Траектория движения катодных лучей

Английский ученый Уильям Крукс исследует эту проблему всесторонне. В 1874 г. в Шеффилде он прочитал доклад на тему: «Лучистая материя, или четвертое состояние вещества». В нем Крукс развивал свои взгляды на природу катодных лучей как на поток материальных частиц, движущихся с огромной скоростью и имеющих отрицательный электрический заряд. Он утверждал, что эти частицы представляют собой осколки якобы вечного и неделимого атома.

Экспериментируя с ртутными насосами, Крукс установил, что электрический разряд в приборе с высоким вакуумом протекает иначе, чем в обычной вакуумной трубке, и представляет собой поток «лучевой материи», испускаемой отрицательно заряженным электродом – катодом. При обычном вакууме разряд происходит в виде полос света, направленных от катода к аноду. Если же из колбы удалить практически весь газ, то разряд примет форму катодных лучей, направленных под прямым углом к поверхности катода, независимо от положения анодов.

Катодные лучи отклоняются от своей первоначальной траектории под действием магнитного поля и несут отрицательный электрический заряд. Оказалось, что именно они вызывают в вакуумной трубке более мощное рентгеновское излучение. Катодные лучи исследовал Дж. Дж. Томсон. Он одновременно воздействовал на катодные лучи магнитным и электрическим полями таким образом, чтобы их влияние на траекторию движения луча уравновешивалось.

В своих экспериментах Томсон установил, что под действием электрического поля траектория движения катодных лучей изменяется. Для того чтобы восстановить первоначальную траекторию, используется магнит. В этом случае скорость катодного потока есть соотношение сил электрического и магнитного полей, зная которое можно определить отношение заряда к массе е/m. Оказывается, что для электрона это отношение в 1840 раз больше, чем для самого легкого иона (иона водорода), т. е. электрон в 1840 раз легче иона водорода. Позже Дж. Таунсенд определил, что заряд электрона равен заряду отрицательного одновалентного иона.

Но все сомнения ученых в том, что электрон действительно является частицей, несущей элементарный заряд, были отброшены после эксперимента, выполненного в 1909 году американским физиком Робертом Малликеном. Он электризовал капельки масла, направлял их в пространство между горизонтально расположенными обкладками конденсатора и в микроскоп наблюдал за их поведением. Даже легчайшие капельки падают вниз под действием силы тяжести, но чем, они легче, тем быстрее уравновешиваются силой сопротивления воздуха и тогда уже двигаются равномерно (а не равномерно ускоренно). Если приложить напряжение, они начнут двигаться быстрее или медленнее – в зависимости от направления поля. Сравнивая скорости движения наэлектризованных капель в электрическом поле и без него, Малликен определил их заряд.

Пропуская через масляные капли поток катодных лучей, которые ионизируют воздух, Малликен обнаружил, что скорость движения капель изменяется скачками. Это происходит потому, что когда к капле присоединяется один или несколько ионов, то заряд капли должен измениться или на величину, соответствующую элементарному заряду электричества, если таковой существует, или должен быть кратным ему. Малликен выполнил эксперименты с каплями самых разных жидкостей – масел, ртути, глицерина, и обнаружил, что, действительно, наименьший электрический заряд капель существует и значение его такое же, как было получено Фарадеем при исследовании электролиза. Опыты Малликена подтвердили гипотезу о «зернистой структуре электричества» Дж. Стони, который в 1891 г. рассчитал электрический заряд одновалентного иона и предложил называть его электроном.

Это все были лишь косвенные доказательства, но дошло дело и до прямого. Сначала слабый пучок частиц направляли на светящийся экран, на котором каждая частица давала вспышку, позже для счета частиц стали использовать специальный прибор – счетчик Гейгера. Если поместить такой счетчик в специальную ловушку для частиц, то через определенное время она зарядится, и этот заряд можно измерить. Значение одного заряда определяется как отношение количества электричества, перенесенного зарегистрированными частицами, к их числу.

Вот теперь можно было с уверенностью сказать, что существование электрона, элементарной частицы, несущей отрицательный электрический заряд, является не гипотезой ученых, а научным фактом.


Полезное чтиво:
Схема движения электронов
Движение электронов вокруг ядра
Электроны и ядра атомов
Атомы химических элементов
О химических процессах
Как образуются молекулы