1.1 Descoperirea electronului și a radioactivității.

Nașterea ideilor despre structura complexă a atomului

Natura discretă a curentului electric este reflectată în lucrările lui Faraday privind electroliză - același curent duce la eliberarea de cantități diferite de substanță pe electrozi, în funcție de substanța dizolvată. Când se eliberează un mol dintr-o substanță monovalentă, o sarcină de 96.500 C trece prin electrolit, iar cu o substanță divalentă, sarcina se dublează. După ce a fost definită la sfârșitul secolului al XIX-lea. Numărul lui Avogadro a făcut posibilă estimarea mărimii sarcinii electrice elementare. Deoarece 6,02 10 23 atomi transferă o sarcină de 96.500 C, atunci ponderea unuia este de 1,2-10 -19 C. Prin urmare, aceasta este cea mai mică porțiune de electricitate sau un „atom de electricitate”. Georg Stoney a sugerat numirea acestui „atom de electricitate” un electron.

Lucrul cu curenți în gaze este complicat de dificultățile de a obține un mediu gazos rarefiat. Suflatorul german de sticlă G. Geisler a făcut tuburi pentru divertisment cu gaz rarefiat care strălucea când trecea un curent electric prin el. În ele, V. Gitthoff a descoperit radiația de la catod care a cauzat fluorescența pereților tubului, care a fost numită raze catodice. După cum a stabilit fizicianul englez W. Crookes, aceste raze s-au propagat în linie dreaptă, au fost deviate de un câmp magnetic și au avut un efect mecanic.

Fizicianul francez J. Perrin a plasat un cilindru metalic cu o gaură opusă catodului în interiorul tubului în fața catodului și a descoperit că cilindrul era încărcat negativ. Când razele au fost deviate de câmpul magnetic și nu au intrat în cilindru, s-a dovedit a fi neîncărcat. Doi ani mai târziu, J. Thomson a așezat cilindrul nu în fața catodului, ci în lateral: un magnet adus a îndoit razele catodice, astfel încât acestea au intrat în cilindru și l-au încărcat negativ, dar pata fluorescentă de pe sticlă s-a deplasat. Aceasta înseamnă că razele sunt particule încărcate negativ. Un astfel de dispozitiv de măsurare se numește tub cu raze catodice cu vid înalt. Sub influența forței Lorentz cauzate de câmpul magnetic pornit în zona condensatorului, urma luminoasă a incidenței fasciculului pe ecran se schimbă. Așa că în 1895 s-a născut o nouă știință - Electronică.

Acționând simultan cu câmpurile electrice și magnetice și modificându-le magnitudinea, Thomson le-a selectat astfel încât să fie compensate, razele catodice să nu devieze, iar pata de pe sticlă să nu se miște. El a obținut raportul dintre sarcina electrică și masa particulelor e/t = 1,3 10-7 C/g. Independent de Thomson, această valoare a fost măsurată pentru raze catodice de către V. Kaufman și a obținut o valoare similară. Thomson a numit această particulă corpuscul, iar un electron este doar sarcina lui, dar atunci particula de raze catodice însăși a fost numită electron (din greacă. elektron - chihlimbar).

Descoperirea electronului și studiul proprietăților sale unice au stimulat cercetarea structurii atomului. Procesele de absorbție și emisie de energie de către materie au devenit clare; asemănări și diferențe ale elementelor chimice, activitatea lor chimică și inerția; sensul intern al Tabelului periodic al elementelor chimice al lui D.I. Mendeleev, natura legăturilor chimice și mecanismele reacțiilor chimice; Au apărut dispozitive complet noi în care mișcarea electronilor joacă un rol decisiv. Vederile asupra naturii materiei s-au schimbat. Descoperirea electronului (1897) a început epoca fizicii atomice.

Din numeroase experimente cu transmiterea electronilor prin materie, J. Thomson a concluzionat că numărul de electroni dintr-un atom este legat de mărimea masei atomice. Dar în stare normală, atomul trebuie să fie neutru din punct de vedere electric și, prin urmare, în fiecare atom numărul de sarcini de diferite semne este egal. Deoarece masa unui electron este de aproximativ 1/2000 din masa unui atom de hidrogen, masa sarcinii pozitive trebuie să fie de 2000 de ori masa electronului. De exemplu, hidrogenul are aproape toată masa sa asociată cu o sarcină pozitivă. Odată cu descoperirea electronului, imediat au apărut noi probleme. Un atom este neutru, ceea ce înseamnă că trebuie să existe și alte particule cu o sarcină pozitivă în el. Încă nu au fost deschise.

Fizicianul francez A. Becquerel, în timp ce studia luminiscența, a descoperit (1896) fenomenul radioactivității. El a fost interesat de relația dintre fluorescența de la razele catodice de pe pereții tubului și razele X emise din această parte a tubului. Iradiind diferite substanțe, el a încercat să afle dacă razele X ar putea fi emise de corpurile fosforescente iradiate cu lumina solară. Curând soții Curie au abordat problema și au descoperit un element mai activ, pe care l-au numit poloniu în onoarea Poloniei, locul de naștere al Mariei Curie. Măsurând magnitudinea efectului, Sklodowska-Curie a descoperit un nou element - radiu și a numit efectul de radiație în sine. radioactivitate(din lat. radio- emit raze). Intensitatea radiației radiului este de sute de mii de ori mai mare decât cea a uraniului. Apoi a fost descoperit al treilea element radioactiv - actiniul. Și a existat un anumit „boom” în studiul radioactivității.

Până la sfârșitul anului 1899, colaboratorul lui J. Thomson E. Rutherford a concluzionat: „... experimentele arată că radiația uraniului este complexă și constă din cel puțin două tipuri diferite: unul, rapid absorbit, să-i spunem a-radiație; altul, mai pătrunzător, să-i spunem

-radiații.” Trei ani mai târziu, P. Villar a găsit o altă componentă a radiației care nu a fost deviată de un câmp magnetic, ci se numea -raze. Radioactivitatea a găsit rapid aplicație în știința naturii și în medicină.

Atomul nu mai era considerat indivizibil. Ideea structurii tuturor atomilor din atomii de hidrogen a fost exprimată încă din 1815 de către medicul englez W. Prout. Îndoielile cu privire la indivizibilitatea atomilor au dat naștere la descoperirea analizei spectrale și a Tabelului periodic al elementelor chimice. S-a dovedit că atomul în sine este o structură complexă cu mișcări interne ale părților sale constitutive responsabile pentru spectrele caracteristice. Au început să apară modele ale structurii sale.

Modelul unui atom - o sarcină pozitivă este distribuită într-o regiune destul de mare încărcată pozitiv (posibil de formă sferică) și electronii sunt intercalate în el, ca „stafide într-o budincă” - a fost propus de Kelvin în 1902. J. Thomson și-a dezvoltat ideea: un atom este o picătură de budincă de materie încărcată pozitiv, în interiorul căreia sunt distribuiți electronii, care se află într-o stare de vibrație. Din cauza acestor vibrații, atomii emit energie electromagnetică; Astfel a putut explica dispersia luminii, dar au apărut multe întrebări. Pentru a explica Tabelul periodic al elementelor chimice, el a studiat diferite configurații ale electronilor, sugerând că configurațiile stabile corespund structurii elementelor inactive, cum ar fi gazele nobile, iar cele instabile corespund celor mai active. Pe baza lungimilor de undă ale luminii emise de atomi, Thomson a estimat aria ocupată de un astfel de atom la aproximativ 10 -10 m. A făcut o mulțime de presupuneri, fiind dus de calculul caracteristicilor radiațiilor conform teoriei lui Maxwell, întrucât el credea că doar forțele electromagnetice acționează în interiorul atomului. În 1903, Thomson a obținut că electronii ar trebui să emită unde eliptice atunci când se mișcă, în 1904 - că atunci când numărul de electroni este mai mare de 8, ei să fie aranjați în inele și numărul lor în fiecare inel să scadă odată cu descreșterea razei inelului. Numărul de electroni nu permite atomilor radioactivi să fie stabili; ei emit particule alfa și se stabilește o nouă structură atomică. Experimentul lui E. Rutherford, unul dintre elevii lui Thomson, a condus la modelul nuclear al structurii atomului.

Descoperiri la sfârșitul secolului al XIX-lea. - razele X (1895), radioactivitatea naturală (Becquerel, 1896), electronul (J. Thomson, 1897), radiul (Pierre și Marie Curie, 1898), natura cuantică a radiațiilor (Planck, 1900) au fost începutul unei revoluție în știință.

1.2 Model planetar al structurii atomului. Știința modernă și postulatele lui Bohr

Modelul planetar al structurii atomului a fost propus pentru prima dată de J. Perrin, încercând să explice proprietățile observate prin mișcarea orbitală a electronilor. Dar V. Vin a considerat-o de nesuportat. În primul rând, atunci când un electron se rotește, conform electrodinamicii clasice, trebuie să radieze continuu energie și, în cele din urmă, să cadă pe nucleu. În al doilea rând, din cauza pierderii continue de energie, radiația unui atom ar trebui să aibă un spectru continuu, dar se observă un spectru de linie.

Experimentele privind trecerea particulelor α prin plăci subțiri de aur și alte metale au fost efectuate de angajații lui E. Rutherford, E. Marsden și H. Geiger (1908). Ei au descoperit că aproape toate particulele trec liber prin placă și doar 1/10.000 dintre ele experimentează o deviație puternică - până la 150°. Modelul lui Thomson nu a putut explica acest lucru, dar Rutherford, fostul său asistent, a făcut estimări ale fracției de abateri și a ajuns la modelul planetar: sarcina pozitivă este concentrată într-un volum de ordinul 10 - 15 cu o masă semnificativă.

Considerând că orbitele electronilor dintr-un atom sunt fixe, Thomson în 1913 a ajuns și la un model planetar al structurii atomului. Dar, rezolvând problema stabilității unui astfel de atom folosind legea lui Coulomb, el a găsit o orbită stabilă pentru un singur electron. Nici Thomson, nici Rutherford nu au putut explica emisia de particule alfa în timpul dezintegrarii radioactive - s-a dovedit că trebuie să existe electroni în centrul atomului?! Asistentul său G. Moseley a măsurat frecvența liniilor spectrale ale unui număr de atomi din Tabelul Periodic și a constatat că „un atom are o anumită valoare caracteristică care crește în mod regulat atunci când trece de la atom la atom. Această cantitate nu poate fi altceva decât încărcarea miezului interior.”

Construirea unei teorii a structurii atomice bazată pe modelul planetar a întâmpinat o mulțime de contradicții.

La început, fizicianul danez N. Bohr a încercat să aplice mecanica clasică și electrodinamica problemei decelerării particulelor încărcate atunci când se deplasează prin materie, dar pentru o valoare dată a energiei electronilor, a devenit posibilă atribuirea unor parametri orbitali arbitrari (sau frecvențe). ), ceea ce a dus la paradoxuri.

Bohr a fost de acord asupra teoriei structurii atomice cu problema originii spectrelor. El a completat modelul lui Rutherford cu postulate care asigurau stabilitatea atomului și spectrul de linie al radiației acestuia. Bohr a abandonat ideile mecanicii clasice și a apelat la ipoteza cuantică a lui Planck: o anumită relație între energia cinetică din inel și perioada de revoluție este un transfer al relației. E= hv , exprimând relația dintre energia și frecvența oscilatorului pentru un sistem aflat în mișcare periodică. Formulele spectrale ale lui Balmer, Rydberg și Ritz au făcut posibilă formularea cerințelor pentru asigurarea stabilității atomului și a naturii de linie a spectrului atomului de hidrogen: în atom există mai multe stări staționare (sau orbite de electroni în planeta planetară). model) în care atomul nu emite energie; Atunci când un electron se deplasează de pe o orbită staționară pe alta, atomul emite sau absoarbe o parte de energie proporțională cu frecvența, în concordanță cu regula frecvenței Rydberg-Ritz.

30 aprilie 1897 este considerată oficial ziua de naștere a primei particule elementare - electronul. În această zi, șeful Laboratorului Cavedish și un membru al Societății Regale din Londra, Joseph John Thomson, a făcut un anunț istoric " Raze catodice„la Instituția Regală a Marii Britanii, în care a anunțat că mulți ani de cercetare în domeniul descărcărilor electrice în gaze la presiune scăzută au avut ca rezultat clarificarea naturii razelor catodice. Prin plasarea unui tub cu descărcare în gaze încrucișate magnetice și electrice. câmpuri, el, observând efectul compensator al acestor câmpuri, a determinat în mod fiabil sarcina specifică a particulelor, al căror flux era raze catodice.

Ideea naturii discrete a sarcinii electrice a fost ferm stabilită în știință datorită studiilor anterioare ale fenomenelor electrice. Chiar și Michael Faraday (1791-1867) în prima jumătate a anilor 1830, în timp ce studia trecerea curentului prin electroliți, a stabilit că, pentru a elibera un echivalent gram din orice substanță pe electrod, trebuie să treacă aceeași cantitate de electricitate. soluția, care a devenit cunoscută sub numele de numărul Faraday.

În lucrarea sa, el a scris: „Atomii corpurilor... conțin cantități egale de electricitate asociată în mod natural cu ei”. Dar tot nu a concluzionat cu privire la existența unei taxe elementare minime.

Fizicianul irlandez Stoney Stoney (1826-1911) a ajuns la această concluzie din legile electrolizei în 1874, iar apoi în 1891 a postulat existența unei sarcini într-un atom, numind-o electron. Dar aceste predicții implicau, desigur, că purtătorul de electricitate negativă ar fi o particulă dintr-o substanță precum ionii dintr-un electrolit depus pe electrodul pozitiv.

Cu toate acestea, rezultatul obținut de J. J. Thomson s-a dovedit a fi complet neașteptat și chiar paradoxal pentru contemporanii săi. În primul rând, o serie de experimente efectuate au arătat că rezultatele măsurătorilor cu raze catodice au fost complet independente de tipul de gaz în care a avut loc descărcarea. În plus, raportul măsurat e/m (sarcină specifică) s-a dovedit a fi anormal de mare: s-a dovedit a fi de aproape 2 mii de ori mai mare decât raportul dintre valoarea sarcinii electrice elementare și masa celui mai ușor atom de hidrogen. El a subliniat, de asemenea, că particulele pe care le-a descoperit fac parte din atomii oricărui gaz. Să cităm aici cuvintele lui J. J. Thomson cu privire la acest subiect: „Rezultatul acestui lucru este, evident, o valoare a sarcinii independentă de natura gazului, deoarece purtătorii de sarcină sunt aceiași pentru orice gaz. Astfel, raze catodice reprezintă o stare nouă a materiei, o stare în care diviziunea materiei merge mult mai departe decât în ​​cazul stării gazoase obișnuite, ... această materie reprezintă substanța din care sunt construite toate elementele chimice.”

Chiar înainte de descoperirea electronului, J. J. Thomson a dovedit în mod fiabil natura corpusculară a razelor catodice, care au fost considerate de mulți oameni de știință de seamă (Heinrich Hertz, Philip Lenard etc.) drept unde electromagnetice. I. Pulyuy a făcut la fel.

Mai târziu (1903), J. J. Thomson a prezentat un model al atomului în care electronii erau incluși sub formă de particule individuale sub formă de puncte care plutesc în mediul continuu încărcat pozitiv al atomului. Ar trebui să fim conștienți de cât de dificil era atunci să ne imaginăm un atom sub formă de gol, în care sarcinile pozitive erau concentrate într-un volum mic al nucleului central. (Totuși, un model planetar similar a fost propus chiar mai devreme de omul de știință francez Jean Perrin în 1901 și apoi în 1904 de fizicianul japonez Hantaro Nagaoka, care a comparat electronii dintr-un atom cu inelele planetei Saturn). J. J. Thomson în 1904 a introdus și ideea că electronii din atomi sunt împărțiți în grupuri separate și, prin urmare, determină periodicitatea proprietăților elementelor chimice. Valoarea mică a masei electronului a fost luată ca măsură a inerției inerente câmpului electric al particulei în sine. La începutul carierei sale științifice (1881), J. J. Thomson a arătat că o sferă încărcată electric își mărește masa inerțială cu o anumită cantitate, care depindea de mărimea sarcinii și de raza sferei și, prin aceasta, a introdus conceptul de masa electromagnetică. Relația pe care a obținut-o a fost folosită pentru a estima dimensiunea unui electron în ipoteza că toată masa acestuia este de natură electromagnetică. Această abordare clasică a arătat că dimensiunea unui electron este de sute de mii de ori mai mică decât dimensiunea unui atom.

Este interesant că descoperirea electronului a precedat descoperirea protonului, care a fost condusă de studiile razelor de canal într-un tub Crookes. Aceste razele au fost descoperite în 1886 de către fizicianul german Eugen Holstein (1850-1930) din strălucirea formată într-un canal realizat în catod.

În 1895, J. Perrin a stabilit sarcina pozitivă purtată de particulele canalului. Fizicianul german Wilhelm Wien (1864-1928) în 1902, folosind măsurători în câmpuri magnetice și electrice încrucișate, a determinat sarcina specifică a particulelor, care, la umplerea tubului cu hidrogen, corespundea greutății ionului pozitiv al atomului de hidrogen. .

Descoperirea electronului a influențat imediat întreaga dezvoltare ulterioară a fizicii. În 1898, mai mulți oameni de știință (K. Rikke, P. Drude și J. Thomson) au prezentat în mod independent conceptul de electroni liberi în metale. Acest concept a fost folosit ulterior ca bază pentru teoria Drude-Lorentz. A. Poincaré și-a intitulat lucrarea fundamentală despre teoria relativității „Despre dinamica electronului”. Dar toate acestea nu au fost doar începutul dezvoltării rapide a fizicii electronice, ci și începutul unei transformări revoluționare a principiilor fizice de bază. Odată cu descoperirea electronului, ideea indivizibilității atomului s-a prăbușit, iar după aceasta, au început să se formeze ideile inițiale ale unei teorii complet neclasice a comportamentului electronilor în atomi.

În ultimul secol, importanța descoperirii electronului a crescut continuu.

Lucrările sale sunt dedicate studiului trecerii curentului electric prin gaze rarefiate, studiului catodului și razelor X și fizicii atomice. El a dezvoltat, de asemenea, teoria mișcării electronilor în câmpurile magnetice și electrice. Și în 1907, el a propus principiul de funcționare al unui spectrometru de masă. Pentru munca sa asupra razelor catodice și descoperirea electronului, a fost distins cu Premiul Nobel în 1906.

?Ministerul Educaţiei şi Ştiinţei al Federaţiei Ruse
Instituția de învățământ bugetară de stat federală
studii profesionale superioare
„Academia Pedagogică de Stat Sterlitamak
lor. Zainab Biisheva"
Facultatea de Matematică și Științe ale Naturii

Departamentul de Fizică Generală

Eseu
Istoria descoperirii electronilor

Completat de: elev al grupei FM-52
Saifetdinov Arthur
Verificat de: dr., profesor asociat Korkeshko O.I.

Sterlitamak 2011 Introducere
Capitolul I. Contextul descoperirii
Capitolul II. Descoperirea electronului

3.1. experimentul lui Thomson
3.2. experiența lui Rutherford
3.3. Metoda Millikan
3.3.1. Scurtă biografie:

3.3.3. Descrierea instalatiei



Concluzie
Literatură

Introducere

ELECTRON - prima particulă elementară descoperită; purtătorul material al celei mai mici mase și al celei mai mici sarcini electrice din natură; componentă a unui atom.
Sarcina electronului este 1,6021892. Clasele 10-19
- 4,803242. 10-10 unități SGSE.
Masa electronului este 9,109534. 10-31 kg.
Taxa specifica e/me 1.7588047. 1011 Cl. kg -1.
Spinul electronului este egal cu 1/2 (în unități de h) și are două proiecții ±1/2; electronii se supun statisticilor Fermi-Dirac, fermionilor. Ele sunt supuse principiului excluderii Pauli.
Momentul magnetic al unui electron este egal cu - 1,00116 mb, unde mb este magnetonul Bohr.
Electronul este o particulă stabilă. Conform datelor experimentale, durata de viață este te > 2. 1022 de ani.
Nu participă la interacțiunea puternică, lepton. Fizica modernă consideră electronul ca o particulă cu adevărat elementară care nu are structură sau dimensiune. Dacă acestea din urmă sunt diferite de zero, atunci raza electronului re< 10 -18 м.

Capitolul I. Contextul descoperirii

Descoperirea electronului a fost rezultatul a numeroase experimente. Până la începutul secolului al XX-lea. existenţa electronului a fost stabilită printr-o serie de experimente independente. Dar, în ciuda materialului experimental colosal acumulat de școli naționale întregi, electronul a rămas o particulă ipotetică, deoarece experiența nu a răspuns încă la o serie de întrebări fundamentale. În realitate, „descoperirea” electronului a durat mai mult de jumătate de secol și nu s-a încheiat în 1897; Mulți oameni de știință și inventatori au luat parte la ea.
În primul rând, nu a existat un singur experiment care să implice electroni individuali. Sarcina elementară a fost calculată pe baza măsurătorilor sarcinii microscopice, presupunând valabilitatea unui număr de ipoteze.
A existat incertitudine într-un punct fundamental important. Electronul a apărut mai întâi ca urmare a unei interpretări atomice a legilor electrolizei, apoi a fost descoperit într-o descărcare gazoasă. Nu era clar dacă fizica avea de-a face cu același obiect. Un grup mare de oameni de știință natural sceptici credeau că sarcina elementară este o medie statistică a sarcinilor de cele mai variate dimensiuni. Mai mult, niciunul dintre experimentele care măsoară sarcina electronilor nu a dat valori strict repetabile.
Au fost sceptici care, în general, ignorau descoperirea electronului. Academicianul A.F. Ioffe în amintirile sale despre profesorul său V.K. Roentgene a scris: „Până în 1906 - 1907. cuvântul electron nu ar fi trebuit să fie rostit la Institutul de Fizică al Universității din München. Roentgen a considerat-o o ipoteză nedovedită, adesea folosită fără temeiuri suficiente și inutil.”
Problema masei electronului nu a fost rezolvată și nu s-a dovedit că sarcinile atât pe conductori, cât și pe dielectrici sunt formate din electroni. Conceptul de „electron” nu a avut o interpretare clară, deoarece experimentul nu dezvăluise încă structura atomului (modelul planetar al lui Rutherford a apărut în 1911, iar teoria lui Bohr în 1913).
Electronul nu a intrat încă în construcții teoretice. Teoria electronică a lui Lorentz a prezentat o densitate de sarcină distribuită continuu. Teoria conductivității metalice, dezvoltată de Drude, s-a ocupat de sarcini discrete, dar acestea erau sarcini arbitrare, asupra cărora nu s-au impus restricții.
Electronul nu a părăsit încă cadrul științei „pure”. Să reamintim că primul tub electronic a apărut abia în 1907. Pentru a trece de la credință la convingere a fost necesar, în primul rând, izolarea electronului și inventarea unei metode de măsurare directă și precisă a sarcinii elementare.
Soluția la această problemă nu a întârziat să apară. În 1752, ideea de discreție a sarcinii electrice a fost exprimată pentru prima dată de B. Franklin. Experimental, discretitatea sarcinilor a fost justificată de legile electrolizei, descoperite de M. Faraday în 1834. Valoarea numerică a sarcinii elementare (cea mai mică sarcină electrică găsită în natură) a fost calculată teoretic pe baza legile electrolizei folosind numărul lui Avogadro. . Măsurarea experimentală directă a sarcinii elementare a fost efectuată de R. Millikan în experimente clasice efectuate în 1908 - 1916. Aceste experimente au oferit, de asemenea, dovada de nerefuzat a atomismului electricității. Conform conceptelor de bază ale teoriei electronice, sarcina unui corp apare ca urmare a unei modificări a numărului de electroni conținute în acesta (sau ionii pozitivi, a căror valoare de sarcină este un multiplu al sarcinii electronului). Prin urmare, sarcina oricărui corp trebuie să se schimbe brusc și în astfel de porțiuni care conțin un număr întreg de sarcini electronice. După ce a stabilit experimental natura discretă a modificării sarcinii electrice, R. Millikan a putut obține confirmarea existenței electronilor și a determinat valoarea sarcinii unui electron (sarcină elementară) folosind metoda picăturii de ulei. Metoda se bazează pe studiul mișcării picăturilor de ulei încărcate într-un câmp electric uniform de putere cunoscută E.

Capitolul II. Descoperirea electronului

Dacă ignorăm ceea ce a precedat descoperirea primei particule elementare - electronul și ceea ce a însoțit acest eveniment remarcabil, putem spune pe scurt: în 1897, celebrul fizician englez THOMSON Joseph John (1856-1940) a măsurat sarcina specifică q/m particule de raze catodice - „corpuscule”, așa cum le-a numit el, bazate pe deviația razelor catodice *) în câmpurile electrice și magnetice.
Comparând numărul obținut cu sarcina specifică a ionului de hidrogen monovalent cunoscut la acea vreme, prin raționament indirect, a ajuns la concluzia că masa acestor particule, care ulterior au primit denumirea de „electroni”, este semnificativ mai mică (mai mult decât de o mie de ori) decât masa celui mai ușor ion de hidrogen.
În același an, 1897, el a emis ipoteza că electronii sunt o parte integrantă a atomilor, iar razele catodice nu sunt atomi sau radiații electromagnetice, așa cum credeau unii cercetători ai proprietăților razelor. Thomson a scris: „Astfel, razele catodice reprezintă o nouă stare a materiei, în esență diferită de starea gazoasă obișnuită...; în această nouă stare, materia este substanța din care sunt construite toate elementele”.
Din 1897, modelul corpuscular al razelor catodice a început să câștige acceptare generală, deși exista o mare varietate de opinii despre natura electricității. Astfel, fizicianul german E. Wichert credea că „electricitatea este ceva imaginar, care există cu adevărat doar în gânduri”, iar faimosul fizician englez Lord Kelvin în același an, 1897, a scris despre electricitate ca pe un fel de „fluid continuu”.
Ideea lui Thomson despre corpusculii catodici ca componente de bază ale atomului nu a fost întâmpinată cu mult entuziasm. Unii dintre colegii săi au crezut că el i-a mistificat când a sugerat că particulele de raze catodice ar trebui considerate posibile componente ale atomului. Adevăratul rol al corpusculilor Thomson în structura atomului ar putea fi înțeles în combinație cu rezultatele altor studii, în special cu rezultatele analizei spectrelor și studiului radioactivității.
Pe 29 aprilie 1897, Thomson a făcut celebrul său mesaj la o întâlnire a Societății Regale din Londra. Ora exactă a descoperirii electronului - ziua și ora - nu poate fi numită din cauza unicității sale. Acest eveniment a fost rezultatul multor ani de muncă a lui Thomson și a angajaților săi. Nici Thomson, nici oricine altcineva nu observase vreodată un electron, nici nimeni nu fusese capabil să izoleze o singură particulă dintr-un fascicul de raze catodice și să-i măsoare sarcina specifică. Autorul descoperirii este J.J. Thomson, deoarece ideile sale despre electron erau apropiate de cele moderne. În 1903, a propus unul dintre primele modele ale atomului - „budinca de stafide”, iar în 1904 a propus ca electronii dintr-un atom să fie împărțiți în grupuri, formând diferite configurații care determină periodicitatea elementelor chimice.
Locația descoperirii este cunoscută cu precizie - Laboratorul Cavendish (Cambridge, Marea Britanie). Creat în 1870 de J.C. Maxwell, în următoarea sută de ani a devenit „leagănul” unui întreg lanț de descoperiri strălucitoare în diverse domenii ale fizicii, în special în fizica atomică și nucleară. Directorii săi au fost: Maxwell J.K. - din 1871 până în 1879, Lord Rayleigh - din 1879 până în 1884, Thomson J.J. - din 1884 până în 1919, Rutherford E. - din 1919 până în 1937, Bragg L. - din 1938 până în 1953; Director adjunct 1923-1935 - Chadwick J.
Cercetarea științifică experimentală a fost efectuată de un om de știință sau un grup mic într-o atmosferă de explorare creativă. Lawrence Bragg și-a amintit mai târziu de munca sa în 1913 cu tatăl său, Henry Bragg: „A fost o perioadă minunată când aproape în fiecare săptămână s-au obținut noi rezultate interesante, cum ar fi descoperirea de noi zone purtătoare de aur, unde pepitele pot fi ridicate direct de pe pământ. . Aceasta a continuat până la începutul războiului*), care a oprit munca noastră comună."

Capitolul III. Metode de descoperire a electronului

3.1. experimentul lui Thomson

Joseph John Thomson Joseph John Thomson, 1856–1940 Fizician englez, cunoscut mai simplu ca J. J. Thomson. Născut în Cheetham Hill, o suburbie din Manchester, în familia unui anticariat la mâna a doua. În 1876 a câștigat o bursă la Cambridge. În 1884-1919, a fost profesor la Departamentul de Fizică Experimentală de la Universitatea din Cambridge și, în același timp, șeful Laboratorului Cavendish, care, prin eforturile lui Thomson, a devenit unul dintre cele mai cunoscute centre de cercetare din lume. În același timp, în 1905-1918, a fost profesor la Institutul Regal din Londra. Câștigător al Premiului Nobel pentru Fizică în 1906 cu formularea „pentru studiile sale despre trecerea electricității prin gaze”, care, în mod natural, include descoperirea electronului. Fiul lui Thomson, George Paget Thomson (1892-1975) a devenit, în cele din urmă, laureat al premiului Nobel pentru fizică - în 1937 pentru descoperirea experimentală a difracției electronilor prin cristale.
În 1897, tânărul fizician englez J. J. Thomson a devenit faimos de-a lungul secolelor ca descoperitorul electronului. În experimentul său, Thomson a folosit un tub catodic îmbunătățit, al cărui design a fost completat de bobine electrice care creau (conform legii lui Ampere) un câmp magnetic în interiorul tubului și un set de plăci de condensatoare electrice paralele care creau un câmp electric în interior. tubul. Datorită acestui fapt, a devenit posibil să se studieze comportamentul razelor catodice sub influența câmpurilor magnetice și electrice.
Folosind un nou design de tub, Thomson a arătat succesiv că: (1) razele catodice sunt deviate într-un câmp magnetic în absența unuia electric; (2) razele catodice sunt deviate într-un câmp electric în absența unui câmp magnetic; și (3) sub acțiunea simultană a câmpurilor electrice și magnetice de intensitate echilibrată, orientate în direcții care provoacă separat abateri în direcții opuse, razele catodice se propagă rectiliniu, adică acțiunea celor două câmpuri se echilibrează reciproc.
Thomson a descoperit că relația dintre câmpurile electrice și magnetice la care efectele lor sunt echilibrate depinde de viteza cu care se mișcă particulele. După efectuarea unei serii de măsurători, Thomson a reușit să determine viteza de mișcare a razelor catodice. S-a dovedit că se mișcă mult mai lent decât viteza luminii, ceea ce însemna că razele catodice ar putea fi doar particule, deoarece orice radiație electromagnetică, inclusiv lumina însăși, călătorește cu viteza luminii (vezi Spectrul radiației electromagnetice). Aceste particule necunoscute. Thomson i-a numit „corpusculi”, dar în curând au devenit cunoscuți ca „electroni”.
A devenit imediat clar că electronii trebuie să existe ca parte a atomilor - altfel, de unde ar proveni? 30 aprilie 1897 - data raportului lui Thomson cu privire la rezultatele sale la o reuniune a Societății Regale din Londra - este considerată ziua de naștere a electronului. Și în această zi ideea „indivizibilității” atomilor a devenit un lucru din trecut (vezi Teoria atomică a structurii materiei). Odată cu descoperirea nucleului atomic care a urmat puțin peste zece ani mai târziu (vezi experimentul lui Rutherford), descoperirea electronului a pus bazele modelului modern al atomului.
Tuburile „catodice” descrise mai sus, sau mai precis, tuburile cu raze catodice, au devenit cei mai simpli predecesori ai tuburilor moderne de televiziune și ai monitoarelor de calculator, în care cantități strict controlate de electroni sunt eliminate de pe suprafața unui catod fierbinte, sub influența de câmpuri magnetice alternative sunt deviate la unghiuri strict specificate și bombardează celulele fosforescente ale ecranelor, formând asupra lor o imagine clară rezultată din efectul fotoelectric, a cărui descoperire ar fi, de asemenea, imposibilă fără cunoștințele noastre despre adevărata natură a catodului. razele.

3.2. experiența lui Rutherford

Ernest Rutherford, primul baron Rutherford din Nelson, 1871–1937, fizician din Noua Zeelandă. Născut în Nelson, fiul unui fermier artizan. A câștigat o bursă pentru a studia la Universitatea Cambridge din Anglia. După absolvire, a fost numit la Universitatea McGill din Canada, unde, împreună cu Frederick Soddy (1877–1966), a stabilit legile de bază ale fenomenului radioactivității, pentru care a fost distins cu Premiul Nobel pentru Chimie în 1908. Curând, omul de știință s-a mutat la Universitatea din Manchester, unde, sub conducerea sa, Hans Geiger (1882–1945) a inventat faimosul său contor Geiger, a început să cerceteze structura atomului și, în 1911, a descoperit existența nucleului atomic. În timpul Primului Război Mondial, a fost implicat în dezvoltarea sonarelor (radare acustice) pentru a detecta submarinele inamice. În 1919 a fost numit profesor de fizică și director al Laboratorului Cavendish de la Universitatea din Cambridge și în același an a descoperit dezintegrarea nucleară ca urmare a bombardamentului cu particule grele de înaltă energie. Rutherford a rămas în această funcție până la sfârșitul vieții, fiind în același timp mulți ani președinte al Societății Științifice Regale. A fost înmormântat în Westminster Abbey lângă Newton, Darwin și Faraday.
Ernest Rutherford este un om de știință unic în sensul că și-a făcut principalele descoperiri după ce a primit Premiul Nobel. În 1911, el a reușit un experiment care nu numai că a permis oamenilor de știință să cerceteze adânc atomul și să obțină o perspectivă asupra structurii acestuia, dar a devenit și un model de grație și profunzime de design.

Folosind o sursă naturală de radiații radioactive, Rutherford a construit un tun care a produs un flux de particule direcționat și focalizat. Pistolul era o cutie de plumb cu o fantă îngustă, în interiorul căreia era plasat material radioactiv. Datorită acestui fapt, particulele (în acest caz particulele alfa, constând din doi protoni și doi neutroni) emise de substanța radioactivă în toate direcțiile, cu excepția uneia, au fost absorbite de ecranul de plumb și doar un fascicul de particule alfa a fost eliberat prin fantă. .
Mai departe de-a lungul traseului fasciculului mai existau câteva ecrane de plumb cu fante înguste care tăiau particulele care se abate de la o direcție strict specificată. Drept urmare, un fascicul de particule alfa perfect focalizat a zburat către țintă, iar ținta în sine era o foaie subțire de folie de aur. A fost raza alfa care a lovit-o. După ce s-au ciocnit cu atomii de folie, particulele alfa și-au continuat drumul și au lovit un ecran luminiscent instalat în spatele țintei, pe care au fost înregistrate fulgerări atunci când particulele alfa o loveau. Din ele, experimentatorul ar putea judeca în ce cantitate și cât de mult particulele alfa se abat de la direcția mișcării rectilinie ca urmare a ciocnirilor cu atomii din folie.
Rutherford, totuși, a observat că niciunul dintre predecesorii săi nu a încercat măcar să testeze experimental dacă unele particule alfa au fost deviate la unghiuri foarte mari. Modelul grilei de stafide pur și simplu nu a permis existența unor elemente structurale în atom atât de dense și grele încât ar putea devia particulele alfa rapide la unghiuri semnificative, așa că nimeni nu s-a obosit să testeze această posibilitate. Rutherford i-a cerut unuia dintre studenții săi să reechipeze instalația în așa fel încât să fie posibil să se observe împrăștierea particulelor alfa la unghiuri mari de deviere - doar pentru a-și curăța conștiința, pentru a exclude în final această posibilitate. Detectorul era un ecran acoperit cu sulfură de sodiu, un material care produce un flash fluorescent atunci când o particulă alfa îl lovește. Imaginați-vă surpriza nu numai a studentului care a efectuat direct experimentul, ci și a lui Rutherford însuși când s-a dovedit că unele particule au fost deviate la unghiuri de până la 180°!
Imaginea atomului desenată de Rutherford pe baza rezultatelor experimentului său ne este bine cunoscută astăzi. Un atom este format dintr-un nucleu compact super-dens, care poartă o sarcină pozitivă și electroni de lumină încărcați negativ în jurul lui. Mai târziu, oamenii de știință au oferit o bază teoretică fiabilă pentru această imagine (vezi Atomul lui Bohr), dar totul a început cu un experiment simplu cu o mică probă de material radioactiv și o bucată de folie de aur.

3.3. Metoda Millikan

3.3.1. Scurtă biografie:

Robert Milliken s-a născut în 1868 în Illinois într-o familie de preoți săraci. Și-a petrecut copilăria în orașul de provincie Maquoketa, unde s-a acordat multă atenție sportului și predării slabe. Un director de liceu care preda fizică le-a spus, de exemplu, tinerilor săi elevi: „Cum este posibil să scoți sunet din valuri? Prostii, băieți, toate sunt prostii!”
Colegiul Oberdeen nu era mai bun, dar Milliken, care nu avea sprijin financiar, a trebuit să predea singur fizica la liceu. În America, la acea vreme, existau doar două manuale de fizică, traduse din franceză, iar tânărul talentat nu avea nicio dificultate în a le studia și a le preda cu succes. În 1893 a intrat la Universitatea Columbia, apoi a plecat să studieze în Germania.
Milliken avea 28 de ani când a primit o ofertă de la A. Michelson de a ocupa un post de asistent la Universitatea din Chicago. La început, el s-a angajat aici aproape exclusiv în muncă pedagogică și abia la vârsta de patruzeci de ani a început cercetările științifice, care i-au adus faima mondială.

3.3.2. Primele experiențe și soluții la probleme

Primele experimente s-au rezumat la următoarele. Între plăcile unui condensator plat, căruia i s-a aplicat o tensiune de 4000 V, s-a creat un nor, format din picături de apă depuse pe ioni. În primul rând, s-a observat că vârful norilor cădea în absența unui câmp electric. Apoi a fost creat un nor în timp ce tensiunea era pornită. Căderea norului s-a produs sub influența gravitației și a forței electrice.
Raportul dintre forța care acționează asupra unei picături dintr-un nor și viteza pe care o dobândește este același în primul și al doilea caz. În primul caz, forța este egală cu mg, în al doilea mg + qE, unde q este sarcina picăturii, E este puterea câmpului electric. Dacă viteza în primul caz este?1 în al doilea?2, atunci

Cunoașteți dependența vitezei de cădere a norilor? din vâscozitatea aerului, putem calcula sarcina necesară q. Cu toate acestea, această metodă nu a furnizat acuratețea dorită, deoarece conținea presupuneri ipotetice dincolo de controlul experimentatorului.
Pentru a crește acuratețea măsurătorilor, a fost necesar în primul rând să se găsească o modalitate de a lua în considerare evaporarea norului, care a avut loc inevitabil în timpul procesului de măsurare.
Reflectând la această problemă, Millikan a venit cu metoda clasică de drop, care a deschis o serie de posibilități neașteptate. Îl lăsăm pe autor însuși să spună povestea invenției:
„Dându-mi seama că rata de evaporare a picăturilor a rămas necunoscută, am încercat să găsesc o metodă care să elimine complet această valoare incertă. Planul meu a fost următorul. În experimentele anterioare, câmpul electric a putut doar ușor să crească sau să scadă viteza de cădere a vârfului norilor sub influența gravitației. Acum am vrut să întăresc acest câmp atât de mult încât suprafața superioară a norului a rămas la o înălțime constantă. În acest caz, a devenit posibil să se determine cu exactitate rata de evaporare a norilor și să se ia în considerare în calcule.”
Pentru a implementa această idee, Millikan a proiectat o baterie reîncărcabilă de dimensiuni mici, care producea o tensiune de până la 104 V (pentru acea vreme aceasta a fost o realizare remarcabilă a unui experimentator). Trebuia să creeze un câmp suficient de puternic pentru a menține norul suspendat, precum „sicriul lui Mahomed”. „Când aveam totul pregătit”, spune Milliken, iar când norul s-a format, am răsucit întrerupătorul și norul a fost într-un câmp electric. Și în acel moment s-a topit în fața ochilor mei, cu alte cuvinte, nu a rămas nici măcar o bucată mică din tot norul care să poată fi observat cu ajutorul unui instrument optic de control, așa cum a făcut Wilson și urma să fac. După cum mi s-a părut la început, dispariția norului fără urmă în câmpul electric dintre plăcile superioare și inferioare a însemnat că experimentul s-a încheiat fără rezultate...” Cu toate acestea, așa cum s-a întâmplat adesea în istoria științei, eșecul a dat ridică la o idee nouă. A dus la faimoasa metodă de drop. „Experimentele repetate”, scrie Millikan, „au arătat că, după ce norul s-a disipat într-un câmp electric puternic, mai multe picături individuale de apă au putut fi distinse în locul său” (sublinierea adăugată de mine - V.D.). Experimentul „nereușit” a condus la descoperirea posibilității de a menține picăturile individuale în echilibru și de a le observa o perioadă destul de lungă.
Dar în timpul observației, masa unei picături de apă s-a schimbat semnificativ ca urmare a evaporării, iar Millikan, după multe zile de căutare, a trecut la experimente cu picături de ulei.
Procedura experimentală s-a dovedit a fi simplă. Expansiunea adiabatică formează un nor între plăcile condensatorului. Este format din picături cu sarcini de mărime și semn diferit. Când câmpul electric este pornit, picăturile cu sarcini identice cu sarcina plăcii superioare a condensatorului cad rapid, iar picăturile cu sarcina opusă sunt atrase de placa superioară. Dar un anumit număr de picături au o astfel de sarcină încât forța gravitației este echilibrată de forța electrică.
După 7 sau 8 minute. norul se risipește, iar în câmpul vizual rămân un număr mic de picături, a căror sarcină corespunde echilibrului de forțe indicat.
Millikan a observat aceste picături ca puncte strălucitoare distincte. „Istoria acestor picături de obicei decurge astfel”, scrie el. „În cazul unei ușoare predominări a gravitației asupra forței câmpului, ele încep să cadă încet, dar, deoarece se evaporă treptat, mișcarea lor în jos se oprește curând și rămâne nemișcat pentru o perioadă destul de lungă.” . Apoi câmpul începe să domine și picăturile încep să se ridice încet. La sfârșitul vieții lor în spațiul dintre plăci, această mișcare ascendentă devine foarte puternic accelerată și sunt atrași cu mare viteză de placa superioară.”

3.3.3. Descrierea instalatiei

O diagramă a instalației lui Millikan, cu care s-au obținut rezultate decisive în 1909, este prezentată în Figura 17.
În camera C a fost plasat un condensator plat din plăci rotunde de alamă M și N cu diametrul de 22 cm (distanța dintre ele era de 1,6 cm). În centrul plăcii superioare a fost făcută o mică gaură p, prin care au trecut picături de ulei. Acestea din urmă au fost formate prin injectarea unui curent de ulei cu ajutorul unui pulverizator. Aerul a fost curățat anterior de praf prin trecerea lui printr-o țeavă cu vată de sticlă. Picăturile de ulei aveau un diametru de aproximativ 10-4 cm.
O tensiune de 104 V a fost furnizată de la bateria B către plăcile condensatorului. Folosind un comutator, a fost posibilă scurtcircuitarea plăcilor și acest lucru ar distruge câmpul electric.
Picăturile de ulei care cădeau între plăcile M și N au fost iluminate de o sursă puternică. Comportamentul picăturilor a fost observat perpendicular pe direcția razelor prin telescop.
Ionii necesari condensării picăturilor au fost creați prin radiația dintr-o bucată de radiu cu o greutate de 200 mg, situată la o distanță de 3 până la 10 cm de lateralul plăcilor.
Folosind un dispozitiv special, coborârea pistonului a extins gazul. La 1 - 2 s după extindere, radiul a fost îndepărtat sau ascuns de un ecran de plumb. Apoi câmpul electric a fost pornit și a început observarea picăturilor în telescop. Conducta avea o scară pe care era posibil să se numere drumul parcurs de picătură într-o anumită perioadă de timp. Timpul a fost înregistrat folosind un ceas precis, cu un lacăt.
În timpul observațiilor sale, Millikan a descoperit un fenomen care a servit drept cheie pentru întreaga serie de măsurători precise ulterioare ale sarcinilor elementare individuale.
„În timp ce lucram la picături suspendate”, scrie Millikan, „am uitat de câteva ori să le protejez de razele radiului. Apoi mi s-a întâmplat să observ că din când în când una dintre picături și-a schimbat brusc încărcătura și a început să se miște de-a lungul câmpului sau împotriva lui, captând aparent în primul caz un ion pozitiv, iar în al doilea un ion negativ. Acest lucru a deschis posibilitatea de a măsura în mod fiabil nu numai sarcinile picăturilor individuale, așa cum făcusem până atunci, ci și încărcarea unui ion atmosferic individual.
Într-adevăr, măsurând viteza aceleiași picături de două ori, o dată înainte și o dată după captarea ionului, aș putea în mod evident exclude complet proprietățile picăturii și proprietățile mediului și să operez cu o valoare proporțională doar cu sarcina de ionul capturat.”

3.3.4. Calculul sarcinii elementare

Sarcina elementară a fost calculată de Millikan pe baza următoarelor considerații. Viteza de mișcare a unei picături este proporțională cu forța care acționează asupra acesteia și nu depinde de sarcina picăturii.
Dacă o picătură a căzut între plăcile unui condensator sub influența gravitației numai cu o viteză?, atunci
?1=kmg (1)

Când un câmp îndreptat împotriva gravitației este pornit, forța care acționează va fi diferența qE - mg, unde q este sarcina căderii, E este modulul intensității câmpului.
Viteza de cădere va fi egală cu:
?2 =k(qE-mg) (2)

Dacă împărțim egalitatea (1) la (2), obținem

De aici
(3)

Fie ca picătura să captureze un ion și sarcina acestuia să devină egală cu q”, iar viteza de mișcare? 2. Să notăm încărcătura acestui ion captat cu e.
Atunci e= q"- q.
Folosind (3), obținem

Valoarea este constantă pentru o picătură dată.

3.3.5. Concluzii din metoda Millikan

În consecință, orice sarcină captată de o picătură va fi proporțională cu diferența de viteză (?2 - ?2), cu alte cuvinte, proporțională cu modificarea vitezei picăturii datorată captării unui ion! Deci, măsurarea a sarcinii elementare s-a redus la măsurarea traseului parcurs de picătură și a timpului în care aceasta a fost parcursă calea. Numeroase observații au arătat validitatea formulei (4). S-a dovedit că valoarea lui e se poate schimba doar brusc! e, 2e, 3e, 4e etc. sunt întotdeauna respectate.
„În multe cazuri”, scrie Millikan, „scăderea a fost observată timp de cinci sau șase ore și, în acest timp, a capturat nu opt sau zece ioni, ci sute dintre ei. În total, am observat capturarea a multor mii de ioni în acest fel și, în toate cazurile, încărcătura capturată... a fost fie exact egală cu cea mai mică dintre toate încărcăturile capturate, fie a fost egală cu un mic multiplu întreg al acesteia. valoare. Aceasta este o dovadă directă și de nerefuzat că electronul nu este o „medie statistică”, ci că toate sarcinile electrice ale ionilor sunt fie exact egale cu sarcina electronului, fie reprezintă multipli mici întregi ai acelei sarcini.”
Deci, atomicitatea, discretitatea sau, în limbajul modern, cuantizarea sarcinii electrice a devenit un fapt experimental. Acum era important să arătăm că electronul este, ca să spunem așa, omniprezent. Orice sarcină electrică dintr-un corp de orice natură este suma acelorași sarcini elementare.
Metoda lui Millikan a făcut posibil să se răspundă fără ambiguitate la această întrebare. În primele experimente, încărcăturile au fost create prin ionizarea moleculelor de gaz neutru printr-un flux de radiații radioactive. S-a măsurat încărcarea ionilor captați de picături.
Când un lichid este pulverizat cu o sticlă de pulverizare, picăturile devin electrificate din cauza frecării. Acest lucru era bine cunoscut încă din secolul al XIX-lea. Sunt și aceste sarcini cuantificate, ca și sarcinile ionice? Millikan „cântărește” picăturile după pulverizare și măsoară încărcăturile în modul descris mai sus. Experiența dezvăluie aceeași discreție a sarcinii electrice.
Mai mult, a fost arătată identitatea sarcinilor electrice pe corpuri de natură fizică diferită.
Stropind picături de ulei (dielectric), glicerină (semiconductor), mercur (conductor), Millikan demonstrează că sarcinile asupra corpurilor de orice natură fizică constau în toate cazurile, fără excepție, din porțiuni elementare individuale de mărime strict constantă. În 1913, Millikan a rezumat rezultatele a numeroase experimente și a dat următoarea valoare pentru sarcina elementară: e = 4.774.10-10 unități. Taxa SGSE. Așa a fost stabilită una dintre cele mai importante constante ale fizicii moderne. Determinarea sarcinii electrice a devenit o simplă problemă aritmetică.

3.4. Metoda imagistică Compton

Descoperirea C.T.R. a jucat un rol major în consolidarea ideii de realitate a electronului. Wilson, efectul condensării vaporilor de apă asupra ionilor, care a condus la posibilitatea fotografierii urmelor de particule.
Ei spun că A. Compton în timpul unei prelegeri nu a putut convinge un ascultător sceptic de realitatea existenței microparticulelor. A insistat că va crede numai după ce le va vedea cu ochii lui.
Apoi Compton a arătat o fotografie a unei piste de particule, lângă care era o amprentă. "Stii ce e asta?" - a întrebat Compton. „Deget”, a răspuns ascultătorul. — În acest caz, spuse Compton solemn, această dungă luminoasă este particula.
Fotografiile urmelor de electroni nu doar au mărturisit realitatea electronilor. Ei au confirmat ipoteza dimensiunii mici a electronilor și au făcut posibilă compararea rezultatelor calculelor teoretice, care au inclus raza electronilor, cu experimentul. Experimentele, care au început cu studiul lui Lenard asupra puterii de penetrare a razelor catodice, au arătat că electronii foarte rapizi emiși de substanțele radioactive produc urme în gaz sub formă de linii drepte. Lungimea pistei este proporțională cu energia electronului. Fotografiile cu urmele particulelor de înaltă energie arată că urmele constau dintr-un număr mare de puncte. Fiecare punct este o picătură de apă care apare pe un ion, care se formează ca urmare a ciocnirii unui electron cu un atom. Cunoscând dimensiunile unui atom și concentrația lor, putem calcula numărul de atomi prin care o particulă trebuie să treacă la o anumită distanță. Un calcul simplu arată că particula?
etc.................

Ipoteza despre existența atomilor, acele particule indivizibile, ale căror diferite configurații în vid formează lumea obiectivă din jurul nostru, este la fel de veche ca civilizația noastră:

„Natura descompune totul în corpuri de bază.”

Atomii solizi, masivi și indivizibili ai lui Newton; atomi în teoria cinetică, a căror energie cinetică medie este identificată cu temperatura corpului; atomi în chimie, ale căror combinații armonioase se găsesc în reacțiile chimice; atomul de hidrogen, din diverse combinații din care Prout a compus toate elementele. Conceptul de atom există de cel puțin 25 de secole, deși a fost adesea retrogradat în plan secund sau suprimat.

Dar ce este un atom? Și ce sens ar trebui să i se pună acestei întrebări? Până la sfârșitul secolului al XIX-lea, când s-a încheiat crearea teoriei clasice și au apărut noi mijloace tehnice, toate

Vechea întrebare a început să sune mai insistent: care este natura atomului? Această temă și variațiile sale au devenit laitmotivul fizicii secolului al XX-lea.

La sfârșitul secolului al XIX-lea au fost efectuate numeroase experimente pentru a studia descărcările electrice în gazele rarefiate. Descărcarea a fost excitată (prin intermediul unei bobine de inducție sau a unei mașini electrostatice, creând diferențe mari de potențial) între un electrod negativ, numit catod, și un electrod pozitiv, numit anod, ambii electrozi fiind etanșați în interiorul unui tub de sticlă din care aerul. a fost evacuat. Când aerul din tub a devenit suficient de rarefiat, regiunea întunecată din jurul catodului, cunoscută sub numele de pata întunecată Crookes, sa extins treptat până a ajuns la capătul opus al tubului, care apoi a început să strălucească, culoarea strălucirii depinzând de tip de sticlă din care a fost realizat tubul.

Dacă în tub sunt introduse diferite ecrane, de exemplu, ca în FIG. 62, atunci o mică pată situată la capătul tubului va străluci, ca și cum ceva ar trece prin orificiile ecranului și, ajungând în sticlă, făcându-l să strălucească. Acest lucru se numea raze catodice.

La sfârșitul secolului al XIX-lea a existat dezbateri aprinse despre natura acestor raze. Unii credeau că razele, ca și lumina, își datorează originea proceselor din eter; alții credeau că constau din particule încărcate electric. În 1895, Jean Perrin a reușit să colecteze aceste raze într-un vas izolat și să demonstreze că poartă o sarcină negativă. La scurt timp după aceea, J. J. Thomson a efectuat experimentul său clasic, în care a identificat mai întâi razele catodice cu particule numite mai târziu electroni. El a scris:

„Experimentele descrise în acest articol au fost efectuate în scopul obținerii unor informații despre natura razelor catodice. Exista puncte de vedere complet opuse cu privire la aceste raze; conform opiniei aproape unanime a fizicienilor germani, ele sunt cauzate de un fel de procese în eter, care - datorită faptului că calea lor într-un câmp magnetic uniform nu este rectiliniu, ci circular - nu are analog în niciunul dintre fenomene observate anterior; conform

O altă părere este că aceste raze sunt departe de a fi de origine eterică, ci de origine materială și sunt pur și simplu un flux de particule de materie încărcate cu electricitate negativă.”

Smochin. 63. Schema de instalare Thomson (preluată din).

Prin crearea unui câmp electric între plăcile indicate în FIG. 63 de litere și/sau un câmp magnetic îndreptat perpendicular pe direcția de propagare a razelor, Thomson a observat deplasarea unui punct luminos la capătul tubului; Cu cât câmpurile electrice sau magnetice sunt mai puternice, cu atât spotul se deplasa mai mult. Asigurându-se că acest fenomen nu depinde de ce fel de gaz se află în tub, Thomson a scris:

„Deoarece razele catodice poartă o sarcină negativă, sunt deviate de forța electrostatică ca și cum ar fi încărcate negativ și reacționează la forța magnetică în același mod în care corpurile încărcate negativ care se mișcă de-a lungul liniei de propagare a razelor ar reacționa la aceasta, Nu pot să nu ajung la concluzia că razele catodice sunt sarcini de electricitate negativă transportate de particule de materie. Atunci apare întrebarea: ce sunt aceste particule? Sunt atomi, molecule sau materie într-o stare mai fină de separare? Pentru a face lumină asupra acestei întrebări, am efectuat o serie de măsurători ale raportului dintre masa acestor particule și cantitatea de sarcină purtată de ele.”

În același timp, forța care acționează asupra unei particule încărcate din câmpul magnetic B, perpendicular pe direcția mișcării acesteia:

Dacă, de exemplu, particula este încărcată negativ și câmpul electric este îndreptat spre spre, atunci forța electrică va devia particula în jos. Forța magnetică care acționează asupra unei particule care se mișcă într-un câmp magnetic direcționat așa cum se arată în Fig. 64, va devia particula în sus: Prin urmare, selectând puterile câmpurilor electrice și magnetice, astfel încât punctul luminos să rămână nedeplasat, Thomson egalizează astfel forțele care acționează asupra particulelor din câmpurile electrice și magnetice:

De aici a învățat viteza particulelor ipotetice. Apoi, prin oprirea câmpului electric și variind intensitatea câmpului magnetic, el ar putea schimba cantitatea de deviere a particulelor de la capătul tubului. Cunoscând timpul în care particulele se aflau în câmpul magnetic (din moment ce le cunoștea viteza), Thomson a putut calcula astfel efectul acestui câmp asupra lor. De aici, din abaterea măsurată, el a putut determina raportul dintre sarcina particulelor și masa lor.

În cele din urmă, a ajuns la următorul raport masă-sarcină pentru particulele sale ipotetice:

Thomson a concluzionat:

„Din aceste măsurători este clar că valoarea nu depinde de natura gazului, iar valoarea sa este foarte mică în comparație cu valoarea care este cea mai mică valoare cunoscută anterior pentru acest raport și se referă la ionii de hidrogen care participă la electroliză. .

Astfel, mărimea rapoartelor pentru purtătorii electrici în raze catodice este semnificativ mai mică decât valoarea corespunzătoare în electroliză. Micimea se explică fie prin micime, fie prin semnificație mare, fie prin ambele în același timp.”

Acest purtător de electricitate, particulă constitutivă activă a razelor catodice, a fost numit în cele din urmă electron, care a fost prima particulă elementară a secolului al XX-lea.

Thomson a scris mai târziu:

„Prima mea încercare de a devia un fascicul de raze catodice a fost să le trec între două plăci metalice paralele montate în interiorul unui tub de descărcare și să excităm un câmp electric între aceste plăci. Nu am putut obtine o deformare regulata in acest fel... Lipsa deformarii s-a explicat prin prezenta gazului in tub (presiunea a ramas prea mare), asa ca a fost necesara obtinerea unui vid mai mare. Dar asta a fost mai ușor de spus decât de făcut. Tehnica de a obține un vid înalt în acele vremuri era la început.”

Nu pentru prima dată, implementarea unui experiment decisiv a întâmpinat nu dificultățile conceptului său ideologic, ci lipsa mijloacelor tehnice necesare.

După măsurătorile lui Thomson, a fost extrem de important să se determine fie mărimea sarcinii, fie masa acestor particule separat. Sarcina ionilor gazoși, măsurată anterior în laboratorul lui Thomson, a fost aproximativ. Presupunând că sarcina acestor ioni este aceeași cu încărcătura purtată de particula catodică, nu este dificil să se arate că masa acestor particule este extrem de mică:

În acei ani, Thomson a numit particulele catodice „corpuscule” sau atomi primordiali; cuvântul „electron” a fost folosit de el pentru a desemna cantitatea de sarcină purtată de „corpuscul”. Cu toate acestea, în timp, particula în sine a început să fie numită electron. Mult mai târziu (în 1909), Millikan, măsurând cantitatea de sarcină pe picăturile de ulei, a stabilit că sarcina elementară (s-a presupus că valoarea ei este aceeași cu sarcina electronului) este aproximativ egală cu Să dăm valorile moderne. a sarcinii și masei electronului:

Există un dezacord total în această privință. Unii istorici ai științei asociază descoperirea electronului cu numele lui G. Lorentz și P. Zeeman, alții îl atribuie lui E. Wiechert, alții - altor cercetători, în timp ce majoritatea insistă asupra priorității lui Joseph John Thomson, sau mare GG, așa cum este numit și în lumea științifică.

Chiar și cele mai proeminente autorități care sunt îndeaproape implicate în problemele fizicii atomice sunt complet în pierdere: cui deține onoarea descoperitorului? Remarcabilul fizician teoretic N. Bohr este convins de prioritatea lui F.E.A.Lenard, iar neîntrecutul fizician experimental E. Rutherford este convins de F. Kaufman.

În timp, perioada controversată a descoperirii efective a electronului se întinde pe 28 de ani: din 1871 până în 1899. Cine a stat la originile acestei descoperiri semnificative, care a dat naștere unor bătălii științifice atât de lungi, când sulițele au fost serios rupte? Mai mult, într-o situație în care unii dintre disputanți au reușit deja să facă prea multe probleme. Unii dintre ei erau ocupați cu cercetări științifice, iar alții cu intrigi științifice. La fel ca în discuțiile pentru a clarifica natura luminii.

La început, în 1894, proeminentul naturalist german Hermann Ludwig Helmholtz și oponentul său științific, irlandezul George Stoney, s-au luptat între ei. Fiecare dintre ei și-a atribuit prioritatea descoperirii electronului. Stoney, în fața tuturor oamenilor cinstiți, l-a acuzat pe Helmholtz de plagiat evident, publicând faptele care îl incriminau în articolul „Despre electronul sau atomul de electricitate”, apărut într-unul din numerele revistei Philosophics (1894, vo1. 38, R.418). Cât de adevărată a fost această acuzație?

Cu 12 ani înainte de această publicare în aceeași revistă (1882, vol. 11, R. 361), Stoney a publicat o lucrare în care și-a prezentat punctele de vedere asupra existenței electronului, susținând că „pentru fiecare legătură chimică ruptă dintr-un electrolit există este o anumită, identică în toate cazurile, cantitatea de energie electrică.”

Trecuseră mai puțin de două luni când un articol de Helmholtz a apărut în jurnalul publicat de Chemical Society, care anunța descoperirea electronului. S-a spus: „Dacă ideea structurii atomice a substanțelor simple este considerată corectă, atunci nu se poate evita concluzia că electricitatea, atât negativă, cât și pozitivă, este împărțită în porțiuni elementare, care sunt ținute împreună ca atomii de electricitate.”

Helmholtz știa despre opera lui Stoney când a scris aceste rânduri? Aparent, nu s-a putut abține să nu știe. De asemenea, este dincolo de explicație de ce, speculând cu privire la autoritatea sa, l-a zdrobit literalmente pe Stoney cu fiecare ocazie, trecând în mod constant prioritatea sa drept a sa? De dragul creșterii faimei? Dar Helmholtz s-a scăldat deja în razele sale destul de des. Stoney, din cauza scufundării sale în ideea „electronică”, pe care a continuat să o dezvolte, pur și simplu nu a avut suficient timp pentru a neutraliza iritantul în persoana lui Helmholtz.

Dezvoltarea sa l-a absorbit atât de mult încât nu numai că a reușit să dea o evaluare cantitativă a celei mai mici sarcini electrice, insistând asupra includerii acesteia în numărul de constante naturale fundamentale, dar a venit și cu un nume stabil pentru o particulă elementară încărcată negativ - „ electron”.

Aparent, invidia ascunsă față de descoperirea muncitorului Stoney în viitorul științei l-a forțat pe Helmholtz să-și atace mai întâi colegul de pretutindeni, apoi să rămână tăcut cu înțelepciune. Este dificil de prezis dacă acțiunea activă, contraacțiunea sau inacțiunea vor învinge cel mai bine inamicul. Așa că a tăcut temporar.

Totuși, dacă mai întoarcem puțin ceasul, nu avea niciun rost să începem deloc o luptă pentru conducerea științifică, deoarece după un studiu minuțios al istoriei problemei, au apărut încă două nume. Se dovedește că în 1878 înainte de Stoney, unul dintre pilonii științei fizice, olandezul Hendrik Lorentz, a atras deja atenția oamenilor de știință asupra ideii de discreție a sarcinilor electrice, iar cu șapte ani înainte de Lorentz, fizicianul german Wilhelm Eduard Weber a vorbit despre electron, anticipând cercetările irlandezului și ale tuturor celorlalți adepții lor. Weber, de exemplu, a afirmat cu o perspectivă uimitoare: „... odată cu răspândirea universală a electricității, este permis să percepem că un atom electric este asociat cu fiecare atom al unei substanțe”. Poate ar fi trebuit să primească lauri de onoare?

Improbabil. La urma urmei, una este să exprimi o idee valoroasă, alta este să contribui în orice mod posibil la dezvoltarea ei. Și, prin urmare, fără un pic de conștiință, prioritate în fundamentarea teoretică a existenței electronului, de fapt în predicția unei particule elementare încărcate negativ, poate fi acordată în siguranță irlandezului Stoney, al cărui nume, din păcate, nu este menționat. oriunde: nici în cărți de referință, nici în enciclopedii.

Apropo, nu numai teoreticienii, ci și experimentatorii au luptat pentru dreptul de prioritate de a descoperi electronul, aflând cine a descoperit experimental particula încărcată negativ? Astăzi, fiecare școlar cunoaște numele lui J. J. Thomson, care, conform celor mai mulți cronicari ai științei, este adevăratul „părinte” al electronului. Pentru această descoperire uimitoare i s-a acordat Premiul Nobel în 1906.

Prioritatea este considerată incontestabilă, deși de fapt realitatea istorică o contrazice. Pentru a fi convins de acest lucru, este suficient să ridicăm revista Universității din Königsberg pentru ianuarie 1897, unde au fost publicate cele mai recente cercetări în domeniul chimiei și fizicii. În volumul 38 din ianuarie, la pagina 12 a acestui periodic, a fost publicat un articol al fizicianului german Emil Wichert, care afirmă fără ambiguitate prioritatea în descoperirea experimentală a electronului din spatele acestuia.

Thomson a raportat aceeași descoperire consiliului științific al Instituției Regale din Anglia două luni mai târziu - la 30 aprilie 1897, iar prima sa publicație care detaliază această problemă a apărut abia în mai. Oamenii de știință au fost introduși în ea de revista „Electricity” (1897, ou1.39, R.104).

Astfel, Wichert a fost cu cinci luni înaintea marelui GG. Dar pe cine a fost interesat de cronologia evenimentelor când a fost vorba de munca unei autorități de necontestat în lumea științifică? Aici revenim la întrebarea care ar trebui luat ca punct de plecare în distribuția proprietății intelectuale: ideea în sine, dezvoltarea și justificarea ei sau lucrarea tipărită de pionierat care le include pe amândouă?

Se pare că, în orice caz, ordinea cronologică a intrării în putere a unei descoperiri sau invenții nu poate fi ignorată. Chiar și cu condiția ca inițial să existe o ipoteză care trebuia „așezată” în timp și în minte. Prin urmare, în aceeași măsură, dacă nu mai mare, decât Stoney, Weber și faimosul Thomson, puțin cunoscutul Wichert a fost implicat în descoperirea electronului.

Dar doar în câteva cărți speciale de referință se poate citi că, independent de J. J. Thomson, acest fizician a descoperit electronul și i-a determinat sarcina relativă. În acest exemplu, suntem convinși de puterea reală în știință pe care o are puterea autorității.