1.1 Objav elektrónu a rádioaktivity.

Zrod myšlienok o zložitej štruktúre atómu

Diskrétna povaha elektrického prúdu sa odráža vo Faradayovej práci o elektrolýze - rovnaký prúd vedie k uvoľňovaniu rôznych množstiev látky na elektródach v závislosti od toho, aká látka je rozpustená. Pri uvoľnení jedného mólu jednomocnej látky prejde elektrolytom náboj 96 500 C a pri dvojmocnej sa náboj zdvojnásobí. Po definovaní koncom 19. stor. Avogadrove číslo umožnilo odhadnúť veľkosť elementárneho elektrického náboja. Pretože 6,02 10 23 atómov prenáša náboj 96 500 C, potom podiel jedného je 1,2-10 -19 C. Preto je to najmenšia časť elektriny alebo „atóm elektriny“. Georg Stoney navrhol nazvať tento „atóm elektriny“ elektrón.

Práca s prúdmi v plynoch je komplikovaná ťažkosťami pri získavaní riedkeho plynného prostredia. Nemecký sklár G. Geisler vyrábal elektrónky pre zábavu so riedkym plynom, ktoré svietili, keď ním prechádzal elektrický prúd. V. Gitthoff v nich objavil žiarenie z katódy, ktoré spôsobovalo fluorescenciu stien trubice, tzv. katódové lúče. Ako zistil anglický fyzik W. Crookes, tieto lúče sa šírili priamočiaro, boli vychyľované magnetickým poľom a pôsobili mechanicky.

Francúzsky fyzik J. Perrin umiestnil do trubice pred katódu kovový valec s otvorom oproti katóde a zistil, že valec je negatívne nabitý. Keď boli lúče odklonené magnetickým poľom a nedostali sa do valca, ukázalo sa, že je nenabitý. O dva roky neskôr J. Thomson umiestnil valec nie pred katódu, ale na stranu: privedený magnet ohol katódové lúče tak, že vstúpili do valca a nabili ho negatívne, ale fluorescenčná škvrna na skle sa posunula. To znamená, že lúče sú negatívne nabité častice. Takéto meracie zariadenie sa nazýva vysokovákuová katódová trubica. Pod vplyvom Lorentzovej sily spôsobenej magnetickým poľom zapnutým v oblasti kondenzátora sa svetelná stopa dopadu lúča na obrazovku posúva. Takže v roku 1895 sa zrodila nová veda - elektronika.

Thomson, ktorý pôsobil súčasne s elektrickými a magnetickými poľami a menil ich veľkosť, ich vybral tak, aby boli kompenzované, katódové lúče sa neodchýlili a škvrna na skle sa nepohybovala. Získal pomer elektrického náboja k hmotnosti častíc e/t = 1,3 ± 10-7 C/g. Nezávisle od Thomsona túto hodnotu pre katódové lúče nameral V. Kaufman a získal podobnú hodnotu. Thomson túto časticu pomenoval krvinka, a elektrón je len jeho náboj, ale potom sa samotná častica katódových lúčov nazývala elektrón (z gréčtiny. elektron - jantárová).

Objav elektrónu a štúdium jeho jedinečných vlastností podnietili výskum štruktúry atómu. Procesy absorpcie a emisie energie hmotou sa objasnili; podobnosti a rozdiely chemických prvkov, ich chemická aktivita a inertnosť; vnútorný význam Periodickej tabuľky chemických prvkov D.I. Mendelejeva, povaha chemických väzieb a mechanizmy chemických reakcií; Objavili sa úplne nové zariadenia, v ktorých zohráva rozhodujúcu úlohu pohyb elektrónov. Názory na podstatu hmoty sa zmenili. Objav elektrónu (1897) začal vek atómovej fyziky.

Z početných experimentov s prenosom elektrónov hmotou dospel J. Thomson k záveru, že počet elektrónov v atóme súvisí s veľkosťou atómovej hmoty. Ale v normálnom stave musí byť atóm elektricky neutrálny, a preto v každom atóme sú počty nábojov rôznych znakov rovnaké. Keďže hmotnosť elektrónu je približne 1/2000 hmotnosti atómu vodíka, hmotnosť kladného náboja musí byť 2000-násobkom hmotnosti elektrónu. Napríklad vodík má takmer celú svoju hmotnosť spojenú s kladným nábojom. S objavom elektrónu sa okamžite objavili nové problémy. Atóm je neutrálny, čo znamená, že v ňom musia byť iné častice s kladným nábojom. Ešte neboli otvorené.

Francúzsky fyzik A. Becquerel pri štúdiu luminiscencie objavil (1896) fenomén rádioaktivity. Zaujímal sa o vzťah medzi fluorescenciou z katódových lúčov na stenách trubice a röntgenovými lúčmi vyžarovanými z tejto časti trubice. Ožarovaním rôznych látok sa snažil zistiť, či môžu röntgenové lúče vyžarovať fosforeskujúce telesá ožiarené slnečným žiarením. Čoskoro sa veci chopili manželia Curieovci a objavili aktívnejší prvok, ktorý pomenovali polónium na počesť Poľska, rodiska Marie Curie. Meraním veľkosti efektu objavila Sklodowska-Curie nový prvok – rádium a nazvala samotný efekt žiarenia rádioaktivita(z lat. rádio- Vyžarujem lúče). Intenzita žiarenia rádia je stotisíckrát väčšia ako u uránu. Potom bol objavený tretí rádioaktívny prvok - aktínium. A nastal istý „boom“ v štúdiu rádioaktivity.

Koncom roku 1899 spolupracovník J. Thomsona E. Rutherford dospel k záveru: „... experimenty ukazujú, že žiarenie uránu je zložité a pozostáva najmenej z dvoch rôznych typov: jeden, rýchlo absorbovaný, nazvime ho a-žiarenie; iný, prenikavejší, nazvime to

- žiarenie." O tri roky neskôr našiel P. Villar ďalšiu zložku žiarenia, ktorá nebola vychýlená magnetickým poľom, volala sa -lúče. Rádioaktivita rýchlo našla uplatnenie v prírodných vedách a medicíne.

Atóm sa už nepovažoval za nedeliteľný. Myšlienku štruktúry všetkých atómov z atómov vodíka vyjadril už v roku 1815 anglický lekár W. Prout. Pochybnosti o nedeliteľnosti atómov viedli k objavu spektrálnej analýzy a periodickej tabuľky chemických prvkov. Ukázalo sa, že samotný atóm je zložitá štruktúra s vnútornými pohybmi jeho jednotlivých častí zodpovedných za charakteristické spektrá. Začali sa objavovať modely jeho štruktúry.

Model atómu - kladný náboj je distribuovaný v pozitívne nabitej pomerne veľkej oblasti (možno guľového tvaru) a do nej sú rozptýlené elektróny, ako „hrozienka v pudingu“ - navrhol Kelvin v roku 1902. J. Thomson rozvinul svoju myšlienku: atóm je kvapka pudingu kladne nabitej hmoty, vo vnútri ktorej sú rozmiestnené elektróny, ktoré sú v stave vibrácie. Kvôli týmto vibráciám vyžarujú atómy elektromagnetickú energiu; Takto sa mu podarilo vysvetliť rozptyl svetla, no vyvstali mnohé otázky. Aby vysvetlil periodickú tabuľku chemických prvkov, študoval rôzne konfigurácie elektrónov, čo naznačuje, že stabilné konfigurácie zodpovedajú štruktúre neaktívnych prvkov, ako sú vzácne plyny, a nestabilné zodpovedajú aktívnejším prvkom. Na základe vlnových dĺžok svetla vyžarovaného atómami Thomson odhadol plochu, ktorú takýto atóm zaberá, na približne 10 -10 m. Urobil veľa predpokladov, nechal sa uniesť výpočtom charakteristík žiarenia podľa Maxwellovej teórie, pretože veril, že vo vnútri atómu pôsobia iba elektromagnetické sily. V roku 1903 Thomson zistil, že elektróny by mali pri pohybe vyžarovať eliptické vlny, v roku 1904 - že keď je počet elektrónov väčší ako 8, mali by byť usporiadané do prstencov a ich počet v každom prstenci by sa mal znižovať so zmenšujúcim sa polomerom prstenca. Počet elektrónov neumožňuje, aby boli rádioaktívne atómy stabilné, emitujú alfa častice a vytvára sa nová atómová štruktúra. Experiment E. Rutherforda, jedného z Thomsonových študentov, viedol k jadrovému modelu štruktúry atómu.

Objavy na konci 19. storočia. - Röntgenové žiarenie (1895), prirodzená rádioaktivita (Becquerel, 1896), elektrón (J. Thomson, 1897), rádium (Pierre a Marie Curie, 1898), kvantová povaha žiarenia (Planck, 1900) boli začiatkom r. revolúcia vo vede.

1.2 Planetárny model štruktúry atómu. Moderná veda a Bohrove postuláty

Planetárny model štruktúry atómu ako prvý navrhol J. Perrin, ktorý sa snažil vysvetliť pozorované vlastnosti orbitálnym pohybom elektrónov. Ale V. Vin to považoval za neudržateľné. Po prvé, keď sa elektrón otáča, podľa klasickej elektrodynamiky musí nepretržite vyžarovať energiu a nakoniec dopadnúť na jadro. Po druhé, v dôsledku nepretržitej straty energie by žiarenie atómu malo mať spojité spektrum, ale pozoruje sa čiarové spektrum.

Pokusy o prechode α-častíc cez tenké platne zlata a iných kovov uskutočnili zamestnanci E. Rutherforda, E. Marsden a H. Geiger (1908). Zistili, že takmer všetky častice prechádzajú cez platňu voľne a len 1/10 000 z nich zažije silné vychýlenie – až 150°. Thomsonov model to nedokázal vysvetliť, ale Rutherford, jeho bývalý asistent, urobil odhad zlomku odchýlok a dospel k planetárnemu modelu: kladný náboj je sústredený v objeme rádovo 10 - 15 s významnou hmotnosťou.

Vzhľadom na to, že obežné dráhy elektrónov v atóme majú byť fixné, Thomson v roku 1913 tiež dospel k planetárnemu modelu štruktúry atómu. Ale vyriešením problému stability takého atómu pomocou Coulombovho zákona našiel stabilnú obežnú dráhu iba pre jeden elektrón. Thomson ani Rutherford nedokázali vysvetliť emisiu častíc alfa počas rádioaktívneho rozpadu – ukázalo sa, že v strede atómu musia byť elektróny?! Jeho asistent G. Moseley zmeral frekvenciu spektrálnych čiar množstva atómov periodickej tabuľky a zistil, že „atóm má určitú charakteristickú hodnotu, ktorá sa pri pohybe od atómu k atómu pravidelne zvyšuje. Táto veličina nemôže byť ničím iným ako nábojom vnútorného jadra.“

Konštrukcia teórie atómovej štruktúry na základe planetárneho modelu narazila na množstvo rozporov.

Dánsky fyzik N. Bohr sa najskôr pokúšal aplikovať klasickú mechaniku a elektrodynamiku na problém spomalenia nabitých častíc pri pohybe hmotou, ale pre danú hodnotu energie elektrónu bolo možné priradiť ľubovoľné orbitálne parametre (alebo frekvencie ), čo viedlo k paradoxom.

Bohr súhlasil s teóriou atómovej štruktúry s problémom pôvodu spektier. Rutherfordov model doplnil o postuláty, ktoré zabezpečovali stabilitu atómu a čiarové spektrum jeho žiarenia. Bohr opustil myšlienky klasickej mechaniky a obrátil sa na Planckovu kvantovú hypotézu: určitý vzťah medzi kinetickou energiou v prstenci a periódou revolúcie je prenosom vzťahu E= hv , vyjadrujúci vzťah medzi energiou a frekvenciou oscilátora pre sústavu, ktorá prechádza periodickým pohybom. Spektrálne vzorce Balmera, Rydberga a Ritza umožnili formulovať požiadavky na zabezpečenie stability atómu a čiarového charakteru spektra atómu vodíka: v atóme existuje niekoľko stacionárnych stavov (alebo dráh elektrónov v planetárnom model), v ktorom atóm nevyžaruje energiu; Keď sa elektrón pohybuje z jednej stacionárnej dráhy na druhú, atóm vyžaruje alebo absorbuje časť energie úmernú frekvencii v súlade s Rydberg-Ritzovým frekvenčným pravidlom.

30. apríl 1897 sa oficiálne považuje za deň narodenia prvej elementárnej častice – elektrónu. V tento deň vedúci Cavedish Laboratory a člen Kráľovskej spoločnosti v Londýne Joseph John Thomson urobil historické vyhlásenie „ Katódové lúče"v Kráľovskom inštitúte Veľkej Británie, v ktorom oznámil, že jeho dlhoročný výskum elektrického výboja v plynoch pri nízkom tlaku viedol k objasneniu podstaty katódových lúčov. Umiestnením plynovej výbojky do skrížených magnetických a elektrických polí, pozorovaním kompenzačného účinku týchto polí spoľahlivo určil špecifický náboj častíc, ktorých tok bol katódové lúče.

Myšlienka diskrétnej povahy elektrického náboja bola vo vede pevne etablovaná vďaka predchádzajúcim štúdiám elektrických javov. Dokonca aj Michael Faraday (1791-1867) v prvej polovici 30. rokov 19. storočia pri štúdiu prechodu prúdu cez elektrolyty zistil, že na uvoľnenie jedného gramového ekvivalentu akejkoľvek látky na elektródu musí prejsť rovnaké množstvo elektriny. riešenie, ktoré sa stalo známym ako Faradayovo číslo.

Vo svojej práci napísal: „Atómy tiel... obsahujú rovnaké množstvo elektriny, ktorá je s nimi prirodzene spojená. Stále však nedospel k záveru o existencii minimálneho základného poplatku.

Írsky fyzik Stoney Stoney (1826-1911) dospel k tomuto záveru zo zákonov elektrolýzy v roku 1874 a potom v roku 1891 predpokladal existenciu náboja v atóme a nazval ho elektrón. Tieto predpovede však samozrejme znamenali, že nosičom negatívnej elektriny by bola častica látky, ako sú ióny v elektrolyte uloženom na kladnej elektróde.

Výsledok, ktorý získal J. J. Thomson, sa však ukázal ako úplne nečakaný a pre jeho súčasníkov až paradoxný. V prvom rade séria uskutočnených experimentov ukázala, že výsledky meraní s katódovými lúčmi boli úplne nezávislé od typu plynu, v ktorom prebiehal výboj. Okrem toho sa nameraný pomer e/m (špecifický náboj) ukázal ako anomálne veľký: ukázal sa takmer 2-tisíckrát väčší ako pomer hodnoty elementárneho elektrického náboja k hmotnosti najľahšieho atómu vodíka. Zdôraznil tiež, že častice, ktoré objavil, sú súčasťou atómov akéhokoľvek plynu. Citujme tu slová J. J. Thomsona na túto tému: „Výsledkom toho je, samozrejme, hodnota náboja nezávislá od povahy plynu, pretože nosiče náboja sú rovnaké pre každý plyn. katódové lúče predstavujú nový stav hmoty, stav, v ktorom delenie hmoty ide oveľa ďalej ako v prípade obyčajného plynného skupenstva, ... táto hmota predstavuje látku, z ktorej sú postavené všetky chemické prvky.“

J. J. Thomson ešte pred objavom elektrónu spoľahlivo dokázal korpuskulárnu povahu katódových lúčov, ktoré mnohí významní vedci (Heinrich Hertz, Philip Lenard atď.) považovali za elektromagnetické vlny. I. Pulyuy urobil to isté.

Neskôr (1903) J. J. Thomson predložil model atómu, v ktorom boli elektróny zahrnuté vo forme bodových jednotlivých častíc plávajúcich v súvislom kladne nabitom prostredí atómu. Treba si uvedomiť, aké ťažké bolo vtedy predstaviť si atóm vo forme prázdnoty, v ktorej sa kladné náboje koncentrovali v malom objeme centrálneho jadra. (Podobný planetárny model však navrhol ešte skôr francúzsky vedec Jean Perrin v roku 1901 a potom v roku 1904 japonský fyzik Hantaro Nagaoka, ktorý prirovnal elektróny v atóme k prstencom planéty Saturn). J. J. Thomson v roku 1904 tiež zaviedol myšlienku, že elektróny v atómoch sú rozdelené do samostatných skupín a tým určujú periodicitu vlastností chemických prvkov. Malá hodnota hmotnosti elektrónu bola braná ako miera zotrvačnosti, ktorá je súčasťou elektrického poľa samotnej častice. J. J. Thomson na začiatku svojej vedeckej kariéry (1881) ukázal, že elektricky nabitá guľa zväčší svoju zotrvačnú hmotnosť o určitú hodnotu, ktorá závisí od veľkosti náboja a polomeru gule, a tým zaviedol pojem elektromagnetická hmota. Vzťah, ktorý získal, sa použil na odhad veľkosti elektrónu za predpokladu, že celá jeho hmotnosť je elektromagnetickej povahy. Tento klasický prístup ukázal, že veľkosť elektrónu je stotisíckrát menšia ako veľkosť atómu.

Je zaujímavé, že objav elektrónu predchádzal objavu protónu, ktorý bol vedený štúdiom kanálových lúčov v Crookesovej trubici. Títo lúče boli objavené v roku 1886 nemeckým fyzikom Eugenom Holsteinom (1850-1930) zo žiary vytvorenej v kanáli vytvorenom v katóde.

V roku 1895 J. Perrin stanovil kladný náboj prenášaný časticami kanála. Nemecký fyzik Wilhelm Wien (1864-1928) v roku 1902 pomocou meraní v skrížených magnetických a elektrických poliach určil špecifický náboj častíc, ktorý pri naplnení trubice vodíkom zodpovedal hmotnosti kladného iónu atómu vodíka. .

Objav elektrónu okamžite ovplyvnil celý ďalší vývoj fyziky. V roku 1898 niekoľko vedcov (K. Rikke, P. Drude a J. Thomson) nezávisle na sebe predložilo koncept voľných elektrónov v kovoch. Tento koncept bol neskôr použitý ako základ pre Drude-Lorentzovu teóriu. A. Poincaré nazval svoju základnú prácu o teórii relativity „O dynamike elektrónu“. Ale to všetko bol nielen začiatok prudkého rozvoja elektrónovej fyziky, ale aj začiatok revolučnej premeny základných fyzikálnych princípov. S objavom elektrónu sa zrútila myšlienka nedeliteľnosti atómu a potom sa začali formovať počiatočné myšlienky úplne neklasickej teórie správania elektrónov v atómoch.

V priebehu minulého storočia význam objavu elektrónu neustále rástol.

Jeho práce sú venované štúdiu prechodu elektrického prúdu cez riedke plyny, štúdiu katódy a röntgenového žiarenia a atómovej fyzike. Rozvinul aj teóriu pohybu elektrónov v magnetických a elektrických poliach. A v roku 1907 navrhol princíp fungovania hmotnostného spektrometra. Za prácu o katódových lúčoch a objav elektrónu mu bola v roku 1906 udelená Nobelova cena.

?Ministerstvo školstva a vedy Ruskej federácie
Federálna štátna rozpočtová vzdelávacia inštitúcia
vyššie odborné vzdelanie
„Štátna pedagogická akadémia Sterlitamak
ich. Zainab Biisheva"
Matematicko-prírodná fakulta

Katedra všeobecnej fyziky

Esej
História objavu elektrónov

Vyplnil: študent skupiny FM-52
Saifetdinov Arthur
Skontroloval: Ph.D., docent Korkeshko O.I.

Sterlitamak 2011Úvod
Kapitola I. Pozadie objavu
Kapitola II. Objav elektrónu

3.1. Thomsonov experiment
3.2. Rutherfordova skúsenosť
3.3. Millikanova metóda
3.3.1. Krátka biografia:

3.3.3. Popis inštalácie



Záver
Literatúra

Úvod

ELEKTRON - prvá elementárna častica, ktorá bola objavená; materiálny nosič najmenšej hmotnosti a najmenšieho elektrického náboja v prírode; zložka atómu.
Elektrónový náboj je 1,6021892. 10-19 ročníkov
- 4,803242. 10-10 jednotiek SGSE.
Hmotnosť elektrónu je 9,109534. 10-31 kg.
Špecifický poplatok e/me 1,7588047. 1011 Cl. kg -1.
Spin elektrónu sa rovná 1/2 (v jednotkách h) a má dve projekcie ±1/2; elektróny poslúchajú Fermi-Diracovu štatistiku, fermióny. Podliehajú Pauliho princípu vylúčenia.
Magnetický moment elektrónu sa rovná - 1,00116 mb, kde mb je Bohrov magnetón.
Elektrón je stabilná častica. Podľa experimentálnych údajov je životnosť te > 2. 1022 rokov.
Nezúčastňuje sa silnej interakcie, leptón. Moderná fyzika považuje elektrón za skutočne elementárnu časticu, ktorá nemá štruktúru ani veľkosť. Ak sú tieto nenulové, potom polomer elektrónov re< 10 -18 м.

Kapitola I. Pozadie objavu

Objav elektrónu bol výsledkom mnohých experimentov. Do začiatku 20. storočia. existencia elektrónu bola preukázaná v množstve nezávislých experimentov. Ale napriek obrovskému experimentálnemu materiálu, ktorý nahromadili celé národné školy, zostal elektrón hypotetickou časticou, pretože skúsenosti ešte nezodpovedali množstvo základných otázok. V skutočnosti „objav“ elektrónu trval viac ako pol storočia a neskončil sa v roku 1897; Zúčastnilo sa na ňom veľa vedcov a vynálezcov.
Po prvé, neuskutočnil sa jediný experiment zahŕňajúci jednotlivé elektróny. Elementárny náboj bol vypočítaný na základe meraní mikroskopického náboja za predpokladu platnosti viacerých hypotéz.
V zásadne dôležitom bode bola neistota. Elektrón sa prvýkrát objavil ako výsledok atómovej interpretácie zákonov elektrolýzy, potom bol objavený v plynovom výboji. Nebolo jasné, či sa fyzika skutočne zaoberá tým istým objektom. Veľká skupina skeptických prírodných vedcov verila, že elementárny náboj je štatistickým priemerom nábojov najrôznejších veľkostí. Navyše žiadny z experimentov merajúcich elektrónový náboj neposkytol striktne opakovateľné hodnoty.
Boli skeptici, ktorí objav elektrónu vo všeobecnosti ignorovali. Akademik A.F. Ioffe vo svojich spomienkach na svojho učiteľa V.K. Roentgene napísal: „Do roku 1906 - 1907. slovo elektrón nemalo byť vyslovené na Fyzikálnom inštitúte Mníchovskej univerzity. Roentgen to považoval za neoverenú hypotézu, ktorá sa často používa bez dostatočného odôvodnenia a zbytočne.
Otázka hmotnosti elektrónu nebola vyriešená a nebolo dokázané, že náboje na vodičoch aj dielektrikách pozostávajú z elektrónov. Pojem „elektrón“ nemal jednoznačnú interpretáciu, pretože experiment ešte neodhalil štruktúru atómu (Rutherfordov planetárny model sa objavil v roku 1911 a Bohrova teória v roku 1913).
Elektrón ešte nevstúpil do teoretických konštrukcií. Lorentzova elektronická teória sa vyznačovala kontinuálne rozloženou hustotou náboja. Teória kovovej vodivosti, ktorú vyvinul Drude, sa zaoberala diskrétnymi nábojmi, ale išlo o svojvoľné náboje, na hodnotu ktorých neboli uložené žiadne obmedzenia.
Elektrón ešte neopustil rámec „čistej“ vedy. Pripomeňme, že prvá elektrónka sa objavila až v roku 1907. Aby sme sa dostali od viery k presvedčeniu, bolo potrebné v prvom rade elektrón izolovať a vymyslieť metódu na priame a presné meranie elementárneho náboja.
Riešenie tohto problému na seba nenechalo dlho čakať. V roku 1752 prvýkrát vyslovil myšlienku diskrétnosti elektrického náboja B. Franklin. Experimentálne bola diskrétnosť nábojov zdôvodnená zákonmi elektrolýzy, ktoré objavil M. Faraday v roku 1834. Číselná hodnota elementárneho náboja (najmenšieho elektrického náboja nájdeného v prírode) bola teoreticky vypočítaná na základe zákonov elektrolýzy pomocou Avogadrovho čísla. . Priame experimentálne meranie elementárneho náboja uskutočnil R. Millikan v klasických experimentoch uskutočnených v rokoch 1908 - 1916. Tieto experimenty tiež poskytli nezvratný dôkaz atomizmu elektriny. Podľa základných pojmov elektrónovej teórie náboj telesa vzniká v dôsledku zmeny počtu elektrónov v ňom obsiahnutých (alebo kladných iónov, ktorých hodnota náboja je násobkom náboja elektrónu). Preto sa náboj akéhokoľvek telesa musí zmeniť náhle a v takých častiach, ktoré obsahujú celý počet elektrónových nábojov. Po experimentálnom zistení diskrétnej povahy zmeny elektrického náboja sa R. Millikanovi podarilo získať potvrdenie o existencii elektrónov a určiť hodnotu náboja jedného elektrónu (elementárneho náboja) metódou olejových kvapiek. Metóda je založená na štúdiu pohybu nabitých kvapiek oleja v rovnomernom elektrickom poli známej sily E.

Kapitola II. Objav elektrónu

Ak odhliadneme od toho, čo predchádzalo objavu prvej elementárnej častice – elektrónu, a čo sprevádzalo túto výnimočnú udalosť, môžeme stručne povedať: v roku 1897 známy anglický fyzik THOMSON Joseph John (1856-1940) zmeral špecifický náboj q/m častice katódového žiarenia - „telieska“, ako ich nazval, na základe vychyľovania katódových lúčov *) v elektrických a magnetických poliach.
Porovnaním získaného čísla s v tom čase známym špecifickým nábojom jednomocného vodíkového iónu nepriamou úvahou dospel k záveru, že hmotnosť týchto častíc, ktoré neskôr dostali názov „elektróny“, je podstatne menšia (viac ako tisíckrát) ako je hmotnosť najľahšieho vodíkového iónu.
V tom istom roku 1897 vyslovil hypotézu, že elektróny sú neoddeliteľnou súčasťou atómov a katódové lúče nie sú atómy ani elektromagnetické žiarenie, ako sa domnievali niektorí výskumníci vlastností lúčov. Thomson napísal: "Katódové lúče teda predstavujú nový stav hmoty, podstatne odlišný od bežného plynného skupenstva...; v tomto novom stave je hmota látkou, z ktorej sú skonštruované všetky prvky."
Od roku 1897 sa korpuskulárny model katódových lúčov začal všeobecne uznávať, hoci existovali rôzne názory na povahu elektriny. Nemecký fyzik E. Wichert teda veril, že „elektrina je niečo imaginárne, čo skutočne existuje len v myšlienkach“, a slávny anglický fyzik Lord Kelvin v tom istom roku 1897 napísal o elektrine ako o akejsi „spojitej tekutine“.
Thomsonova myšlienka katódových teliesok ako základných zložiek atómu sa nestretla s veľkým nadšením. Niektorí z jeho kolegov si mysleli, že ich oklamal, keď navrhol, že častice katódového žiarenia by sa mali považovať za možné zložky atómu. Skutočnú úlohu Thomsonových teliesok v štruktúre atómu možno pochopiť v kombinácii s výsledkami iných štúdií, najmä s výsledkami analýzy spektier a štúdia rádioaktivity.
29. apríla 1897 Thomson predniesol svoje slávne posolstvo na stretnutí Kráľovskej spoločnosti v Londýne. Presný čas objavu elektrónu – deň a hodinu – nemožno pre jeho jedinečnosť pomenovať. Táto udalosť bola výsledkom dlhoročnej práce Thomsona a jeho zamestnancov. Ani Thomson, ani nikto iný v skutočnosti nikdy nepozoroval elektrón, ani nikto nebol schopný izolovať jedinú časticu z lúča katódových lúčov a zmerať jej špecifický náboj. Autorom objavu je J.J. Thomson, pretože jeho predstavy o elektróne boli blízke moderným. V roku 1903 navrhol jeden z prvých modelov atómu - „hrozienkový puding“ av roku 1904 navrhol, aby sa elektróny v atóme rozdelili do skupín, ktoré tvoria rôzne konfigurácie, ktoré určujú periodicitu chemických prvkov.
Miesto nálezu je presne známe - Cavendish Laboratory (Cambridge, UK). Vytvoril ho v roku 1870 J.C. Maxwell a počas nasledujúcich sto rokov sa stal „kolískou“ celého reťazca skvelých objavov v rôznych oblastiach fyziky, najmä v atómovej a jadrovej fyzike. Jeho riaditeľmi boli: Maxwell J.K. - v rokoch 1871 až 1879 Lord Rayleigh - v rokoch 1879 až 1884 Thomson J.J. - od roku 1884 do roku 1919, Rutherford E. - od roku 1919 do roku 1937, Bragg L. - od roku 1938 do roku 1953; Zástupca riaditeľa 1923-1935 - Chadwick J.
Vedecký experimentálny výskum vykonával jeden vedec alebo malá skupina v atmosfére tvorivého bádania. Lawrence Bragg neskôr spomínal na svoju prácu v roku 1913 so svojím otcom Henrym Braggom: „Bolo to úžasné obdobie, keď sa takmer každý týždeň dosahovali nové vzrušujúce výsledky, ako napríklad objavenie nových zlatonosných oblastí, kde sa dajú nugety zbierať priamo zo zeme. . Toto pokračovalo až do začiatku vojny*), ktorá zastavila našu spoločnú prácu."

Kapitola III Metódy objavovania elektrónu

3.1. Thomsonov experiment

Joseph John Thomson Joseph John Thomson, 1856–1940 anglický fyzik, lepšie známy ako J. J. Thomson. Narodil sa v Cheetham Hill na predmestí Manchestru v rodine obchodníka so starožitnosťami z druhej ruky. V roku 1876 získal štipendium v ​​Cambridge. V rokoch 1884-1919 bol profesorom na Katedre experimentálnej fyziky na Univerzite v Cambridge a súčasne vedúcim Cavendish Laboratory, ktoré sa vďaka Thomsonovmu úsiliu stalo jedným z najznámejších výskumných centier na svete. Zároveň bol v rokoch 1905-1918 profesorom Kráľovského inštitútu v Londýne. Nositeľ Nobelovej ceny za fyziku z roku 1906 s formuláciou „za štúdie prechodu elektriny cez plyny“, čo samozrejme zahŕňa objav elektrónu. Thomsonov syn George Paget Thomson (1892-1975) sa tiež nakoniec stal laureátom Nobelovej ceny za fyziku - v roku 1937 za experimentálny objav elektrónovej difrakcie kryštálmi.
V roku 1897 sa mladý anglický fyzik J. J. Thomson po stáročia preslávil ako objaviteľ elektrónu. Thomson vo svojom experimente použil vylepšenú katódovú trubicu, ktorej dizajn bol doplnený o elektrické cievky, ktoré vytvárali (podľa Amperovho zákona) magnetické pole vo vnútri trubice, a súpravu paralelných elektrických kondenzátorových dosiek, ktoré vo vnútri vytvárali elektrické pole. rúrka. Vďaka tomu bolo možné študovať správanie katódových lúčov pod vplyvom magnetických aj elektrických polí.
Pomocou nového dizajnu trubice Thomson postupne ukázal, že: (1) katódové lúče sú vychyľované v magnetickom poli v neprítomnosti elektrického; (2) katódové lúče sú vychyľované v elektrickom poli v neprítomnosti magnetického poľa; a (3) pri súčasnom pôsobení elektrických a magnetických polí vyváženej intenzity, orientovaných v smeroch, ktoré oddelene spôsobujú odchýlky v opačných smeroch, sa katódové lúče šíria priamočiaro, to znamená, že pôsobenie dvoch polí je vzájomne vyvážené.
Thomson zistil, že vzťah medzi elektrickými a magnetickými poľami, pri ktorých sú ich účinky vyvážené, závisí od rýchlosti, ktorou sa častice pohybujú. Po vykonaní série meraní bol Thomson schopný určiť rýchlosť pohybu katódových lúčov. Ukázalo sa, že sa pohybujú oveľa pomalšie ako rýchlosť svetla, čo znamená, že katódové lúče môžu byť iba časticami, pretože akékoľvek elektromagnetické žiarenie vrátane samotného svetla sa šíri rýchlosťou svetla (pozri Spektrum elektromagnetického žiarenia). Tieto neznáme častice. Thomson ich nazval „telieskami“, ale čoskoro sa stali známymi ako „elektróny“.
Okamžite sa ukázalo, že elektróny musia existovať ako súčasť atómov – inak, odkiaľ by sa vzali? 30. apríl 1897 – dátum Thomsonovej správy o jeho výsledkoch na stretnutí Kráľovskej spoločnosti v Londýne – sa považuje za narodeniny elektrónu. A v tento deň sa myšlienka „nedeliteľnosti“ atómov stala minulosťou (pozri Atómová teória štruktúry hmoty). Spolu s objavom atómového jadra, ktorý nasledoval o niečo viac ako desať rokov neskôr (pozri Rutherfordov experiment), položil objav elektrónu základ pre moderný model atómu.
Vyššie opísané „katódové“ trubice, alebo presnejšie, katódové trubice, sa stali najjednoduchšími predchodcami moderných televíznych obrazoviek a počítačových monitorov, v ktorých sú prísne kontrolované množstvá elektrónov vyrazené z povrchu horúcej katódy pod vplyvom striedavých magnetických polí sú vychýlené v presne špecifikovaných uhloch a bombardujú fosforeskujúce bunky obrazoviek, vytvárajúc na nich jasný obraz, ktorý je výsledkom fotoelektrického javu, ktorého objav by bol tiež nemožný bez našej znalosti skutočnej povahy katódy lúče.

3.2. Rutherfordova skúsenosť

Ernest Rutherford, prvý barón Rutherford z Nelsonu, 1871 – 1937 novozélandský fyzik. Narodil sa v Nelsone, syn remeselného farmára. Získal štipendium na štúdium na University of Cambridge v Anglicku. Po ukončení štúdia bol menovaný na Kanadskú McGill University, kde spolu s Frederickom Soddym (1877–1966) stanovil základné zákony fenoménu rádioaktivity, za čo mu v roku 1908 udelili Nobelovu cenu za chémiu. Čoskoro sa vedec presťahoval na univerzitu v Manchestri, kde pod jeho vedením Hans Geiger (1882–1945) vynašiel svoj slávny Geigerov počítač, začal skúmať štruktúru atómu a v roku 1911 objavil existenciu atómového jadra. Počas prvej svetovej vojny sa podieľal na vývoji sonarov (akustických radarov) na detekciu nepriateľských ponoriek. V roku 1919 bol vymenovaný za profesora fyziky a riaditeľa Cavendish Laboratory na univerzite v Cambridge a v tom istom roku objavil jadrový rozpad v dôsledku bombardovania vysokoenergetickými ťažkými časticami. Rutherford zostal v tejto pozícii až do konca svojho života, zároveň bol dlhé roky prezidentom Kráľovskej vedeckej spoločnosti. Pochovali ho vo Westminsterskom opátstve vedľa Newtona, Darwina a Faradaya.
Ernest Rutherford je jedinečný vedec v tom zmysle, že svoje hlavné objavy urobil po získaní Nobelovej ceny. V roku 1911 sa mu podaril experiment, ktorý nielenže umožnil vedcom nahliadnuť hlboko do atómu a nahliadnuť do jeho štruktúry, ale stal sa aj vzorom ladnosti a hĺbky dizajnu.

Rutherford pomocou prírodného zdroja rádioaktívneho žiarenia zostrojil delo, ktoré produkovalo usmernený a zameraný prúd častíc. Zbraň bola olovená skrinka s úzkou štrbinou, vo vnútri ktorej bol umiestnený rádioaktívny materiál. Vďaka tomu častice (v tomto prípade alfa častice pozostávajúce z dvoch protónov a dvoch neutrónov) emitované rádioaktívnou látkou vo všetkých smeroch okrem jedného boli absorbované olovenou clonou a cez štrbinu sa uvoľnil iba usmernený lúč alfa častíc. .
Ďalej pozdĺž dráhy lúča bolo niekoľko ďalších olovených obrazoviek s úzkymi štrbinami, ktoré oddeľovali častice odchyľujúce sa od presne určeného smeru. Výsledkom bolo, že k cieľu letel dokonale zaostrený lúč častíc alfa a samotný cieľ bol tenký plát zlatej fólie. Bol to alfa lúč, ktorý ju zasiahol. Po zrážke s atómami fólie alfa častice pokračovali vo svojej ceste a narazili na luminiscenčnú obrazovku nainštalovanú za cieľom, na ktorej boli zaznamenané záblesky, keď naň dopadli častice alfa. Z nich mohol experimentátor usúdiť, v akom množstve a ako veľmi sa častice alfa odchyľujú od smeru priamočiareho pohybu v dôsledku zrážok s atómami fólie.
Rutherford však poznamenal, že žiadny z jeho predchodcov sa ani len nepokúsil experimentálne otestovať, či sú niektoré častice alfa vychýlené pod veľmi veľkými uhlami. Model hrozienkovej mriežky jednoducho neumožňoval existenciu štruktúrnych prvkov v atóme tak hustých a ťažkých, že by dokázali vychyľovať rýchle alfa častice pod významnými uhlami, takže sa nikto neobťažoval testovať túto možnosť. Rutherford požiadal jedného zo svojich študentov, aby inštaláciu nanovo vybavil tak, aby bolo možné pozorovať rozptyl častíc alfa pod veľkými uhlami vychýlenia – len aby si očistil svedomie, aby túto možnosť konečne vylúčil. Detektor bola obrazovka pokrytá sulfidom sodným, materiálom, ktorý vytvára fluorescenčný záblesk, keď naň zasiahne alfa častica. Predstavte si prekvapenie nielen študenta, ktorý experiment priamo realizoval, ale aj samotného Rutherforda, keď sa ukázalo, že niektoré častice boli vychýlené v uhloch až 180°!
Obrázok atómu, ktorý nakreslil Rutherford na základe výsledkov svojho experimentu, je nám dnes dobre známy. Atóm pozostáva zo superhustého kompaktného jadra, ktoré nesie kladný náboj, a záporne nabitých svetelných elektrónov okolo neho. Neskôr vedci poskytli spoľahlivý teoretický základ pre tento obrázok (pozri Bohrov atóm), ale všetko sa začalo jednoduchým experimentom s malou vzorkou rádioaktívneho materiálu a kúskom zlatej fólie.

3.3. Millikanova metóda

3.3.1. Krátka biografia:

Robert Milliken sa narodil v roku 1868 v Illinois v rodine chudobného kňaza. Detstvo prežil v provinčnom mestečku Maquoketa, kde sa veľa pozornosti venovalo športu a slabému vyučovaniu. Riaditeľ strednej školy, ktorý vyučoval fyziku, napríklad svojim malým študentom povedal: „Ako je možné vyrobiť zvuk z vĺn? Nezmysel, chlapci, všetko je nezmysel!"
Oberdeen College na tom nebola o nič lepšie, ale Milliken, ktorý nemal finančnú podporu, musel sám vyučovať fyziku na strednej škole. V Amerike v tom čase existovali len dve učebnice fyziky, preložené z francúzštiny, a talentovaný mladík nemal problém ich naštudovať a úspešne vyučovať. V roku 1893 vstúpil na Kolumbijskú univerzitu, potom odišiel študovať do Nemecka.
Milliken mal 28 rokov, keď dostal od A. Michelsona ponuku prijať miesto asistenta na University of Chicago. Najprv sa tu zaoberal takmer výlučne pedagogickou prácou a až v štyridsiatke začal vedecký výskum, ktorý mu priniesol svetovú slávu.

3.3.2. Prvé skúsenosti a riešenia problémov

Prvé experimenty sa scvrkli na nasledujúce. Medzi doskami plochého kondenzátora, na ktorý bolo privedené napätie 4000 V, sa vytvoril oblak pozostávajúci z kvapiek vody usadených na iónoch. Po prvé, bolo pozorované, že vrchol mraku klesá v neprítomnosti elektrického poľa. Potom sa pri zapnutom napätí vytvoril oblak. K pádu mraku došlo pod vplyvom gravitácie a elektrickej sily.
Pomer sily pôsobiacej na kvapku v oblaku k rýchlosti, ktorú nadobudne, je v prvom a druhom prípade rovnaký. V prvom prípade sa sila rovná mg, v druhom mg + qE, kde q je náboj kvapky, E je intenzita elektrického poľa. Ak je rýchlosť v prvom prípade?1 v druhom?2, potom

Poznáte závislosť rýchlosti pádu oblakov? z viskozity vzduchu môžeme vypočítať požadovaný náboj q. Táto metóda však neposkytla požadovanú presnosť, pretože obsahovala hypotetické predpoklady mimo kontroly experimentátora.
Pre zvýšenie presnosti meraní bolo potrebné v prvom rade nájsť spôsob, ako zohľadniť vyparovanie oblaku, ku ktorému pri procese merania nevyhnutne dochádzalo.
V úvahe o tomto probléme prišiel Millikan s klasickou drop metódou, ktorá otvorila množstvo nečakaných možností. Necháme samotného autora, aby porozprával príbeh vynálezu:
„Uvedomil som si, že rýchlosť vyparovania kvapiek zostáva neznáma, pokúsil som sa prísť s metódou, ktorá by túto neistú hodnotu úplne eliminovala. Môj plán bol nasledovný. V predchádzajúcich experimentoch mohlo elektrické pole len mierne zvýšiť alebo znížiť rýchlosť vrcholu oblaku padajúceho pod vplyvom gravitácie. Teraz som chcel toto pole tak posilniť, aby horná plocha oblaku zostala v konštantnej výške. V tomto prípade bolo možné presne určiť rýchlosť vyparovania oblakov a zohľadniť ju vo výpočtoch.
Na realizáciu tejto myšlienky navrhol Millikan malú dobíjaciu batériu, ktorá produkovala napätie až 104 V (v tom čase to bol vynikajúci úspech experimentátora). Muselo vytvoriť pole dostatočne silné na to, aby udržalo mrak pozastavený, ako „rakva Mohameda“. "Keď som mal všetko pripravené," hovorí Milliken, a keď sa vytvoril oblak, otočil som vypínač a oblak bol v elektrickom poli. A v tej chvíli sa mi roztopil pred očami, inými slovami, z celého oblaku nezostal ani kúsok, ktorý by sa dal pozorovať pomocou kontrolného optického prístroja, ako to robil Wilson a chystal som sa to urobiť ja. Ako sa mi spočiatku zdalo, zmiznutie oblaku bez stopy v elektrickom poli medzi hornou a dolnou platňou znamenalo, že experiment skončil bez výsledkov...“ Ako sa však v dejinách vedy často stávalo, neúspech priniesol povzniesť sa k novej myšlienke. Viedlo to k slávnej drop metóde. „Opakované experimenty,“ píše Millikan, „ukázali, že potom, čo sa oblak rozptýlil v silnom elektrickom poli, bolo možné na jeho mieste rozlíšiť niekoľko jednotlivých kvapiek vody“ (zvýraznenie mnou - V.D.). „Neúspešný“ experiment viedol k objavu možnosti udržať jednotlivé kvapôčky v rovnováhe a pozorovať ich pomerne dlho.
No počas pozorovania sa hmotnosť kvapky vody v dôsledku vyparovania výrazne zmenila a Millikan po mnohých dňoch hľadania prešiel k experimentom s kvapkami oleja.
Experimentálny postup sa ukázal byť jednoduchý. Adiabatická expanzia vytvára oblak medzi doskami kondenzátora. Pozostáva z kvapiek s nábojmi rôznej veľkosti a znamienka. Keď je elektrické pole zapnuté, kvapky s nábojmi identickými s nábojom hornej dosky kondenzátora rýchlo padajú a kvapky s opačným nábojom sú priťahované hornou doskou. Ale určitý počet kvapiek má taký náboj, že sila gravitácie je vyvážená elektrickou silou.
Po 7 alebo 8 minútach. oblak sa rozplynie a v zornom poli zostane malý počet kvapiek, ktorých náboj zodpovedá naznačenému pomeru síl.
Millikan pozoroval tieto kvapky ako zreteľné svetlé bodky. "História týchto kvapiek zvyčajne prebieha takto," píše. "V prípade miernej prevahy gravitácie nad poľnou silou začnú pomaly klesať, ale keďže sa postupne odparujú, ich pohyb nadol sa čoskoro zastaví a znehybniť na pomerne dlhú dobu.“ . Potom začne pole dominovať a kvapky začnú pomaly stúpať. Na konci ich života v priestore medzi doskami sa tento pohyb nahor veľmi zrýchli a sú priťahované veľkou rýchlosťou k hornej doske.“

3.3.3. Popis inštalácie

Schéma Millikanovej inštalácie, s ktorou sa v roku 1909 dosiahli rozhodujúce výsledky, je znázornená na obrázku 17.
V komore C bol umiestnený plochý kondenzátor vyrobený z okrúhlych mosadzných dosiek M a N s priemerom 22 cm (vzdialenosť medzi nimi bola 1,6 cm). V strede hornej dosky sa urobil malý otvor p, cez ktorý prechádzali kvapky oleja. Posledne menované vznikli vstrekovaním prúdu oleja pomocou rozprašovača. Vzduch bol predtým zbavený prachu prechodom cez potrubie so sklenenou vatou. Kvapky oleja mali priemer asi 10-4 cm.
Z batérie B bolo na dosky kondenzátora privádzané napätie 104 V. Pomocou spínača bolo možné dosky skratovať a tým by sa zničilo elektrické pole.
Kvapky oleja padajúce medzi platne M a N boli osvetlené silným zdrojom. Správanie kvapiek bolo pozorované kolmo na smer lúčov cez ďalekohľad.
Ióny potrebné na kondenzáciu kvapiek boli vytvorené žiarením z kúska rádia s hmotnosťou 200 mg, umiestneného vo vzdialenosti 3 až 10 cm od strany platní.
Pomocou špeciálneho zariadenia spustenie piestu rozšírilo plyn. 1 - 2 s po expanzii bolo rádium odstránené alebo zakryté oloveným sitom. Potom sa zaplo elektrické pole a začalo sa pozorovanie kvapiek do ďalekohľadu. Potrubie malo stupnicu, na ktorej bolo možné spočítať dráhu, ktorú kvapka prejde za určitý čas. Čas sa zaznamenával pomocou presných hodín so zámkom.
Millikan počas svojich pozorovaní objavil jav, ktorý slúžil ako kľúč k celej sérii následných presných meraní jednotlivých elementárnych nábojov.
„Pri práci na zavesených kvapkách,“ píše Millikan, „som niekoľkokrát zabudol chrániť ich pred rádiovým žiarením. Potom som si náhodou všimol, že z času na čas jedna z kvapiek náhle zmenila svoj náboj a začala sa pohybovať po poli alebo proti nemu, pričom zrejme zachytila ​​v prvom prípade kladný a v druhom prípade záporný ión. Tým sa otvorila možnosť spoľahlivo merať nielen náboje jednotlivých kvapiek, ako som to robil dovtedy, ale aj náboj jednotlivého atmosférického iónu.
Skutočne, meraním rýchlosti tej istej kvapky dvakrát, raz pred a raz po zachytení iónu, by som samozrejme mohol úplne vylúčiť vlastnosti kvapky a vlastnosti média a pracovať s hodnotou úmernou iba náboju zachytený ión."

3.3.4. Výpočet základného poplatku

Základný náboj vypočítal Millikan na základe nasledujúcich úvah. Rýchlosť pohybu kvapky je úmerná sile, ktorá na ňu pôsobí a nezávisí od náboja kvapky.
Ak kvapka spadla medzi dosky kondenzátora pod vplyvom gravitácie s rýchlosťou?, potom
?1=kmg (1)

Keď sa zapne pole namierené proti gravitácii, pôsobiaca sila bude rozdiel qE - mg, kde q je náboj kvapky, E je modul intenzity poľa.
Rýchlosť pádu sa bude rovnať:
?2 = k(qE-mg) (2)

Ak vydelíme rovnosť (1) (2), dostaneme

Odtiaľ
(3)

Nech kvapka zachytí ión a jej náboj sa rovná q" a rýchlosť pohybu? 2. Označme náboj tohto zachyteného iónu e.
Potom e = q"- q.
Pomocou (3) dostaneme

Hodnota je pre daný pokles konštantná.

3.3.5. Závery z Millikanovej metódy

V dôsledku toho bude akýkoľvek náboj zachytený kvapkou úmerný rozdielu v rýchlosti (~2 - ?2), inými slovami, úmerný zmene rýchlosti kvapky v dôsledku zachytenia iónu! elementárneho náboja sa zredukovalo na meranie dráhy prejdenej kvapkou a času, počas ktorého táto dráha prešla. Početné pozorovania ukázali platnosť vzorca (4). Ukázalo sa, že hodnota e sa môže zmeniť len náhle! Náboje e, 2e, 3e, 4e atď.
„V mnohých prípadoch,“ píše Millikan, „pokles bol pozorovaný päť alebo šesť hodín a počas tejto doby zachytil nie osem alebo desať iónov, ale stovky z nich. Celkovo som týmto spôsobom pozoroval zachytenie mnohých tisíc iónov a vo všetkých prípadoch sa zachytený náboj... buď presne rovnal najmenšiemu zo všetkých zachytených nábojov, alebo sa rovnal malému celočíselnému násobku tohto hodnotu. Toto je priamy a nevyvrátiteľný dôkaz, že elektrón nie je „štatistický priemer“, ale že všetky elektrické náboje na iónoch sú buď presne rovnaké ako náboj elektrónu, alebo predstavujú malé celočíselné násobky tohto náboja.
Takže atómovosť, diskrétnosť alebo v modernom jazyku kvantovanie elektrického náboja sa stali experimentálnym faktom. Teraz bolo dôležité ukázať, že elektrón je takpovediac všadeprítomný. Akýkoľvek elektrický náboj v tele akejkoľvek povahy je súčtom rovnakých elementárnych nábojov.
Millikanova metóda umožnila jednoznačne odpovedať na túto otázku. V prvých experimentoch vznikali náboje ionizáciou molekúl neutrálneho plynu prúdom rádioaktívneho žiarenia. Meral sa náboj iónov zachytených kvapôčkami.
Keď sa kvapalina postrieka rozprašovacou fľašou, kvapôčky sa elektrizujú v dôsledku trenia. Toto bolo dobre známe už v 19. storočí. Sú tieto náboje tiež kvantované ako iónové náboje? Millikan kvapôčky po rozprášení „odváži“ a meria náboje vyššie popísaným spôsobom. Skúsenosti odhaľujú rovnakú diskrétnosť elektrického náboja.
Ďalej bola ukázaná identita elektrických nábojov na telesách rôznej fyzickej povahy.
Kvapky oleja (dielektrikum), glycerínu (polovodič), ortuti (vodič), Millikan dokazuje, že náboje na telesách akejkoľvek fyzikálnej povahy pozostávajú vo všetkých prípadoch bez výnimky z jednotlivých elementárnych častí prísne konštantnej veľkosti. V roku 1913 Millikan zhrnul výsledky mnohých experimentov a dal nasledujúcu hodnotu pre elementárny náboj: e = 4 774, 10-10 jednotiek. poplatok SGSE. Takto vznikla jedna z najdôležitejších konštánt modernej fyziky. Stanovenie elektrického náboja sa stalo jednoduchým aritmetickým problémom.

3.4. Comptonova zobrazovacia metóda

Objav C.T.R. zohral hlavnú úlohu pri posilňovaní myšlienky reality elektrónu. Wilson, vplyv kondenzácie vodnej pary na ióny, čo viedlo k možnosti fotografovania stôp častíc.
Hovorí sa, že A. Compton počas prednášky nedokázal presvedčiť skeptického poslucháča o reálnosti existencie mikročastíc. Trval na tom, že uverí, až keď ich uvidí na vlastné oči.
Potom Compton ukázal fotografiu stopy častíc, vedľa ktorej bol odtlačok prsta. "Vieš čo je toto?" - spýtal sa Compton. "Prst," odpovedal poslucháč. "V tom prípade," povedal Compton slávnostne, "tento svetelný pás je častica."
Fotografie elektrónových stôp svedčili nielen o realite elektrónov. Potvrdili predpoklad o malej veľkosti elektrónov a umožnili porovnať výsledky teoretických výpočtov, ktoré zahŕňali polomer elektrónov, s experimentom. Experimenty, ktoré začali Lenardovým štúdiom prenikavej sily katódových lúčov, ukázali, že veľmi rýchle elektróny emitované rádioaktívnymi látkami vytvárajú v plyne stopy vo forme priamych čiar. Dĺžka dráhy je úmerná energii elektrónu. Fotografie stôp vysokoenergetických častíc ukazujú, že dráhy pozostávajú z veľkého počtu bodov. Každá bodka je kvapôčka vody, ktorá sa objavuje na ióne, ktorý vzniká v dôsledku zrážky elektrónu s atómom. Keď poznáme rozmery atómu a ich koncentráciu, môžeme vypočítať počet atómov, ktorými musí častica prejsť v danej vzdialenosti. Jednoduchý výpočet ukazuje, že?-častica
atď.................

Hypotéza o existencii atómov, tých nedeliteľných častíc, ktorých rôzne konfigurácie v prázdnote tvoria objektívny svet okolo nás, je stará ako naša civilizácia:

"Príroda rozkladá všetko na základné telá."

Newtonove pevné, masívne a nedeliteľné atómy; atómy v kinetickej teórii, ktorých priemerná kinetická energia sa stotožňuje s teplotou telesa; atómy v chémii, ktorých harmonické kombinácie sa nachádzajú v chemických reakciách; atóm vodíka, z rôznych kombinácií, z ktorých Prout poskladal všetky prvky. Koncept atómu je tu už najmenej 25 storočí, hoci bol často odsúvaný do úzadia alebo potláčaný.

Ale čo je atóm? A aký význam treba dať do tejto otázky? Do konca devätnásteho storočia, keď sa dokončilo vytvorenie klasickej teórie a objavili sa nové technické prostriedky, všetko

Stará otázka začala znieť nástojčivejšie: aká je povaha atómu? Táto téma a jej variácie sa stali leitmotívom fyziky 20. storočia.

Na konci devätnásteho storočia sa uskutočnilo mnoho experimentov na štúdium elektrického výboja v riedkych plynoch. Výboj bol excitovaný (pomocou indukčnej cievky alebo elektrostatického stroja, čím sa vytvorili veľké potenciálne rozdiely) medzi zápornou elektródou, nazývanou katóda, a kladnou elektródou nazývanou anóda, pričom obe elektródy boli utesnené vo vnútri sklenenej trubice, z ktorej prúdi vzduch bol evakuovaný. Keď sa vzduch v trubici dostatočne riedil, tmavá oblasť okolo katódy, známa ako tmavá Crookesova škvrna, sa postupne rozširovala, až kým nedosiahla opačný koniec trubice, ktorá potom začala žiariť, pričom farba žiary závisí od typ skla, z ktorého bola trubica vyrobená.

Ak sú do rúrky vložené rôzne sitá, napríklad ako na obr. 62, potom malá škvrna umiestnená na konci trubice bude žiariť, ako keby niečo prechádzalo cez otvory v obrazovke a po dosiahnutí skla spôsobí, že sa rozžiari. Toto niečo sa nazývalo katódové lúče.

Na konci devätnásteho storočia sa živo diskutovalo o povahe týchto lúčov. Niektorí verili, že lúče, podobne ako svetlo, vďačia za svoj pôvod procesom v éteri; iní verili, že pozostávajú z elektricky nabitých častíc. V roku 1895 sa Jeanovi Perrinovi podarilo zhromaždiť tieto lúče v izolovanej nádobe a dokázať, že nesú záporný náboj. Krátko nato J. J. Thomson uskutočnil svoj klasický experiment, v ktorom prvýkrát identifikoval katódové lúče s časticami neskôr nazývanými elektróny. Napísal:

"Experimenty opísané v tomto článku boli vykonané za účelom získania niektorých informácií o povahe katódových lúčov. Pokiaľ ide o tieto lúče, existujú úplne opačné názory; podľa takmer jednomyseľného názoru nemeckých fyzikov ich spôsobujú akési procesy v éteri, ktoré – vzhľadom na to, že ich dráha v rovnomernom magnetickom poli nie je priamočiara, ale kruhová – nemá obdobu v žiadnom z nich. predtým pozorované javy; podľa

Iný názor je, že tieto lúče nie sú ani zďaleka éterického pôvodu, ale materiálneho pôvodu a sú jednoducho prúdom častíc hmoty nabitých zápornou elektrinou.

Obr. 63. Schéma inštalácie Thomson (prevzaté z).

Vytvorením elektrického poľa medzi doskami znázornenými na obr. 63 písmen a alebo magnetické pole nasmerované kolmo na smer šírenia lúčov, Thomson pozoroval posun svetelného bodu na konci trubice; Čím silnejšie sú elektrické alebo magnetické polia, tým viac sa škvrna posunula. Thomson sa uistil, že tento jav nezávisí od toho, aký druh plynu je v trubici, napísal:

„Keďže katódové lúče nesú záporný náboj, sú vychyľované elektrostatickou silou, ako keby boli nabité záporne, a reagujú na magnetickú silu rovnakým spôsobom, ako by na ňu reagovali záporne nabité telesá pohybujúce sa pozdĺž línie šírenia lúčov, Nemôžem si pomôcť dospieť k záveru, že katódové lúče sú náboje zápornej elektriny prenášané časticami hmoty. Potom vyvstáva otázka: čo sú tieto častice? Sú to atómy, molekuly alebo hmota v jemnejšom stave oddelenia? Aby som túto otázku trochu osvetlil, vykonal som niekoľko meraní pomeru hmotnosti týchto častíc k množstvu náboja, ktorý nesú.“

Zároveň sila pôsobiaca na nabitú časticu z magnetického poľa B, kolmá na smer jej pohybu:

Ak je napríklad častica záporne nabitá a elektrické pole smeruje preč od do, potom elektrická sila vychýli časticu nadol. Magnetická sila pôsobiaca na časticu pohybujúcu sa v magnetickom poli nasmerovanom tak, ako je znázornené na obr. 64, vychýli časticu nahor: Preto výberom intenzity elektrického a magnetického poľa tak, aby svetelný bod zostal neposunutý, Thomson vyrovnáva sily pôsobiace na častice z elektrických a magnetických polí:

Odtiaľ sa naučil rýchlosť hypotetických častíc. Potom vypnutím elektrického poľa a zmenou sily magnetického poľa mohol zmeniť veľkosť vychýlenia častíc na konci trubice. Keď Thomson poznal čas, počas ktorého boli častice v magnetickom poli (keďže poznal ich rýchlosť), mohol tak vypočítať vplyv tohto poľa na ne. Odtiaľto z nameranej odchýlky dokázal určiť pomer náboja častíc k ich hmotnosti.

Nakoniec dospel k nasledujúcemu pomeru hmotnosti a náboja pre svoje hypotetické častice:

Thomson uzavrel:

„Z týchto meraní je jasné, že hodnota nezávisí od povahy plynu a jej hodnota je veľmi malá v porovnaní s hodnotou, ktorá je najmenšou doteraz známou hodnotou tohto pomeru a týka sa vodíkových iónov, ktoré sa podieľajú na elektrolýze. .

Veľkosť pomerov elektrických nosičov v katódových lúčoch je teda výrazne menšia ako zodpovedajúca hodnota pri elektrolýze. Malosť sa vysvetľuje buď malosťou, alebo veľkým významom, alebo oboma súčasne.“

Tento nosič elektriny, aktívna zložka katódových lúčov, bol nakoniec nazvaný elektrón, ktorý bol prvou elementárnou časticou dvadsiateho storočia.

Thomson neskôr napísal:

„Môj prvý pokus o odklonenie lúča katódových lúčov spočíval v prechode medzi dve rovnobežné kovové platne namontované vo výbojovej trubici a vybudenie elektrického poľa medzi týmito platňami. Týmto spôsobom sa mi nepodarilo dosiahnuť pravidelné vychýlenie... Nedostatok vychýlenia bol vysvetlený prítomnosťou plynu v trubici (tlak zostal príliš vysoký), takže bolo potrebné získať vyššie vákuum. Ale to sa ľahšie povedalo, ako urobilo. Technika získania vysokého vákua v tých časoch bola v plienkach.“

Realizácia rozhodujúceho experimentu nie po prvý raz narazila na ťažkosti jeho ideologického konceptu, ale na nedostatok potrebných technických prostriedkov.

Po Thomsonových meraniach bolo mimoriadne dôležité určiť buď veľkosť náboja alebo hmotnosť týchto častíc samostatne. Náboj plynných iónov, predtým meraný v Thomsonovom laboratóriu, bol približne Za predpokladu, že náboj týchto iónov je rovnaký ako náboj nesený katódovou časticou, nie je ťažké preukázať, že hmotnosť týchto častíc je extrémne malá:

V tých rokoch Thomson nazýval častice katódy „telieskami“ alebo prvotnými atómami; slovo "elektrón" použil na označenie množstva náboja, ktorý nesie "telieska". Časom sa však samotná častica začala nazývať elektrón. Oveľa neskôr (v roku 1909) Millikan pri meraní množstva náboja na kvapôčkach oleja zistil, že elementárny náboj (predpokladalo sa, že jeho hodnota je rovnaká ako náboj elektrónu) je približne rovnaký ako Uveďme moderné hodnoty náboja a hmotnosti elektrónu:

V tejto veci panuje úplný nesúhlas. Niektorí historici vedy spájajú objav elektrónu s menami G. Lorentza a P. Zeemana, iní ho pripisujú E. Wiechertovi, iní iným bádateľom, zatiaľ čo väčšina trvá na priorite Josepha Johna Thomsona, resp. veľký GG, ako sa mu hovorí aj vo vedeckom svete.

Dokonca aj najvýznamnejšie autority, ktoré sú úzko zapojené do problémov atómovej fyziky, sú úplne bezradné: komu patrí česť objaviteľa? Vynikajúci teoretický fyzik N. Bohr je presvedčený o priorite F. E. A. Lenarda a neprekonateľný experimentálny fyzik E. Rutherford je presvedčený o F. Kaufmanovi.

Kontroverzné obdobie skutočného objavu elektrónu sa časom predĺži na 28 rokov: od roku 1871 do roku 1899. Kto stál pri zrode tohto významného objavu, ktorý viedol k takým dlhým vedeckým bojom, keď sa oštepy vážne lámali? Navyše v situácii, keď niektorí z dišputátov už stihli narobiť priveľa problémov. Niektorí z nich boli zaneprázdnení vedeckým výskumom a niektorí vedeckými intrigami. Presne ako v diskusiách na objasnenie podstaty svetla.

Najprv v roku 1894 medzi sebou bojovali významný nemecký prírodovedec Hermann Ludwig Helmholtz a jeho vedecký protivník, Ír George Stoney. Každý z nich si pripisoval prioritu objavenia elektrónu. Stoney pred všetkými čestnými ľuďmi obvinil Helmholtza zo zjavného plagiátorstva, pričom skutočnosti, ktoré ho obviňovali, zverejnil v článku „O elektróne alebo atóme elektriny“, ktorý vyšiel v jednom z čísel časopisu Philosophics Magazine (1894, zv. 38, R.418). Nakoľko bolo toto obvinenie pravdivé?

Dvanásť rokov pred touto publikáciou v tom istom časopise (1882, zv. 11, R. 361) publikoval Stoney prácu, v ktorej načrtol svoje názory na existenciu elektrónu, pričom tvrdil, že „na každú prerušenú chemickú väzbu v elektrolyte je určité, vo všetkých prípadoch identické množstvo elektriny.“

Neprešli ani dva mesiace, keď sa v časopise publikovanom Chemickou spoločnosťou objavil Helmholtzov článok oznamujúci jeho objav elektrónu. Povedal: "Ak sa myšlienka atómovej štruktúry jednoduchých látok považuje za správnu, potom sa nemožno vyhnúť záveru, že elektrina, negatívna aj pozitívna, je rozdelená na elementárne časti, ktoré držia pohromade ako atómy elektriny."

Vedel Helmholtz o Stoneyho práci, keď písal tieto riadky? Zjavne si nemohol pomôcť, ale nevedel. Nedá sa vysvetliť ani to, prečo špekulujúc o svojej autorite doslova drvil Stoneyho pri každej príležitosti a neustále vydával svoju prioritu za svoju? V záujme zvýšenia slávy? Ale Helmholtz sa už dosť často kúpal v jeho lúčoch. Stoney, kvôli jeho ponoreniu do „elektronického“ nápadu, ktorý naďalej rozvíjal, jednoducho nemal dostatok času na neutralizáciu dráždidla v osobe Helmholtza.

Jeho vývoj ho pohltil natoľko, že dokázal nielen kvantitatívne posúdiť najmenší elektrický náboj, trval na jeho zahrnutí do počtu základných prirodzených konštánt, ale prišiel aj so stabilným názvom pre negatívne nabitú elementárnu časticu -“ elektrón“.

Zdá sa, že skrytá závisť na prielom tvrdého robotníka Stoneyho do budúcnosti vedy prinútila Helmholtza najprv všade zaútočiť na svojho kolegu a potom múdro mlčať. Je ťažké predpovedať, či aktívna akcia, protiakcia alebo nečinnosť najlepšie porazí nepriateľa. Tak sa dočasne odmlčal.

Ak však otočíme čas ešte trochu dozadu, do boja o vedecké prvenstvo vôbec nemalo zmysel, keďže po pedantnom štúdiu histórie problematiky vyplávali na povrch ďalšie dve mená. Ukazuje sa, že v roku 1878 pred Stoneym už jeden z pilierov fyzikálnej vedy, Holanďan Hendrik Lorentz, upozornil vedcov na myšlienku diskrétnosti elektrických nábojov a sedem rokov pred Lorentzom nemecký fyzik Wilhelm Eduard Weber hovoril o elektróne, predvídajúc výskum Íra a všetkých ostatných ich nasledovníkov. Weber napríklad s úžasným prehľadom tvrdil: „... s univerzálnym rozšírením elektriny je dovolené vnímať, že elektrický atóm je spojený s každým atómom látky.“ Možno mal dostať čestné vavríny?

Nepravdepodobné. Jedna vec je predsa vyjadriť hodnotnú myšlienku, druhá vec je všemožne prispieť k jej rozvoju. A preto, bez návalu svedomia, prednosť v teoretickom zdôvodnení existencie elektrónu, v skutočnosti pri predpovedi negatívne nabitej elementárnej častice, možno pokojne dať Írovi Stoneymu, ktorého meno, žiaľ, neuvádzame. nikde: ani v referenčných knihách, ani v encyklopédiách.

Mimochodom, o prednostné právo na objavenie elektrónu bojovali nielen teoretici, ale aj experimentátori, ktorí zistili, kto experimentálne objavil záporne nabitú časticu? Dnes každý školák pozná meno J. J. Thomsona, ktorý je podľa väčšiny kronikárov vedy skutočným „rodičom“ elektrónu. Práve za tento úžasný objav dostal v roku 1906 Nobelovu cenu.

Priorita sa považuje za nespochybniteľnú, hoci historická realita jej v skutočnosti odporuje. Aby sme sa o tom presvedčili, stačí si vziať do rúk časopis Univerzity v Königsbergu z januára 1897, kde boli publikované najnovšie výskumy v oblasti chémie a fyziky. V januárovom ročníku 38 na 12. strane tohto periodika bol uverejnený článok nemeckého fyzika Emila Wicherta, ktorý jednoznačne presadil prioritu v experimentálnom objave elektrónu, ktorý za ním stojí.

Thomson o tom istom objave informoval vedeckú radu Kráľovského inštitútu Anglicka o dva mesiace neskôr – 30. apríla 1897, a jeho prvá publikácia s podrobnosťami o tomto probléme vyšla až v máji. Vedcov s ňou oboznámil časopis „Electricity“ (1897, ou1.39, R.104).

Wichert bol teda päť mesiacov pred veľkým GG. Koho však zaujímala chronológia udalostí, keď išlo o prácu nespochybniteľnej autority vo vedeckom svete? Tu sa vraciame k otázke, čo by sa malo brať ako východiskový bod pri distribúcii duševného vlastníctva: samotná myšlienka, jej vývoj a opodstatnenie, alebo priekopnícke tlačené dielo, ktoré zahŕňa oboje?

Zdá sa, že v každom prípade nemožno ignorovať chronologické poradie nástupu objavu alebo vynálezu k moci. Dokonca za predpokladu, že pôvodne existovala hypotéza, ktorá sa musela „usadiť“ v čase a mysliach. Preto sa rovnakou, ak nie väčšou mierou ako Stoney, Weber a slávny Thomson podieľal na objave elektrónu málo známy Wichert.

Ale len v niekoľkých špeciálnych referenčných knihách sa možno dočítať, že nezávisle od J. J. Thomsona tento fyzik objavil elektrón a určil jeho relatívny náboj. V tomto príklade sme presvedčení o skutočnej moci vo vede, ktorú má moc autority.