através da matéria, J. Thomson concluiu que o número de elétrons em um átomo está relacionado ao tamanho da massa atômica. Mas no estado normal, o átomo deve ser eletricamente neutro e, portanto, em cada átomo o número de cargas de sinais diferentes é igual. Como a massa de um elétron é aproximadamente 1/2.000 da massa de um átomo de hidrogênio, a massa da carga positiva deve ser 2.000 vezes a massa do elétron. Por exemplo, o hidrogénio tem quase toda a sua massa associada a uma carga positiva. Com a descoberta do elétron, surgiram imediatamente novos problemas. Um átomo é neutro, o que significa que deve haver outras partículas com carga positiva nele. Eles ainda não foram abertos.

O físico francês A. Becquerel, enquanto estudava a luminescência, descobriu (1896) o fenômeno da radioatividade. Ele estava interessado na relação entre a fluorescência dos raios catódicos nas paredes do tubo e os raios X emitidos por esta parte do tubo. Ao irradiar diversas substâncias, ele tentou descobrir se os raios X poderiam ser emitidos por corpos fosforescentes irradiados com a luz solar. Logo os Curie abordaram o assunto e descobriram um elemento mais ativo, que deram o nome de polônio em homenagem à Polônia, terra natal de Marie Curie. Medindo a magnitude do efeito, Sklodowska-Curie descobriu um novo elemento - o rádio, e chamou o próprio efeito da radiação radioatividade(de lat. rádio- Emito raios). A intensidade da radiação do rádio é centenas de milhares de vezes maior que a do urânio. Então foi descoberto o terceiro elemento radioativo - actínio. E houve um certo “boom” no estudo da radioatividade.

No final de 1899, o colaborador de J. Thomson, E. Rutherford, concluiu: “... experimentos mostram que a radiação do urânio é complexa e consiste em pelo menos dois tipos diferentes: um, rapidamente absorvido, vamos chamá-lo de radiação-a; outro, mais penetrante, vamos chamá-lo

-radiação." Três anos depois, P. Villar encontrou outro componente da radiação que não era desviado por um campo magnético: era chamado de -raios. A radioatividade rapidamente encontrou aplicação nas ciências naturais e na medicina.

O átomo não era mais considerado indivisível. A ideia da estrutura de todos os átomos a partir dos átomos de hidrogênio foi expressa em 1815 pelo médico inglês W. Prout. As dúvidas sobre a indivisibilidade dos átomos deram origem à descoberta da análise espectral e da Tabela Periódica dos Elementos Químicos. Descobriu-se que o próprio átomo é uma estrutura complexa com movimentos internos de suas partes constituintes responsáveis ​​pelos espectros característicos. Começaram a aparecer modelos de sua estrutura.

O modelo de um átomo - uma carga positiva é distribuída em uma região bastante grande com carga positiva (possivelmente de formato esférico), e elétrons são intercalados nela, como “passas em um pudim” - foi proposto por Kelvin em 1902. J. Thomson desenvolveu sua ideia: um átomo é uma gota de pudim de matéria carregada positivamente, dentro da qual estão distribuídos elétrons, que estão em estado de vibração. Por causa dessas vibrações, os átomos emitem energia eletromagnética; Dessa forma ele conseguiu explicar a dispersão da luz, mas muitas dúvidas surgiram. Para explicar a Tabela Periódica dos elementos químicos, ele estudou diferentes configurações de elétrons, sugerindo que as configurações estáveis ​​correspondem à estrutura de elementos inativos, como gases nobres, e as instáveis ​​correspondem aos mais ativos. Com base nos comprimentos de onda da luz emitida pelos átomos, Thomson estimou a área ocupada por tal átomo em cerca de 10 -10 M. Ele fez muitas suposições, deixando-se levar pelo cálculo das características da radiação de acordo com a teoria de Maxwell, já que ele acreditava que apenas forças eletromagnéticas atuavam dentro do átomo. Em 1903, Thomson obteve que os elétrons deveriam emitir ondas elípticas quando se movessem, em 1904 - que quando o número de elétrons fosse superior a 8, eles deveriam estar dispostos em anéis e seu número em cada anel deveria diminuir com a diminuição do raio do anel. O número de elétrons não permite que os átomos radioativos sejam estáveis; eles emitem partículas alfa e uma nova estrutura atômica é estabelecida. O experimento de E. Rutherford, um dos alunos de Thomson, levou ao modelo nuclear da estrutura do átomo.

Descobertas no final do século XIX. - Os raios X (1895), a radioatividade natural (Becquerel, 1896), o elétron (J. Thomson, 1897), o rádio (Pierre e Marie Curie, 1898), a natureza quântica da radiação (Planck, 1900) foram o início de uma revolução na ciência.

1.2 Modelo planetário da estrutura do átomo. Ciência moderna e postulados de Bohr

O modelo planetário da estrutura do átomo foi proposto pela primeira vez por J. Perrin, tentando explicar as propriedades observadas pelo movimento orbital dos elétrons. Mas V. Vin considerou isso insustentável. Em primeiro lugar, quando um elétron gira, de acordo com a eletrodinâmica clássica, ele deve irradiar energia continuamente e, por fim, cair sobre o núcleo. Em segundo lugar, devido à perda contínua de energia, a radiação de um átomo deveria ter um espectro contínuo, mas um espectro linear é observado.

Experimentos sobre a passagem de partículas α através de finas placas de ouro e outros metais foram realizados pelos funcionários de E. Rutherford, E. Marsden e H. Geiger (1908). Eles descobriram que quase todas as partículas passam livremente pela placa, e apenas 1/10.000 delas sofrem forte deflexão – até 150°. O modelo de Thomson não conseguia explicar isso, mas Rutherford, seu ex-assistente, fez estimativas da fração de desvios e chegou ao modelo planetário: a carga positiva está concentrada em um volume da ordem de 10 - 15 com massa significativa.

Considerando que as órbitas dos elétrons em um átomo são fixas, Thomson, em 1913, também chegou a um modelo planetário da estrutura do átomo. Mas, resolvendo o problema da estabilidade de tal átomo usando a lei de Coulomb, ele encontrou uma órbita estável para apenas um elétron. Nem Thomson nem Rutherford conseguiram explicar a emissão de partículas alfa durante o decaimento radioativo - descobriu-se que deveria haver elétrons no centro do átomo?! Seu assistente G. Moseley mediu a frequência das linhas espectrais de vários átomos da Tabela Periódica e descobriu que “um átomo tem um certo valor característico que aumenta regularmente quando se move de átomo para átomo. Esta quantidade não pode ser outra coisa senão a carga do núcleo interno.”

A construção de uma teoria da estrutura atômica baseada no modelo planetário encontrou muitas contradições.

A princípio, o físico dinamarquês N. Bohr tentou aplicar a mecânica clássica e a eletrodinâmica ao problema da desaceleração de partículas carregadas ao se moverem através da matéria, mas para um determinado valor da energia do elétron, tornou-se possível atribuir parâmetros orbitais arbitrários (ou frequências ) a ele, o que levou a paradoxos.

Bohr concordou com a teoria da estrutura atômica com o problema da origem dos espectros. Ele complementou o modelo de Rutherford com postulados que garantiram a estabilidade do átomo e o espectro linear de sua radiação. Bohr abandonou as ideias da mecânica clássica e voltou-se para a hipótese quântica de Planck: uma certa relação entre a energia cinética no anel e o período de revolução é uma transferência da relação E = hv , expressando a relação entre energia e frequência do oscilador para um sistema em movimento periódico. As fórmulas espectrais de Balmer, Rydberg e Ritz permitiram formular os requisitos para garantir a estabilidade do átomo e a natureza linear do espectro do átomo de hidrogênio: no átomo existem vários estados estacionários (ou órbitas de elétrons no planetário modelo) em que o átomo não emite energia; Quando um elétron se move de uma órbita estacionária para outra, o átomo emite ou absorve uma porção de energia proporcional à frequência, consistente com a regra de frequência de Rydberg-Ritz.

30 de abril de 1897 é oficialmente considerado o aniversário da primeira partícula elementar - o elétron. Neste dia, o chefe do Laboratório Cavedish e membro da Royal Society de Londres, Joseph John Thomson, fez um anúncio histórico " Raios catódicos"na Royal Institution of Great Britain, no qual anunciou que seus muitos anos de pesquisa em descargas elétricas em gases de baixa pressão resultaram no esclarecimento da natureza dos raios catódicos. Ao colocar um tubo de descarga de gás em linhas magnéticas e elétricas cruzadas campos, ele, observando o efeito compensador desses campos, determinou com segurança a carga específica das partículas, cujo fluxo era raios catódicos.

A ideia da natureza discreta da carga elétrica foi firmemente estabelecida na ciência graças a estudos anteriores de fenômenos elétricos. Até Michael Faraday (1791-1867), na primeira metade da década de 1830, ao estudar a passagem da corrente pelos eletrólitos, estabeleceu que para liberar um grama equivalente de qualquer substância no eletrodo, a mesma quantidade de eletricidade deve passar através a solução, que ficou conhecida como número de Faraday.

Em seu trabalho ele escreveu: “Os átomos dos corpos... contêm quantidades iguais de eletricidade naturalmente associada a eles”. Mas ainda assim ele não concluiu sobre a existência de uma carga elementar mínima.

O físico irlandês Stoney Stoney (1826-1911) chegou a esta conclusão com base nas leis da eletrólise em 1874 e, em 1891, postulou a existência de uma carga em um átomo, chamando-o de elétron. Mas estas previsões implicavam, claro, que o portador da electricidade negativa seria uma partícula de uma substância tal como os iões num electrólito depositado no eléctrodo positivo.

No entanto, o resultado obtido por J. J. Thomson revelou-se completamente inesperado e até paradoxal para os seus contemporâneos. Em primeiro lugar, uma série de experimentos realizados mostraram que os resultados das medições com raios catódicos eram totalmente independentes do tipo de gás em que ocorreu a descarga. Além disso, a razão medida e/m (carga específica) revelou-se anormalmente grande: revelou-se quase 2 mil vezes maior do que a razão entre o valor da carga elétrica elementar e a massa do átomo de hidrogénio mais leve. Ele também enfatizou que as partículas que descobriu fazem parte dos átomos de qualquer gás. Citemos aqui as palavras de J. J. Thomson sobre este assunto: “O resultado disto, obviamente, é um valor de carga independente da natureza do gás, uma vez que os portadores de carga são os mesmos para qualquer gás. Assim, raios catódicos representam um novo estado da matéria, um estado em que a divisão da matéria vai muito além do que no caso do estado gasoso comum, ... esta matéria representa a substância a partir da qual todos os elementos químicos são construídos."

Mesmo antes da descoberta do elétron, J. J. Thomson provou de forma confiável a natureza corpuscular dos raios catódicos, que foram considerados por muitos cientistas proeminentes (Heinrich Hertz, Philip Lenard, etc.) como ondas eletromagnéticas. I. Pulyuy fez o mesmo.

Mais tarde (1903), J. J. Thomson apresentou um modelo do átomo no qual os elétrons eram incluídos na forma de partículas individuais pontuais flutuando no ambiente contínuo carregado positivamente do átomo. Deve-se estar ciente de quão difícil era então imaginar um átomo na forma de um vazio, no qual as cargas positivas estavam concentradas em um pequeno volume do núcleo central. (No entanto, um modelo planetário semelhante foi proposto ainda antes pelo cientista francês Jean Perrin em 1901 e depois em 1904 pelo físico japonês Hantaro Nagaoka, que comparou os electrões num átomo aos anéis do planeta Saturno). J. J. Thomson, em 1904, também introduziu a ideia de que os elétrons nos átomos são divididos em grupos separados e, assim, determinam a periodicidade das propriedades dos elementos químicos. O pequeno valor da massa do elétron foi tomado como medida da inércia inerente ao campo elétrico da própria partícula. No início de sua carreira científica (1881), J. J. Thomson mostrou que uma esfera eletricamente carregada aumenta sua massa inercial em uma certa quantidade, que dependia da magnitude da carga e do raio da esfera, e assim introduziu o conceito de massa eletromagnética. A relação que obteve foi usada para estimar o tamanho de um elétron sob a suposição de que toda a sua massa é de natureza eletromagnética. Esta abordagem clássica mostrou que o tamanho de um elétron é centenas de milhares de vezes menor que o tamanho de um átomo.

É interessante que a descoberta do elétron precedeu a descoberta do próton, que foi liderada por estudos de canais de raios em um tubo de Crookes. Esses raios foram descobertos em 1886 pelo físico alemão Eugen Holstein (1850-1930) a partir do brilho formado em um canal feito no cátodo.

Em 1895, J. Perrin estabeleceu a carga positiva transportada pelas partículas do canal. O físico alemão Wilhelm Wien (1864-1928) em 1902, por meio de medições em campos magnéticos e elétricos cruzados, determinou a carga específica das partículas, que, ao encher o tubo com hidrogênio, correspondia ao peso do íon positivo do átomo de hidrogênio .

A descoberta do elétron influenciou imediatamente todo o desenvolvimento da física. Em 1898, vários cientistas (K. Rikke, P. Drude e J. Thomson) apresentaram independentemente o conceito de elétrons livres em metais. Este conceito foi posteriormente usado como base para a teoria de Drude-Lorentz. A. Poincaré intitulou seu trabalho fundamental sobre a teoria da relatividade “Sobre a dinâmica do elétron”. Mas tudo isso não foi apenas o início do rápido desenvolvimento da física eletrônica, mas também o início de uma transformação revolucionária dos princípios físicos básicos. Com a descoberta do elétron, a ideia da indivisibilidade do átomo entrou em colapso e, a partir daí, começaram a se formar as ideias iniciais de uma teoria completamente não clássica do comportamento dos elétrons nos átomos.

Ao longo do século passado, a importância da descoberta do elétron aumentou continuamente.

Seus trabalhos são dedicados ao estudo da passagem da corrente elétrica por gases rarefeitos, ao estudo do cátodo e dos raios X e à física atômica. Ele também desenvolveu a teoria do movimento dos elétrons em campos magnéticos e elétricos. E em 1907 ele propôs o princípio de funcionamento de um espectrômetro de massa. Por seu trabalho sobre os raios catódicos e a descoberta do elétron, ele recebeu o Prêmio Nobel em 1906.

?Ministério da Educação e Ciência da Federação Russa
Instituição Educacional Orçamentária do Estado Federal
ensino profissional superior
"Academia Pedagógica do Estado de Sterlitamak
eles. Zainab Biisheva"
Faculdade de Matemática e Ciências Naturais

Departamento de Física Geral

Ensaio
História da descoberta dos elétrons

Realizado por: aluno do grupo FM-52
Saifetdinov Arthur
Verificado por: Ph.D., Professor Associado Korkeshko O.I.

Sterlitamak 2011Introdução
Capítulo I. Antecedentes da descoberta
Capítulo II. Descoberta do elétron

3.1. Experiência de Thomson
3.2. A experiência de Rutherford
3.3. Método Millikan
3.3.1. Curta biografia:

3.3.3. Descrição da instalação



Conclusão
Literatura

Introdução

ELÉTROM – a primeira partícula elementar a ser descoberta; o portador material de menor massa e menor carga elétrica da natureza; componente de um átomo.
A carga do elétron é 1,6021892. 10-19 anos
-4.803242. 10-10 unidades SGSE.
A massa do elétron é 9,109534. 10-31kg.
Cobrança específica e/me 1.7588047. 1011Cl. kg -1.
O spin do elétron é igual a 1/2 (em unidades de h) e possui duas projeções ±1/2; os elétrons obedecem às estatísticas de Fermi-Dirac, férmions. Eles estão sujeitos ao princípio de exclusão de Pauli.
O momento magnético de um elétron é igual a -1,00116 mb, onde mb é o magneton de Bohr.
O elétron é uma partícula estável. De acordo com dados experimentais, o tempo de vida é te > 2. 1022 anos.
Não participa da interação forte, lépton. A física moderna considera o elétron como uma partícula verdadeiramente elementar que não possui estrutura nem tamanho. Se estes últimos forem diferentes de zero, então o raio do elétron é< 10 -18 м.

Capítulo I. Antecedentes da descoberta

A descoberta do elétron foi o resultado de numerosos experimentos. No início do século XX. a existência do elétron foi estabelecida em uma série de experimentos independentes. Mas, apesar do colossal material experimental acumulado por escolas nacionais inteiras, o electrão continuou a ser uma partícula hipotética, porque a experiência ainda não tinha respondido a uma série de questões fundamentais. Na realidade, a “descoberta” do electrão demorou mais de meio século e não terminou em 1897; Muitos cientistas e inventores participaram dele.
Em primeiro lugar, não houve um único experimento envolvendo elétrons individuais. A carga elementar foi calculada com base em medições da carga microscópica, assumindo a validade de uma série de hipóteses.
Havia incerteza em um ponto fundamentalmente importante. O elétron apareceu pela primeira vez como resultado de uma interpretação atômica das leis da eletrólise, depois foi descoberto em uma descarga de gás. Não estava claro se a física estava realmente lidando com o mesmo objeto. Um grande grupo de cientistas naturais céticos acreditava que a carga elementar é uma média estatística de cargas dos mais variados tamanhos. Além disso, nenhum dos experimentos que mediram a carga do elétron forneceu valores estritamente repetíveis.
Houve céticos que geralmente ignoraram a descoberta do elétron. Acadêmico A.F. Ioffe em suas memórias de seu professor V.K. Roentgene escreveu: “Até 1906 - 1907. a palavra elétron não deveria ter sido pronunciada no Instituto de Física da Universidade de Munique. Roentgen considerou-a uma hipótese não comprovada, muitas vezes usada sem fundamentos suficientes e desnecessariamente.”
A questão da massa do elétron não foi resolvida e não foi provado que as cargas tanto nos condutores quanto nos dielétricos consistem em elétrons. O conceito de “elétron” não teve uma interpretação inequívoca, porque o experimento ainda não havia revelado a estrutura do átomo (o modelo planetário de Rutherford apareceu em 1911, e a teoria de Bohr em 1913).
O elétron ainda não entrou em construções teóricas. A teoria eletrônica de Lorentz apresentava uma densidade de carga distribuída continuamente. A teoria da condutividade metálica, desenvolvida por Drude, tratava de cargas discretas, mas eram cargas arbitrárias, cujo valor não foi imposta nenhuma restrição.
O elétron ainda não saiu da estrutura da ciência “pura”. Lembremos que o primeiro tubo de elétrons apareceu apenas em 1907. Para passar da fé à convicção foi necessário, antes de tudo, isolar o elétron e inventar um método de medição direta e precisa da carga elementar.
A solução para este problema não demorou a chegar. Em 1752, a ideia da discrição da carga elétrica foi expressa pela primeira vez por B. Franklin. Experimentalmente, a discrepância das cargas foi justificada pelas leis da eletrólise, descobertas por M. Faraday em 1834. O valor numérico da carga elementar (a menor carga elétrica encontrada na natureza) foi calculado teoricamente com base nas leis da eletrólise usando o número de Avogadro . A medição experimental direta da carga elementar foi realizada por R. Millikan em experimentos clássicos realizados em 1908-1916. Estas experiências também forneceram provas irrefutáveis ​​do atomismo da eletricidade. De acordo com os conceitos básicos da teoria eletrônica, a carga de um corpo surge como resultado de uma mudança no número de elétrons nele contidos (ou íons positivos, cujo valor de carga é um múltiplo da carga do elétron). Portanto, a carga de qualquer corpo deve mudar abruptamente e em porções que contenham um número inteiro de cargas de elétrons. Tendo estabelecido experimentalmente a natureza discreta da mudança na carga elétrica, R. Millikan conseguiu obter a confirmação da existência de elétrons e determinar o valor da carga de um elétron (carga elementar) usando o método da gota de óleo. O método é baseado no estudo do movimento de gotículas de óleo carregadas em um campo elétrico uniforme de intensidade conhecida E.

Capítulo II. Descoberta do elétron

Se ignorarmos o que precedeu a descoberta da primeira partícula elementar - o elétron, e o que acompanhou este evento marcante, podemos dizer brevemente: em 1897, o famoso físico inglês THOMSON Joseph John (1856-1940) mediu a carga específica q/m partículas de raios catódicos - “corpúsculos”, como ele os chamava, com base na deflexão dos raios catódicos *) em campos elétricos e magnéticos.
Ao comparar o número obtido com a carga específica do íon monovalente de hidrogênio então conhecido, por meio de raciocínio indireto, ele chegou à conclusão de que a massa dessas partículas, que mais tarde receberam o nome de “elétrons”, é significativamente menor (mais do que mil vezes) do que a massa do íon hidrogênio mais leve.
No mesmo ano, 1897, ele levantou a hipótese de que os elétrons são parte integrante dos átomos, e os raios catódicos não são átomos ou radiação eletromagnética, como acreditavam alguns pesquisadores das propriedades dos raios. Thomson escreveu: "Assim, os raios catódicos representam um novo estado da matéria, essencialmente diferente do estado gasoso comum...; neste novo estado, a matéria é a substância a partir da qual todos os elementos são construídos."
Desde 1897, o modelo corpuscular dos raios catódicos começou a ganhar aceitação geral, embora houvesse uma grande variedade de opiniões sobre a natureza da eletricidade. Assim, o físico alemão E. Wichert acreditava que “a eletricidade é algo imaginário, existindo realmente apenas em pensamentos”, e o famoso físico inglês Lord Kelvin, no mesmo ano de 1897, escreveu sobre a eletricidade como uma espécie de “fluido contínuo”.
A ideia de Thomson dos corpúsculos de raios catódicos como os componentes básicos do átomo não foi recebida com muito entusiasmo. Alguns de seus colegas pensaram que ele os havia confundido quando sugeriu que as partículas dos raios catódicos deveriam ser consideradas como possíveis componentes do átomo. O verdadeiro papel dos corpúsculos de Thomson na estrutura do átomo poderia ser entendido em combinação com os resultados de outros estudos, em particular com os resultados da análise de espectros e do estudo da radioatividade.
Em 29 de abril de 1897, Thomson fez sua famosa mensagem numa reunião da Royal Society de Londres. A hora exata da descoberta do elétron - dia e hora - não pode ser nomeada devido à sua singularidade. Este evento foi o resultado de muitos anos de trabalho de Thomson e seus funcionários. Nem Thomson nem ninguém jamais havia realmente observado um elétron, nem ninguém foi capaz de isolar uma única partícula de um feixe de raios catódicos e medir sua carga específica. O autor da descoberta é JJ Thomson porque suas ideias sobre o elétron eram próximas das modernas. Em 1903, ele propôs um dos primeiros modelos de átomo - “pudim de passas”, e em 1904 propôs que os elétrons de um átomo se dividissem em grupos, formando diferentes configurações que determinam a periodicidade dos elementos químicos.
O local da descoberta é conhecido com precisão - o Laboratório Cavendish (Cambridge, Reino Unido). Criado em 1870 por J.C. Maxwell, nos cem anos seguintes tornou-se o “berço” de toda uma cadeia de descobertas brilhantes em vários campos da física, especialmente na física atômica e nuclear. Seus diretores foram: Maxwell J.K. - de 1871 a 1879, Lord Rayleigh - de 1879 a 1884, Thomson J.J. - de 1884 a 1919, Rutherford E. - de 1919 a 1937, Bragg L. - de 1938 a 1953; Diretor Adjunto 1923-1935 - Chadwick J.
A pesquisa científica experimental foi realizada por um cientista ou por um pequeno grupo em uma atmosfera de exploração criativa. Lawrence Bragg mais tarde relembrou seu trabalho em 1913 com seu pai, Henry Bragg: “Foi uma época maravilhosa quando novos resultados emocionantes foram obtidos quase todas as semanas, como a descoberta de novas áreas contendo ouro onde as pepitas podem ser colhidas diretamente do solo . Isso continuou até o início da guerra*), o que interrompeu nosso trabalho conjunto."

Capítulo III Métodos para descobrir o elétron

3.1. Experiência de Thomson

Joseph John Thomson Joseph John Thomson, 1856–1940 físico inglês, mais conhecido simplesmente como J. J. Thomson. Nasceu em Cheetham Hill, subúrbio de Manchester, na família de um antiquário. Em 1876 ganhou uma bolsa de estudos para Cambridge. Em 1884-1919, foi professor do Departamento de Física Experimental da Universidade de Cambridge e, concomitantemente, chefe do Laboratório Cavendish, que, através dos esforços de Thomson, se tornou um dos centros de pesquisa mais famosos do mundo. Ao mesmo tempo, em 1905-1918, foi professor no Royal Institute de Londres. Vencedor do Prêmio Nobel de Física em 1906 com a expressão “pelos seus estudos da passagem da eletricidade pelos gases”, o que, naturalmente, inclui a descoberta do elétron. O filho de Thomson, George Paget Thomson (1892-1975), também acabou ganhando o Prêmio Nobel de Física - em 1937 pela descoberta experimental da difração de elétrons por cristais.
Em 1897, o jovem físico inglês J. J. Thomson tornou-se famoso ao longo dos séculos como o descobridor do elétron. Em seu experimento, Thomson usou um tubo de raios catódicos aprimorado, cujo design foi complementado por bobinas elétricas que criaram (de acordo com a lei de Ampere) um campo magnético dentro do tubo e um conjunto de placas de capacitores elétricos paralelas que criaram um campo elétrico dentro o tubo. Graças a isso, foi possível estudar o comportamento dos raios catódicos sob a influência de campos magnéticos e elétricos.
Usando um novo projeto de tubo, Thomson mostrou sucessivamente que: (1) os raios catódicos são desviados em um campo magnético na ausência de um campo elétrico; (2) os raios catódicos são desviados num campo eléctrico na ausência de um campo magnético; e (3) sob a ação simultânea de campos elétricos e magnéticos de intensidade equilibrada, orientados em direções que separadamente causam desvios em direções opostas, os raios catódicos se propagam de forma retilínea, ou seja, a ação dos dois campos é mutuamente equilibrada.
Thomson descobriu que a relação entre os campos eléctrico e magnético em que os seus efeitos são equilibrados depende da velocidade a que as partículas se movem. Depois de realizar uma série de medições, Thomson conseguiu determinar a velocidade de movimento dos raios catódicos. Descobriu-se que eles se movem muito mais lentamente que a velocidade da luz, o que significa que os raios catódicos só poderiam ser partículas, uma vez que qualquer radiação eletromagnética, incluindo a própria luz, viaja à velocidade da luz (ver Espectro de radiação eletromagnética). Essas partículas desconhecidas. Thomson os chamou de “corpúsculos”, mas logo ficaram conhecidos como “elétrons”.
Imediatamente ficou claro que os elétrons devem existir como parte dos átomos - caso contrário, de onde eles viriam? 30 de abril de 1897 – a data do relatório de Thomson sobre seus resultados em uma reunião da Royal Society de Londres – é considerado o aniversário do elétron. E neste dia a ideia da “indivisibilidade” dos átomos tornou-se coisa do passado (ver Teoria atômica da estrutura da matéria). Juntamente com a descoberta do núcleo atómico que se seguiu pouco mais de dez anos depois (ver a experiência de Rutherford), a descoberta do electrão lançou as bases para o modelo moderno do átomo.
Os tubos “catódicos” descritos acima, ou mais precisamente, os tubos de raios catódicos, tornaram-se os predecessores mais simples dos modernos tubos de imagem de televisão e monitores de computador, nos quais quantidades estritamente controladas de elétrons são eliminadas da superfície de um cátodo quente, sob a influência de campos magnéticos alternados eles são desviados em ângulos estritamente especificados e bombardeiam as células fosforescentes das telas, formando sobre elas uma imagem nítida resultante do efeito fotoelétrico, cuja descoberta também seria impossível sem o nosso conhecimento da verdadeira natureza do cátodo raios.

3.2. A experiência de Rutherford

Ernest Rutherford, primeiro barão Rutherford de Nelson, 1871–1937 físico neozelandês. Nasceu em Nelson, filho de um artesão. Ganhou uma bolsa para estudar na Universidade de Cambridge, na Inglaterra. Depois de se formar, foi nomeado para a Universidade Canadense McGill, onde, junto com Frederick Soddy (1877–1966), estabeleceu as leis básicas do fenômeno da radioatividade, pelas quais recebeu o Prêmio Nobel de Química em 1908. Logo o cientista mudou-se para a Universidade de Manchester, onde, sob sua liderança, Hans Geiger (1882–1945) inventou seu famoso contador Geiger, começou a pesquisar a estrutura do átomo e, em 1911, descobriu a existência do núcleo atômico. Durante a Primeira Guerra Mundial, esteve envolvido no desenvolvimento de sonares (radares acústicos) para detectar submarinos inimigos. Em 1919 foi nomeado professor de física e diretor do Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge e no mesmo ano descobriu a decadência nuclear como resultado do bombardeio por partículas pesadas de alta energia. Rutherford permaneceu nesta posição até o fim de sua vida, sendo ao mesmo tempo por muitos anos presidente da Royal Scientific Society. Ele foi enterrado na Abadia de Westminster ao lado de Newton, Darwin e Faraday.
Ernest Rutherford é um cientista único no sentido de que fez suas principais descobertas após receber o Prêmio Nobel. Em 1911, ele teve sucesso em um experimento que não só permitiu aos cientistas examinar profundamente o átomo e obter insights sobre sua estrutura, mas também se tornou um modelo de graça e profundidade de design.

Usando uma fonte natural de radiação radioativa, Rutherford construiu um canhão que produzia um fluxo direcionado e focado de partículas. A arma era uma caixa de chumbo com uma fenda estreita, dentro da qual era colocado material radioativo. Devido a isso, partículas (neste caso partículas alfa, consistindo de dois prótons e dois nêutrons) emitidas pela substância radioativa em todas as direções, exceto uma, foram absorvidas pela tela de chumbo, e apenas um feixe direcionado de partículas alfa foi liberado através da fenda. .
Mais adiante, ao longo do caminho do feixe, havia várias outras telas de chumbo com fendas estreitas que cortavam as partículas que se desviavam de uma direção estritamente especificada. Como resultado, um feixe de partículas alfa perfeitamente focado voou em direção ao alvo, e o alvo em si era uma fina folha de ouro. Foi o raio alfa que a atingiu. Depois de colidir com os átomos da folha, as partículas alfa continuaram seu caminho e atingiram uma tela luminescente instalada atrás do alvo, na qual foram registrados flashes quando as partículas alfa o atingiram. A partir deles, o experimentador poderia julgar em que quantidade e quanto as partículas alfa se desviam da direção do movimento retilíneo como resultado de colisões com átomos da folha.
Rutherford, no entanto, observou que nenhum dos seus antecessores sequer tentou testar experimentalmente se algumas partículas alfa eram desviadas em ângulos muito grandes. O modelo da grelha de passas simplesmente não permitia a existência de elementos estruturais no átomo tão densos e pesados ​​que pudessem desviar partículas alfa rápidas em ângulos significativos, por isso ninguém se preocupou em testar esta possibilidade. Rutherford pediu a um de seus alunos que reequipasse a instalação de forma que fosse possível observar o espalhamento de partículas alfa em grandes ângulos de deflexão - apenas para limpar sua consciência, para finalmente excluir essa possibilidade. O detector era uma tela revestida com sulfeto de sódio, material que produz um flash fluorescente quando uma partícula alfa o atinge. Imagine a surpresa não só do aluno que realizou diretamente o experimento, mas também do próprio Rutherford quando se descobriu que algumas partículas foram desviadas em ângulos de até 180°!
A imagem do átomo desenhada por Rutherford com base nos resultados de seu experimento é bem conhecida por nós hoje. Um átomo consiste em um núcleo compacto e superdenso que carrega uma carga positiva e elétrons leves carregados negativamente ao seu redor. Mais tarde, os cientistas forneceram uma base teórica confiável para esta imagem (ver Átomo de Bohr), mas tudo começou com um experimento simples com uma pequena amostra de material radioativo e um pedaço de folha de ouro.

3.3. Método Millikan

3.3.1. Curta biografia:

Robert Milliken nasceu em 1868 em Illinois, na família de um padre pobre. Ele passou a infância na cidade provinciana de Maquoketa, onde muita atenção foi dada aos esportes e ao ensino deficiente. O diretor de uma escola secundária que ensinava física disse, por exemplo, aos seus jovens alunos: “Como é possível produzir ondas com som? Bobagem, rapazes, é tudo bobagem!”
O Oberdeen College não era melhor, mas Milliken, que não tinha apoio financeiro, teve que ensinar física no ensino médio. Naquela época, na América, havia apenas dois livros didáticos de física, traduzidos do francês, e o jovem talentoso não teve dificuldade em estudá-los e ensiná-los com sucesso. Em 1893 ingressou na Universidade de Columbia e depois foi estudar na Alemanha.
Milliken tinha 28 anos quando recebeu uma oferta de A. Michelson para assumir um cargo de assistente na Universidade de Chicago. No início, aqui se dedicou quase exclusivamente ao trabalho pedagógico, e só aos quarenta anos iniciou a investigação científica, o que lhe trouxe fama mundial.

3.3.2. Primeiras experiências e soluções para problemas

Os primeiros experimentos resumiram-se ao seguinte. Entre as placas de um capacitor plano, ao qual foi aplicada uma tensão de 4.000 V, foi criada uma nuvem composta por gotículas de água depositadas sobre os íons. Primeiro, observou-se que o topo da nuvem caía na ausência de um campo elétrico. Então uma nuvem foi criada enquanto a tensão era ligada. A queda da nuvem ocorreu sob a influência da gravidade e da força elétrica.
A razão entre a força que atua sobre uma gota em uma nuvem e a velocidade que ela adquire é a mesma no primeiro e no segundo caso. No primeiro caso, a força é igual a mg, no segundo mg + qE, onde q é a carga da gota, E é a intensidade do campo elétrico. Se a velocidade no primeiro caso for?1 no segundo?2, então

Conhecendo a dependência da velocidade de queda das nuvens? a partir da viscosidade do ar, podemos calcular a carga necessária q. No entanto, este método não forneceu a precisão desejada porque continha suposições hipotéticas além do controle do experimentador.
Para aumentar a precisão das medições, foi necessário antes de tudo encontrar uma forma de levar em conta a evaporação da nuvem, que inevitavelmente ocorreu durante o processo de medição.
Refletindo sobre esse problema, Millikan criou o método clássico de queda, que abriu uma série de possibilidades inesperadas. Deixaremos que o próprio autor conte a história da invenção:
“Percebendo que a taxa de evaporação das gotas permanecia desconhecida, tentei encontrar um método que eliminasse completamente esse valor incerto. Meu plano era o seguinte. Em experimentos anteriores, o campo elétrico só poderia aumentar ou diminuir ligeiramente a velocidade do topo da nuvem caindo sob a influência da gravidade. Agora eu queria tanto fortalecer esse campo que a superfície superior da nuvem permanecesse a uma altura constante. Neste caso, tornou-se possível determinar com precisão a taxa de evaporação das nuvens e levá-la em consideração nos cálculos.”
Para implementar essa ideia, Millikan projetou uma bateria recarregável de pequeno porte que produzia uma voltagem de até 104 V (na época, essa foi uma conquista notável de um experimentador). Tinha de criar um campo suficientemente forte para manter a nuvem suspensa, como o “caixão de Maomé”. “Quando eu tinha tudo pronto”, diz Milliken, e quando a nuvem se formou, girei o interruptor e a nuvem estava em um campo elétrico. E naquele momento ela derreteu diante dos meus olhos, ou seja, não sobrou nem um pedacinho de toda a nuvem que pudesse ser observada com a ajuda de um instrumento óptico de controle, como Wilson fez e eu ia fazer. Como me pareceu a princípio, o desaparecimento da nuvem sem deixar vestígios no campo eléctrico entre as placas superior e inferior significou que a experiência terminou sem resultados...” No entanto, como muitas vezes aconteceu na história da ciência, o fracasso deu surgir uma nova ideia. Isso levou ao famoso método de queda. “Experimentos repetidos”, escreve Millikan, “mostraram que depois que a nuvem se dissipou em um poderoso campo elétrico, várias gotas de água individuais puderam ser distinguidas em seu lugar” (ênfase adicionada por mim - V.D.). O experimento “malsucedido” levou à descoberta da possibilidade de manter gotículas individuais em equilíbrio e observá-las por um longo tempo.
Mas durante a observação, a massa de uma gota d'água mudou significativamente como resultado da evaporação, e Millikan, após muitos dias de busca, passou a fazer experimentos com gotas de óleo.
O procedimento experimental revelou-se simples. A expansão adiabática forma uma nuvem entre as placas do capacitor. Consiste em gotículas com cargas de diferentes magnitudes e sinais. Quando o campo elétrico é ligado, gotas com cargas idênticas à carga da placa superior do capacitor caem rapidamente, e gotas com carga oposta são atraídas pela placa superior. Mas um certo número de gotas tem uma carga tal que a força da gravidade é equilibrada pela força elétrica.
Após 7 ou 8 minutos. a nuvem se dissipa e permanece no campo de visão um pequeno número de gotas, cuja carga corresponde ao equilíbrio de forças indicado.
Millikan observou essas gotas como pontos brilhantes distintos. “A história dessas gotas geralmente é assim”, escreve ele: “No caso de uma ligeira predominância da gravidade sobre a força do campo, elas começam a cair lentamente, mas como evaporam gradualmente, seu movimento descendente logo para, e elas ficar imóvel por um bom tempo.” Então o campo começa a dominar e as gotas começam a subir lentamente. No final da sua vida no espaço entre as placas, esse movimento ascendente torna-se fortemente acelerado, e elas são atraídas com grande velocidade para a placa superior.”

3.3.3. Descrição da instalação

Um diagrama da instalação de Millikan, com a qual foram obtidos resultados decisivos em 1909, é mostrado na Figura 17.
Um capacitor plano feito de placas redondas de latão M e N com diâmetro de 22 cm (a distância entre elas era de 1,6 cm) foi colocado na câmara C. No centro da placa superior foi feito um pequeno furo p, por onde passaram gotas de óleo. Estes últimos foram formados pela injeção de um jato de óleo por meio de um pulverizador. O ar foi previamente limpo de poeira passando-o por um tubo com lã de vidro. As gotículas de óleo tinham um diâmetro de cerca de 10-4 cm.
Da bateria B foi fornecida às placas do capacitor uma tensão de 104 V. Com a ajuda de uma chave, era possível causar um curto-circuito nas placas e isso destruiria o campo elétrico.
Gotas de óleo caindo entre as placas M e N foram iluminadas por uma fonte forte. O comportamento das gotículas foi observado perpendicularmente à direção dos raios através do telescópio.
Os íons necessários para a condensação das gotas foram criados pela radiação de um pedaço de rádio de 200 mg, localizado a uma distância de 3 a 10 cm da lateral das placas.
Usando um dispositivo especial, abaixar o pistão expandiu o gás. 1 - 2 s após a expansão, o rádio foi removido ou obscurecido por uma tela de chumbo. Em seguida, o campo elétrico foi ligado e a observação das gotas no telescópio começou. O tubo possuía uma escala na qual era possível contar o caminho percorrido pela gota durante um determinado período de tempo. O tempo foi registrado usando um relógio preciso com fechadura.
Durante suas observações, Millikan descobriu um fenômeno que serviu de chave para toda a série de medições precisas subsequentes de cargas elementares individuais.
“Enquanto trabalhava com gotas suspensas”, escreve Millikan, “esqueci várias vezes de protegê-las dos raios do rádio. Então percebi que de vez em quando uma das gotas mudava repentinamente de carga e começava a se mover ao longo do campo ou contra ele, aparentemente capturando no primeiro caso um íon positivo e, no segundo caso, um íon negativo. Isto abriu a possibilidade de medir com segurança não apenas as cargas de gotas individuais, como eu havia feito até então, mas também a carga de um íon atmosférico individual.
Na verdade, medindo a velocidade da mesma gota duas vezes, uma antes e outra depois da captura do íon, eu poderia obviamente excluir completamente as propriedades da gota e as propriedades do meio e operar com um valor proporcional apenas à carga do o íon capturado.”

3.3.4. Cálculo de carga elementar

A carga elementar foi calculada por Millikan com base nas seguintes considerações. A velocidade de movimento de uma gota é proporcional à força que atua sobre ela e não depende da carga da gota.
Se uma gota caiu entre as placas de um capacitor sob a influência apenas da gravidade com uma velocidade?, então
?1=kmg (1)

Quando um campo direcionado contra a gravidade é ativado, a força atuante será a diferença qE - mg, onde q é a carga da gota, E é o módulo de intensidade do campo.
A velocidade da queda será igual a:
?2 =k(qE-mg) (2)

Se dividirmos a igualdade (1) por (2), obtemos

Daqui
(3)

Deixe a gota capturar um íon e sua carga se tornar igual a q", e a velocidade do movimento? 2. Vamos denotar a carga desse íon capturado por e.
Então e= q"- q.
Usando (3), obtemos

O valor é constante para uma determinada queda.

3.3.5. Conclusões do método Millikan

Conseqüentemente, qualquer carga capturada por uma gota será proporcional à diferença de velocidade (?2 - ?2), ou seja, proporcional à mudança na velocidade da gota devido à captura de um íon! da carga elementar foi reduzida a medir o caminho percorrido pela gota e o tempo durante o qual esse caminho foi percorrido. Numerosas observações mostraram a validade da fórmula (4). Descobriu-se que o valor de e só pode mudar abruptamente! Cargas e, 2e, 3e, 4e, etc. são sempre observados.
“Em muitos casos”, escreve Millikan, “a queda foi observada durante cinco ou seis horas e, durante esse tempo, capturou não oito ou dez íons, mas centenas deles. No total, observei a captura de muitos milhares de íons desta forma, e em todos os casos a carga capturada... ou era exatamente igual à menor de todas as cargas capturadas, ou era igual a um pequeno múltiplo inteiro desta valor. Esta é uma prova direta e irrefutável de que o eletrão não é uma “média estatística”, mas que todas as cargas elétricas dos iões são exatamente iguais à carga do eletrão ou representam pequenos múltiplos inteiros dessa carga.”
Assim, a atomicidade, a discrição ou, em linguagem moderna, a quantização da carga elétrica tornou-se um fato experimental. Agora era importante mostrar que o elétron é, por assim dizer, onipresente. Qualquer carga elétrica em um corpo de qualquer natureza é a soma das mesmas cargas elementares.
O método de Millikan permitiu responder de forma inequívoca a esta questão. Nos primeiros experimentos, as cargas foram criadas pela ionização de moléculas de gás neutro por um fluxo de radiação radioativa. A carga dos íons capturados pelas gotículas foi medida.
Quando um líquido é pulverizado com um borrifador, as gotículas ficam eletrificadas devido ao atrito. Isso era bem conhecido no século XIX. Essas cargas também são quantizadas, como as cargas iônicas? Millikan “pesa” as gotículas após a pulverização e mede as cargas da maneira descrita acima. A experiência revela a mesma discrição da carga elétrica.
Além disso, foi mostrada a identidade das cargas elétricas em corpos de diferentes naturezas físicas.
Aspergindo gotas de óleo (dielétrico), glicerina (semicondutor), mercúrio (condutor), Millikan prova que as cargas em corpos de qualquer natureza física consistem em todos os casos, sem exceção, em porções elementares individuais de magnitude estritamente constante. Em 1913, Millikan resumiu os resultados de numerosos experimentos e deu o seguinte valor para a carga elementar: e = 4.774,10-10 unidades. Cobrança de SGSE. Foi assim que se estabeleceu uma das constantes mais importantes da física moderna. Determinar a carga elétrica tornou-se um problema aritmético simples.

3.4. Método de imagem Compton

A descoberta do CTR desempenhou um papel importante no fortalecimento da ideia da realidade do elétron. Wilson, o efeito da condensação do vapor d'água sobre os íons, o que possibilitou a possibilidade de fotografar rastros de partículas.
Dizem que A. Compton durante uma palestra não conseguiu convencer um ouvinte cético da realidade da existência de micropartículas. Ele insistiu que só acreditaria depois de vê-los com seus próprios olhos.
Então Compton mostrou uma fotografia de um rastro de partículas, ao lado da qual havia uma impressão digital. "Você sabe o que é isso?" - perguntou Compton. “Dedo”, respondeu o ouvinte. “Nesse caso”, disse Compton solenemente, “esta faixa luminosa é a partícula”.
Fotografias de rastros de elétrons não apenas testemunharam a realidade dos elétrons. Eles confirmaram a suposição do pequeno tamanho dos elétrons e permitiram comparar os resultados dos cálculos teóricos, que incluíam o raio do elétron, com os experimentais. Experimentos, que começaram com o estudo de Lenard sobre o poder de penetração dos raios catódicos, mostraram que elétrons muito rápidos emitidos por substâncias radioativas produzem rastros no gás na forma de linhas retas. O comprimento da trilha é proporcional à energia do elétron. Fotografias de rastros de partículas de alta energia mostram que os rastros consistem em um grande número de pontos. Cada ponto é uma gota de água que aparece em um íon, que é formado como resultado da colisão de um elétron com um átomo. Conhecendo as dimensões de um átomo e sua concentração, podemos calcular o número de átomos pelos quais uma partícula deve passar a uma determinada distância. Um cálculo simples mostra que a partícula?
etc..................

A hipótese sobre a existência de átomos, aquelas partículas indivisíveis, cujas várias configurações no vazio formam o mundo objetivo que nos rodeia, é tão antiga quanto a nossa civilização:

“A natureza decompõe tudo em corpos básicos.”

Átomos sólidos, massivos e indivisíveis de Newton; átomos na teoria cinética, cuja energia cinética média é identificada com a temperatura do corpo; átomos em química, cujas combinações harmoniosas são encontradas em reações químicas; o átomo de hidrogênio, a partir de várias combinações das quais Prout compôs todos os elementos. O conceito de átomo existe há pelo menos 25 séculos, embora tenha sido frequentemente relegado a segundo plano ou suprimido.

Mas o que é um átomo? E que significado deve ser dado a esta questão? No final do século XIX, quando a criação da teoria clássica foi concluída e surgiram novos meios técnicos, todos

A velha questão começou a soar com mais insistência: qual é a natureza do átomo? Este tema e suas variações tornaram-se o leitmotiv da física do século XX.

No final do século XIX, muitos experimentos foram realizados para estudar descargas elétricas em gases rarefeitos. A descarga era excitada (por meio de uma bobina de indução ou máquina eletrostática, criando grandes diferenças de potencial) entre um eletrodo negativo, denominado cátodo, e um eletrodo positivo, denominado ânodo, sendo ambos os eletrodos selados dentro de um tubo de vidro do qual o ar foi evacuado. Quando o ar no tubo tornou-se suficientemente rarefeito, a região escura ao redor do cátodo, conhecida como mancha escura de Crookes, expandiu-se gradualmente até atingir a extremidade oposta do tubo, que então começou a brilhar, a cor do brilho dependendo do tipo de vidro com o qual o tubo foi feito.

Se forem inseridas várias telas no tubo, por exemplo, como na FIG. 62, então um pequeno ponto localizado na extremidade do tubo brilhará, como se algo estivesse passando pelos orifícios da tela e, atingindo o vidro, fazendo-o brilhar. Esse algo foi chamado de raios catódicos.

No final do século XIX houve um debate acalorado sobre a natureza desses raios. Alguns acreditavam que os raios, assim como a luz, deviam sua origem a processos no éter; outros acreditavam que consistiam em partículas eletricamente carregadas. Em 1895, Jean Perrin conseguiu coletar esses raios em um recipiente isolado e provar que eles carregavam carga negativa. Pouco depois, J. J. Thomson realizou seu experimento clássico, no qual identificou pela primeira vez os raios catódicos com partículas mais tarde chamadas de elétrons. Ele escreveu:

“Os experimentos descritos neste artigo foram realizados com o objetivo de obter algumas informações sobre a natureza dos raios catódicos. Existem pontos de vista completamente opostos em relação a esses raios; segundo a opinião quase unânime dos físicos alemães, são causados ​​​​por algum tipo de processo no éter, que - pelo fato de seu caminho em um campo magnético uniforme não ser retilíneo, mas circular - não tem análogo em nenhum dos fenômenos previamente observados; de acordo com

Outra opinião é que esses raios estão longe de ser de origem etérea, mas de origem material e são simplesmente um fluxo de partículas de matéria carregadas de eletricidade negativa.”

Figo. 63. Diagrama de instalação da Thomson (retirado de).

Ao criar um campo eléctrico entre as placas indicadas na FIG. 63 letras e ou campo magnético direcionado perpendicularmente à direção de propagação dos raios, Thomson observou o deslocamento de um ponto luminoso na extremidade do tubo; Quanto mais fortes os campos elétricos ou magnéticos, mais o ponto se desloca. Tendo certeza de que esse fenômeno não depende do tipo de gás que está no tubo, Thomson escreveu:

“Como os raios catódicos carregam uma carga negativa, são desviados pela força eletrostática como se tivessem carga negativa e reagem à força magnética da mesma forma que corpos carregados negativamente que se movem ao longo da linha de propagação dos raios reagiriam a ela, Não posso deixar de chegar à conclusão de que os raios catódicos são cargas de eletricidade negativa transportadas por partículas de matéria. Surge então a pergunta: o que são essas partículas? São átomos, moléculas ou matéria em um estado de separação mais sutil? Para esclarecer esta questão, realizei uma série de medições da razão entre a massa dessas partículas e a quantidade de carga transportada por elas.”

Ao mesmo tempo, a força que atua sobre uma partícula carregada do campo magnético B, perpendicular à direção de seu movimento:

Se, por exemplo, a partícula estiver carregada negativamente e o campo elétrico estiver direcionado na direção oposta a, então a força elétrica desviará a partícula para baixo. A força magnética que atua sobre uma partícula que se move num campo magnético direcionado como mostrado na Fig. 64, desviará a partícula para cima: Portanto, ao selecionar as intensidades dos campos elétrico e magnético de modo que o ponto luminoso permaneça não deslocado, Thomson equaliza assim as forças que atuam sobre as partículas dos campos elétrico e magnético:

A partir daqui ele aprendeu a velocidade de partículas hipotéticas. Então, desligando o campo elétrico e variando a intensidade do campo magnético, ele poderia alterar a quantidade de deflexão das partículas na extremidade do tubo. Conhecendo o tempo durante o qual as partículas estiveram no campo magnético (já que conhecia sua velocidade), Thomson pôde assim calcular o efeito desse campo sobre elas. A partir daqui, a partir do desvio medido, ele foi capaz de determinar a razão entre a carga das partículas e sua massa.

Ele finalmente chegou à seguinte relação massa-carga para suas partículas hipotéticas:

Thomson concluiu:

“A partir dessas medições fica claro que o valor não depende da natureza do gás, e seu valor é muito pequeno comparado ao valor que é o menor valor anteriormente conhecido para esta relação e diz respeito aos íons de hidrogênio que participam da eletrólise .

Assim, a magnitude das proporções dos portadores elétricos nos raios catódicos é significativamente menor que o valor correspondente na eletrólise. A pequenez é explicada pela pequenez ou pelo grande significado, ou por ambos ao mesmo tempo.”

Este portador de eletricidade, a partícula constituinte ativa dos raios catódicos, acabou sendo chamado de elétron, que foi a primeira partícula elementar do século XX.

Thomson escreveu mais tarde:

“Minha primeira tentativa de desviar um feixe de raios catódicos foi passá-los entre duas placas metálicas paralelas montadas dentro de um tubo de descarga e excitar um campo elétrico entre essas placas. Não consegui obter uma deflexão regular desta forma... A falta de deflexão foi explicada pela presença de gás no tubo (a pressão permaneceu muito alta), por isso foi necessário obter um vácuo maior. Mas era mais fácil falar do que fazer. A técnica de obtenção de alto vácuo naquela época estava em sua infância."

Não pela primeira vez, a implementação de uma experiência decisiva encontrou não as dificuldades do seu conceito ideológico, mas a falta dos meios técnicos necessários.

Após as medições de Thomson, foi extremamente importante determinar separadamente a magnitude da carga ou a massa dessas partículas. A carga dos íons gasosos, previamente medida no laboratório de Thomson, era aproximadamente Assumindo que a carga desses íons é a mesma que a carga transportada pela partícula catódica, não é difícil mostrar que a massa dessas partículas é extremamente pequena:

Naquela época, Thomson chamava as partículas catódicas de "corpúsculos", ou átomos primordiais; a palavra "elétron" foi usada por ele para denotar a quantidade de carga transportada pelo "corpúsculo". Porém, com o tempo, a própria partícula passou a ser chamada de elétron. Muito mais tarde (em 1909), Millikan, medindo a quantidade de carga nas gotículas de óleo, estabeleceu que a carga elementar (presumia-se que seu valor era igual à carga do elétron) é aproximadamente igual a. da carga e massa do elétron:

Há total desacordo sobre este assunto. Alguns historiadores da ciência associam a descoberta do elétron aos nomes de G. Lorentz e P. Zeeman, outros atribuem-na a E. Wiechert, outros - a outros pesquisadores, enquanto a maioria insiste na prioridade de Joseph John Thomson, ou o grande GG, como também é chamado no mundo científico.

Mesmo as autoridades mais proeminentes que estão intimamente envolvidas nos problemas da física atômica estão completamente perdidas: quem é o dono da honra do descobridor? O notável físico teórico N. Bohr está convencido da prioridade de FEA Lenard, e o insuperável físico experimental E. Rutherford está convencido de F. Kaufman.

Com o tempo, o período controverso da descoberta real do elétron se estende por 28 anos: de 1871 a 1899. Quem esteve na origem desta significativa descoberta, que deu origem a tão longas batalhas científicas, quando as lanças foram seriamente quebradas? Além disso, numa situação em que alguns dos disputantes já conseguiram criar muitos problemas. Alguns deles estavam ocupados com pesquisas científicas e outros com intrigas científicas. Assim como nas discussões para esclarecer a natureza da luz.

No início, em 1894, o proeminente naturalista alemão Hermann Ludwig Helmholtz e seu oponente científico, o irlandês George Stoney, lutaram entre si. Cada um deles atribuiu a si mesmo a prioridade de descobrir o elétron. Stoney, diante de todas as pessoas honestas, acusou Helmholtz de óbvio plágio, publicando os fatos que o incriminavam no artigo “Sobre o Elétron ou Átomo da Eletricidade”, que apareceu em uma das edições da Philosophics Magazine (1894, vo1. 38, R.418). Quão verdadeira era essa acusação?

Doze anos antes desta publicação na mesma revista (1882, vol. 11, R. 361), Stoney publicou um trabalho no qual delineava seus pontos de vista sobre a existência do elétron, argumentando que “para cada ligação química quebrada em um eletrólito há é uma certa, idêntica em todos os casos, a quantidade de eletricidade."

Menos de dois meses se passaram quando um artigo de Helmholtz apareceu na revista publicada pela Chemical Society, anunciando sua descoberta do elétron. Dizia: “Se a ideia da estrutura atômica das substâncias simples for considerada correta, então não se pode evitar a conclusão de que a eletricidade, tanto negativa quanto positiva, é dividida em porções elementares, que são mantidas juntas como átomos de eletricidade”.

Helmholtz sabia do trabalho de Stoney quando escreveu estas linhas? Aparentemente, ele não pôde deixar de saber. Também está além da explicação por que, especulando sobre sua autoridade, ele literalmente esmagou Stoney em todas as oportunidades, constantemente fazendo passar sua prioridade como se fosse sua? Para aumentar a fama? Mas Helmholtz já se banhava em seus raios com bastante frequência. Stoney, devido à sua imersão na ideia “eletrônica”, que continuou a desenvolver, simplesmente não teve tempo suficiente para neutralizar o irritante na pessoa de Helmholtz.

Seu desenvolvimento o absorveu tanto que ele não só conseguiu fazer uma avaliação quantitativa da menor carga elétrica, insistindo em sua inclusão no número de constantes naturais fundamentais, mas também surgiu com um nome estável para uma partícula elementar com carga negativa - “ elétron".

Aparentemente, a inveja oculta do avanço do trabalhador Stoney para o futuro da ciência forçou Helmholtz a primeiro atacar o seu colega em todos os lugares e depois, sabiamente, permanecer em silêncio. É difícil prever se a ação ativa, a contração ou a inação derrotarão melhor o inimigo. Então ele ficou temporariamente em silêncio.

Porém, se voltarmos um pouco mais no tempo, não fazia sentido iniciar uma luta pela liderança científica, pois após um estudo meticuloso da história do assunto, mais dois nomes surgiram. Acontece que em 1878, antes de Stoney, um dos pilares da ciência física, o holandês Hendrik Lorentz, já havia chamado a atenção dos cientistas para a ideia da discrição das cargas elétricas, e sete anos antes de Lorentz, o físico alemão Wilhelm Eduard Weber falou sobre o elétron, antecipando a pesquisa do irlandês e de todos os seus seguidores. Weber, por exemplo, afirmou com surpreendente perspicácia: “...com a difusão universal da eletricidade, é permitido perceber que um átomo elétrico está associado a cada átomo de uma substância”. Talvez ele devesse ter recebido louros honorários?

Improvável. Afinal, uma coisa é expressar uma ideia valiosa, outra coisa é contribuir de todas as formas possíveis para o seu desenvolvimento. E, portanto, sem uma pontada de consciência, a prioridade na comprovação teórica da existência do elétron, na verdade, na previsão de uma partícula elementar com carga negativa, pode ser dada com segurança ao irlandês Stoney, cujo nome, infelizmente, não é mencionado em qualquer lugar: nem em livros de referência, nem em enciclopédias.

Aliás, não só os teóricos, mas também os experimentadores lutaram pelo direito prioritário de descobrir o elétron, descobrindo quem descobriu experimentalmente a partícula com carga negativa? Hoje, todo aluno conhece o nome de J. J. Thomson, que, segundo a maioria dos cronistas da ciência, é o verdadeiro “pai” do elétron. Foi por esta descoberta impressionante que ele recebeu o Prêmio Nobel em 1906.

A prioridade é considerada indiscutível, embora na verdade a realidade histórica a contradiga. Para se convencer disso, basta pegar o jornal da Universidade de Königsberg de janeiro de 1897, onde foram publicadas as últimas pesquisas no campo da química e da física. No volume 38 de janeiro, página 12 deste periódico, foi publicado um artigo do físico alemão Emil Wichert, afirmando inequivocamente a prioridade na descoberta experimental do elétron por trás dele.

Thomson relatou a mesma descoberta ao conselho científico da Royal Institution of England dois meses depois - em 30 de abril de 1897, e sua primeira publicação detalhando esta questão apareceu apenas em maio. Os cientistas foram apresentados a ele pela revista "Electricity" (1897, ou1.39, R.104).

Assim, Wichert estava cinco meses à frente do grande GG. Mas quem estava interessado na cronologia dos acontecimentos quando se tratava do trabalho de uma autoridade inquestionável no mundo científico? Aqui voltamos à questão de saber o que deve ser tomado como ponto de partida na distribuição da propriedade intelectual: a ideia em si, o seu desenvolvimento e justificação, ou a obra impressa pioneira que inclui ambos?

Parece que, em qualquer caso, a ordem cronológica da entrada de uma descoberta ou invenção no poder não pode ser ignorada. Mesmo que inicialmente houvesse uma hipótese que precisava ser “resolvida” no tempo e nas mentes. Portanto, na mesma medida, senão maior, que Stoney, Weber e o famoso Thomson, o pouco conhecido Wichert esteve envolvido na descoberta do elétron.

Mas apenas em alguns livros de referência especiais é possível ler que, independentemente de J. J. Thomson, este físico descobriu o elétron e determinou sua carga relativa. Neste exemplo, estamos convencidos do verdadeiro poder na ciência que o poder da autoridade possui.