Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Эксперименты Дж.Дж. Томсона по изучению свойств катодных лучей.
Открытие отличия образующих их носителей заряда от ионов.
Измерение соотношения e/m.

Дата: 1897.

Методы: сравнение с теорией результатов, полученных с помощью высокотехнологичной экспериментальной установки.

Прямота эксперимента: теоретическое осмысление + непосредственное наблюдение.

Искусственность изучаемых условий: условия, насколько возможно приближенные к модельным (электрон в высоком вакууме в скрещенных электрическом и магнитном полях).

Исследуемые фундаментальные принципы: существование субатомных частиц, универсальных для атомов всех веществ.

Эксперименты Фарадея по электролизу показали, что электричество каким-то образом связано с атомной и молекулярной структурой. Однако микроскопические частицы, которыми обменивались с катодом и анодом ионы в электролитической реакции, называемые сейчас электронами, открыл Джозеф Джон Томсон (1856–1940) через почти 90 лет после Фарадея.

Томсон изучал катодные лучи, которые возникали в разрядной трубке (стеклянная запаянная трубка, в которую вставлены два электрода, анод и катод). Свечение в катодных трубках наблюдал еще М. Фарадей в 1838 г., и с тех пор их активно изучали при разных давлениях воздуха в трубке. Само свечение объясняли столкновением заряженных частиц, разогнанных в электрическом поле между катодом и анодом, с молекулами воздуха с последующим их возбуждением. Одна из изобретенных до Томсона катодных трубок, трубка Крукса, изображена на рисунке справа. Она отличается горячим катодом С, который подогревает нить накала, подсоединенная к батарее А. Высоковольтная батарея B создает электрическое поле в пространстве между катодом С и покрытым фосфором анодом P, а электрод-маска M, как видно на рисунке, отбрасывает тень на анод. Сам анод светится благодаря ударам катодных лучей по его фосфоресцирующему покрытию. Данный опыт показывал, что действительно от катода исходят некоторые лучи, излучение которых сопровождается протеканием тока в цепи катод-анод.

Из предшествовавших экспериментов Томсон знал, что катодные лучи легко отклоняются в магнитном поле, не отклоняются в электрическом, однако для их испускание существенно зависит от приложенного к аноду напряжения относительно катода. Тот факт, что помещение катодной трубки во внешнее электрическое поле не вызывал отклонение отбрасываемой маской M тени, являлся весьма загадочным, поскольку известные доселе заряженные частицы отклонялись в электрическом поле. Однако Томсон сделал смелое предположение: отсутствие этого отклонения связано с недостаточно малым давлением воздуха внутри трубки. При давлениях, при которых наблюдались катодные лучи, воздух был сильно ионизирован, и поэтому проводил ток. По этой причине внесение трубки в пространство между электродами всего лишь приводило к перераспределению ионов воздуха, экранировавшему это поле. Катодные лучи приложенное поле практически не чувствовали.


Для проверки своего предположения Томсон придумал свой прибор, по принципу которого сейчас сконструированы электронно-лучевые трубки телевизоров. Трубка содержала горячий катод и анод D с отверстием, за которым располагался еще один электрод E с потенциалом, близким к потенциалу анода и таким же отверстием. Эта часть трубки, называемая электронной пушкой, создавала тонкий пучок электронов с достаточно большой кинетической энергией (напряжение между катодом и анодом составляло киловольты). После выхода из электронной пушки пучок направлялся в пространство между пластинами конденсатора и катушками индуктивности. В этой области создавались скрещенные электрическое и магнитное поля; для того, чтобы избежать экранировку электрического поля, в трубке создавался высокий вакуум.

Из опытов выяснилось, что катодные лучи отклонялись как в электрическом, так и в магнитном поле, причем при некотором значении полей магнитная и электрическая компоненты силы Лоренца, действовавшей на заряженные частицы, оказывались противоположными, и пучок не отклонялся.

Однако Томсон с помощью своей трубки не просто произвел качественное исследование катодных лучей — он измерил удельный заряд  частиц, из которых они состояли. Для этого он наблюдал, как нагревается экран от их ударов: если каждая частица имеет на вылете из электронной пушки энергию , где  — напряжение между катодом и анодом, то при достаточно разреженном газе в трубке вся эта энергия в хорошем приближении переходит в тепло. До экрана в единицу времени долетает  частиц, где  — ток в цепи экрана, поэтому экрану за единицу времени передается количество теплоты

Зная теплоемкость экрана и наблюдая за изменением его температуры, из этой формулы можно получить скорость электронов. С другой стороны, электрон, пролетающий пространство между катушками индуктивности, в котором существует магнитное поле , начинает из-за действующей на него силы Лоренца двигаться по окружности радиуса

где  — скорость света. Однако радиус кривизны траектории электрона можно определить, зная геометрию катодной трубки и сдвиг электронного пучка на экране. Из полученных двух формул легко вывести выражение для абсолютного значения удельного заряда электрона:

Наблюдая направление отклонение пучка в электрическом и магнитном полях, Томсон также заключил, что катодные лучи состоят из отрицательно заряженных частиц. Полученные им значения  несильно различались для разных газов, наполнявших трубку (хотя напомним еще раз, что в трубке был высокий вакуум, — но все равно выкачать газы до конца не удавалось). Кроме того, оказалось, что полученный удельный заряд на три порядка величины меньше характерного для иона водорода . Окончательный вывод Томсона состоял в том, что «вещество, полученное из разных источников, таких, как водород, углерод и т.д., есть вещество одного и того же вида. Это вещество, из которого построены все химические элементы», т.е. электроны являются универсальной единицей строения вещества.

Вообще говоря, пока нельзя было сделать вывод о заряде или массе электрона: возможно, частицы, образующие катодные лучи, имели малые массы (по сравнению с атомом водорода), а возможно, очень большой заряд. Эксперименты по измерению заряда электрона  были проведены 15 лет спустя Р. Милликеном и А. Иоффе, и мы приглашаем читателя в соответствующий раздел.

<<К предыдущему эксперименту  |  Электродинамика  |  К следующему эксперименту>>