Что такое катодные лучи
Катодные лучи
Катодные лучи — поток электронов, излучаемый катодом. Катодные лучи используются в телевизионных трубках, компьютерных мониторах, осциллографах и радиолампах. В этих приборах катодные лучи распространяются в вакууме. Катодные лучи вызывают свечение некоторых веществ, нанесенных на внутреннюю поверхность трубки. Катодные лучи обладают кинетической энергией и способны передавать механическое движение вертушке с лопастями. Катодные лучи отклоняются магнитным и электрическим полем. Катодные лучи отрицательно заряжены, и поэтому движутся по направлению к положительно заряженному электроду трубки, пролетая через отверстие в нём.
Содержание
История использования катодных лучей
Литература
Ссылки
См. также
Полезное
Смотреть что такое «Катодные лучи» в других словарях:
КАТОДНЫЕ ЛУЧИ — КАТОДНЫЕ ЛУЧИ, прямолинейный пучок электронов (см.), исходящий иа катода и возникающий при пропускании тока высокого напряжения через металлич. электроды, помещенные в чрезвычай s R но разреженный Щ [= == V газ. Катодные V J лучи возникают ЦП… … Большая медицинская энциклопедия
КАТОДНЫЕ ЛУЧИ — КАТОДНЫЕ ЛУЧИ, излучение, испускаемое нагреваемым КАТОДОМ электронной лампы, заполненной газом под низким давлением. Эти лучи идентифицировал в 1897 г. Дж. Дж. Томсон как потоки заряженных частиц очень малой массы (впоследствии они получили… … Научно-технический энциклопедический словарь
КАТОДНЫЕ ЛУЧИ — поток эл нов в тлеющем разряде столь низкого давления, что значит. часть эл нов, ускоряясь в области катодного тёмного пр ва, проходит практически весь разрядный промежуток. При падении на стеклянную стенку прибора К. л. вызывают флюоресценцию… … Физическая энциклопедия
КАТОДНЫЕ ЛУЧИ — (Cathode rays) поток очень быстро летящих электронов, наблюдающийся при электрическом разряде в трубке с разреженным газом. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское Издательство НКВМФ Союза ССР, 1941 … Морской словарь
катодные лучи — katodiniai spinduliai statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. cathode rays; Lenard rays vok. Katodenstrahlen, m; Lenard Strahlen, m rus. катодные лучи, m; лучи Ленарда, m pranc. faisceaux cathodiques, m; rayons cathodiques, m; rayons de… … Fizikos terminų žodynas
катодные лучи — katodiniai spinduliai statusas T sritis chemija apibrėžtis Iš katodo viena kryptimi judančių ir elektrinio lauko pagreitintų elektronų srautas. atitikmenys: angl. cathode rays rus. катодные лучи … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
Катодные лучи — см. Электролюминесценция … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
лучи Ленарда — katodiniai spinduliai statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. cathode rays; Lenard rays vok. Katodenstrahlen, m; Lenard Strahlen, m rus. катодные лучи, m; лучи Ленарда, m pranc. faisceaux cathodiques, m; rayons cathodiques, m; rayons de… … Fizikos terminų žodynas
Рентгеновские лучи* — 1) Если пропускать разряды довольно большой катушки Румкорфа через достаточно разреженную трубку Гитторфа, Ленарда, Крукса или иной подобный прибор и покрыть трубку плотно прилегающей к ней оболочкой из тонкого черного картона, то в совершенно… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
Рентгеновские лучи — 1) Если пропускать разряды довольно большой катушки Румкорфа через достаточно разреженную трубку Гитторфа, Ленарда, Крукса или иной подобный прибор и покрыть трубку плотно прилегающей к ней оболочкой из тонкого черного картона, то в совершенно… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
КАТОДНЫЕ ЛУЧИ
________J лучи возникают ЦП также при осве- Ш щении поверх- А ‘ ности металлов, рИс. 1. помещенных в пустоте, ультрафиолетовыми лучами и при некоторых других условиях, например с поверхности раскаленного катода. При ударе катодных лучей о поверхность твердого тела возникают рентгеновские лучи (см.). Если цилиндрическую запаянную трубку R, имеющую форму, изображенную на рисунке 1, со впаянными в нее электродами— катодом К и анодом А—соединить с соответ-
ствующими полюсами батареи высокого напряжения, с индуктором или трансформатором высокого напряжения и затем производить постепенно откачивание газа из этой трубки, то при давлении ок. нескольких десятых долей мм ртутного столба делается заметным исходящее из катода К слабое голубое сияние S, вызывающее
на противоположной стенке L яркую зеленую флюоресценцию. Голубоватое свечение остатков газа и зеленая флюоресценция стекла вызваны катодными лучами. Катодные лучи обнаруживают следующие свойства. Они проходят через твердые тела, и если на их пути поместить экран с окошком М, сделанным из очень тонкого металлического листка или стекла, то за пределами этого окошка катодные лучи распространяются в виде прямой линии, имеющей размеры окошка (рисунок 2). Если поднести положительно наэлектризованное тело А к пучку К. л., то он изогнется по направлению к этому телу, как s изображено в виде ___. £j> пунктираоЬнарис.2. к м-_ -т ё Рисунок 3 Если зарядить поверхность А отрицательно, то катодный луч отталкивается (см. пунктирную кривую ас). Помещая магнитное поле так, чтобы положительный магнитный полюс N находился впереди, а отрицательный—позади (рис. 3), вызывают отклонение катодного пучка КК (пунктир МТ) в плоскости, перпендикулярной к направлению катодного пучка и к направлению магнитных силовых линий (в плоскости бумаги), причем это отклонение тем больше, чем больше сила магнитного поля. (Катодный луч* идет в направлении стрелки.) Изменяя направление магнитного поля, изменяют и направление отклонения. Катодный луч К, падая на металлический цилиндр С (рис. 4), защищенный от электростатического действия изолированной металлической оболочкой А, от-________ веденной к земле (изолятор Т), и находящийся в катодной трубке,заряжает цилиндр отрицательно, что показывает, что К. л. несет отрицательный заряд. Если К. луч падает на прибор, к-рым можно измерить t° (на термометр или термоэлемент), то прибор показываетповышение1Л Наконец, если на пути К. л. подвешены легкие предметы, к-рые могут отклоняться, то при падении К. л. наступает отклонение по направлению движения К. лучей от катода к противоположной стенке. Все эти явления позволяют признать, что К. лучи являются потоком мельчайших частиц, имеющих отрицательный электрический заряд и равноценных электрическому току, к-рый маг- А Рисунок 4.
нитным полем отклоняется. Поток отрицательных частиц отклоняется полем электростатическим, притягиваясь положительно заряженным телом и отталкиваясь отрицательно заряженным. Большая скорость частиц К. л. является причиной вызываемого ими нагревания: при поглощении они отдают всю свою кинетическую энергию. К. л. можно выпустить наружу через окошко а в стенке S (рис. 5), закрытое тонкой алюминиевой пластинкой, имеющей толщину в сотую долю миллиметра. При этих условиях К. л. выходят наружу в виде сияния. В последнее время Кулиджем (Coolidge) по этому способу получены К. лучи огромной интенсивности. Эти лучи оказываютсильное физиолог. действие: про- рис. 5. изводят резкие ожоги
и могут служить терап. средством.—Изучение отклонений К. л. в магнитном и электрическом полях позволяет определить отношение заряда к массе частиц, составляющих К. л., и их скорости, к-рые оказываются порядка десятой доли скорости света (около 30.000 км в сек.) и зависят от электрического поля. Заряд частиц катодных лучей является тем же самым по величине, что и заряд одновалентных ионов, а масса равна —д- массы атома водорода. При употреблении электродов из различных металлов и при введении различных газов в трубку R (рис. 1) получают всегда одну и ту же массу и один и тот же заряд для частиц К. л. Так. обр. катодные лучи действительно являются потоком первичных отрицательно заряженных частиц—электронов. При больших скоростях, приближающихся к скорости света, электроны изменяют свою массу, и изучение этих изменений массы показывает, что масса электрона должна быть рассматриваема как масса электромагнитного ПрОИСХОЖДеНИЯ. П. Лазарев. Биологическое действие К. л. Благодаря работам Паули и Кулиджа (Pauli, Coolidge) была сконструирована специальная электронная трубка для получения К. л. большой интенсивности. Трубка эта напоминает собой рентгеновскую, типа Кулиджа, т. е. она имеет раскаленный катод; в антикатод-,ном же отростке трубки, прямо против катода, помещается металлическая труба, открытая в направлении катода. На противоположном конце этой трубы помещается металлическое оконце для выхождения электронов, т. е. катодных лучей, в окружающий воздух. Оконце это сделано из никелевой пластинки толщиной в 0,0127 мм. Для избежания повреждения этой пластинки она напаивается на толстую молибденовую решотку; благодаря наличию особого приспособления все это оконце охлаждается проточной водой.—По расчетам Паули количество электронов, полученных в такой трубке, равно количеству /?-лучей, излучаемому 1 мг радия; энергия же их в 4 млн. раз больше энергии рентгеновских лучей, образуемых этими же К. л. в рентгеновской трубке. Обладая такой большой энергией, К. л. проявляют резкое биол. действие, к-рое изучалось рядом авторов. Паули, Гробер и Гартман (Grober, Hartmann) установили, что клетки растений, очевидно вследствие наличия у них более плотной оболочки, иначе реагируют на освещение К. л., чем животные клетки: в последних сначала повреждается оболочка, а затем вследствие выхода ее содержимого погибает и сама клетка; в растительной же клетке, несмотря на целость ее оболочки, погибает само содержимое ее. Бенш и Фин-стербуш (Baensch, Finsterbusch) освещали листья нек-рых растений К. л. и наблюдали появление на них пузырей, наполненных млечным соком. Указанные авторы изучали и бактерицидное действие К. л. Оказывается, что К. лучи убивают любые бактерии и споры в течение 10 сек. Это бактерицидное действие их использовал Ггоне (Htihne) совместно с Беншем и Финстербушем для стерилизации кетгута. Действие К. лучей на животный организм изучали многие авторы. Освещению подвергалась побритая кожа живота у морской свинки. Изменения на коже зависят от примененной дозы К. л. При небольшой дозе уже через несколько часов на освещенном месте наблюдается покраснение кожи, болезненное при ощупывании, т. е. явления воспаления. При несколько больших дозах. появляется более сильная краснота, к-рая держится до 14 дней; потом начинается слущивание эпидермиса и замена его новым. При дальнейшем увеличении дозы появляются пузыри и наконец язвы. Т. о. здесь наблюдаются те же явления, что и при освещении рентгеновскими лучами; разница заключается лишь в том, что рент-. геновские язвы имеют слабую наклонность к заживлению, язвы же от К. л. заживают через 8—15 дней, оставляя после себя нежный блестящий рубец; келоидов не образуется. Вообще действие К. л. ограничивается только кожей, т. к. глубже они не проникают. Из животных тканей наиболее чувствительна к ним эпителиальная ткань, менее — мышечная, еще меньше—нервная, т. е. чувствительность тканей к ним идет параллельно рентгеночувствительности. Очень чувствителен к К. л. глаз: при небольших дозах появляется конъюнктивит, при больших—помутнение роговицы и язвы на ней. К. л. обладают и общим действием: не только после усиленного общего освещения опытного животного, но и после усиленного местного освещения животное через несколько дней погибает. Вначале уменьшается аппетит, животное становится беспокойным, шерсть взъерошивается, и оно погибает без особых характерных симптомов. При массовых вскрытиях таких животных особых типичных изменений во внутренних органах обнаружить не удалось; у одного лишь животного была найдена картина цй-роза печени. Т. о. причина смерти животных еще не установлена.—Много споров вызывает вопрос о том, объясняется ли это биол. действие исключительно воздействием К. л. или же здесь действуют рентгеновские лучи, возникающие при попадании К. л. на оконце. Бенш и Финстербуш пока- зали, что если освещаемое место закрыть почтовой открыткой, то уже никаких изменений не замечается. Это доказывает, что изменения происходят под влиянием К. л., т. к. рентгеновские лучи прошли бы сквозь открытку. Преимущественное преобладание в данном случае К. л. они доказали и целым рядом физ. измерений. С другой стороны, те же авторы согласны с тем, что при попадании К. л. на кожу в ней возникают мягкие рентгеновские лучи, к-рые тоже действуют биологически, присоединяясь к действию катодных лучей. Для уменьшения количества возникающих рентгеновских лучей необходимо освещаемое место обложить защитной резиной. Терап. применение. Бенш и Финстербуш в 1927 г. в клинике Пайра впервые’ применили К. л. с лечебной целью, но так как К. л. поглощаются уже поверхностными слоями кожи, то они стали их применять лишь при нек-рых заболеваниях кожи (кожном раке, волчанке, чешуйчатом лишае, хрон. экземе и плохо заживающих инфицированных ранах). У них имеются уже наблюдения над 52 б-ными с различными формами кожного рака. Во всех случаях получился благоприятный результат: даже у б-ных, к-рым лучи Рентгена и радия не помогали, а после операции получались постоянные рецидивы, от К. л. получалось излечение. В нек-рых случаях, при наличии большого распада он под влиянием К. л. уменьшался настолько, что становилось возможным оперативное вмешательство. На рис. 1 и 2 (отд. табл.) показан случай с кожным раком до и после лечения К. л.—Хорошие результаты наблюдаются при лечении lupus exulcerans и lupus verrucosus. Старые случаи, которые не реагировали на другое лечение, проходили после нескольких освещений. На рис. 3 и 4 (отд. табл.) приведен случай с lupus verr. до и после лечения К. л. При местном чешуйчатом лишае и местной хрон.экземе получался хороший леч.эффект; сомнительно леч. действие К. л. при плохо заживающих инфицированных ранах. Дозиметрия К. л. производится экспериментальным путем: на коже морской свинки определяется та доза, которая не вызывает язвы, и соответственно меньшей дозой освещают б-ного. Обычно освещают при расстоянии болезненного очага от оконца в 5 см, при напряжении в 95 kV и силе тока в 3 тА 10—30 сек. Освещение можно повторить после исчезновения реактивных явлений несколько раз с промежутками в 8— 14 дней. Леч. эффект наблюдается лишь спустя 10—14 дней после освещения. Наблюдения авторов, занимавшихся применением К. л. как терап. фактора, нуждаются в проверке и дальнейшей разработке. То же относится и к дозиметрии. м. Мапиков. Лит.: Маников М., Применение катодных лучей в физиотерапии, Физиотерапия, 1928, № 1; Милликен Р., Электрон, М.—Л., 1926; Хюль-с о и О., Курс физики, Берлин, 1923; Baensch W. u. Finsterbusch F., Unsere klin. Erfahrun-gen mit dor therapeutischen Anwendung von Katho-denstrahlen, Miinch. med. Wochenschr., 1927, № 51; они же, «Cher die therapeutischen Anwendungs-mogliehkeiten von Katiiodenstrahlen, Strahlenthera-pie, B. XXXIII, 1929; Coolidge W., Production of high voltage cathode rays, Journ. ol the Franklin Institute, v. CCII, p. 693, 19-26; Coo- •17 1 i d g e W. a. Moore C, Some experiments with high voltage cathode rays, ibid., p. 723 (биол. действие катодных лучей).
ГЛАВА 11. ЭЛЕКТРОН
1. КАТОДНЫЕ ЛУЧИ
Непосредственным предшественником той субатомной физики, которая родилась в конце XIX века и заняла господствующее положение в научных исследованиях нашего столетия, следует считать Уильяма Крукса (1832-1919). Свободный исследователь, изучавший в своей частной лаборатории в Лондоне проблемы химии и физики, естествознания и спиритизма, Уильям Крукс открыл элемент таллий (1861 г.), создал «радиометр», носящий теперь его имя (1875 г.), и «спинтарископ» (1903 г.). За свои научные заслуги в 1897 г. был пожалован титулом баронета.
Исследование прохождения электричества через разреженные газы было делом чрезвычайно сложным, ибо уровень вакуумной техники тогда был низким и истолкование результатов встречало значительные трудности, и это направление исследований казалось бесперспективным.
Крукс повторил эти исследования, добившись значительно большего разрежения в трубках, которым он придавал самую различную форму. Введя в трубку радиометр, Крукс обнаружил вращение радиометра, когда он оказывался на пути катодного пучка, и сделал вывод, что катодные лучи обладают механическим действием. Поместив в трубку металлический мальтийский крест, Крукс увидел на флуоресцирующем стекле тень и пришел к выводу, что катодные лучи распространяются внутри трубки прямолинейно. Приблизив магнит к тонкому пучку катодных лучей, прошедших сквозь щель, он обнаружил, что флуоресцирующее пятно при этом сместилось, откуда заключил, что магнитное поле искривляет катодные лучи.
Уильям Крукс
Но что представляют собой катодные лучи? Крукс считал, что это «лучистая материя», четвертое состояние вещества, или «ультрагазообразное» состояние, «столь же далекое от газообразного, насколько то далеко от жидкого».
Молекулярные лучи, испускаемые полусферическим катодом а, концентрируются в центре полусферы, где помещена платиновая нить 6, которая накаливается при разряде. (Proceedings of the Royal Institution of Great Britain, 1879.)
Согласно Круксу, принявшему гипотезу Варли, выдвинутую в 1871 г., катодные лучи образованы молекулами остаточного газа, содержащегося в трубке, которые, соприкоснувшись с катодом, заряжаются отрицательно и отталкиваются от катода. Проявляемые ими своеобразные свойства связаны не с их природой, которая остается такой же, как и у остальных известных веществ, а с их агрегатным состоянием, с высокой степенью разрежения. В своем докладе «О лучистой материи, или четвертом агрегатном состоянии», прочитанном на заседании Королевского института, Крукс со свойственным ему оптимизмом, которым он умел заражать и других, сказал пророческие слова, явно выходившие за пределы того, что было получено на опыте:
«При изучении этого четвертого состояния вещества создается представление, что мы имеем, наконец, в своем распоряжении «окончательные» частицы, которые мы можем с полным основанием считать лежащими в основе физики Вселенной. Мы видели, что в отношении некоторых свойств лучистая материя столь же реальна, как, например, эта доска, тогда как по некоторым другим свойствам она сходна с лучистой энергией. Мы определенно вошли здесь в область, где материя и энергия кажутся слитыми воедино, в темную область между известным и неизвестным, которая всегда меня особенно прельщала. Я беру на себя смелость предположить, что главные проблемы будущего найдут свое решение именно в этой области и даже за нею. Здесь, по моему мнению, сосредоточены окончательные реальности, тончайшие, определяющие, таинственные».
2. ПРИРОДА КАТОДНЫХ ЛУЧЕЙ
Молекулярной гипотезе Крукса о природе катодных лучей противостояла волновая гипотеза, поддерживаемая немецкими учеными Видеманом. Гольдштейном, Герцем и Ленардом. Герцу не удалось добиться отклонения катодных лучей при прохождении ими электростатического поля. В 1892 г. он показал, что катодные лучи могут проникать сквозь тонкие пластинки алюминия. Используя это открытие, Ленард вывел эти лучи из трубки, заменив участок стеклянной трубки перед катодом металлической фольгой, достаточно прочной, чтобы выдержать атмосферное давление. Если катодные лучи не отклоняются электростатическим полем, то как это могут быть наэлектризованные молекулы? Если это наэлектризованные молекулы, то как они могут проходить сквозь твердое тело? Проще принять волновое представление Гольдштейна, если даже и приходится приписывать этим волнам необычные свойства, например считать их продольными, а не поперечными, как световые волны.
Однако волновая гипотеза несовместима с тем фактом, что катодные лучи отклоняются магнитом, потому что на световые волны магнитное поле не действует. Как молекулярная гипотеза Крукса, так и волновая гипотеза Гольдштейна оказались неудовлетворительными. Чтобы выйти из этого затруднения, нужны были дополнительные экспериментальные данные.
Опыт Крукса, доказывающий прямолинейность распространения катодных лучей. (Proceedings of the Royal Institution of Great Britain, 1879.) Лучи, выходящие из катода а, задерживаются алюминиевым крестом Ъ, и на стекле трубки образуется тень креста
Это был 1895 г. В этот год родилась электроника.
Молекулярные лучи Крукса искривляются в магнитном поле. (Proceedings of the Royal Institution of Great Britain, 1879.) Пучок ограничен слюдяной пластинкой bd, в которой прорезана тонкая щель е. Выходящие из щели лучи вызывают флуоресценцию вдоль линии ef на экране. Если к трубке приблизить магнит, пучок искривляется и вызывает флуоресценцию в точке g
Это возражение через два года было снято Джозефом Джоном Томсоном (1856-1940), который поместил цилиндр Перрена не перед катодом, а сбоку. Когда поднесенный магнит искривлял катодные лучи так, чтобы они попадали в отверстие цилиндра, цилиндр заряжался отрицательно и одновременно смещалось флуоресцирующее пятно на стекле; заряд оказывался неотделимым от лучей.
Если катодные лучи представляют собой отрицательно заряженные частицы, то законы электродинамики требуют, чтобы они отклонялись в электростатическом поле. Почему же тогда дал отрицательный результат специальный опыт Герца? Возможно, подумал Томсон, что он не удался из-за проводимости остаточного газа в трубке, возникшей под действием катодных лучей. Поэтому Томсон модифицировал экспериментальную установку Герца и обнаружил, что при подаче разности потенциалов на пластины, подсоединяемые к полюсам электрической батареи, лучи действительно отклоняются.
3. ИЗМЕРЕНИЕ ЗАРЯДА И МАССЫ ЭЛЕКТРОНА
Итак, экспериментально было доказано: катодные лучи несут с собой электрические заряды; их отклонение магнитным полем точно такое, как если бы магнитное поле действовало на заряженные частицы, движущиеся вдоль лучей. Перед лицом таких фактов нельзя избежать заключения, говорит Томсон, что катодные лучи и представляют собой отрицательные заряды, переносимые частицами вещества.
Но являются ли эти частицы вещества молекулами, атомами или еще эолее мелкими частицами? Этот качественный вопрос следует дополнить екоторыми количественными уточнениями. Ответ на этот вопрос был получен самим Томсоном, предложившим метод измерения, составивший эпоху в физике.
Жан Перрен
Томсоновский вариант трубки Перрена. Катодные лучи, выходящие из катода А и ограниченные металлической диафрагмой, попадают на стенки трубки, вызывая ее флуоресценцию. Если их отклонить магнитом так, чтобы они попали в отверстие цилиндра, то цилиндр зарядится отрицательно
Томсон действовал на частицу одновременно электрическим и магнитным полями и менял величину этих полей так, что они компенсировались, катодные лучи не отклонялись и создаваемое ими на стекле светящееся пятно не смещалось. Простые математические расчеты позволяют показать, что в этом случае скорость частицы дается отношением электрического поля к магнитному, что легко поддается измерению. Если же, наоборот, измерять смещение светящегося пятна при одновременном воздействии надлежащим образом направленных магнитного и электрического полей, то, применяя законы механики, можно определить отношение e/m электрического заряда частицы к ее механической массе, что Томсон и сделал.
Опыты Томсона дали следующие результаты: скорость частиц, возрастающая по мере увеличения разрежения в трубке, чрезвычайно велика, значительно больше средней скорости, приписываемой, согласно кинетической теории, молекулам остаточного газа в трубке (в одном из первых опытов 1897 г. Томсон нашел скорость равной 1 /10 скорости света, но через десять лет он получил для нее значение 1 /3 скорости света). Кроме того, эта скорость зависит от разности потенциалов, которую проходит заряд. Значение е/т оказалось не зависящим ни от состава остаточного газа, ни от формы трубки, ни от материала электродов, ни от скорости лучей, если только она не близка к скорости света, ни от каких-либо иных физических параметров. Другими словами, отношение е/m есть универсальная постоянная.
Катодные лучи, испускаемые катодом С, проходят после щелей А и В между двумя пластинами D и Е и вызывают флуоресцирующее пятно на стекле трубки, к которому прикреплена шкала. Если пластины D и Е связать с полюсами электрической батареи, а пластина D заряжена положительно, пятно на трубке сместится вверх; если пластина Е заряжена положительно, то пятно смзстится вниз
Аналогичное отношение e/m было уже подсчитано для иона водорода из данных по электролизу; оно оказалось равным 104. Различие этих значений может быть истолковано по-разному: если мы будем для удобства читателя называть отрицательно заряженные частицы, образующие катодные лучи, не «корпускулами», как это делал Томсон, а электронами ( Представление о дискретной, зернистой структуре электричества было выдвинуто в самом начале XIX века(Риттер, 1801 г.) и продолжало жить среди физиков-теоретиков поддерживаемое успехами атомистики. Еще Фарадей ввел термин «ион» для носителей электричества в электролите и предполагал, что ион обладает неизменным зарядом. Гельмгольц (1881 г.) обратил внимание на такую концепцию Фарадея и показал, что она должна быть согласована с уравнениями Максвелла. В том же году Стони рассчитал впервые заряд одновалентного иона при электролизе, а десятью годами позже, в 1891 г., в одной из теоретических работ предложил термин «электрон» для обозначения электрического заряда одновалентного иона при электролизе.
Джозеф Джон Томсон
В теоретических работах Вебера, начатых в 1846 г., можно найти не только понятие атома электричества, но и гипотезу о том, что его движением вокруг материального ядра можно объяснить тепловые и световые явления. Этой идеей вдохновлялся Гендрик Антон Лоренц, духовный отец теоретической физики XX века, в своем классическом труде «Опыт теории электрических и оптических явлений в движущихся телах», который лег в основу электронной теории. Целью этой работы было если не слить, то связать теорию электричества с теорией оптических явлений, добавив к теории Максвелла представление об ионах как единственных носителях электричества. Эта теория побудила голландского физика Петера Зеемана (1865-1943) к открытию (1896 г.) явления, носящего теперь его имя. На следующий год Лоренц, дав ему количественное объяснение, смог таким образом рассчитать заряд электрона), то возможны три гипотезы о заряде и массе электронов:
1) заряд электрона равен заряду иона водорода, и, следовательно, его-масса в тысячу раз меньше массы иона водорода;
2) масса электрона равна массе иона водорода, и тогда его заряд в тысячу раз больше заряда иона водорода;
3) ни заряд, ни масса электрона не имеют никакого отношения к соответствующим значениям для иона водорода.
Вторая гипотеза, по-видимому, противоречила результатам Ленардаг который показал, что средний свободный пробег катодных лучей в воздухе при обычном давлении составляет 0,5 см, тогда как для молекулы пробег при этих условиях не превышает стотысячной доли сантиметра; ясно, что это указывает на чрезвычайную малость электрона. Постоянство свойств электронов независимо от состава остаточного газа в трубке также не согласовалось со второй гипотезой. Но все же этих соображений было недостаточно для достоверного вывода.Только прямое измерение т или е позволило бы надежно ответить на этот вопрос, хотя Томсон уже в своей первой работе 1897 г. не поколебался отдать предпочтение первому предположению, которое позволяло вернуться к заманчивой античной гипотезе, возрожденной Праутом (1816 г.), о едином первичном элементе:
«Это объяснение, которое, как мне кажется, проще всего согласуется. с фактами, основано на представлении о строении химических элементов, которое было благосклонно принято многими химиками. Это представление состоит в том, что атомы различных химических элементов представляют собой агрегаты из более мелких одинаковых атомов».
Одно счастливое обстоятельство в следующем году позволило Томсону оценить правильность своего выбора путем непосредственного измерения заряда е.
В 1897 г. Чарльз Вильсон (1869-1935) открыл, что в воздухе, пересыщенном водяными парами, каждый ион становится центром конденсации пара: ион притягивает к себе молекулы пара и начинается образование капельки воды, которая становится постепенно все больше и больше, пока не станет видимой. Конденсация происходит легче вокруг отрицательно заряженных частиц. Это открытие было использовано в 1911 г. самим Вильсоном в так называемой «камере Вильсона», одном из ценнейших инструментов атомнъй физики, названном с некоторой долей фантазии «открытым окном в атомный мир».
Томсон использовал это открытие следующим образом. Представим себе в ионизованном газе п ионов с одинаковым зарядом е, движущихся со скоростью υ. Быстрым расширением можно создать пересыщение газа, так что каждый ион становится центром конденсации. Величина электрического тока, легко измеримая на опыте, равна nev, скорость v можно измерить, так что если удастся определить n, то можно будет найти е. Для этой цели, с одной стороны, измерялась масса сконденсированного водяного пара; с другой стороны, пользуясь формулой Стокса (1819-1903), по скорости падения капелек под действием силы тяжести можно рассчитать их радиус, а значит, и массу каждой капельки. Деля полную массу образовавшегося водяного пара на массу каждой капельки, можно найти число капелек, т. е. число ионов газа, а по нему определить заряд е каждого иона. Опыт этот очень труден и требует большого искусства.
Как среднее большого числа измерений Томсон получил е=6,5-10•10 эл.-стат. ед., что неплохо согласуется с уже известным тогда значением заряда иона водорода и хорошо согласуется с теоретически рассчитанным Лоренцем в том же году значением, получающимся, как мы уже говорили, при количественном анализе эффекта Зеемана.
Описанный выше метод был усовершенствован Вильсоном в 1899 г. введением метода «уравновешивания» капелек: над отрицательно заряженной капелькой располагалась положительно заряженная пластина, притягивающая каплю в направлении, противоположном направлению падения. Можно так подобрать параметры, что притяжение капли к верхней пластине уравновесит ее вес. Тогда капля повиснет в воздухе, между небом и землей, подобно гробу Магомета. Ясно, что из условия равновесия легко найти заряд ядра конденсации.
Гораздо более существенным, чем определение численных значений, является вытекающий из этих исследований общий вывод: электричество, по крайней мере отрицательное, имеет, как и вещество, дискретную структуру; во всех известных явлениях атомы отрицательного электричества имеют один и тот же заряд и одну и ту же массу.
Не случайно слово «электрон», введенное Стони в 1891 г., быстро распространилось и после 1900 г. стало общепринятым, так что никто из физиков не мог уже сомневаться в прерывистой структуре электричества ( Как мы уже говорили, Стони назвал электроном отрицательный заряд одновалентного иона, так что это слово имело тогда смысл, отличный от теперешнего. После 1900 г. но предложению Друде электроном стали называть заряженную частицу, несущую элементарный электрический заряд. Однако применение термина «ион» вместо «электрон» сохранялось еще много лет, особенно среди английских физиков, что породило ряд недоразумений и неправильных толкований, характерных для работ последнего десятилетия XIX века).