Кикоин А.К. Открытие электрона //Квант. - 1985. - № 3. - С. 18-20.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Слово «электрон» - название одной из заряженных элементарных частиц - и производные от него, пожалуй, чаще всего встречаются в наши дни в научно-технической литературе. Сравнительно недавно появилось слово «электроника», обозначающее, с одной стороны, науку о взаимодействиях электронов с электромагнитными полями, а с другой - новую область техники. Такие прилагательные, как «электронный», «электронная» и т. д., широко вошли в наш язык и в нашу жизнь. Достаточно напомнить, например, о существовании различных электронных приборов и электронных вычислительных машин.

Когда, кем и как был открыт электрон? Когда, кто и как определил его основные свойства и выяснил его роль в природе?

Лучи или частицы?

Открытие электрона представляет собой завершение длившегося несколько десятилетий исследования газового разряда, то есть процесса прохождения электрического тока через газ («Физика 9», § 70-72). В частности, приблизительно к середине прошлого века было выяснено, что если к электродам, впаянным в стеклянную трубку с газом, приложить достаточно высокое напряжение, то через газ проходит электрический ток, а сам газ при этом светится. Характер свечения зависит от давления газа и приложенного напряжения, а цвет света определяется природой газа. Однако при достаточно малом давлении (около одного паскаля, то есть стотысячной доли атмосферы) свечение газа почти исчезает (хотя ток продолжает идти), но зато начинает светиться зеленоватым светом стекло трубки.

Что же происходит в разрядной трубке после исчезновения свечения газа? По этому поводу возник длительный спор между физиками, наиболее активно изучавшими это явление.

Немецкие физики (Г. Герц, Э. Гольдштейн) считали, что из катода трубки исходят особые лучи, которые и вызывают свечение стекла. Их поэтому стали называть катодными лучами . Герц, открывший электромагнитные волны, естественно, склонен был считать, что катодные лучи - это особые электромагнитные волны, похожие на свет, но свет невидимый.

Английские физики (У. Крукс, А. Шустер, затем Дж. Дж. Томсон) полагали, что из катода выходят не лучи, а какие-то отрицательно заряженные частицы и что именно под их воздействием возникает свечение стекла. Крукс, например, утверждал, что это газовые молекулы, которые, удаляясь о катод, приобретают отрицательный заряд и затем ускоряются силой притяжения к аноду. В пользу этого говорило то, что катодные лучи отклоняются магнитным полем. Об этом важном факте знали, конечно, и немецкие физики, но в то время еще не было твердо установлено, что электромагнитные волны с магнитным полем не взаимодействуют.

Обеими спорящими сторонами было твердо установлено, что свойства катодных лучей не зависят от того, из какого материала сделан катод. Спор этот был весьма плодотворным, так как каждая группа ученых старалась придумать и поставить такие опыты, которые доказали бы их правоту.

Решающие опыты были выполнены в 1897 году английским физиком Джозефом Джоном Томсоном. Опыты эти состояли в наблюдении движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях.

Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях

В прошлом номере в заметке «О числе Фарадея и удельном заряде заряженной частицы» было показано, что скорость υ и ускорение а заряженной частицы в электрическом поле определяются удельным зарядом частицы \(~\dfrac{q}{m}\) (q - заряд частицы, m - ее масса):

\(~\upsilon = \sqrt{2 \dfrac{q}{m} U}\) , \(~a = \dfrac{q}{m} E\) ,

где U - напряжение, а E - напряженность поля.

Но оказывается, движение частицы в магнитном поле тоже определяется ее удельным зарядом. Покажем это.

На частицу с зарядом q (для простоты будем считать его положительным), движущуюся с начальной скоростью \(~\vec \upsilon\) в магнитном поле с индукцией \(~\vec B\), действует сила Лоренца \(~\vec F_L\) («Физика 9», §89). Если вектор \(~\vec \upsilon\) перпендикулярен вектору \(~\vec B\), то сила Лоренца по модулю равна qυB и направлена перпендикулярно вектору скорости и вектору магнитной индукции. Поскольку сила перпендикулярна скорости частицы, она заставляет частицу двигаться по окружности, сообщая ей центростремительное ускорение. Второй закон Ньютона для этого случая имеет вид

\(~m \dfrac{\upsilon^2}{r} = q \upsilon B\) ,

откуда для радиуса r окружности получаем

\(~r = \dfrac{m \upsilon}{qB} = \dfrac{\upsilon}{B \dfrac{q}{m}}\) .

Таким образом, при заданном значении магнитной индукции и начальной скорости частицы радиус кривизны ее траектории действительно определяется удельным зарядом частицы \(~\left(\dfrac{q}{m} \right)\).

Из последнего равенства можно получить формулу для определения самого удельного заряда:

\(~\dfrac{q}{m} = \dfrac{\upsilon}{Br}\) .

Радиус окружности r и индукцию В измерить нетрудно. Но нужно еще знать скорость υ частицы, которую измерить не так просто. Томсон сумел обойти эту трудность. И вот каким способом.

Опыты Дж. Дж. Томсона

Целью опытов Томсона было определение удельного заряда тех предполагаемых частиц, которые, по мнению английских физиков, образуют катодные лучи. Прибор, созданный Томсоном, схематически показан на рисунке.

В стеклянный сосуд впаяны катод К , и анод А , диафрагма и пластины конденсатора. Между К и А подается достаточно высокое напряжение, необходимое для возникновения катодных лучей. Отверстия в аноде и диафрагме «вырезают» узкий пучок лучей, попадающий на противоположную стенку сосуда, где он вызывает свечение стекла. Пунктирная окружность на рисунке изображает катушки (вне сосуда), создающие магнитное поле, перпендикулярное электрическому полю конденсатора (и плоскости рисунка).

Когда в трубке создано только электрическое поле конденсатора и верхняя пластина заряжена положительно, пучок лучей, если он действительно состоит из отрицательно заряженных частиц, отклоняется вверх (траектория a на рисунке). Если создано только магнитное поле, направленное от нас за плоскость рисунка, пучок отклоняется вниз (траектория b ). По свечению торцевой стенки трубки легко установить, куда именно попадает пучок.

Но можно подобрать такие значения напряженности электрического поля \(~\vec E\) и магнитной индукции \(~\vec B\), чтобы пучок вовсе не отклонялся и двигался по прямолинейной траектории (показанной на рисунке красным цветом). Это означает, что электрическая сила, действующая на частицу, равна по модулю силе Лоренца: qE = qυB . Отсюда для скорости частицы получаем выражение \(~\upsilon = \dfrac{E}{B}\). Подставив его в формулу для удельного заряда, находим

\(~\dfrac{q}{m} = \dfrac{E}{B^2 r}\) . (*)

Все в опыте Томсона происходило так, как и предполагалось. В электрическом поле пучок двигался по одной траектории (a ), в магнитном - по другой (b ). При одновременном действии обоих полей пучок не отклонялся вовсе.

По формуле (*), в которую входят легко измеряемые величины (и не входит скорость частиц), можно было определить удельный заряд частиц, образующих то, что до того называлось катодными лучами. Удельный заряд этих частиц оказался чудовищно большим: 1,76·10 11 Кл/кг. Эти-то частицы и получили название электронов. Поэтому теперь принято считать, что год открытия электрона - 1897, а автор этого важнейшего открытия - Джозеф Джон Томсон.

Так как электроны вылетают из катода разрядной трубки всегда, независимо от того, из какого материала изготовлен катод, можно было сделать вывод о том, что электроны входят в состав любого атома. Эту гипотезу Томсон высказал в том же 1897 году.

В течение нескольких последующих лет Томсон (а также и другие ученые) показал, что частицы, вылетающие из нагретого металла при термоэлектронной эмиссии, имеют тот же удельный заряд, то есть что это тоже электроны. Тот же удельный заряд имеют и частицы, вырываемые из металлов светом. И это тоже электроны!

За теоретические и экспериментальные исследования прохождения электричества через газы (приведшие к открытию электрона) Дж. Дж. Томсон в 1906 году получил Нобелевскую премию по физике.

О массе и заряде электрона

Зная значение удельного заряда электрона, еще ничего нельзя сказать ни о значении заряда, ни о значении массы электрона по отдельности. Однако к концу прошлого века было уже известно значение удельного заряда иона водорода, а также то, что заряд иона водорода по модулю (но не по знаку) равен заряду электрона. А это позволяет кое-что сказать о массе электрона. В самом деле, удельные заряды электрона и иона водорода равны соответственно

\(~\dfrac{e}{m_e} = 1,76 \cdot 10^{11}\) Кл/кг, \(~\dfrac{e}{m_H} = 9,65 \cdot 10^{7}\) Кл/кг

(здесь е - модуль заряда электрона, как его принято обозначать, m e - масса электрона, m H - масса иона водорода). Разделив \(~\dfrac{e}{m_e}\) на \(~\dfrac{e}{m_H}\), получаем, что масса электрона примерно в 1840 раз меньше массы иона водорода.

Приблизительно через 15 лет после опытов Томсона Р. Милликен в США и А. Ф. Иоффе в России непосредственно измерили заряд электрона, который оказался равным 1,6·10 -19 Кл. Отсюда для массы электрона получается значение 9,1·10 -31 кг. Это самые маленькие значения заряда и массы в природе.

1.1 Открытие электрона и радиоактивности.

Рождение представлений о сложном строении атома

Дискретность электрического тока отражена в работах Фарадея по электролизу - один и тот же ток приводит к выделению на электродах разного количества вещества в зависимости от того, какое вещество растворено. При выделении одного моля одновалентного вещества через электролит проходит заряд в 96 500 Кл, а при двухвалентном - заряд удваивается. После определения в конце XIX в. числа Авогадро появилась возможность оценить величину элементарного электрического заряда. Так как 6,02 10 23 атомов переносят заряд в 96 500 Кл, то на долю одного приходится 1,2-10 -19 Кл. Стало быть, это - мельчайшая порция электричества или «атома электричества». Георг Стоней предложил и назвать этот «атом электричества» электроном.

Работа с токами в газах осложнена трудностями получения разреженной газовой среды. Немецкий механик-стеклодув Г. Гейслер изготовлял для развлечений трубки с разреженным газом, светящимся при пропускании через него электрического тока. В них В. Гиттгофф обнаружил вызывающее флуоресценцию стенок трубки излучение из катода, которое назвали катодными лучами. Как установил английский физик У. Крукс, эти лучи распространялись по прямой, отклонялись магнитным полем и оказывали механическое воздействие.

Французский физик Ж. Перрен поместил внутри трубки перед катодом металлический цилиндр с отверстием против катода и обнаружил, что цилиндр заряжается отрицательно. Когда лучи отклонялись магнитным полем и не попадали в цилиндр, он оказывался незаряженным. Через два года Дж.Томсон поместил цилиндр не перед катодом, а сбоку: поднесенный магнит искривлял катодные лучи так, что они попадали в цилиндр и заряжали его отрицательно, но флуоресцирующее пятно на стекле смещалось. Значит, лучи - отрицательно заряженные частицы. Такой измерительный прибор называют электронно-лучевой трубкой высокого вакуума. Под действием силы Лоренца, вызванной магнитным полем, включенным в области конденсатора, светящийся след падения пучка на экране смещается. Так в 1895 г. родилась новая наука - электроника.

Действуя одновременно электрическим и магнитным полями и меняя их величину, Томсон подобрал их так, чтобы они компенсировались, катодные лучи не отклонялись, и пятно на стекле не смещалось. Он получил отношение электрического заряда к массе частицы е/т = 1,3 10 -7 Кл/г. Независимо от Томсона это значение измерил для катодных лучей В. Кауфман и получил близкое значение. Томсон назвал эту частицу корпускулой, а электроном - только ее заряд, но потом и саму частицу катодных лучей назвали электроном (от греч. elektron - янтарь).

Открытие электрона, изучение его уникальных свойств стимулировали исследования строения атома. Стали понятны процессы поглощения и испускания энергии веществом; сходства и отличия химических элементов, их химическая активность и инертность; внутренний смысл Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, природа химической связи и механизмы химических реакций; появились совершенно новые приборы, в которых движение электронов играет определяющую роль. Изменялись взгляды на природу материи. С открытия электрона (1897) начался век атомной физики.

Из многочисленных опытов с пропусканием электронов через вещество Дж.Томсон заключил, что число электронов в атоме связано с величиной атомной массы. Но в нормальном состоянии атом должен быть электрически нейтрален, и поэтому в каждом атоме количества зарядов разных знаков равны. Поскольку масса электрона составляет примерно 1/2000 массы атома водорода, то масса положительного заряда должна быть в 2000 раз больше массы электрона. Например, у водорода почти вся масса связана с положительным зарядом. С открытием электрона сразу же появились новые проблемы. Атом нейтрален, значит, в нем должны быть другие частицы с положительным зарядом. Они еще не были открыты.

Французский физик А. Беккерель, исследуя люминесценцию, открыл (1896) явление радиоактивности. Его интересовала связь флуоресценции от катодных лучей на стенках трубки и рентгеновские лучи, испускаемые от этой части трубки. Облучая различные вещества, он пытался выяснить, могут ли рентгеновские лучи испускаться фосфоресцирующими телами, облученными солнечным светом. Вскоре им занялись супруги Кюри и открыли более активный элемент, который назвали полонием в честь Польши - родины Марии Кюри. Измеряя величину эффекта, Склодовская-Кюри открыла новый элемент - радий, а сам эффект излучения назвала радиоактивностью (от лат. radio - испускаю лучи). Интенсивность излучения радия в сотни тысяч раз больше, чем у урана. Затем был открыт третий радиоактивный элемент - актиний. И произошел некий «бум» в изучении радиоактивности.

К концу 1899 г. сотрудник Дж.Томсона Э. Резерфорд заключил: «...опыты показывают, что излучение урана является сложным и состоит по крайней мере из двух различных видов: одно, быстро поглощаемое, назовем его а-излучением; другое, более проникающее, назовем его -излучением». Через три года П. Вийяр нашел еще одну компоненту излучения, которая не отклонялась магнитным полем, ее назвали -лучами. Радиоактивность быстро находила применение в естествознании и медицине.

Атом переставал считаться неделимым. Идея о строении всех атомов из атомов водорода была высказана еще в 1815 г. английским врачом У. Праутом. Сомнения о неделимости атомов породили открытие спектрального анализа и Периодической системы химических элементов. Получалось, что сам атом - это сложная структура с внутренними движениями составных частей, ответственных за характерные спектры. Стали появляться и модели его строения.

Модель атома - положительный заряд распределен в положительно заряженной достаточно большой области (возможно, сферической формы), а электроны вкраплены в него, как «изюм в пудинг» - в 1902 г. предложил Кельвин. Дж.Томсон развил его идею: атом - капля пудинга положительно заряженной материи, внутри которой распределены электроны, находящиеся в состоянии колебательного процесса. Из-за этих колебаний атомы и излучают электромагнитную энергию; так он смог объяснить дисперсию света, но возникло и много вопросов. Для объяснения Периодической системы химических элементов он исследовал разные конфигурации электронов, предполагая, что устойчивым конфигурациям соответствует устройство неактивных элементов типа благородных газов, а неустойчивым - более активных. По длинам волн испускаемого атомами света Томсон оценил область, занимаемую таким атомом, - около 10 -10 м. Он делал очень много предположений, увлекшись расчетом характеристик излучения по теории Максвелла, так как считал, что внутри атома действуют только электромагнитные силы. В 1903 г. Томсон получил, что электроны при движении должны излучать эллиптические волны, в 1904 г. - что при числе электронов более 8 они должны располагаться кольцами и число их в каждом кольце уменьшаться с уменьшением радиуса кольца. Число электронов не позволяет быть устойчивыми радиоактивным атомам, они выбрасывают а-частицы, и устанавливается новая структура атома. Эксперимент Э. Ре-зерфорда, одного из учеников Томсона, привел к ядерной модели строения атома.

Открытия конца XIX в. - рентгеновских лучей (1895), естественной радиоактивности (Беккерель, 1896), электрона (Дж.Томсон, 1897), радия (Пьер и Мария Кюри, 1898), квантового характера излучения (Планк, 1900) были началом революции в науке.

1.2 Планетарная модель строения атома. Современная наука и постулаты Бора

Планетарную модель строения атома первым предложил Ж. Перрен, пытаясь объяснить наблюдаемые свойства орбитальным движением электронов. Но В. Вин посчитал ее несостоятельной. Во-первых, электрон при вращении согласно классической электродинамике должен непрерывно излучать энергию и, в конце концов, упасть на ядро. Во-вторых, из-за непрерывной потери энергии излучение атома должно иметь непрерывный спектр, а наблюдается линейчатый спектр.

Опыты по прохождению а-частиц через тонкие пластинки из золота и других металлов провели сотрудники Э.Резерфорда Э.Марсден и Х.Гейгер (1908). Они обнаружили, что почти все частицы проходят через пластинку свободно, и только 1/10 000 из них испытывает сильное отклонение - до 150°. Модель Томсона это не могла объяснить, но Резерфорд, его бывший ассистент, сделал оценки доли отклонений и пришел к планетарной модели: положительный заряд сосредоточен в объеме порядка 10 - 15 со значительной массой.

Считая орбиты электронов в атоме закрепленными, Томсон в 1913 г. тоже пришел к планетарной модели строения атома. Но, решая задачу на устойчивость такого атома с использованием закона Кулона, он нашел устойчивую орбиту лишь для одного электрона. Ни Томсон, ни Резерфорд не могли объяснить испускание а-частиц при радиоактивном распаде - выходило, что в центре атома должны быть и электроны?! Его ассистент Г. Мозли измерил частоту спектральных линий ряда атомов Периодической системы и установил, что «атому присуща некая характерная величина, которая регулярно увеличивается при переходе от атома к атому. Это количество не может быть ни чем иным, как только зарядом внутреннего ядра».

Построение теории строения атома на основе планетарной модели наталкивалось на обилие противоречий.

Сначала датский физик Н. Бор пытался применить классическую механику и электродинамику к задаче о торможении заряженных частиц при движении через вещество, но при заданном значении энергии электрона появлялась возможность приписывать ему произвольные параметры орбиты (или частоты), что приводило к парадоксам.

Теорию строения атома Бор согласовал с проблемой происхождения спектров. Он дополнил модель Резерфорда постулатами, обеспечивающими устойчивость атома и линейчатый спектр его излучения. Бор отказался от представлений классической механики и обратился к квантовой гипотезе Планка: определенное соотношение между кинетической энергией в кольце и периодом обращения - это перенесение соотношения Е= hv , выражающего связь между энергией и частотой осциллятора, для системы, совершающей периодическое движение. Спектральные формулы Бальмера, Ридберга и Ритца позволили сформулировать требования обеспечения устойчивости атома и линейчатого характера спектра атома водорода: в атоме существует несколько стационарных состояний (или орбит электронов в планетарной модели), на которых атом не излучает энергии; при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую атом излучает или поглощает порцию энергии, пропорциональную частоте, согласующейся с правилом частот Ридберга- Ритца.

Итак, Бор постулировал частоты и существование стационарных состояний. То, что электрон может находиться только на определенных орбитах, сразу объясняло линейчатый спектр атомов - электрон испускает свет только при переходе с одной орбиты на другую, т.е. дискретными порциями, и не излучает, находясь на дозволенной орбите. Правильность предположений Бора могло подтвердить только хорошее согласие с экспериментом.

Применив свою теорию к строению атома водорода, Бор объяснил две (известные тогда) спектральные серии и предсказал еще две, пока не открытые. Он дал рациональное объяснение сериям спектральных линий, определил радиус атома и подсчитал значение постоянной Ридберга, входившей в комбинационный принцип Ридберга - Ритца. Это было огромным успехом. Но при переходе к более сложным атомам Бор столкнулся с трудностями: для атома гелия - только математическими, а при нескольких электронах задача оказалась сложнее, чем задача многих тел в теории Ньютона. И Бор стал строить водородоподобные модели. Теорию усовершенствовал немецкий физик А. Зоммерфельд. Из его расчетов получалось, что орбита - прецессирующий эллипс. Но такое искусственное соединение классических и квантовых представлений вело к неточным результатам для сложных атомов, не объясняло разную интенсивность линий в спектрах и т.д., хотя данные по спектрам водорода уже в 1914 г. были подтверждены.

Модель Резерфорда-Бора - первая квантовая модель строения атома. Объединив в себе результаты, полученные при исследованиях радиоактивности, оптических и электромагнитных явлений, она положила начало новой эпохе в развитии теории атома и сразу же обнаружила свою плодотворность в спектроскопии и теории химической связи. Предсказание спектра атома водорода - выдающееся достижение теории и величайший триумф физики. Впоследствии установили, что электрон не может рассматриваться как материальная точка, он обладает волновыми свойствами, имеет структуру, зависящую от его состояния, а стационарных орбит не существует. Из-за волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по пространству атома, причем так, что электронная плотность неоднородна и имеет максимумы в определенных местах. Описание поведения электронного облака, данное в квантовой механике, становилось все более далеким от наглядности. Специфика квантово-полевых представлений заключается в вероятностной форме законов.

При очень больших значениях энергии, сообщенной атомам, они теряют свои свойства, образуя четвертое агрегатное состояние - плазму. В плазме исчезают почти все упорядочения, отличающие один атом от другого, там царит хаос. Плазма газообразного неона (на атом - 10 электронов) имеет те же свойства, что и плазма газообразного натрия с 11 электронами. Хаос таких высоких температур наблюдаем только в лаборатории, а для космоса - обычное явление. Бор показал, что для больших длин волн к формуле Бальмера можно прийти по классической электродинамике (в этой области спектра справедлива формула Рэлея-Джинса). Это положение, названное «принципом соответствия», стало методологическим основанием первоначального развития квантовой механики. В пределе, когда стационарные состояния оказываются близкими и мало отличимыми, можно пользоваться классическими представлениями. Но для развития теории этот принцип не оказал конструктивной помощи. Ван-дер-Варден назвал весь период с 1919 по 1925 г. периодом «систематического угадывания» на основе принципа соответствия. С.И.Вавилов считал, что неудача с расчетами атома гелия лишила Бора мощного орудия исследования - использования классических представлений для «почти интуитивного угадывания истинных отношений».

2.1 Строение химических элементов и понимание Периодической таблицы Менделеева

В своей Нобелевской речи Бор отметил, что его теория объясняет молекулярные спектры, неплохо согласуясь с опытом. При переходе к объяснению строения химических элементов он предположил, что замкнутые конфигурации энергетически более выгодны и после заполнения одной оболочки начинают заполняться следующие. После создания Бором квантовой теории атома водорода и успехов квантовых представлений в других областях науки активно развивалась спектроскопия, которая явилась ключом в мир внутриатомных явлений.

Еще в 1896 г. П.Зееман осуществил опыт, который не успел провести Фарадей. Пламя горелки он поместил между полюсами электромагнита и наблюдал спектр. При наблюдении поперек поля кроме основной линии с частотой колебаний, которая была бы без поля, были две линии, смещенные в разные стороны от основной. Все три линии линейно поляризованы. При наблюдении вдоль поля несмещенной компоненты нет, а смещенные - поляризованы по кругу в противоположных направлениях. Х.Лоренц объяснил эффект Зеемана вращением электронов по круговой орбите с циклической частотой, определяемой силой Лоренца. Дж.Лармор учел прецессию электронов вокруг силовых линий магнитного поля с этой частотой. Теория Лармора-Лоренца - выдающееся достижение электронной теории, и ее авторы были удостоены Нобелевской премии за открытие и объяснение эффекта Зеемана (1902). Но квантовая теория, развиваемая А. Зоммерфельдом, не могла ничего сказать о поляризации и интенсивности линий, их определили в нормальном эффекте Зеемана с помощью принципа соответствия Бора. На практике чаще наблюдается расчленение на несколько компонентов (линий). Как указывал в 1919 г. Д.С.Рождественский, эта проблема тесно связана с магнитными свойствами атома.

Но не был интерпретирован аномальный эффект Зеемана, когда возникало отличное от триплета расщепление линии в магнитном поле. Паули, работая у Бора два года над этой проблемой, выдвинул гипотезу ядерного спина для объяснения сверхтонкой структуры спектральных линий. Он считал, что необъясненные явления «возникают вследствие двузначности свойств электрона, которую нельзя описать классически» (1924). Фактически это и была гипотеза существования спина электрона, которую робко высказывал еще Комптон (1921).

Идея опыта состояла в использовании известного факта притяжения большим магнитом маленьких, у которых на северный и южный полюсы действуют разные силы из-за неоднородности большого магнита. В однородном поле они просто повернулись бы в направлении поля. По классической теории на экране пучок должен дать размытое изображение - магнитный момент атома может принимать любые значения. По квантовой теории следовало ожидать, что пучок или не расщепится (как должно быть у водорода), или расщепится не менее чем на три пучка (при наличии магнитного момента). Но получалось, что пучок атомов водорода, серебра, натрия, калия и других одновалентных атомов расщепляется на два пучка. Поэтому и возникла гипотеза о собственном механическом и магнитном моменте электрона.

С позиции классической теории наличие таких моментов может быть обусловлено вращением электрона вокруг собственной оси. Тогда он как вращающаяся масса будет обладать моментом импульса. А вращающийся заряд есть совокупность круговых токов, т.е. появляется и магнитный момент.

Спин электрона имеет размерность вращательного момента-импульса, умноженного на расстояние. Говорят, что его состояния - «вверх» и «вниз». В магнитном поле он направлен по полю или против него. В том же 1924 г. Паули сформулировал принцип: на одной орбите не могут одновременно находиться более двух тождественных частиц с полуцелыми спинами. Спин электрона описывает асимметрию электрона, неизотропность его свойств.

Запрет Паули привел к новым открытиям, к пониманию тепло- и электропроводности металлов и полупроводников. К 1927 г. Паули сумел объяснить парамагнетизм электронного газа в металле и структуру электронных оболочек в атоме.

Электронные оболочки атомов строились с помощью принципа Паули. Так была понята Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Каждый слой представлялся совокупностью стационарных орбит. По Бору, электроны только после заполнения оболочки начинают занимать более высокие орбиты. Методы нахождения допустимых орбит определялись правилами квантования Бора - Зоммерфельда, позволившими продвинуть модель Бора от водорода к другим атомам. Оказалось, что электроны движутся не по окружностям, а по эллипсам, значит, находящиеся на одном эллипсе электроны должны отличаться ориентацией, а эллипсы одного слоя - эксцентриситетом.

Значения энергии, которые может принимать движущаяся частица, определяются главным квантовым числом (и): п = 1, 2, 3,... Электронные слои обозначают большими буквами латинского алфавита К, L , М, N , О и т.д. Наибольшее количество электронов в слое равно 2n 2 , поэтому в самом близком к ядру слое К (п = 1) может находиться не более двух электронов, в слое L (п = 2) - не более восьми и т.д. Чем больше заряд ядра или порядковый номер в таблице, тем сильнее притягиваются электроны, особенно внутренних слоев, поэтому диаметры слоев с ростом номера элемента уменьшаются, и все атомы имеют почти одинаковые размеры порядка 10 - 10 м. Атомы, относящиеся к одной группе элементов таблицы Менделеева, имеют одинаковую валентность, обусловливающую их сходные химические свойства. На внешних оболочках они имеют одинаковое число электронов, которые называются валентными.

Принцип Паули позволил объяснить насыщение уровней. В соответствии со свойствами симметрии-функции при перестановке двух частиц для электронов возможны только антисимметричные состояния. В дальнейшем принцип Паули сыграл решающую роль при построении статистики Ферми-Дирака для частиц с полуцелым спином - фермионов. Для частиц с целым спином (в единицах) - бозонов - была построена статистика Бозе - Эйнштейна. Принцип Паули не имеет аналога в классической физике, и физические причины существования этого запрета не полностью еще понятны. Паули предложил сначала простое правило, автоматически объясняющее наличие групп из 2, 8, 18 и 32 элементов. Он постулировал, что одну электронную орбиталь (или стоячую волну) могут занимать не более двух электронов. Вскоре было обнаружено наличие спина у электрона, и получилось, что принцип Паули имеет основание.

Если идти по системе химических элементов в направлении увеличения их номера, то оказывается, что электронами сначала заполняются наинизшие уровни энергии. Так, атом висмута выглядит так же, как и атом свинца, но с одним отличием - у висмута на 6p -оболочке на один электрон больше. Существует еще одно правило заполнения оболочек - правило Хунда, согласно которому, при заполнении s , p , d и т. д. уровней их сначала занимают электроны с одинаковой ориентацией спина и только потом - с противоположной. Так можно построить модели 92 стабильных атомов Периодической системы химических элементов.

Так, атом азота имеет 7 электронов; из них по два (с «правым» и «левым» спином) располагаются на уровнях \ s и 2s, а остальные три - на уровне 2р, который может вместить только 6 электронов. По правилу Хунда последние три электрона азота имеют одинаковую ориентацию спина. В волновой модели каждому из р-элек тронов соответствует волновая функция из двух симметричных «яйцевидных» половинок; три из них могут быть ориентированы вдоль любой из трех осей прямоугольной системы координат, в результате атом выглядит сферически симметричным. Следующий атом - кислород - должен содержать в одном из этих «p -пространств» еще один электрон с противоположно направленным спином. Это можно представить так: две полностью конгруэнтные p -орбитали проникают друг в друга, совершенно не влияя одна на другую. Периодическая система элементов теряла свою загадочность.

Как известно, природные химические элементы занимают в Периодической таблице места до № 92, т. е. до урана. Более тяжелых элементов нет ни на Земле, ни в метеоритах, приходящих из Космоса. Это и понятно - в ядрах атомов этих элементов больше протонов, значит, ядра таких элементов неустойчивы, а атомы - радиоактивны. Для получения трансурановых элементов были созданы специальные установки, названные циклотронами, в которых создаются мощные пучки а-частиц и более тяжелых частиц для бомбардировки ими урана. Первые циклотроны были созданы в США, где были получены сначала плутоний и нептуний, а затем - вплоть до элемента № 101, который был назван менделевием.

2.2 Химический катализ и методы управления химическими процессами

Реакционная способность вещества на 50 % определяется его составом и структурой и на 50 % - его реагентом по реакции. Так, если реагент - сильная кислота, то вещество ведет себя как основание, и наоборот. Эту двойственность поведения в реакции объяснил Бутлеров, считая, что вещество расщепляется на два изомера и это влияет на равновесную изомерию (таутомерия). Впоследствии А. Н. Несмеянов установил, что это - раздвоение свойств изомера как целого.

К 70-м годам XIX в. идеи и методы физики стали проникать в смежные области естествознания. Н. Н. Бекетов впервые сформулировал и обосновал положение о том, что физическая химия - самостоятельная наука, основная задача которой состоит в изучении связи между физическими и химическими свойствами веществ, явлений и процессов. Работами М.Бертло, Ю.Томсона, В.Ф.Лучинина и Н.Н.Бекетова была создана термохимия, изучающая закономерности в теплоте образования и сгорания веществ в зависимости от их химического строения. Исследования Дж. Гиббса, Я. Г. Вант-Гоффа, В.Г.Нернста и других ученых развили химическую термодинамику, изучающую энергетические процессы, которые сопровождают процессы химические. Гиббс сформулировал правило фаз, по которому система имеет несколько состояний, разделенных между собой границами. Нернст установил, что при приближении к температуре, равной 0 К, тепловой эффект и движущая сила химических реакций все более совпадают и это дает возможность производить точный расчет химических реакций. Начало систематическому расчету реакций положил Н.А. Меншуткин.

Химические реакции - основа химии. При столкновениях молекул может высвободиться энергия, достаточная для перегруппировки электронов в них и формирования нового набора связей, т. е. образования новых соединений. Химические реакции обычно представляют в виде уравнений: слева - исходные вещества, справа - продукты реакции; стрелка обращена в сторону более низкой суммарной энергии связей, показывая, в какую сторону реакция стремится идти самопроизвольно. Но реакции могут идти в обе стороны и представляют собой перераспределение химических связей.

Исследования общих закономерностей, управляющих химическими процессами, заинтересовали возникшую в конце XIX в. химическую индустрию. Если какое-то вещество является катализатором, или ингибитором, происходит целый комплекс реакций, участвуют все вещества, оказавшиеся в зоне реакции, и могут получиться различные побочные продукты. От знания скорости и направления реакций, влияния на них различных факторов зависела производительность химической промышленности. Определение характера химического процесса казалось почти невозможным, пока не создали химическую термодинамику и кинетику.

Ответ на вопрос, от чего зависит возможность осуществления реакции, перестройки химических связей дают законы термодинамики. Например, для получения теплоты требуется определенное топливо. Переход теплоты от нагретого тела связан с распределением энергии: атомы вещества отдают энергию теплового движения окружающим атомам, не меняя своего состояния. При химических реакциях энергия тоже рассеивается, но меняются окружение атомов и исходное вещество, может возникнуть новое вещество. При решении разнообразных термодинамических задач используют особые функции - термодинамические потенциалы. Зная выражение термодинамических потенциалов, через независимые параметры системы можно вычислить и другие характеристики процессов. Приведем некоторые из них.

Термодинамический потенциал равен изменению потенциала, приходящегося на одну частицу в соответствующем процессе. И реакция возможна, если она сопровождается уменьшением величины потенциала. Когда камень падает в поле тяготения, уменьшается его потенциальная энергия. Подобный процесс наблюдается и в химической реакции: когда она идет, ее свободная энергия переходит на более низкий уровень. В этих примерах аналогия полная, поскольку нет изменения энтропии. Но в химических реакциях изменение энтропии необходимо учитывать, и возможность реакции еще не означает, что она пойдет самопроизвольно. Термодинамика объясняет: реакция пойдет только при уменьшении энергии веществ и увеличении энтропии. Энтропия растет, так как в малой молекуле расположение атомов менее упорядочено, чем в большой.

Но реальные процессы и состояния чаще всего являются неравновесными, а системы - открытыми. Такие процессы рассматриваются в неравновесной термодинамике.

Ле Шателье выдвинул принцип подвижного равновесия (1884). Сейчас его формулируют так: внешнее воздействие, которое выводит систему из состояния термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, направленные на ослабление результатов такого влияния. Появилась возможность смещать равновесие в сторону образования продуктов реакции через изменение температуры, давления и концентрации реагентов. Эти методы назвали термодинамическими.

Явление химического катализа было открыто в 1812 г. Кирхгофом. В XVIII в. уже знали о каталитическом действии селитры при получении серной кислоты, хотя смысл этого явления не поддавался объяснению. Берцеллиус связал природу взаимодействия агентов с электрохимическими потенциалами (1835), обозначив силу «вызывания химической деятельности» понятием каталитической силы. Либих предположил, что взаимодействие с катализатором может непрерывно менять химические связи в молекуле. Взгляды Либиха поддержал Д. И. Менделеев. К концу XIX в. поняли, что в реакции участвуют стенки сосуда, растворители и случайные примеси. Целенаправленное изучение катализа позволило к середине XX в. получать широкий круг органических продуктов, регулировать скорость и заданную направленность химических реакций.

Д.П.Коновалов положил начало физико-химической теории катализа, ввел понятие активной поверхности (1885) и вывел формулу для скорости автокаталитических реакций независимо от С. Оствальда. Теорией катализа занимался и Д. И. Менделеев (1886). При катализе происходит активация молекул реагента при контакте с катализатором: связи в веществе становятся более подвижными, «подталкивая» вещества к взаимодействию. В. Оствальд, сравнивая относительную активность различных кислот, пришел к выяснению условий химического равновесия и развитию катализа. Он определил катализатор как вещество, «которое изменяет скорость реакции, но не входит в состав конечного продукта реакции».

Доля каталитических процессов в химической промышленности достигает 80 %. За 50 лет катализ превратился в мощное орудие синтеза веществ. Зависимость скорости реакций от температуры исследовал С.Аррениус, предложивший (1889) закон: вероятность накопления энергии активации определяется формулой, полученной Больцманом:. Вант-Гофф исследовал причины, меняющие скорость реакций, и показал, что с ростом температуры энергия частиц при столкновениях может оказаться достаточной для начала химической реакции. Зная величины энтропии веществ, можно определить условия протекания реакции и ее направление.

Природный катализатор - хлорофилл - комплексное металло-органическое соединение в живой ткани зеленого листа. Поэтому можно считать, что процесс фотосинтеза происходит при фото-биокатализаторе, и эти реакции изучаются в целях получения еще одного источника энергии. За идеями строения эффективных биокатализаторов химики часто обращаются к живой природе. Поэтому будущее катализа - на пути между химией и биологией. Большинство биохимических процессов - каталитические. Расчет энергии активации проводится в квантовой химии.

Биокатализаторы были открыты в начале XX в. Благодаря работам французских химиков П.Сабатье и Ж.Б.Сандерана в промышленности при гидрировании органических веществ вместо благородных металлов стали использовать никель, медь, кобальт, железо. Русский химик-органик В.Н.Ипатьев исследовал каталитическое действие оксидов металлов при высоких давлениях и температурах и установил, что при использовании смеси катализаторов их действие усиливается. Каталитический способ синтеза аммиака из атмосферного азота и водорода под давлением открыл немецкий химик Ф. Габер. Затем химик-технолог К. Бош и А. Митташ предложили промышленный способ синтеза аммиака с использованием смеси катализаторов - железа, едкого калия и глинозема - при повышенных температурах и высоком давлении.

Управлять ходом химической реакции можно и за счет привлечения внешнего источника энергии - световой или тепловой. С ее помощью удается расшатать атомы в исходной молекуле и побудить их к участию в нужной реакции. Этим занимается область химии, получившая название химии экстремальных состояний. Использованием для этой цели более жесткого электромагнитного излучения (для молекул с крепкими внутримолекулярными связями) занимается радиационная химия.

2.3 Цепные реакции и свободные радикалы

Свободный радикал обнаружил в 1900 г. уроженец Украины М. Гомберг, создатель антифриза для автомобилей. Он выделил некое соединение, способное вступать в реакции, и доказал, что оно есть «половина молекулы». До этого считали, что только молекулы и атомы участвуют в химических реакциях. Если происходит реакция типа замещения, то выделяющаяся энергия перераспределяется между продуктами реакции. Но многие реакции идут через промежуточные продукты реакции и энергия активации понижается. Если промежуточные продукты имеют ненасыщенные валентности, это понижение особенно заметно. Такие атомы или соединения называют радикалами и обозначают точкой над символом.

М.Боденштейн обнаружил, что при взаимодействии хлора и водорода один поглощенный фотон света вызывает образование около ста тысяч молекул хлороводорода. Реакция соединения хлора с водородом идет следующим образом:

Первая ненасыщенная валентность при комнатных температурах не образуется, нужно, чтобы с какой-то внешней помощью произошло расщепление молекулы хлора на два атома, после этого реакция самопроизвольно и быстро осуществится по заданной схеме. Каждый раз вместо ненасыщенной валентности одного свободного атома появляется валентность другого атома, и этот процесс происходит поочередно. Реакция идет цепным образом, отсюда название - цепная реакция.

Понятие разветвленных цепных реакций ввели через 10 лет И.А.Кристиансен и Г. А. Крамерс, показав, что цепные реакции могут наблюдаться не только в фотохимических реакциях. Это понятие позднее заимствовали физики для описания ядерных процессов.

Советские ученые Ю.Б.Харитон и А.К.Вальтер, исследуя реакции между парами фосфора и кислородом (1926), не могли понять, почему они не шли при низких и высоких давлениях кислорода, тогда как при средних происходил взрыв. Объяснение этому явлению дал основатель научной школы по химической кинетике Н. Н. Семенов. Причиной является разветвленная цепная реакция, когда вместо одной ненасыщенной валентности получаются несколько.

Окисление водорода, например, идет по такой схеме: (зарождение цепи),(разветвление цепи), (продолжение цепи).

Возникающий на этапе зарождения цепи радикал Н0 2 мало активен. Итак, из одного активного центра с ненасыщенной валентностью Н получаются три гидроксида ОН и два Н. Если последние радикалы Н могут дать вновь по три радикала, то скорость реакции нарастает лавинообразно. Воспрепятствовать этому бурному процессу может только рекомбинация Н на стенках сосуда или переход валентности на неактивный радикал Н0 2 внутри объема. Значит, меняя условия протекания реакции, можно управлять и скоростью ее протекания. При этом важную роль играют размеры сосуда - успеют ли радикалы дойти до стенки и рекомбинировать на ней или разветвление реакции произойдет раньше, закончившись взрывом.

К тем же выводам пришел и английский ученый С.Н.Хиншелвуд, открывший вещества, которые могут реагировать двояко. Близкие идеи относительно классификации процессов воспламенения и предельных явлений при горении ацетилена содержались в монографии Д.В.Алексеева (1915). В ацетилене, например, при медленном нагревании продукты распада группы СН не будут иметь времени для того, чтобы родились известные продукты полимеризациии т. д. При быстром нагревании активные молекулы начнут разлетаться с большими скоростями, при столкновениях дадут начало химическому превращению и процесс будет развиваться от слоя к слою, образуя волну реакции. При малых концентрациях молекул реакция может погаснуть. Значит, процессом горения можно управлять.

Теорию цепных реакций Семенов построил и изложил в монографии «Цепные реакции» (1934). Она охватывала большое число явлений, происходящих при взрывных процессах и горении.

Примером цепной реакции является и реакция деления ядер урана, происходящая аналогично химической, только вместо закона сохранения масс действует закон сохранения и изменения энергии (и массы). Работы, начатые в 1934 г. под руководством Э. Ферми, показали, что ядра атомов большинства элементов способны поглощать медленные нейтроны и становиться радиоактивными.К 1938 г. было обнаружено, что в уране, активизированном нейтронами, присутствует элемент, сходный с танталом. Этому факту есть только одно объяснение - под действием нейтронов атом урана делится на две примерно равные массы. Если в уране отношение числа нейтронов к числу протонов равно 1,6, а в тантале - между 1,2 и 1,4, то при делении обязательно возникнут элементы с «лишними» нейтронами. Это значит, что нейтроны играют роль спичек, возбуждающих реакцию деления.

Джозеф Джон Томсон родился в Манчестере. Здесь, в Манчестере, он окончил Оуэнсколледж, а в 1876-1880 годах учился в Кембриджском университете в знаменитом колледже святой Троицы (Тринити-колледж). В январе 1880 года Томсон успешно выдержал выпускные экзамены и начал работать в Кавендишской лаборатории.

Томсон был одержим экспериментальной физикой. Одержим в лучшем смысле этого слова. Научные успехи Томсона были высоко оценены директором лаборатории Кавендиша Рэлеем . Уходя в 1884 году с поста директора, он, не колеблясь, рекомендовал своим преемником Томсона.

С 1884 по 1919 год Томсон руководил лабораторией Кавендиша. За это время она превратилась в крупный центр мировой физики, в международную школу физиков. Здесь начали свой научный путь Резерфорд, Бор, Ланжевен и многие другие, в том числе и русские, ученые.

Программа исследований Томсона была широкой: вопросы прохождения электрического тока через газы, электронная теория металлов, исследование природы различного рода лучей...

Взявшись за исследование катодных лучей, Томсон прежде всего решил проверить, достаточно ли тщательно были поставлены опыты его предшественниками, добившимися отклонения лучей электрическими полями. Он задумывает повторный эксперимент, конструирует для него специальную аппаратуру, следит сам за тщательностью исполнения заказа, и ожидаемый результат налицо.

В трубке, сконструированной Томсоном, катодные лучи послушно притягивались к положительно заряженной пластинке и явно отталкивались от отрицательной. То есть вели себя так, как и полагалось потоку быстролетящих крошечных корпускул, заряженных отрицательным электричеством. Превосходный результат!

Он мог, безусловно, положить конец всем спорам о природе катодных лучей. Но Томсон не считал свое исследование законченным. Определив природу лучей качественно, он хотел дать точное количественное определение и составляющим их корпускулам.

Окрыленный первым успехом, он сконструировал новую трубку: катод, ускоряющие электроды в виде колечек и пластинки, на которые можно было подавать отклоняющее напряжение. На стенку, противоположную катоду, он нанес тонкий слой вещества, способного светиться под ударами налетающих частиц. Получился предок электроннолучевых трубок, так хорошо знакомых нам в век телевизоров и радиолокаторов.

Цель опыта Томсона заключалась в том, чтобы отклонить пучок корпускул электрическим полем и компенсировать это отклонение полем магнитным. Выводы, к которым он пришел в результате эксперимента, были поразительны. Во-первых, оказалось, что частицы летят в трубке с огромными скоростями, близкими к световым. А во-вторых, электрический заряд, приходившийся на единицу массы корпускул, был фантастически большим.

Что же это были за частицы: неизвестные атомы, несущие на себе огромные электрические заряды, или крохотные частицы с ничтожной массой, но зато и с меньшим зарядом? Далее он обнаружил, что отношение удельного заряда к единице массы есть величина постоянная, не зависящая ни от скорости частиц, ни от материала катода, ни от природы газа, в котором происходит разряд.

Такая независимость настораживала. Похоже, что корпускулы были какими-то универсальными частицами вещества, составными частями атомов. «После длительного обсуждения экспериментов - пишет в своих воспоминаниях Томпсон, - оказалось, что мне не избежать следующих заключений:

1. Что атомы не неделимы, так как из них могут быть вырваны отрицательно заряженные частицы под действием электрических сил, удара быстро движущихся частиц, ультрафиолетового света или тепла.

2. Что эти частицы все одинаковой массы, несут одинаковый заряд отрицательного электричества, от какого бы рода атомов они ни происходили, и являются компонентами всех атомов.

3. Масса этих частиц меньше, чем одна тысячная массы атома водорода. Я вначале назвал эти частицы корпускулами, но они теперь называются более подходящим именем «электрон».

Томсон принялся за расчеты. Прежде всего, следовало определить параметры таинственных корпускул, и тогда, может быть, удастся решить, что они собой представляют. Результаты расчетов показали: сомнений нет, неизвестные частицы не что иное, как мельчайшие электрические заряды - неделимые атомы электричества, или электроны.

29 апреля 1897 года в помещении, где уже более двухсот лет происходили заседания Лондонского королевского общества, состоялся его доклад. Слушатели были в восторге. Восторг присутствующих объяснялся вовсе не тем, что коллега Дж. Дж. Томсон столь убедительно раскрыл истинную природу катодных лучей.

Дело обстояло гораздо серьезнее. Атомы, наипервейшие кирпичики материи, перестали быть элементарными круглыми зернами, непроницаемыми и неделимыми, частицами без всякого внутреннего строения...

Если из них могли вылетать отрицательно заряженные корпускулы, значит, и представлять собой атомы должны были какую-то сложную систему, систему, состоящую из чего-то заряженного положительным электричеством и из отрицательно заряженных корпускул - электронов. Теперь стали видны и дальнейшие, самые необходимые направления будущих поисков.

Прежде всего, конечно, необходимо было определить точно заряд и массу одного электрона. Это позволило бы уточнить массы атомов всех элементов, рассчитать массы молекул, дать рекомендации к правильному составлению реакций.

В 1903 году в той же Кавендишской лаборатории у Томсона Г. Вильсон внес важное изменение в метод Томсона. В сосуде, в котором производится быстрое адиабатическое расширение ионизируемого воздуха, помещены пластинки конденсатора, между которыми можно создавать электрическое поле и наблюдать падение облака, как при наличии поля, так и в его отсутствии.

Измерения Вильсона дали значение для заряда электрона как 3,1 умноженную на 10 в минус десятой степени абс.эл. ед. Метод Вильсона был использован многими исследователями, в том числе и студентами Петербургского университета Маликовым и Алексеевым , которые нашли заряд равным 4,5 умноженную на 10 в минус десятой степени абс.эл. ед. Это был наиболее приближающийся к истинному значению результат из всех полученных до того, как Милликен начал с 1909 года измерения с отдельными каплями.

Так был открыт и измерен электрон - универсальная частица атомов , первая из открытых физиками так называемых «элементарных частиц». Это открытие дало возможность физикам, прежде всего, по-новому поставить вопрос об изучении электрических, магнитных и оптических свойств вещества.

Источник информации: Самин Д. К. "Сто великих научных открытий"., М.:"Вече", 2002 г.

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.................