Kvant. Открытие электрона
Дебаты о том, кем открыт электрон, не утихают до сих пор. В роли первооткрывателя элементарной частицы, кроме Джозефа Томсона, одни историки науки видят Гендрика Лоренца и Питера Зеемана, другие - Эмиля Вихерта, третьи - Филиппа Ленарда. Так кто он - ученый, открывший электрон?
Атом - значит неделимый
Понятие "атом" в обиход было введено философами. Древнегреческий мыслитель Левкипп еще в V веке до н. э. предположил, что все в мире состоит из мельчайших частиц. Его ученик - Демокрит, назвал их атомами. По мнению философа, атомы - "кирпичики" мироздания, неделимые и вечные. От их формы и внешней структуры зависят свойства веществ: атомы текучей воды - гладкие, металла - с профильными зубчиками, придающими твердость телу.
Выдающийся русский ученый М. В. Ломоносов, основатель атомно-молекулярной теории считал, что в составе простых веществ корпускулы (молекулы) образованы одним видов атомов, сложных - различными.
Химик-самоучка (Манчестер) в 1803 г., опираясь на экспериментальные данные и, приняв за условную единицу массу атомов водорода, установил относительные атомные массы некоторых элементов. Атомистическая теория англичанина имела огромное значение для дальнейшего развития химии и физики.
К началу XX века был накоплен целый ряд экспериментальных данных, доказывающих сложность строения атома. Сюда можно отнести явление фотоэффекта (Г. Герц, А. Столетов 1887 г.), открытие катодных (Ю. Плюккер, В. Крукс, 1870 г.) и рентгеновских (В. Рентген, 1895 г.) лучей, радиоактивности (А. Беккерель, 1896 г.).
Ученые, работавшие с катодными лучами, разделились на два лагеря: одни предполагали волновую природу явления, другие - корпускулярную. Ощутимых результатов добился профессор Высшей нормальной школы (Лиль, Франция) Жан Батист Перен. В 1895 г. он показал в ходе экспериментов, что катодные лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Может Перен - физик, открывший электрон?
На пороге великих свершений
Физик и математик Джордж Стони (Королевский Ирландский университет, Дублин) в 1874 году озвучил предположение о дискретности электричества. В каком году и кем был В ходе экспериментальных работ по электролизу именно Д. Стони определил значение минимального электрического заряда (правда, полученный результат (10 -20 Кл) был в 16 раз меньше действительного). Единицу элементарного электрического заряда в 1891 году ирландский ученый назвал "электрон" (от древнегреческого "янтарь").
Через год Гендрик Лоренс Нидерланды) сформулировал главные положения своей электронной теории, согласно которой в основе строения любого вещества лежат дискретные электрические заряды. Этих ученых не считают первооткрывателем частицы, но их теоретические и практические изыскания стали надежным фундаментом для будущего открытия Томсона.
Непоколебимый энтузиаст
На вопрос о том, кто и когда открыл электрон, энциклопедии дают четкий и однозначный ответ - Джозеф Джон Томсон в 1897 году. Так в чем же заслуга английского физика?
Отец будущего президента Лондонского Королевского общества был продавцом книг и с детских лет привил сыну любовь к печатному слову и тягу к новым знаниям. После окончания Оуэнс-колледжа (с 1903 г. - и Кембриджского университета в 1880 году молодой математик Джозеф Томсон поступил на работу в Кавендишскую лабораторию. Экспериментальные исследования целиком увлекли молодого ученого. Коллеги отмечали его неутомимость, целеустремленность и необычайную увлеченность практической работой.
В 1884 году, в возрасте 28 лет, Томсон был назначен директором лаборатории, сменив на этом посту лорда К. Рэлея. Под руководством Томсона, лаборатория в последующие 35 лет превратилась в один из крупнейших центров мировой физики. Отсюда начали свой путь Н. Бор, П. Ланжевен.
Внимание к деталям
Работы по исследованию катодных лучей Томсон начал с проверки опытов его предшественников. Для многих экспериментов была изготовлена специальная аппаратура по личным чертежам директора лаборатории. Получив качественное подтверждение опытов, Томсон и не думал останавливаться на достигнутом. Основную свою задачу он видел в точном количественном определение природы лучей и составляющих их частиц.
Новая трубка, сконструированная для следующих опытов, имела в своем составе не только привычные катод и ускоряющие электроды (в виде пластин и колец) с отклоняющим напряжением. Поток корпускул направлялся на экран, покрытый тонким слоем вещества, светящегося при ударах частиц. Потоком предполагалось управлять совместным воздействием электрических и магнитных полей.
Составные части атома
Первооткрывателем быть трудно. Еще труднее отстоять свои убеждения, которые идут вразрез с устоявшимися тысячелетиями понятиями. Вера в себя, в свою команду и сделала Томсона тем человеком, кем открыт электрон.
Опыт дал ошеломляющие результаты. Масса частиц оказалась в 2 тыс. раз меньше, чем у ионов водорода. Отношение заряда корпускулы к ее массе не зависит от скорости потока, свойств материала катода, природы газовой среды, в которой происходит разряд. Напрашивался вывод, противоречащий всем устоям: корпускулы - универсальные частицы вещества в составе атома. Раз за разом, Томсон усердно и внимательно проверял результаты экспериментов и расчетов. Когда сомнений не осталось, состоялся доклад о природе катодных лучей Лондонскому королевскому обществу. Весной 1897 года атом перестал быть неделимым. В 1906 году Джозеф Томсон был удостоен Нобелевской премии по физике.
Неизвестный Иоганн Вихерт
Имя преподавателя геофизики Кёнингсбёрского, а затем Гёттингенского университета, исследователя сейсмографии нашей планеты Иоганна Эмиля Вихерта, больше известно в профессиональных кругах геологов и географов. Но знаком он и ученым-физикам. Это единственный человек, кого официальная наука, наряду с Томсоном, признает первооткрывателем электрона. И если уж быть абсолютно точным, работа с описанием опытов и расчетов Вихерта была опубликована в январе 1897 года - на четыре месяца раньше доклада англичанина. Кем открыт электрон - уже исторически решено, но факт остается фактом.
Для справки: ни в одной из своих работ Томсон не употребил термин "электрон". Он использовал название "корпускулы".
Кто открыл протон, нейтрон и электрон?
После обнаружения первой элементарной частицы стали выдвигаться предположения о возможном строении атома. Одна из первых моделей была предложена самим Томсоном. Атом, по его словам, напоминает кусочек пудинга с изюмом: в положительно заряженное тело вкраплены отрицательные частицы.
В 1911 году (Новая Зеландия, Великобритания) предположил, что модель атома имеет планетарную структуру. Спустя два года он выдвинул гипотезу о существовании в ядре атома положительно заряженной частицы и, получив ее экспериментально, назвал протоном. Он же предсказал наличие в ядре нейтральной частицы с массой протона (нейтрон был открыт в 1932 г. английским ученым Дж. Чедвиком). В 1918 году Джозеф Томсон передал управление лабораторией Эрнесту Резерфорду.
Надо ли говорить, что открытие электрона позволило по-новому взглянуть на электрические, магнитные и оптические свойства вещества. Трудно переоценить роль Томсона и его последователей в развитии атомной и ядерной физики.
На этот счет существует полная разноголосица. Одни из историков науки связывают открытие электрона с именами Г. Лоренца и П. Зеемана, другие приписывают его Э. Вихерту, третьи - прочим исследователям, большинство же настаивает на приоритете Джозефа Джона Томсона, или великого Джи-Джи, как его еще иначе называют в научном мире.
Даже самые крупные авторитеты, вплотную занимающиеся проблемами атомной физики, пребывают в полной растерянности, кому же принадлежит честь первооткрывателя? Выдающийся физик-теоретик Н. Бор убежден в приоритете Ф.Э.А.Ленарда, а непревзойденный физик-экспериментатор Э. Резерфорд - Ф.Кауфмана.
Во времени же спорный период фактического открытия электрона простирается на 28 лет: с 1871 по 1899 год. Кто же стоял у истоков этого значительного открытия, породившего столь долгие научные баталии, когда не на шутку ломались копья? Причем в обстановке, когда некоторые из спорщиков уже успели наломать слишком много дров. Кто-то из них был занят научными поисками, а кто-то научными происками. Совсем как в дискуссиях по выяснению природы света.
Поначалу, в 1894 году, схватились между собой крупный немецкий естествоиспытатель Герман Людвиг Гельмгольц и его научный противник ирландец Джордж Стоуни. Каждый из них приписывал приоритет открытия электрона себе. Стоуни при всем честном народе обвинил Гельмгольца в явном плагиате, опубликовав обличающие его факты в статье "Об электроне или атоме электричества", которая появилась в одном из номеров журнала "Философикс мэгазин" (1894, уо1.38, Р.418). Насколько же это обвинение отвечало истине?
За двенадцать лет до этой публикации в том же журнале (1882, vol.11, Р.361) Стоуни поместил работу, в которой излагал свои воззрения на предмет существования электрона, утверждая, что "на каждую разорванную химическую связь в электролите приходится определенное, одинаковое во всех случаях, количество электричества".
Не прошло и двух месяцев, как в журнале, издаваемом Химическим обществом, появилась статья Гельмгольца, объявляющая об открытии им электрона. В ней говорилось: "Если считать верной идею об атомном строении простых веществ, то нельзя избежать вывода о том, что и электричество, как отрицательное, так и положительное, разделено на элементарные порции, которые держатся как атомы электричества".
Знал ли Гельмгольц о труде Стоуни, когда писал эти строки? Судя по всему, не мог не знать. Тоща не поддается объяснению, зачем, спекулируя своим авторитетом, он при каждом удобном случае буквально давил Стоуни, постоянно выдавая его приоритет за свой? Ради приумножения славы? Но Гельмгольц и так довольно часто купался в ее лучах. У Стоуни же ввиду погруженности в "электронную" идею, которую он продолжал развивать, на нейтрализацию раздражителя в лице Гельмгольца просто не хватало времени.
Ее разработка поглотила его настолько, что он не только сумел дать количественную оценку наименьшего электрического заряда, настояв на его включение в число фундаментальных природных постоянных величин, но и придумал название стабильное отрицательно заряженной элементарной частице - "электрон".
Видимо, затаенная зависть к прорыву трудяги - Стоуни в будущее науки понудила Гельмгольца сначала повсюду нападать на своего коллегу, а затем благоразумно отмалчиваться. Трудно предугадать, активным действием, противодействием или бездействием лучше всего удастся одолеть противника. Вот он временно и замолчал.
Однако, если перевести стрелки часов еще немного назад, то затевать борьбу за научное лидерство вообще не имело смысла, так как при дотошном изучении истории вопроса на поверхность всплыли еще два имени. Оказывается, в 1878 году до Стоуни один из столпов физической науки голландец Гендрик Лоренц уже обрати я внимание ученых кругов на идею дискретности электрических зарядов, а за семь лет до Лоренца об электроне заговорил немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер, предвосхитивший исследования ирландца, да и всех других своих последователей. Вебер, например, с удивительной прозорливостью утверждал: "… при всеобщем распространении электричества допустимо воспринять, что с каждым атомом вещества связан электрический атом". Может, он и должен был удостоиться почетных лавров?
Навряд ли. Ведь одно дело высказать ценную идею, другое - всемерно способствовать ее развитию. И поэтому без зазрения совести приоритет в теоретическом обосновании существования электрона, фактически в предсказании отрицательно заряженной элементарной частицы, можно смело отдать ирландцу Стоуни, имя которого, к сожалению, нигде не упоминается: ни в справочниках, ни в энциклопедиях.
Кстати, за приоритетное право открытия электрона сражались не только теоретики, но и экспериментаторы, выясняя, кто обнаружил отрицательно заряженную частицу экспериментальным путем? Сегодня каждому школьнику известно имя Дж. Дж. Томсона, который, по утверждению большинства летописцев науки, и есть истинный "родитель" электрона. Именно за это сногсшибательное открытие ему была в 1906 году присуждена Нобелевская премия.
Приоритет считается бесспорным, хотя на самом деле историческая реальность ему противоречит. Чтобы в этом убедиться, достаточно взять в руки журнал Кенигсбергского университета за январь 1897 года, где печатались новейшие исследования в области химии и физики. В январском томе 38 на странице 12 этого периодического издания была помещена статья немецкого физика Эмиля Вихерта, недвусмысленно утверждающая приоритет в экспериментальном открытии электрона за ним.
Томсон доложил о том же самом открытии ученому совету Королевского института Англии двумя месяцами позже - 30 апреля 1897 года, а первая его публикация с подробным изложением этого вопроса вообще появилась только в мае. С нею познакомил ученых журнал "Электришн" (1897, уо1.39, Р.104).
Таким образом, Вихерт на пять месяцев опередил великого Джи-Джи. Но кого интересовала хронология событий, когда речь шла о работе непререкаемого в научном мире авторитета? Тут - то мы и возвращаемся к вопросу, что все-таки следует принимать за точку отсчета в распределении интеллектуальной собственности: саму идею, ее развитие и обоснование, или включающий в себя и то, и другое пионерский печатный труд?
Думается, в любом случае хронологический порядок вхождения открытия или изобретения во власть, игнорировать нельзя. Даже при условии, что изначально существовала гипотеза, которой было необходимо "отстояться" во времени и умах. Поэтому в той же, если не большей степени, чем Стоуни, Вебер и знаменитый Томсон, к открытию электрона причастен мало кому известный Вихерт.
Но только в немногих специальных справочниках можно прочесть, что независимо от Дж. Дж. Томсона этот физик открыл электрон и определил его относительный заряд. На этом примере мы убеждаемся, какой реальной силой в науке обладает сила авторитета.
В данной статье даётся тезисное изложение исторического процесса открытия электрона. Акцент делается на ошибки, допущенные в данном процессе, ставшие одной из причин кризиса теоретической физики ХХ века.
Введение. «День 30 апреля 1897 года официально считается днем рождения первой элементарной частицы — электрона. В этот день глава Кавендишской лаборатории и член Лондонского королевского общества Джозеф Джон Томсон сделал историческое сообщение «Катодные лучи» в Королевском институте Великобритании, в котором объявил, что его многолетние исследования электрического разряда в газе при низком давлении завершилось выяснением природы катодных лучей.»
Важность этого события несомненна для теоретической физики ХХ столетия. Дж. Дж. Томсоном ( - г.г.) впервые была дана оценка величины массы и электрического заряда частиц катодных лучей, позднее отождествленных с электроном. В современной физике масса и заряд электрона являются фундаментальными константами и служат основой определения многих других . Фундаментальные константы входят в уравнения из самых различных областей физики, демонстрируя тем самым свою универсальную природу. В силу этого эти константы являются основным инструментом, позволяющим сравнить теорию с экспериментом. Однако, появление все возрастающего количества работ, научных и “дилетанских“, о некорректности интерпретаций различных физических явлений , о непостоянстве фундаментальных постоянных и неспособности классических теорий описать физические явления показывает о наличии кризиса современной теоретической физики.
История открытия электрона — это прежде всего история почти трехсотлетней дискуссии о природе электричества. «Скажите мне, что такое электричество, и я объясню Вам все остальное» — эти слова старейшины классической физики Вильяма Томсона не были броской фразой. Электричество было величайшей проблемой физики ХIХ века, а стало еще большей проблемой не только физики ХХ века, но и начала ХХI века.
Открытие электрона стало итогом многолетней работы Томсона и его сотрудников. Ни Томсон, ни кто-либо другой никогда не наблюдали электрон в буквальном смысле, никому не удалось выделить отдельную частицу из пучка катодных лучей и измерить ее удельный заряд. Автором открытия является Дж. Дж. Томсон потому, что его представления об электроне были близки к современным .
Согласно современным представлениям традиционной физики элементарных частиц : электрон - стабильная отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Заряд электрона равен −1,602176487(40)×10 −19 Кл (или −4,80320427(13)×10 −10 ед. СГСЭ в системе СГС); масса примерно в 1836 раз меньше массы протона и равна 9,10938356(11)· 10 −31 кг.
Электрон считается неделимым и бесструктурным (как минимум до расстояний 10 −17 см), участвует в слабых, электромагнитных и гравитационных взаимодействиях.
Примерами участия электрона в слабых взаимодействиях являются бета-распад и электронный захват.
Движение свободных электронов обусловливает такие явления, как электрический ток в проводниках и вакууме.
Выше изложенные представления об электроне гипотетичны и противоречивы. Масса электрона определяется как часть массы другой частицы - протона, чья масса, в свою очередь, является функцией структуры ядра атома вещества. Никто еще не привел доказательства, что электрический заряд электрона отрицательный и соответствует выше приведенному значению (1,602176487(40)×10 −19 Кл). Если электрон является основным структурным элементом атома вещества, то он не может быть свободным, а значит не может обуславливать электрический ток в проводнике и др. явления.
Данные замечания позволяют говорить о мифичности (система фантастических представлений о мире) открытия электрона, несмотря на то, что определена дата открытия и назначен его первооткрыватель.
История открытия электрона. История открытия электрона хорошо изучена, отшлифована и приведена в соответствие с современными представлениями об электроне. Если бы она в действительности была бы такой как есть, то, исходя из значимости электрона для физики, не стоял бы сегодня вопрос о кризисе теоретической физики.
Как было изложено выше история открытия электрона — это прежде всего история почти трехсотлетней дискуссии о природе электричества.
Первые представления об электричестве связывают с Древней Грецией, а именно с древне-греческим философом Фалесом Милетским (640 – 550 г.г. до н.э.), которому уже было известно свойство янтаря (др.-греч. ἤλεκτρον: электрон), натертого мехом или шерстью, притягивать легкие предметы . Упадок античной культуры заметно отразился на изучении электрических явлений. Из многочисленных источников следует, что практически до 1600 г. не было сделано ни одного открытия в области электрических явлений . Значительный перелом в представлениях об электрических явлениях наступил в самом начале ХVII в., когда вышел в свет фундаментальный труд видного английского ученого Вильяма Гильберта (1554 – 1603 г.г.) ”О магните, магнитных телах и большом магните — Земле ” (1600 г.), в котором появился термин электричество («янтарность»). Пытаясь объяснить способность предметов притягивать другие более лёгкие, Гильберт считал электрические явления “истечениями” тончайшей жидкости, которая вследствие трения выливается на предметы и непосредственно действует на другой предмет.
Представления о том, что электрические явления обусловлены присутствием особой “электрической жидкости ”, аналогичной “теплотвору ” и “светотвору ”, были характерны для науки того периода, когда механистические взгляды на многие явления были господствующими.
Важным и вполне закономерным шагом на пути изучения электрических явлений был переход от качественных наблюдений к установлению количественных связей и закономерностей, к разработке основ электричества. Наиболее значительный вклад в решение этих проблем был сделан американским ученым Б. Франклином (1706 -1790 г.г.) и петербургскими академиками М. В. Ломоносовым (1711 – 1765 г.г.) и Г.В. Рихманом (1711 – 1753 г.г.) .
Франклин является автором первой теории об электричестве, так называемой “унитарной теории ” электричества («Опыты и наблюдения над электричеством», 1747 г.). Он пришел к выводу, что электричество представляет собой жидкость (только одного рода), состоящую из “чрезвычайно неуловимых частиц” . Таким образом, он впервые высказал правильное предположение о материальном характере электричества. Он также вводит понятие положительного и отрицательного заряда. Согласно его представлениям, когда янтарную палочку натирают мехом, часть электричества переносится от палочки к меху, порождая недостаток электричества на янтарной палочке и его избыток на мехе. Недостаток электричества Франклин определил, как отрицательное электричество, а избыток - как положительное. Количество электричества (положительного или отрицательного), заключенного в любом теле, он назвал электрическим зарядом тела. Франклин ввел также фундаментальную гипотезу – закон сохранения электрического заряда. Электрический заряд никогда не возникает (из ничего) и не исчезает – он только передается (от одного тела к другому).
В представлении Франклина понятия отрицательное и положительное электричество понимаются как его недостаток и избыток, что не тождественно математическому понятию меньше нуля или больше нуля. С течением времени представления Франклина о положительном и отрицательном электричестве (заряде) бездоказательно трансформировались в математическое понятия больше или меньше нуля, что в дальнейшем привело к существенной ошибке в представлении электрона, как отрицательно заряженной элементарной частицы. (Курсив - комментарий автора)
Свои воззрения на электричество Ломоносов сформулировал в 1756 г. в неопубликованном и сохранившемся в виде тезисов труде “Теория электричества, разработанная математическим путем”. В отличие от большинства своих современников Ломоносов полностью отрицает существование особой электрической материи и рассматривает электричество как форму движения эфира . “Эфирная” теория электричества, разработанная Ломоносовым, явилась новым шагом к материалистическому объяснению явлений природы. Эфирной теории придерживались многие крупнейшие ученые ХIХ в., в том числе и М. Фарадей (1791 — 1867 г.г.).
В 1911 году на основании анализа и статистической обработке результатов экспериментов по рассеиванию α-частиц в тонкой золотой фольге, выполненных Гейгером и Марсденом в 1909 г., Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома . Согласно этой модели атом состоит из очень маленького положительно заряженного ядра, содержащего большую часть массы атома, и обращающихся вокруг него лёгких электронов.
Представленная хронология научных открытий конца ХIХ и начала ХХ в. демонстрирует прежде всего трансформацию содержания термина «электрон» — носителя электрического заряда, неустановленной физической природы, в электрон – структурный элемент атома вещества. Отождествление этих двух различных физических сущностей в одну и является грубейшей ошибкой физики начала ХХ в. Существенный вклад в этот процесс (отождествления) был привнесен работами с катодными лучами, выполненными рядом авторитетных ученых.
В 1838 году Фарадей, пропуская ток от электростатической машины через стеклянную трубку с воздухом при низком давлении, наблюдал фиолетовое свечение, исходящее из положительного электрода (анода). Это свечение распространялось почти до самого отрицательного электрода (катода) на другом конце трубки. Между светящимся катодом и фиолетовым свечением, исходящим из анода, он обнаружил темное пространство, которое теперь называют «фарадеевым темным пространством».
В 1859 году немецкий физик Ю. Плюккер ( - г.г.) обнаружил, что при понижении давления темное пространство в трубке увеличивается, а стекло вблизи катода начинает фосфоресцировать. Так были открыты катодные лучи (название дано Э. Гольдштейном), сыгравшие одну из важных ролей в последующем представлении физической природы электричества. При дальнейших опытах Плюккера с сотрудниками было установлено, что катодные лучи распространяются прямолинейно, отклоняются магнитным полем, свойства их не зависят от материала катода.
В дальнейшем в исследовании катодных лучей приняло участие множество знаменитых ученых и изобретателей : К. Варли, У. Крукс, А. Шустер, Г. Герц, Ф. Ленард, Ж. Перрен и др., приведшие к созданию корпускулярной и волновой теорий природы катодных лучей.
Немецкие физики, за редким исключением, были единодушны в утверждении, что катодные лучи представляют собой процесс в эфире — волновая гипотеза Гольдштейна; англичане, начиная с В. Крукса, считают, что они являются потоками частичек вещества. В 1895 г. французский физик Ж. Перрен экспериментально доказал, что катодные лучи — это поток отрицательно заряженных частиц, которые движутся прямолинейно, но могут отклоняться магнитным полем. Сторонники волновой теории не были обескуражены этим опытом. Они отнюдь не отрицают, говорили они, что катодом могут испускаться отрицательно заряженные частицы. Они отрицают лишь, что именно эти частицы и являются катодными лучами, т.е. теми особыми элементами, которые вызывают флуоресценцию стекла: пуля, вылетающая из винтовки, не имеет ничего общего со вспышкой света.
Факт отклонения в магнитном поле мало влияет на решение вопроса о природе катодных лучей. Согласно фарадей-максвелловским воззрениям, на эфир могут действовать магнитные силы.
В этих условиях в 1894 году к экспериментам с катодными лучами приступил Дж. Дж. Томсон с сотрудниками.
Необходимы были строгие количественные эксперименты, которые дали бы возможность определить отношение заряда к массе — е/m для катодных лучей. То, что измерение величины удельного заряда явится решающим фактом, впервые осознал Дж. Дж. Томсон. С 1895 г. он начинает методическое количественное изучение отклонения катодных лучей в электрических и магнитных полях. Итоги своей работы Дж. Дж. Томсон резюмировал в большой статье, опубликованной в 1897 г. в октябрьском номере журнала » Philosophical Magazihe» (существо своих опытов и высказывание гипотезы о существовании материи в состоянии еще более тонкого дробления чем атомы Томсон изложил на вечернем заседании Королевского общества 29 апреля 1897 г. Извлечение из этого сообщения было опубликовано в «Electrican» 21 мая 1897 г.). Опыты Томсона дали следующие результаты: скорость частиц, возрастающая по мере увеличения разрежения в трубке, чрезвычайно велика, значительно больше средней скорости, приписываемой, согласно кинетической теории, молекулам остаточного газа в трубке (в одном из первых опытов 1897 г. Томсон нашел скорость равной 1/10 скорости света, но через десять лет он получил для нее значение 1/3 скорости света). Кроме того, эта скорость зависит от разности потенциалов, которую проходит заряд. Значение е/m оказалось не зависящим ни от состава остаточного газа, ни от формы трубки, ни от материала электродов, ни от скорости лучей, если только она не близка к скорости света, ни от каких-либо иных физических параметров. Другими словами, отношение е/m есть универсальная постоянная. Значение отношения е/m было порядка 107 СГСЭ. Аналогичное отношение е/m было уже подсчитано для иона водорода из данных по электролизу; оно оказалось равным 104 СГС Э. Дж. Дж. Томсон высказывает мнение, что катодные лучи представляют собой поток весьма малых частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света, несущими такой же заряд, как и ионы Фарадея, но обладающими массой, которая в 1000 раз меньше массы самого легкого атома, т.е. атома водорода.
Для достоверного вывода необходимо прямое измерение заряда одновалентных газовых ионов. Важность проблемы заставляет взяться за измерение заряда иона самого Дж. Дж. Томсона. Он впервые использует рентгеновские лучи в качестве орудия физического эксперимента. Интересно отметить, что рентгеновское излучение было результатом исследования свойств катодных лучей. В свою очередь лучи Рентгена сыграли большую роль в изучении частиц, составляющих катодный луч и в открытии спонтанной радиоактивности.
Эксперименты Дж. Дж. Томсона дали среднее значение заряда иона, равное 6,5 x 10 -10 СГСЭ. Этот результат и укрепил убеждение Томсона в существовании «материи в состоянии более тонкого дробления».
По существу, единственно, что удалось Томсону добиться – это измерить отношение масса/заряд для каких-то неведомых частиц, составляющих катодные лучи. Тем не менее он решился сделать вывод, что эти частицы являются фундаментальными составными частями обычного вещества.
В действительности эксперименты, проведенные Томсоном в 1897 г. не давали основания утверждать, что внутри атома существуют более мелкие частицы. Впрочем, Томсон и не утверждал, что он доказал это. Однако, в своих результатах Томсон уловил нечто такое, что подвело его к этим далеко идущим выводам .
Ни в одной из своих работ Томсон не применил термин “электрон”. Разъяснение по поводу применения термина “электрон” для обозначения частиц, составляющих катодные лучи, дал Ленард ( - г.г.) в своей Нобелевской лекции от 28 мая 1908 г. (“О катодных лучах”): “… необходимо перечислить названия, данные этим частичкам электричества, или центрам состояния: я назвал их, элементарными квантами электричества или, короче, квантами, как и Гельмгольц; Дж. Дж. Томсон говорит о корпускулах, лорд Кельвин об электрионах; но в обиход вошло название, которое предпочли Лоренц и Зееман, электрон”.
Выводы. Современной физике известна только одна долгоживущая элементарная частица, которая перемещается в пространстве с около световыми скоростями. Это – фотон .
Из экспериментов с катодными лучами следует, что катодные лучи это поток фотонов.
Термин «фотон» введён химиком Гилбертом Льюисом ( - г.г.) в 1926 году .
Выше изложенная история открытия электрона фактически является историей открытия фотона. И первым, кто заявил об этом, является Дж. Стоней. Потому, что «электрон», под которым понимался носитель электрического заряда неустановленной физической природы эквивалентный электрическому заряду, переносимому одновалентным ионом и есть фотон.
Структурный элемент атома вещества электрон, использованный Резерфордом для модели атома вещества, не имеет той физической сущности, которая была определена Стоуни и даже Лоренцом. Таким образом, все проведенные эксперименты (ранее и позднее опытов группы Резерфорда) по определению, например, величины электрического заряда относятся к экспериментам с фотоном. Величина электрического заряда электрона и протона в настоящее время не определена.
История открытия электрона это история ряда ошибок и недоработок, которые мифологизировали не только само открытие электрона, но и превратили современную теоретическую физику в сборник легенд и мифов.
Релятивисткая физика конца ХХ в. начала ХХI в. не решив проблемы физики прошлых лет, доведя теоретическую физику до кризиса, оставляет своим наследникам мифы о поисках нейтрино и бозона Хигса, теории Большого Взрыва и пр., при этом не имея представления об сущности электрона и других основных элементарных частицах (фотоне и протоне) и совершенно не имея представления о таких физических сущностях как электрический заряд. При этом подвергаются абструкции любые альтернативные попытки выявления физической природы различных физических явлений и выхода из сложившейся кризисной ситуации.
Литература:
- http://bourabai.kz/tyapkin/electron.htm ТЯПКИН А. А. — ОБ ИСТОРИИ ОТКРЫТИЯ ЭЛЕКТРОНА Фотон.
Лямин В. С., Лямин Д. В.
Чтобы связать атомную гипотезу с электрическими явлениями, Берцелиус и Фарадей предположили, что имеются два типа атомов, с положительными и отрицательными зарядами. Из этого следовало существование наименьшего электрического заряда. Стоуни (Stoney) предложил термин «электрон» (1874) и дал неплохую оценку его заряда. Были и другие гипотезы, например, У. Праут считал, что раз атомные веса элементов кратны атомному весу водорода, то существует один первичный атом - водорода, а все прочие состоят из сцеплённых первичных атомов. Крукс предположил, что существует нулевой первоэлемент - протил, составляющий и водород, и прочие элементы, а Вильям Томсон считал атом стабильным вихрем в эфире.
Ещё ранее, в 1858 году, были открыты катодные лучи. После долгих дискуссий учёные пришли к выводу, что это и есть поток электронов. В 1897 году Дж. Дж. Томсон измерил отношение заряд/масса для катодных лучей и доказал, что оно не зависит от материала катода и других условий опыта. Предположив, что заряд электрона совпадает с (уже известным) зарядом иона водорода, Томсон получил оценку массы электрона. Ко всеобщему удивлению, она оказалась во много раз меньше массы атома водорода. Гипотезу Берцелиуса-Фарадея пришлось отвергнуть. Томсон показал также, что частицы, излучаемые при фотоэффекте, имеют такое же отношение заряд/масса и, очевидно, тоже электроны. Экспериментально определить заряд и массу электрона удалось в 1910 году Роберту Милликену в ходе остроумного эксперимента (англ.).
В 1878 году Гендрик Лоренц обобщил теорию Максвелла для подвижных сред, содержащих ионы. Электронная теория Лоренца хорошо объясняла диамагнетизм, процессы в электролите, движение электронов в металле, а также открытый в 1896 году эффект Зеемана - расщепление спектральных линий в магнитном поле.
Решающие открытия были совершены в 1895-м (рентгеновские лучи) и 1896-м годах (радиоактивность урана). Правда, волновая природа X-лучей была окончательно доказана только в 1925 году (Лауэ, дифракция в кристаллах), но предполагалась многими и ранее. А вот радиоактивность поставила физиков в тупик и подверглась активному исследованию.
Вскоре были открыты радий, торий и др. активные элементы, а также неоднородность излучения (альфа- и бета-лучи открыл Резерфорд в 1899-м, а гамма-лучи - Вилар в 1900-м). Природа бета-лучей стала ясна сразу, когда Беккерель измерил их отношение заряд/масса - оно совпало с таковым для электрона. Природу альфа-частиц разгадал Резерфорд только в 1909 году.
1901: Вальтер Кауфман обнаружил (предсказанное Хевисайдом и Дж. Дж. Томсоном) возрастание массы электрона с ростом его скорости.
1902: Резерфорд и Содди делают вывод, что «радиоактивность есть атомное явление, сопровождаемое химическими изменениями». В 1903 году они открыли экспоненциальный закон распада радиоактивного атома, оценили внутриатомную энергию как неизмеримо превышающую любую химическую, и выдвинули гипотезу, что именно она является источником энергии Солнца.
В этом же году Уильям Рамзай и Содди обнаружили первые трансмутации элементов (радона в гелий), а Дж. Дж. Томсон дал первое обоснование периодической системе элементов с позиций электронной теории.
?Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Стерлитамакская государственная педагогическая академия
им. Зайнаб Биишевой»
Факультет математики и естественных наук
Кафедра Общей физики
Реферат
История открытия электронов
Выполнил: студент группы ФМ-52
Сайфетдинов Артур
Проверила: к.ф.-м.н., доцент Коркешко О. И.
Стерлитамак 2011Введение
Глава I. Предыстория открытия
Глава II. Открытие электрона
3.1. Опыт Томсона
3.2. Опыт Резерфорда
3.3. Метод Милликена
3.3.1. Краткая биография:
3.3.3. Описание установки
Заключение
Литература
Введение
ЭЛЕКТРОН - первая по времени открытия элементарная частица; материальный носитель наименьшей массы и наименьшего электрического заряда в природе; составная часть атома.Заряд электрона - 1,6021892 . 10-19 Кл.
- 4,803242 . 10-10 ед. СГСЭ.
Масса электрона 9,109534 . 10-31 кг.
Удельный заряд e/me 1,7588047 . 1011 Кл. кг -1.
Спин электрона равен 1/2 (в единицах h) и имеет две проекции ±1/2; электроны подчиняются статистике Ферми-Дирака, фермионы. На них действует принцип запрета Паули.
Магнитный момент электрона равен - 1,00116 mб, где mб - магнетон Бора.
Электрон стабильная частица. Согласно экспериментальным данным, время жизни te > 2 . 1022 лет.
Не участвует в сильном взаимодействии, лептон. Современная физика рассматривает электрон как истинно элементарную частицу, не обладающую структурой и размерами. Если последние и отличны от нуля, то радиус электрона re < 10 -18 м.
Глава I. Предыстория открытия
Открытие электрона явилось результатом многочисленных экспериментов. К началу XX в. существование электрона было установлено в целом ряде независимых экспериментов. Но, несмотря на колоссальный экспериментальный материал, накопленный целыми национальными школами, электрон оставался гипотетической частицей, ибо опыт еще не ответил на ряд фундаментальных вопросов. В действительности "открытие" электрона растянулось более чем на полстолетия и не завершилось в 1897 году; в нем принимало участие множество ученых и изобретателей.Прежде всего не было ни одного опыта, в котором участвовали бы отдельные электроны. Элементарный заряд вычислялся на основании измерений микроскопического заряда в предположении справедливости ряда гипотез.
Неопределенность была в принципиально важном пункте. Сначала электрон появился как результат атомистического истолкования законов электролиза, затем он был обнаружен в газовом разряде. Было не ясно, имеет ли физика в действительности дело с одним и тем же объектом. Большая группа скептически настроенных естествоиспытателей считала, что элементарный заряд представляет собой статистическое среднее зарядов самой разнообразной величины. Тем более что ни один из опытов по измерению заряда электрона не давал строго повторяющихся значений.
Были скептики, которые вообще игнорировали открытие электрона. Академик А.Ф. Иоффе в воспоминаниях о своем учителе В.К. Рентгене писал: «До 1906 - 1907 гг. слово электрон не должно было произноситься в физическом институте Мюнхенского университета. Рентген считал его недоказанной гипотезой, применяемой часто без достаточных оснований и без нужды».
Не был решен вопрос о массе электрона, не доказано, что и на проводниках, и на диэлектриках заряды состоят из электронов. Понятие «электрон» не имело однозначного толкования, ибо эксперимент не раскрыл еще структуры атома (планетарная модель Резерфорда появится в 1911 г., а теория Бора - в 1913г.).
Электрон не вошел еще и в теоретические построения. В электронной теории Лоренца фигурировала непрерывно распределенная плотность заряда. В теории металлической проводимости, развитой Друде, речь шла о дискретных зарядах, но это были произвольные заряды, на значение которых не накладывалось никаких ограничений.
Электрон еще не вышел из рамок «чистой» науки. Напомним, что первая электронная лампа появилась только в 1907 г. Для перехода от веры к убеждению необходимо было прежде всего изолировать электрон, изобрести метод непосредственного и точного измерения элементарного заряда.
Решение этой задачи не заставило себя ждать. В 1752 г была впервые высказана мысль о дискретности электрического заряда Б. Франклином. Экспериментально дискретность зарядов была обоснована законами электролиза, открытыми М. Фарадеем в 1834 г. Числовое значение элементарного заряда (наименьшего электрического заряда, встречающегося в природе) было теоретически вычислено на основании законов электролиза с использованием числа Авогадро. Прямое экспериментальное измерение элементарного заряда было выполнено Р. Милликеном в классических опытах, выполненных в 1908 - 1916 гг. Эти опыты дали также неопровержимое доказательство атомизма электричества. Согласно основным представлениям электронной теории заряд какого-либо тела возникает в результате изменения содержащегося в нём количества электронов (или положительных ионов, величина заряда которых кратна заряду электрона). Поэтому заряд любого тела должен изменяться скачкообразно и такими порциями, которые содержат целое число зарядов электрона. Установив на опыте дискретный характер изменения электрического заряда, Р. Милликен смог получить подтверждение существования электронов и определить величину заряда одного электрона (элементарный заряд) используя метод масляных капель. В основу метода положено изучение движения заряженных капелек масла в однородном электрическом поле известной напряжённости Е.
Глава II. Открытие электрона
Если отвлечься от того, что предшествовало открытию первой элементарной частицы - электрона, и от того, что сопутствовало этому выдающемуся событию, можно сказать кратко: в 1897 году известный английский физик ТОМСОН Джозеф Джон (1856-1940 гг.) измерил удельный заряд q/m катодно-лучевых частиц - "корпускул", как он их назвал, по отклонению катодных лучей*) в электрическом и магнитном полях .Из сопоставления полученного числа с известным в то время удельным зарядом одновалентного иона водорода, путем косвенных рассуждений он пришел к выводу, что масса этих частиц, получивших позднее название "электроны", значительно меньше (более чем в тысячу раз) массы самого легкого иона водорода.
В том же, 1897 году он выдвинул гипотезу, что электроны являются составной частью атомов, а катодные лучи - не атомы или не электромагнитное излучение, как считали некоторые исследователи свойств лучей. Томсон писал: "Таким образом, катодные лучи представляют собой новое состояние вещества, существенно отличное от обычного газообразного состояния...; в этом новом состоянии материя представляет собой вещество, из которого построены все элементы" .
С 1897 года корпускулярная модель катодных лучей стала завоевывать общее признание, хотя о природе электричества были самые разнообразные суждения. Так, немецкий физик Э.Вихерт считал, что "электричество есть нечто воображаемое, существующее реально только в мыслях", а известный английский физик лорд Кельвин в том же, 1897 году писал об электричестве как о некой "непрерывной жидкости" .
Мысль Томсона о катодно-лучевых корпускулах как об основных компонентах атома не была встречена с большим энтузиазмом. Некоторые его коллеги решили, что он мистифицировал их, когда высказал предположение о том, что частицы катодных лучей следует рассматривать как возможные компоненты атома. Истинная роль томсоновских корпускул в структуре атома могла быть понята в сочетании с результатами других исследований, в частности, с результатами анализа спектров и изучения радиоактивности.
29 апреля 1897 года Томсон сделал свое знаменитое сообщение на заседании Лондонского королевского общества. Точное время открытия электрона - день и час - невозможно назвать в виду его своеобразия. Это событие стало итогом многолетней работы Томсона и его сотрудников. Ни Томсон, ни кто-либо другой никогда не наблюдали электрон в буквальном смысле, никому не удалось выделить отдельную частицу из пучка катодных лучей и измерить ее удельный заряд. Автором открытия является Дж.Дж.Томсон потому, что его представления об электроне были близки к современным. В 1903 году он предложил одну из первых моделей атома - "пудинг с изюмом", а в 1904 предположил, что электроны в атоме разделяются на группы, образуя различные конфигурации, обусловливающие периодичность химических элементов.
Место открытия точно известно - Кавендишская лаборатория (Кембридж, Великобритания). Созданная в 1870 году Дж.К.Максвеллом, в последующие сто лет она стала "колыбелью" целой цепи блестящих открытий в различных областях физики, особенно в атомной и ядерной. Директорами её были: Максвелл Дж.К. - с 1871 по 1879 год, лорд Рэлей - с 1879 по 1884 год, Томсон Дж.Дж. - с 1884 по 1919 год, Резерфорд Э. - с 1919 по 1937 год, Брэгг Л. - с 1938 по 1953; заместителем директора в 1923-1935 годах - Чэдвик Дж.
Научные экспериментальные исследования проводилось одним ученым или небольшой группой в атмосфере творческого поиска. Лоурэнс Брэгг вспоминал впоследствии о своей работе в 1913 году вместе с отцом, Генри Брэггом: "Это было замечательное время, когда новые захватывающие результаты получали почти каждую неделю, подобно открытию новых золотоносных районов, где самородки можно подбирать прямо с земли. Это продолжалось вплоть до начала войны*), прекратившей нашу совместную работу" .
Глава III.Методы открытия электрона
3.1. Опыт Томсона
Джозеф Джон ТОМСОН Joseph John Thomson, 1856–1940 Английский физик, более известный просто как Дж. Дж. Томсон. Родился в Читем-Хилле (Cheetham Hill), пригороде Манчестера, в семье букиниста-антиквара. В 1876 году выиграл стипендию на обучение в Кембридже. В 1884-1919 годах - профессор кафедры экспериментальной физики Кембриджского университета и по совместительству - руководитель Кавендишской лаборатории, которая усилиями Томсона превратилась в один из самых известных научно-исследовательских центров мира. Одновременно в 1905-1918 годах - профессор Королевского института в Лондоне. Лауреат Нобелевской премии по физике 1906 года с формулировкой «за исследования прохождения электричества через газы», которая, естественно, включает и открытие электрона. Сын Томсона Джордж Паджет Томсон (George Paget Thomson, 1892-1975) также со временем стал Нобелевским лауреатом по физике - в 1937 году за экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах.В 1897 году молодой английский физик Дж. Дж. Томсон прославился в веках как первооткрыватель электрона. В своем опыте Томсон использовал усовершенствованную катодно-лучевую трубку, конструкция которой была дополнена электрическими катушками, создававшими (согласно закону Ампера) внутри трубки магнитное поле, и набором параллельных электрических конденсаторных пластин, создававших внутри трубки электрическое поле. Благодаря этому появилась возможность исследовать поведение катодных лучей под воздействием и магнитного, и электрического поля.
Используя трубку новой конструкции, Томсон последовательно показал, что: (1) катодные лучи отклоняются в магнитном поле в отсутствие электрического; (2) катодные лучи отклоняются в электрическом поле в отсутствие магнитного; и (3) при одновременном действии электрического и магнитного полей сбалансированной интенсивности, ориентированных в направлениях, вызывающих по отдельности отклонения в противоположные стороны, катодные лучи распространяются прямолинейно, то есть действие двух полей взаимно уравновешивается.
Томсон выяснил, что соотношение между электрическим и магнитным полями, при котором их действие уравновешивается, зависит от скорости, с которой движутся частицы. Проведя ряд измерений, Томсон смог определить скорость движения катодных лучей. Оказалось, что они движутся значительно медленнее скорости света, из чего следовало, что катодные лучи могут быть только частицами, поскольку любое электромагнитное излучение, включая сам свет, распространяется со скоростью света (см. Спектр электромагнитного излучения). Эти неизвестные частицы. Томсон назвал «корпускулами», но вскоре они стали называться «электронами».
Сразу же стало ясно, что электроны обязаны существовать в составе атомов - иначе, откуда бы они взялись? 30 апреля 1897 года - дата доклада Томсоном полученных им результатов на заседании Лондонского королевского общества - считается днем рождения электрона. И в этот день отошло в прошлое представление о «неделимости» атомов (см. Атомная теория строения вещества). Вкупе с последовавшим через десять с небольшим лет открытием атомного ядра (см. Опыт Резерфорда) открытие электрона заложило основу современной модели атома.
Описанные выше «катодные», а точнее, электронно-лучевые трубки стали простейшими предшественницами современных телевизионных кинескопов и компьютерных мониторов, в которых строго контролируемые количества электронов выбиваются с поверхности раскаленного катода, под воздействием переменных магнитных полей отклоняются под строго заданными углами и бомбардируют фосфоресцирующие ячейки экранов, образуя на них четкое изображение, возникающее в результате фотоэлектрического эффекта, открытие которого также было бы невозможным без нашего знания истинной природы катодных лучей.
3.2. Опыт Резерфорда
Эрнест РЕЗЕРФОРД, Барон Резерфорд Нельсонский I Ernest Rutherford, First Baron Rutherford of Nelson, 1871–1937 Новозеландский физик. Родился в Нельсоне, в семье фермера-ремесленника. Выиграл стипендию для получения образования в Кембриджском университете в Англии. После его окончания получил назначение в канадский университет Мак-Гилл (McGill University), где совместно с Фредериком Содди (Frederick Soddy, 1877–1966) установил основные закономерности явления радиоактивности, за что в 1908 году был удостоен Нобелевской премии по химии. Вскоре ученый перебрался в Манчестерский университет, где под его руководством Ханс Гейгер (Hans Geiger, 1882–1945) изобрел свой знаменитый счетчик Гейгера, занялся исследованиями строения атома и в 1911 году открыл существование атомного ядра. В годы Первой мировой войны занимался разработкой сонаров (акустических радаров) для обнаружения подводных лодок противника. В 1919 году был назначен профессором физики и директором Кавендишской лаборатории Кембриджского университета и в том же году открыл распад ядра в результате бомбардировки тяжелыми частицами высоких энергий. На этом посту Резерфорд оставался до конца жизни, одновременно являясь на протяжении многих лет президентом Королевского научного общества. Похоронен в Вестминстерском аббатстве рядом с Ньютоном, Дарвином и Фарадеем.Эрнест Резерфорд - уникальный ученый в том плане, что свои главные открытия он сделал уже после получения Нобелевской премии. В 1911 году ему удался эксперимент, который не только позволил ученым заглянуть вглубь атома и получить представление о его строении, но и стал образцом изящества и глубины замысла.
Используя естественный источник радиоактивного излучения, Резерфорд построил пушку, дававшую направленный и сфокусированный поток частиц. Пушка представляла собой свинцовый ящик с узкой прорезью, внутрь которого был помещен радиоактивный материал. Благодаря этому частицы (в данном случае альфа-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов), испускаемые радиоактивным веществом во всех направлениях, кроме одного, поглощались свинцовым экраном, и лишь через прорезь вылетал направленный пучок альфа-частиц.
Далее на пути пучка стояло еще несколько свинцовых экранов с узкими прорезями, отсекавших частицы, отклоняющиеся от строго заданного направления. В результате к мишени подлетал идеально сфокусированный пучок альфа-частиц, а сама мишень представляла собой тончайший лист золотой фольги. В нее-то и ударял альфа-луч. После столкновения с атомами фольги альфа-частицы продолжали свой путь и попадали на люминесцентный экран, установленный позади мишени, на котором при попадании на него альфа-частиц регистрировались вспышки. По ним экспериментатор мог судить, в каком количестве и насколько альфа-частицы отклоняются от направления прямолинейного движения в результате столкновений с атомами фольги.
Резерфорд, однако, заметил, что никто из его предшественников даже не пробовал проверить экспериментально, не отклоняются ли некоторые альфа-частицы под очень большими углами. Модель сетки с изюмом просто не допускала существования в атоме столь плотных и тяжелых элементов структуры, что они могли бы отклонять быстрые альфа-частицы на значительные углы, поэтому никто и не озабочивался тем, чтобы проверить такую возможность. Резерфорд попросил одного из своих студентов переоборудовать установку таким образом, чтобы можно было наблюдать рассеяние альфа-частиц под большими углами отклонения, - просто для очистки совести, чтобы окончательно исключить такую возможность. В качестве детектора использовался экран с покрытием из сульфида натрия - материала, дающего флуоресцентную вспышку при попадании в него альфа-частицы. Каково же было удивление не только студента, непосредственно проводившего эксперимент, но и самого Резерфорда, когда выяснилось, что некоторые частицы отклоняются на углы вплоть до 180°!
Картина атома, нарисованная Резерфордом по результатам опыта, нам сегодня хорошо знакома. Атом состоит из сверхплотного, компактного ядра, несущего на себе положительный заряд, и отрицательно заряженных легких электронов вокруг него. Позже ученые подвели под эту картину надежную теоретическую базу (см. Атом Бора), но началось всё с простого эксперимента с маленьким образцом радиоактивного материала и куском золотой фольги.
3.3. Метод Милликена
3.3.1. Краткая биография:
Роберт Милликен родился в 1868 г. в штате Иллинойс в бедной семье священника. Детство его прошло в провинциальном городке Маквокета, где много внимания уделяли спорту и плохо учили. Директор средней школы, преподававший физику, говорил, к примеру, своим юным слушателям: «Как это можно из волн сделать звук? Ерунда, мальчики, все это ерунда!»В Обердинском колледже было не лучше, но Милликену, не имевшему материальной поддержки, пришлось самому преподавать физику в средней школе. В Америке тогда было всего два учебника по физике, переведенные с французского, и талантливому юноше не представило трудностей изучить их и с успехом вести занятия. В 1893 г. он поступает в Колумбийский университет, затем едет учиться в Германию.
Милликену было 28 лет, когда он получил предложение от А. Майкельсона занять место ассистента в Чикагском университете. В начале он занимался здесь почти исключительно педагогической работой и только в сорок лет начал научные исследования, принесшие ему мировую славу.
3.3.2. Первые опыты и решения проблем
Первые опыты сводились к следующему. Между пластинками плоского конденсатора, на которые подавалось напряжение в 4000 В, создавалось облако, состоявшее из капелек воды, осевших на ионах. Сначала наблюдалось падение вершины облака в отсутствие электрического поля. Затем создавалось облако при включенном напряжении. Падение облака происходило под действием силы тяготения и электрической силы.Отношение силы, действующей на каплю в облаке, к скорости, которую она приобретает, одинаково в первом и во втором случае. В первом случае сила равна mg, во втором mg+qE, где q - заряд капли, Е - напряженность электрического поля. Если скорость в первом случае равна?1 во втором?2, то
Зная зависимость скорости падения облака? от вязкости воздуха, можно вычислить искомый заряд q. Однако этот метод не давал желаемой точности, потому что содержал гипотетические допущения, не поддающиеся контролю экспериментатора.
Чтобы увеличить точность измерений, необходимо было прежде всего найти способ учета испарения облака, которое неизбежно происходило в процессе измерения.
Размышляя над этой проблемой, Милликен и пришел к классическому методу капель, открывшему целый ряд неожиданных возможностей. Историю изобретения предоставим рассказать самому автору:
«Сознавая, что быстрота испарения капель оставалась неизвестной, я попытался придумать способ, который вполне исключил бы эту неопределенную величину. Мой план состоял в следующем. В предыдущих опытах электрическое поле могло только немного увеличить или уменьшить скорость падения верхушки облака под действием силы тяжести. Теперь же я хотел это поле усилить настолько, чтобы верхняя поверхность облака оставалась на постоянной высоте. В этом случае явилась возможность с точностью определить скорость испарения облака и принять ее в расчет при вычислениях».
Для реализации этой идеи Милликен сконструировал небольшую по габаритам аккумуляторную батарею, дававшую напряжение до 104 В (для того времени это было выдающимся достижением экспериментатора). Она должна была создавать поле, достаточно сильное, чтобы облако удерживалось, как «гроб Магомета», в подвешенном состоянии. «Когда у меня все было готово,- рассказывает Милликен, и когда образовалось облако, я повернул выключатель, и облако оказалось в электрическом поле. И в это мгновение оно на моих глазах растаяло, другими словами, от целого облака не осталось и маленького кусочка, который можно было бы наблюдать при помощи контрольного оптического прибора, как это делал Вильсон и собирался делать я. Как мне сначала показалось, бесследное исчезновение облака в электрическом поле между верхней и нижней пластинками означало, что эксперимент закончился безрезультатно...» Однако, как это нередко бывало в истории науки, неудача породила новую идею. Она и привела к знаменитому методу капель. «Повторные опыты,- пишет Милликен,- показали, что после рассеивания облака в мощном электрическом поле на его месте можно было различить несколько отдельных водяных капель» (подчеркнуто мною.- В. Д.). «Неудачный» опыт привел к открытию возможности удерживать в равновесии и наблюдать отдельные капельки в течение достаточно длительного времени.
Но за время наблюдения масса капли воды существенно изменилась в результате испарения, и Милликен после многодневных поисков перешел к экспериментам с каплями масла.
Процедура эксперимента оказалась простой. Адиабатическим расширением между пластинами конденсатора образуется облако. Оно состоит из капелек, имеющих различные по модулю и знаку заряды. При включении электрического поля капли, имеющие заряды, одноименные с зарядом верхней пластины конденсатора, быстро падают, а капли с противоположным зарядом притягиваются верхней пластиной. Но некоторое число капель имеет такой заряд, что сила тяжести уравновешивается электрической силой.
Через 7 или 8 мин. облако рассеивается, и в поле зрения остается небольшое число капель, заряд которых соответствует указанному равновесию сил.
Милликен наблюдал эти капли в виде отчетливых ярких точек. «История этих капель протекает обыкновенно так,- пишет он.- В случае небольшого преобладания силы тяжести над силой поля они начинают медленно падать, но, так как они постепенно испаряются, то их нисходящее движение вскоре прекращается, и они на довольно долгое время становятся неподвижными. Затем поле начинает преобладать, и капли начинают медленно подниматься. Под конец их жизни в пространстве между пластинами это восходящее движение становится весьма сильно ускоренным, и они притягиваются с большой скоростью к верхней пластине».
3.3.3. Описание установки
Схема установки Милликена, с помощью которой в 1909 г. были получены решающие результаты, изображена на рисунке 17.В камере С был помещен плоский конденсатор из круглых латунных пластин М и N диаметром 22 см (расстояние между ними было 1,6 см). В центре верхней пластины было сделано маленькое отверстие р, сквозь которое проходили капли масла. Последние образовывались при вдувании струи масла с помощью распылителя. Воздух при этом предварительно очищался от пыли путем пропускания через трубу со стеклянной ватой. Капли масла имели диаметр порядка 10-4 см.
От аккумуляторной батареи В на пластины конденсатора подавалось напряжение 104 В. С помощью переключателя можно было закорачивать пластины и этим разрушат электрическое поле.
Капли масла, попадавшие между пластинами М и N, освещались сильным источником. Перпендикулярно направлению лучей через зрительную трубу наблюдалось поведение капель.
Ионы, необходимые для конденсации капель, создавались излучением кусочка радия массой 200 мг, расположенного на расстоянии от 3 до 10 см сбоку от пластин.
С помощью специального устройства опусканием поршня производилось расширение газа. Через 1 - 2 с после расширения радий удалялся или заслонялся свинцовым экраном. Затем включалось электрическое поле и начиналось наблюдение капель в.зрительную трубу. Труба имела шкалу, по которой можно было отсчитывать путь, пройденный каплей за определенный промежуток времени. Время фиксировалось по точным часам с арретиром.
В процессе наблюдений Милликен обнаружил явление, послужившее ключом ко всей серии последующих точных измерений отдельных элементарных зарядов.
«Работая над взвешенными каплями,- пишет Милликен,- я несколько раз забывал закрывать их от лучей радия. Тогда мне случалось замечать, что время от времени одна из капель внезапно изменяла свой заряд и начинала двигаться вдоль поля или против него, очевидно, захватив в первом случае положительный, а во втором случае отрицательный ион. Это открывало возможность измерять с достоверностью не только заряды отдельных капель, как это я делал до тех пор, но и заряд отдельного атмосферного иона.
В самом деле, измеряя скорость одной и той же капли два раза, один раз до, а второй раз после захвата иона, я, очевидно, мог совершенно исключить свойства капли и свойства среды и оперировать с величиной, пропорциональной только заряду захваченного иона».
3.3.4. Вычисление элементарного заряда
Элементарный заряд вычислялся Милликеном на основании следующих соображений. Скорость движения капли пропорциональна действующей на нее силе и не зависит от заряда капли.Если капля падала между пластинами конденсатора под действием только силы тяжести со скоростью?, то
?1=kmg (1)
При включении поля, направленного против силы тяжести, действующей силой будет разность qE - mg, где q - заряд капли, Е - модуль напряженности поля.
Скорость капли будет равна:
?2 =k(qE-mg) (2)
Если разделить равенство (1) на (2) , получим
Отсюда
(3)
Пусть капля захватила ион и заряд ее стал равен q", а скорость движения?2. Заряд этого захваченного иона обозначим через e.
Тогда e= q"- q.
Используя (3), получим
Величина - постоянна для данной капли.
3.3.5. Выводы из метода Милликена
Следовательно, всякий захваченный каплей заряд будет пропорционален разности скоростей (?"2 - ?2), иначе говоря, пропорционален изменению скорости капли вследствие захвата иона! Итак, измерение элементарного заряда было сведено к измерению пути, пройденного каплей, и времени, за которое этот путь был пройден. Многочисленные наблюдения показали справедливость формулы (4). Оказалось, что величина е может изменяться только скачками! Всегда наблюдаются заряды е, 2е, 3e, 4е и т.д.«Во многих случаях,- пишет Милликен,- капля наблюдалась в течение пяти или шести часов, и за это время она захватывала не восемь или десять ионов, а сотни их. В общей сложности я наблюдал таким путем захват многих тысяч ионов, и во всех случаях захваченный заряд... был либо в точности равен наименьшему из всех захваченных зарядов, либо он равнялся небольшому целому кратному этой величины. В этом заключается прямое и неопровержимое доказательство того, что электрон не есть «статистическое среднее», но что все электрические заряды на ионах либо в точности равны заряду электрона, либо представляют небольшие целые кратные этого заряда».
Итак, атомистичность, дискретность или, говоря современным языком, квантованность электрического заряда стала экспериментальным фактом. Теперь важно было показать, что электрон, так сказать, вездесущ. Любой электрический заряд в теле любой природы представляет собой сумму одних и тех же элементарных зарядов.
Метод Милликена позволил однозначно ответить на этот вопрос. В первых опытах заряды создавались ионизацией нейтральных молекул газа потоком радиоактивного излучения. Измерялся заряд ионов, захваченных каплями.
При разбрызгивании жидкости пульверизатором капли электризуются благодаря трению. Это было хорошо известно еще в XIX в. Являются ли эти заряды также квантованными, как и заряды ионов? Милликен «взвешивает» капли после разбрызгивания и производит измерения зарядов описанным выше способом. Опыт обнаруживает ту же дискретность электрического заряда.
Далее была показана тождественность электрических зарядов на телах различной физической природы.
Вбрызгивая капли масла (диэлектрика), глицерина (полупроводника), ртути (проводника), Милликен доказывает, что заряды на телах любой физической природы состоят во всех без исключения случаях из отдельных элементарных порций строго постоянной величины. В 1913 г. Милликен суммирует результаты многочисленных экспериментов и дает для элементарного заряда следующее значение: е = 4,774.10-10 ед. заряда СГСЕ. Так была установлена одна из важнейших констант современной физики. Определение электрического заряда сделалось простой арифметической задачей.
3.4. Метод визуализации Комптона
Большую роль в укреплении мысли о реальности электрона сыграло открытие Ч.Т.Р. Вильсоном эффекта конденсации водяных паров на ионах, приведшее к возможности фотографирования треков частиц.Рассказывают, что А. Комптон на лекции никак не мог убедить скептически настроенного слушателя в реальности существования микрочастиц. Тот твердил, что поверит, только увидев их воочию.
Тогда Комптон показал фотографию с треком?-частицы, рядом с которым был отпечаток пальца. «Знаете ли вы, что это такое?» - спросил Комптон. «Палец»,- ответил слушатель. «В таком случае,- заявил торжественно Комптон,- эта светящаяся полоса и есть частица».
Фотографии треков электронов не только свидетельствовали о реальности электронов. Они подтверждали предположение о малости размеров электронов и позволяли сравнить с опытом результаты теоретических расчетов, в которых фигурировал радиус электрона. Опыты, начало которым было положено Ленардом при исследовании проникающей способности катодных лучей, показали, что очень быстрые электроны, выбрасываемые радиоактивными веществами, дают треки в газе в виде прямых линий. Длина трека пропорциональна энергии электрона. Фотографии треков?-частиц большой энергии показывают, что треки состоят из большого числа точек. Каждая точка - водяная капелька, возникающая на ионе, который образуется в результате столкновения электрона с атомом. Зная размеры атома и их концентрацию, мы можем вычислить число атомов, сквозь которые должна пройти?-частица на данном расстоянии. Простои расчет показывает, что?-частица
и т.д.................