Откъде идват китайците? Произход на китайците
По този въпрос има пълно разногласие. Някои историци на науката свързват откриването на електрона с имената на Г. Лоренц и П. Зееман, други го приписват на Е. Вихерт, трети - на други изследователи, докато мнозинството настояват за приоритета на Джоузеф Джон Томсън или страхотно GG, както още го наричат научен свят.
Дори най-видните авторитети, които са тясно ангажирани с проблемите на атомната физика, са напълно загубени: на кого принадлежи честта на откривателя? Изключителният теоретичен физик Н. Бор е убеден в приоритета на F.E.A. Lenard, а ненадминатият физик експериментатор Е. Ръдърфорд е убеден в Ф. Кауфман.
Във времето противоречивият период на действителното откриване на електрона продължава 28 години: от 1871 до 1899 г. Кой стои в основата на това значимо откритие, което породи толкова дълги научни битки, когато копията бяха сериозно счупени? При това в ситуация, в която някои от спорещите вече са успели да направят твърде много проблеми. Някои от тях бяха заети с научни изследвания, а други с научни интриги. Точно като в дискусиите за изясняване природата на светлината.
Отначало през 1894 г. видният немски естествоизпитател Херман Лудвиг Хелмхолц и неговият научен опонент, ирландецът Джордж Стоуни, воюват помежду си. Всеки от тях приписваше приоритета на откриването на електрона на себе си. Стоуни, пред всички честни хора, обвини Хелмхолц в очевидно плагиатство, публикувайки уличаващите го факти в статията „За електрона или атома на електричеството“, която се появи в един от броевете на списание „Философия“ (1894 г., том 1. 38, R.418). Колко вярно беше това обвинение?
Дванадесет години преди тази публикация в същото списание (1882, том 11, R. 361), Стоуни публикува работа, в която очертава възгледите си за съществуването на електрона, като твърди, че „за всяка прекъсната химична връзка в електролит има е определено, еднакво във всички случаи количество електроенергия."
Не бяха изминали и два месеца, когато статия от Хелмхолц се появи в списанието, публикувано от Химическото общество, обявявайки неговото откритие на електрона. В него се казваше: „Ако идеята за атомната структура на простите вещества се счита за правилна, тогава не може да се избегне заключението, че електричеството, както отрицателно, така и положително, е разделено на елементарни части, които се държат заедно като атоми на електричество.“
Дали Хелмхолц е знаел за работата на Стоуни, когато е написал тези редове? Очевидно той не можеше да не знае. Също така е необяснимо защо, спекулирайки с авторитета си, той буквално смазваше Стоуни при всяка възможност, постоянно представяйки приоритета му за свой? В името на увеличаване на славата? Но Хелмхолц вече се къпеше в лъчите му доста често. Стоуни, поради потапянето си в „електронната“ идея, която той продължи да развива, просто нямаше достатъчно време да неутрализира дразнителя в лицето на Хелмхолц.
Развитието му го погълна толкова много, че той не само успя да даде количествена оценка на най-малкия електрически заряд, настоявайки за включването му в броя на основните природни константи, но и излезе със стабилно име за отрицателно заредена елементарна частица - „ електрон”.
Очевидно скритата завист към пробива на трудолюбивия Стоуни в бъдещето на науката е принудила Хелмхолц първо да атакува колегата си навсякъде, а след това мъдро да замълчи. Трудно е да се предвиди дали активно действие, противодействие или бездействие ще победи най-добре врага. Така той временно замълча.
Ако обаче върнем часовника още малко назад, нямаше смисъл изобщо да започваме борба за научно лидерство, тъй като след щателно проучване на историята на проблема изплуваха още две имена. Оказва се, че през 1878 г. преди Стоуни, един от стълбовете на физическата наука, холандецът Хендрик Лоренц, вече е насочил вниманието на учените към идеята за дискретността на електрическите заряди, а седем години преди Лоренц, немският физик Вилхелм Едуард Вебер говори за електрона, изпреварвайки изследванията на ирландеца и всички други техни последователи. Вебер, например, твърди с невероятна проницателност: „... с универсалното разпространение на електричеството е допустимо да се възприема, че електрически атом е свързан с всеки атом на веществото.“ Може би трябваше да получи почетни лаври?
Малко вероятно. В края на краищата, едно е да изразиш стойностна идея, друго е да допринесеш по всякакъв начин за нейното развитие. И следователно, без угризения на съвестта, приоритет в теоретичното обосноваване на съществуването на електрона, всъщност в предсказанието на отрицателно заредените елементарна частица, можем спокойно да го дадем на ирландеца Стоуни, чието име, за съжаление, не се споменава никъде: нито в справочници, нито в енциклопедии.
Между другото, не само теоретиците, но и експериментаторите се бориха за приоритетното право да открият електрона, като разбраха кой е открил експериментално отрицателно заредената частица? Днес всеки ученик знае името на J. J. Thomson, който според повечето хроникьори на науката е истинският „родител“ на електрона. Именно за това зашеметяващо откритие той е удостоен с Нобелова награда през 1906 г.
Приоритетът се смята за безспорен, въпреки че всъщност историческата реалност му противоречи. За да се убедите в това, достатъчно е да вземете списанието на Кьонигсбергския университет за януари 1897 г., където са публикувани най-новите изследванияв областта на химията и физиката. В януарския том 38 на страница 12 от това издание е публикувана статия на немския физик Емил Вихерт, която недвусмислено отстоява приоритета в експерименталното откриване на електрона, който стои зад нея.
Томсън докладва за същото откритие на научния съвет на Кралския институт на Англия два месеца по-късно - на 30 април 1897 г., а първата му публикация с подробности по този въпрос се появява едва през май. Учените са запознати с него от списание "Electricity" (1897, ou1.39, R.104).
Така Wichert изпревари великия GG с пет месеца. Но кой се интересуваше от хронологията на събитията, когато ставаше въпрос за работата на безспорен авторитет в научния свят? Тук се връщаме към въпроса какво трябва да се вземе като отправна точка при разпространението на интелектуалната собственост: самата идея, нейното развитие и обосновка или пионерската печатна работа, която включва и двете?
Изглежда, че във всеки случай не може да се пренебрегне хронологичният ред на влизане в сила на едно откритие или изобретение. Дори при условие, че първоначално е имало хипотеза, която е трябвало да се „утаи“ във времето и умовете. Следователно, в същата, ако не и в по-голяма степен, отколкото Стоуни, Вебер и известния Томсън, малко известният Уихърт участва в откриването на електрона.
Но само в няколко специални справочника може да се прочете, че независимо от Дж. Дж. Томсън този физик е открил електрона и е определил неговия относителен заряд. В този пример се убеждаваме в истинската сила в науката, която има силата на авторитета.
1.1 Откриване на електрона и радиоактивността.
Раждането на идеи за сложната структура на атома
Дискретност електрически токотразено в работата на Фарадей върху електролизата - един и същ ток води до отделяне на различни количества вещество върху електродите, в зависимост от това кое вещество е разтворено. Когато се отдели един мол едновалентно вещество, през електролита преминава заряд от 96 500 С, а при двувалентно вещество зарядът се удвоява. След дефиниране в края на 19в. Числото на Авогадро позволи да се оцени големината на елементарния електрически заряд. Тъй като 6,02 10 23 атома пренасят заряд от 96 500 C, тогава делът на един е 1,2-10 -19 C. Следователно това е най-малката част от електричеството или „атом електричество“. Георг Стоуни предложи да наречем този „атом на електричеството“ електрон.
Работата с течения в газове се усложнява от трудностите при получаване на разредена газова среда. Немският стъклар Г. Гайслер направил тръби за забавление с разреден газ, който светел, когато през него преминал електрически ток. В тях V. Gitthoff открива лъчение от катода, което предизвиква флуоресценция на стените на тръбата, което се нарича катодни лъчи.Както установява английският физик У. Крукс, тези лъчи се разпространяват по права линия, отклоняват се от магнитно поле и оказват механично въздействие.
Френският физик J. Perrin постави метален цилиндър с отвор срещу катода вътре в тръбата пред катода и откри, че цилиндърът е отрицателно зареден. Когато лъчите се отклоняват от магнитното поле и не влизат в цилиндъра, той се оказва незареден. Две години по-късно Дж. Томсън постави цилиндъра не пред катода, а отстрани: донесен магнит огъна катодните лъчи, така че те влязоха в цилиндъра и го заредиха отрицателно, но флуоресцентното петно върху стъклото се измести. Това означава, че лъчите са отрицателно заредени частици. Такова измервателно устройство се нарича електронно-лъчева тръба с висок вакуум. Под въздействието на силата на Лоренц, причинена от включеното магнитно поле в областта на кондензатора, светлинната следа от падането на лъча върху екрана се измества. Така през 1895 г. се ражда нова наука - електроника.
Действайки едновременно с електрически и магнитни полета и променяйки тяхната величина, Томсън ги подбира така, че да бъдат компенсирани, катодните лъчи да не се отклоняват и петното върху стъклото да не се движи. Той получи съотношението на електрическия заряд към масата на частиците e/t = 1,3 10 -7 C/g. Независимо от Thomson, тази стойност е измерена за катодни лъчи от V. Kaufman и е получена подобна стойност. Томсън даде името на тази частица корпускула,и електронът е само неговият заряд, но тогава самата частица на катодните лъчи се наричаше електрон (от гръцки. електрон - кехлибар).
Откриване на електрона, изследване на него уникални свойствастимулира изследването на атомната структура. Станаха ясни процесите на поглъщане и излъчване на енергия от материята; прилики и разлики химически елементи, тяхната химическа активност и инертност; вътрешен смисъл Периодичната таблицахимически елементи на Д. И. Менделеев, природата на химичните връзки и механизми химична реакция; Появиха се напълно нови устройства, в които движението на електроните играе решаваща роля. Възгледите за природата на материята се промениха. Откриването на електрона (1897) поставя началото на ерата на атомната физика.
От многобройни експерименти с предаването на електрони през материята Дж. Томсън заключава, че броят на електроните в атома е свързан с размера на атомната маса. Но в в добро състояниеатомът трябва да е електрически неутрален и следователно във всеки атом броят на зарядите с противоположни знаци е равен. Тъй като масата на електрона е приблизително 1/2000 от масата на водороден атом, масата на положителния заряд трябва да бъде 2000 пъти масата на електрона. Например, почти цялата му маса на водорода е свързана с положителен заряд. С откриването на електрона веднага се появиха нови проблеми. Атомът е неутрален, което означава, че трябва да има други частици с положителен заряд в него. Все още не са отворени.
Френският физик А. Бекерел, изучавайки луминесценцията, открива (1896) явлението радиоактивност. Той се интересуваше от връзката между флуоресценцията от катодните лъчи по стените на тръбата и рентгеновите лъчи, излъчвани от тази част на тръбата. Облъчване различни вещества, той се опита да разбере дали рентгеновите лъчи могат да бъдат излъчвани от фосфоресциращи тела, облъчени слънчева светлина. Скоро Кюри се заеха с въпроса и откриха по-активен елемент, който нарекоха полоний в чест на Полша, родното място на Мария Кюри. Измервайки големината на ефекта, Склодовска-Кюри открива нов елемент - радий, и нарича самия радиационен ефект радиоактивност(от лат. радио- излъчвам лъчи). Радиационният интензитет на радия е стотици хиляди пъти по-голям от този на урана. Тогава е открит третият радиоактивен елемент – актиний. И имаше известен „бум“ в изследването на радиоактивността.
До края на 1899 г. служителят на Дж. Томсън Е. Ръдърфорд заключава: „... експериментите показват, че излъчването на уран е сложно и се състои от най-малко две различни видове: едно, бързо абсорбирано, нека го наречем а-лъчение; друг, по-проникващ, да го наречем
- радиация." Три години по-късно П. Вилар открива друг компонент на радиацията, който не се отклонява от магнитно поле, наречен -лъчи. Радиоактивността бързо намира приложение в природните науки и медицината.Атомът вече не се смяташе за неделим. Идеята за структурата на всички атоми от водородни атоми е изразена през 1815 г. от английския лекар W. Prout. Съмненията относно неделимостта на атомите пораждат откритието спектрален анализи периодичната таблица на химичните елементи. Оказа се, че самият атом е сложна структурас вътрешни движения на съставните части, отговорни за характерните спектри. Започнаха да се появяват модели на неговата структура.
Моделът на атома - положителен заряд е разпределен в положително заредена доста голяма област (вероятно сферична по форма) и електроните са разпръснати в нея, като "стафиди в пудинг" - е предложен от Келвин през 1902 г. Дж. Томсън развива идеята си: атомът е капка пудинг от положително заредена материя, вътре в която са разпределени електрони, които са в състояние на вибрация. Поради тези вибрации атомите излъчват електромагнитна енергия; По този начин той успя да обясни дисперсията на светлината, но възникнаха много въпроси. За да обясни Периодичната таблица на химичните елементи, той изучава различни конфигурации на електрони, като предполага, че стабилните конфигурации съответстват на структурата на неактивни елементи като благородни газове, а нестабилните съответстват на по-активни. Въз основа на дължините на вълните на светлината, излъчвана от атомите, Томсън оцени площта, заета от такъв атом, на около 10 -10 м. Той направи много предположения, като се увлече от изчисляването на характеристиките на радиацията според теорията на Максуел, тъй като той смята, че вътре в атома действат само електромагнитни сили. През 1903 г. Томсън получава, че електроните трябва да излъчват елиптични вълни при движение, през 1904 г. - че когато броят на електроните е повече от 8, те трябва да бъдат подредени в пръстени и броят им във всеки пръстен да намалява с намаляване на радиуса на пръстена. Броят на електроните не позволява на радиоактивните атоми да бъдат стабилни, те излъчват алфа частици и се създава нова атомна структура. Експериментът на Е. Ръдърфорд, един от учениците на Томсън, доведе до ядрения модел на структурата на атома.
Открития в края на 19 век. - Рентгеновите лъчи (1895), естествената радиоактивност (Бекерел, 1896), електронът (Дж. Томсън, 1897), радият (Пиер и Мария Кюри, 1898), квантовата природа на радиацията (Планк, 1900) са началото на революция в науката.
1.2 Планетарен модел на структурата на атома. Съвременна наукаи постулатите на Бор
Планетарният модел на структурата на атома е предложен за първи път от J. Perrin, опитвайки се да обясни наблюдаваните свойства с орбиталното движение на електроните. Но В. Вин го смяташе за несъстоятелно. Първо, когато един електрон се върти, според класическата електродинамика, той трябва непрекъснато да излъчва енергия и в крайна сметка да падне върху ядрото. Второ, поради непрекъснатата загуба на енергия, излъчването на атома трябва да има непрекъснат спектър, но се наблюдава линеен спектър.
Експериментите за преминаване на α-частици през тънки плочи от злато и други метали са извършени от служителите на Е. Ръдърфорд, Е. Марсдън и Х. Гайгер (1908 г.). Те установили, че почти всички частици преминават през плочата свободно и само 1/10 000 от тях изпитват силно отклонение - до 150°. Моделът на Томсън не можа да обясни това, но Ръдърфорд, неговият бивш асистент, направи оценки на частта от отклонения и стигна до планетарния модел: положителният заряд е концентриран в обем от порядъка на 10 - 15 със значителна маса.
Считайки, че орбитите на електроните в атома са фиксирани, Томсън през 1913 г. също стига до планетарен модел на структурата на атома. Но, решавайки проблема за стабилността на такъв атом, използвайки закона на Кулон, той намери стабилна орбита само за един електрон. Нито Томсън, нито Ръдърфорд можеха да обяснят излъчването на алфа частици при радиоактивен разпад – оказа се, че в центъра на атома трябва да има електрони?! Неговият асистент Г. Моузли измерва честотата на спектралните линии на редица атоми от периодичната таблица и открива, че „атомът има определена характерна стойност, която редовно се увеличава, когато се движи от атом към атом. Това количество не може да бъде нищо друго освен заряда на вътрешното ядро."
Изграждането на теория за структурата на атома въз основа на планетарния модел се натъкна на много противоречия.
Първоначално датският физик Н. Бор се опита да приложи класическата механика и електродинамика към проблема с забавянето на заредените частици при движение през материята, но за дадена стойност на енергията на електрона стана възможно да се присвоят произволни орбитални параметри (или честоти ) към него, което доведе до парадокси.
Бор се съгласи с теорията за атомната структура с проблема за произхода на спектрите. Той допълва модела на Ръдърфорд с постулати, които осигуряват стабилността на атома и линейния спектър на неговото излъчване. Бор изостави идеите на класическата механика и се обърна към квантовата хипотеза на Планк: определена връзка между кинетичната енергия в пръстена и периода на революция е прехвърляне на връзката E= в.в , изразявайки връзката между енергията и честотата на осцилатора за система, подложена на периодично движение. Спектралните формули на Балмер, Ридберг и Риц позволиха да се формулират изискванията за осигуряване на стабилността на атома и линейния характер на спектъра на водородния атом: в атома има няколко стационарни състояния (или електронни орбити в планетарния модел), в който атомът не излъчва енергия; Когато един електрон се движи от една стационарна орбита в друга, атомът излъчва или абсорбира част от енергията, пропорционална на честотата, в съответствие с честотното правило на Ридберг-Риц.
Джоузеф Джон Томсънроден в Манчестър. Тук, в Манчестър, той завършва Owens College, а през 1876-1880 г. учи в Кеймбриджки университетв известния Тринити Колидж. През януари 1880 г. Томсън издържа успешно последните си изпити и започва работа в лабораторията Кавендиш.
Томсън беше обсебен експериментална физика. Обсебен от в най-добрия смисълтази дума. Научните постижения на Томсън бяха високо оценени от директора на Кавендишката лаборатория Рейли. Когато подаде оставка като директор през 1884 г., той не се поколеба да препоръча Томсън за свой приемник.
От 1884 до 1919 г. Томсън ръководи лабораторията Кавендиш. През това време той се превърна в основен център на световната физика, международна школа на физиците. Започна тук научен път Ръдърфорд, Бор, Ланжевени много други, включително руски учени.
Изследователската програма на Томсън беше широка: въпроси за преминаването на електрически ток през газове, електронната теория на металите, изследване на природата на различни видове лъчи...
След като се зае с изучаването на катодните лъчи, Томсън първо реши да провери дали експериментите на неговите предшественици, които постигнаха отклонението на лъчите от електрически полета, бяха проведени достатъчно внимателно. Той замисля повторен експеримент, проектира специално оборудване за него, следи задълбочеността на изпълнението на поръчката и очакваният резултат е очевиден.
В тръбата, проектирана от Томсън, катодните лъчи бяха послушно привлечени от положително заредената плоча и ясно отблъснати от отрицателната. Тоест, те се държаха както се очаква от поток от бързо летящи малки частици, заредени с отрицателно електричество. Отличен резултат!
Това със сигурност може да сложи край на всички спорове относно природата на катодните лъчи. Но Томсън не смяташе изследването си за завършено. След като определи естеството на лъчите качествено, той искаше да даде точна количествено определянеи техните съставни корпускули.
Вдъхновен от първия успех, той проектира нова тръба: катод, ускоряващи електроди под формата на пръстени и плочи, към които може да се приложи отклоняващо напрежение. На противоположната на катода стена той нанася тънък слой от вещество, способно да свети под удара на входящите частици. Резултатът беше прародителят на катодните тръби, така познати ни в ерата на телевизорите и радарите.
Целта на експеримента на Томсън беше да отклони лъч от корпускули с електрическо поле и да компенсира това отклонение с магнитно поле. Изводите, до които стигнал в резултат на експеримента, били удивителни. Първо, оказа се, че частиците летят в тръбата с огромни скорости, близки до скоростта на светлината. И второ, електрическият заряд на единица маса на корпускулите беше фантастично голям.
Какъв вид частици бяха те: непознати атоми, носещи огромни електрически заряди, или малки частици с незначителна маса, но с по-малък заряд? Освен това той откри, че съотношението на специфичния заряд към единица маса е постоянна стойност, независима от скоростта на частиците, материала на катода и естеството на газа, в който възниква разрядът.
Такава независимост беше тревожна. Изглежда, че корпускулите са били някакви универсални частици материя, компонентиатоми. „След дълго обсъждане на експериментите“, пише Томпсън в мемоарите си, „се оказа, че не мога да избегна следните заключения:
1. Че атомите не са неделими, тъй като отрицателно заредените частици могат да бъдат изтръгнати от тях под въздействието на електрически сили, въздействието на бързо движещи се частици, ултравиолетова светлинаили топлина.
2. Че всички тези частици са с еднаква маса, носят един и същ заряд на отрицателно електричество, без значение от какъв вид атоми идват, и са компоненти на всички атоми.
3. Масата на тези частици е по-малка от една хилядна от масата на водороден атом. Първоначално нарекох тези частици корпускули, но сега се наричат повече подходящо име"електрон".
Томсън започна да прави изчисленията. На първо място, беше необходимо да се определят параметрите на мистериозните корпускули и тогава може би щеше да бъде възможно да се реши какви са те. Резултатите от изчисленията показаха: няма съмнение, неизвестните частици не са нищо повече от най-малките електрически заряди - неделими атоми на електричество или електрони.
На 29 април 1897 г. в стаята, където повече от двеста години са се провеждали срещите на Лондонското кралско дружество, се състоя неговият доклад. Слушателите бяха във възторг. Възторгът на присъстващите изобщо не се обясняваше с факта, че колегата J. J. Thomson толкова убедително разкри истинската природа на катодните лъчи.
Положението беше много по-сериозно. Атомите, първичните градивни елементи на материята, са престанали да бъдат елементарни кръгли зърна, непроницаеми и неделими, частици без никаква вътрешна структура...
Ако от тях могат да излетят отрицателно заредени корпускули, това означава, че атомите трябва да са били някаква сложна система, система, състояща се от нещо, заредено с положителен електричество и отрицателно заредени корпускули - електрони. Сега по-нататък станаха видими най-необходимите насоки за бъдещи търсения.
На първо място, разбира се, беше необходимо да се определи точно зарядът и масата на един електрон. Това би позволило да се изяснят масите на атомите на всички елементи, да се изчислят масите на молекулите и да се дадат препоръки за правилния състав на реакциите.
През 1903 г. в същата лаборатория Кавендиш в Томсън Г. Уилсъннаправи важна промяна в метода на Томсън. В съд, в който се извършва бързо адиабатно разширение на йонизиран въздух, са поставени кондензаторни пластини, между които може да се създаде електрическо поле и да се наблюдава падането на облака, както при наличие на поле, така и при отсъствие.
Измерванията на Уилсън дадоха стойност за заряда на електрона като 3,1 по 10 на минус десета степен на abs.el. единици Методът на Уилсън е използван от много изследователи, включително студенти от университета в Санкт Петербург МаликовИ Алексеев, който установи, че зарядът е равен на 4,5 по 10 на минус десета степен абс.ел. единици Това беше най-близо до истински смисълрезултатът от всички получени преди Millikan да започне да измерва отделните капки през 1909 г.
Така беше открито и измерено електрон - универсална частица от атоми, първата от така наречените „елементарни частици“, открита от физиците. Това откритие даде възможност на физиците, на първо място, да поставят въпроса за изучаване на електрически, магнитни и оптични свойствавещества.
Източник на информация: Самин Д. К. "Сто велики научни открития", М.: "Вече", 2002 г.
Дж. Дж. Томсън и неговият принос за развитието на физиката
ХХ век
До 150 години от рождението му
Преди сто и петдесет години в Англия, в семейството на търговец на стари книги от Манчестър, се ражда момче, което се превръща в един от най-видните физици от края на 19-ти и началото на 20-ти век. Това се случи на 18 декември 1856 г. и това дете беше Джоузеф Джон Томсън. Приносът му за развитието на физиката е впечатляващ: експерименталното откритие на електрона през 1897 г., удостоено с Нобелова награда за физика (1906 г.); един от първите модели на атома, който включва електрони (1903); първото експериментално доказателство за съществуването на изотопи (1912 г.), създаването на голяма научна школа от физици, най-яркият представител на която е Ърнест Ръдърфорд - това не е пълен списък на това, което този човек направи в науката през дългия си живот . Ето защо в годината на неговия юбилей е важно не само да си припомним неговото научно наследство, но и да се опитаме да оценим значението на това наследство за нашето време. И има още една причина. В съзнанието на много хора - както професионални физици, така и тези, които просто се интересуват от историята на науката - името на този учен, когото неговите съвременници накратко наричаха „Ги-Ги“, от една страна, често е засенчено от имената на много други изключителни физици от миналия век, а от друга страна, понякога погрешно му се приписва научни заслугинеговият старши съвременник Уилям Томсън (1824–1907), който през 1892 г. получава титлата лорд Келвин за изключителните си научни постижения (имайте предвид, че последният не само предлага абсолютната температурна скала, но също така установява през 1853 г. формулата на Томсън за периода на колебание в колебателния кръг). Това обстоятелство е и причината J. J. Thomson да заслужава специално внимание.
В младостта си Томсън искаше да стане инженер и дори влезе в един от колежите в Манчестър със съответния профил. Но скоро, поради смъртта на баща си, той е принуден да прекъсне обучението си по инженерство поради липса на средства. „Въпреки това, след като е учил математика, физика и химия, през 1876 г. той успява да получи стипендия в колежа Тринити и целият по-нататъшен академичен живот на Томсън е свързан с университета в Кеймбридж.“ (*Дума " Троица“ в превод от английски. означава "Троица", т.е. Тринити Колидж е колежът на Св. Троица.")
Томсън завършва университета през 1880 г. и първите му научни трудове датират от това време (началото на 90-те години на 19 век). Те са посветени на развитието на електродинамиката на Максуел. Така, решавайки проблема за движението на заредена топка, Томсън стигна до извода, че привидната маса на заряда се увеличава поради енергията на електростатичното поле и това заключение беше доразвито в началото на ХХ век. в специалната теория на относителността, по-специално в трудовете на А. Поанкаре. През 1884 г., на 28-годишна възраст, Томсън става директор на лабораторията Кавендиш, заменяйки Дж. У. Рейли на този пост, и директорството продължава до 1918 г. Година по-късно, през 1885 г., Томсън защитава дисертацията си, озаглавена „За някои приложения на принципите на динамиката към физическите явления“, което Г. Херц по-късно нарича „чудесен трактат“: „Авторът развива тук последствията от динамиката, които, заедно със законите на Нютон за движение, се основават на нови, неясно изразени предпоставки. Бих могъл да се присъединя към този трактат; всъщност моите собствени изследвания вече бяха напреднали значително, преди да се запозная с този трактат“, пише Херц за дисертацията на Томсън в Миналата годинаот живота си в предговора към книгата „Принципи на механиката, изложени в нова връзка“ (1894).
Откриване на електрона
1. Предистория.В статията си „Научната дейност на Бенджамин Франклин“ (1956) академик П. Л. Капица цитира фрагмент от едно от своите писма от 1749 г.: „Електрическата материя се състои от изключително малки частици, т.к. те могат да проникнат през обикновени вещества, плътни като метал, с такава лекота и свобода, че не изпитват забележимо съпротивление. Коментирайки тези думи, П. Л. Капица пише: „Днес ние наричаме тези „изключително малки частици“ електрони. Освен това Франклин разглежда всяко тяло като гъба, наситена с тези частици електричество. Електрификацията на телата се състои в това, че тяло, което има излишък от електрически частици, е положително заредено; ако в едно тяло липсват тези частици, то е отрицателно заредено.
По този начин предположенията за съществуването на частици, които са носители на електрически заряд, са изразени още през 18 век. Първият опит за конструиране на електродинамика въз основа на идеята за гранулираната структура на „електрическата течност“ е направен през 40-те години. XIX век Германският физик Вилхелм Едуард Вебер (1804–1891), който смята тези частици за безтегловни и ги нарича „електрически маси“, като по същество приравнява термина „маса“ с термина „заряд“. В електродинамиката на Максуел, която той развива главно през 60-те години. XIX век частици от този вид не се споменават: в него доминира полевият подход и електричеството се третира като някакъв вид несвиваема течност, движеща се в проводници. Опит за въвеждане на идеята за дискретност на електрическите заряди в електродинамиката на Максуел е направен за първи път през 1878 г. от Г. Лоренц. Така през 1892 г. в работата си „Електромагнитната теория на Максуел и нейното приложение към движещи се тела“ Лоренц пише: „Ще бъде достатъчно да приемем, че всички тежки тела съдържат много малки частици, заредени положително или отрицателно, и че всички електрически явления са причинени чрез изместването на тези частици. Според тази концепция електрическият заряд се дължи на излишък от частици с определен знак, електрическият ток се дължи на потока на тези частици, а в твърдите изолатори има „диелектрично изместване“, ако електрифицираните частици, съдържащи се в тях се изваждат от техните равновесни позиции.
Тези хипотези не съдържат нищо ново по отношение на електролитите и представляват известна аналогия с идеите относно металните проводници, съществували в старата теория на електричеството. Не е толкова далеч от атомите на електрическата течност до заредените корпускули.
Особено забележителни са изследванията относно характеристиките на електрическите явления в разредените газове. През 70-те години Немският физик Ойген Голдщайн (1850–1930) въвежда понятието катодни лъчи във физиката и предполага, че по своята природа те са подобни на светлината с единствената разлика, че светлината се излъчва от тялото около себе си във всички посоки, а катодните лъчи се излъчват само перпендикулярно на повърхността на катода, но и двата процеса са вълнови процеси по природа. Експериментите на Голдщайн в края на 70-те години. XIX век повторен в подобрен вид от изключителния английски физик Уилям Крукс (1832–1919). След като въвежда в газоразрядната тръба конструиран от него през 1873 г. радиометър, Крукс открива нейното въртене под въздействието на катодни лъчи, от което заключава, че тези лъчи предават енергия и импулс. Поставяйки метален кръст в тръбата по пътя на катодните лъчи, Крукс открива сянката му върху флуоресцентното стъкло на тръбата и стига до извода, че катодните лъчи се разпространяват по права линия. Той беше експериментално убеден, че тези лъчи могат да бъдат отклонени в една или друга посока от магнит. Той нарече лъчите нещо четвъртоили ултрагазообразенсъстояние на материята, или лъчиста материя, който обаче има корпускуларен характер, интерпретиран в космически мащаб: „При изучаването на това четвърто състояние на материята се създава идеята, че най-накрая имаме на разположение „крайните“ частици, които с право можем да считаме за основа на физиката на Вселената.
На корпускулярната концепция за природата на катодните лъчи се противопостави вече споменатата вълнова концепция. Крукс смята, че катодните лъчи са молекули от остатъчен газ, съдържащи се в газоразрядна тръба; Влизайки в контакт с катода, те получават отрицателен заряд от него и се отблъскват от катода. Но тогава те трябва да бъдат отклонени от електрическото поле. Експериментите, проведени от Г. Херц, показват, че те не се отклоняват от електрическо поле. През 1892 г. Херц експериментално се убеждава, че катодните лъчи могат да преминават през тънки алуминиеви пластини. Но ако това е така, тогава не е ясно как наелектризирани молекули могат да преминат през метал. От друга страна, магнитното поле не влияе на светлинните вълни, но експериментите на Крукс показват, че това поле действа върху катодните лъчи. Така в началото на 90-те. XIX век имаше проблем, който трябваше да бъде разрешен. Какво представляват катодните лъчи - вълни или частици?
2. J. Perrin и J. Thomson - решение на проблема за природата на катодните лъчи. На фиг. Фигура 1 показва диаграма на експеримента, извършен през 1895 г. от Jean Baptiste Perrin (1870–1942). Вътре в газоразрядната тръба пред катода нметален цилиндър, свързан с електроскопа, беше поставен на разстояние 10 cm ABCD(с яке EFGH) с малък отвор срещу катода. Когато тръбата работи, лъч от катодни лъчи прониква в цилиндъра и цилиндърът винаги получава отрицателен заряд. Ако се използва магнит, за да се отклонят катодните лъчи, така че да не влизат в цилиндъра, електроскопът не дава никакви показания. От това може да се заключи, че катодните лъчи носят отрицателни електрически заряди и следователно говорим за поток от частици.
Привържениците на вълновата концепция обаче изтъкват следното възражение. Въпреки че признаха, че катодът може да излъчва заредени частици, те отрекоха, че тези частици са катодни лъчи. Когато катодните лъчи удариха стената на тръбата, последната започна да свети, но светенето и изхвърлянето на частици от катода, според тях, може да са две различни явления, точно както излизането на артилерийски снаряд от цевта на пистолет и светкавицата, съпътстваща този процес, са различни явления.
Беше необходимо експериментално да се докаже, че изхвърлянето на заредени частици от катода и светенето на стената на газоразрядната тръба са взаимосвързани, че не говорим за различни физически явления, а за едно. Това доказателство е представено от Дж. Дж. Томсън в неговите експерименти през 1897 г., които са варианти на експериментите на Перин. Цилиндърът с отвора беше разположен не пред катода, а отстрани на него, за което беше променена геометрията на самата тръба, фиг. 2. В този случай първоначално се наблюдава флуоресценция в стъклената стена на тръбата, но тя изчезва, когато катодните лъчи се отклоняват от магнит и се „вкарват“ в отвора на цилиндър, свързан с електроскоп, който регистрира отрицателен заряд . Така беше доказано, че светенето на стената на тръбата и зареждането на цилиндъра се причиняват от едни и същи частици. И освен това в експериментите си Томсън успя да направи това, което Херц не успя: той успя да постигне отклонение на катодните лъчи от електрическо поле (в експериментите на Херц всичко беше развалено от проводимостта на остатъчния газ в тръбата, който се появи под въздействието на катодни лъчи).
Така че катодните лъчи са частици. Който? Какви са техните свойства, характеристики? Томсън отговори на тези въпроси, като описа тяхното движение със законите на механиката. Например, в електростатично поле те трябва да се държат по същия начин, както се държат падащи тела близо до повърхността на Земята. Ако например положително заредена частица се окаже в пространството между две хоризонтални плочи, горната от които е положително заредена, а долната отрицателно заредена, тогава тази частица ще бъде отблъсната от горната плоча и привлечена от долната , т.е. движете се с ускорение надолу. Ако тази частица лети в пространството между тези плочи със скорост, насочена успоредно на равнините на плочите, тогава тя ще се приближи до долната плоча по параболична траектория, т.е. се движат по същия начин, по който пада камък, хвърлен със скорост, успоредна на повърхността на Земята земната повърхност. Ако в пространството между плочите също има магнитно поле, насочено или извън чертежа, или от чертежа, тогава, първо, силата на Лоренц (магнитна сила) ще действа върху изследваната заредена частица и по нейната посока може да се прецени знакът на заряда, и второ, електрическите и магнитните сили могат да се компенсират взаимно, ако са насочени в противоположни посоки. Електрическата сила се изчислява като произведение от заряда на частицата и напрегнатостта на електрическото поле; магнитната сила се изчислява като произведението на този заряд от скоростта на частицата и индукцията на магнитното поле (нека ъгълът между векторите на скоростта и индукцията да бъде 90°). Тогава получаваме eE = дб, т.е. д = б. От тук веднага става ясно, че скоростта на движение на заредена частица се изчислява като отношение на напрежението електрическо поле дкъм индукция на магнитно поле б. Въпреки това е известно, че силата на Лоренц придава центростремително ускорение на заредена частица 2 / r; тогава можете да намерите стойността на специфичния заряд на частицата, т.е. съотношение на заряда към масата на частиците:
От този резултат може да се види следното. Специфичният заряд на изследваната частица зависи от индукцията на магнитното поле и напрегнатостта на електрическото поле (т.е. от потенциалната разлика между плочите). Специфичният заряд на една частица не зависи от химични свойстваостатъчния газ в тръбата, от геометричната форма на тръбата, от материала, от който са направени електродите, от скоростта на катодните лъчи (при експериментите на Томсън през 1897 г. тази скорост е 0,1 с, Където с– скоростта на светлината във вакуум), а не върху други физически параметри. Катодните лъчи не са остатъчни газови йони, излъчвани от катода, както смята Крукс, но те все още са частици. И ако специфичният им заряд е постоянен, тогава говорим за еднакви частици. Изразявайки масата на тези частици в грамове и заряда в SGSM, както беше обичайно в онези дни, Томсън получи специфичния заряд на частиците, равен на 1,7 10 7 единици. SGSM/g. Високата точност на неговия експеримент се доказва от факта, че съвременната стойност на специфичния заряд на електрона е (1,76 ± 0,002)10 7 единици. SGSM/g.
Въз основа на получената стойност на специфичния заряд може да се опита да се оцени масата на частиците. По време на провеждането на експериментите стойността на специфичния заряд на водородния йон вече беше известна (10 4 SGSM единици/g). По това време съществува и терминът „електрон“, който е въведен в употреба през 1891 г. от ирландския физик и математик Джордж Стоуни (1826–1911) за обозначаване на електрически заряд едновалентен йонпо време на електролиза и след изследванията на Томсън този термин е прехвърлен към частиците, които той открива. И ако приемем, че зарядът и масата на електрона са свързани по някакъв начин със съответните стойности за водородния йон, тогава са възможни две опции:
А) масата на електрона е равна на масата на водородния йон, тогава зарядът на електрона трябва да бъде по-голям от заряда на водородния йон 10 3 пъти. Изследването на немския физик Филип Ленард обаче показа нереалността на подобно предположение. Той установи, че средният свободен път на частиците, образуващи катодни лъчи във въздуха, е 0,5 см, докато за водородния йон е по-малък от 10 –5 см. Това означава, че масата на новооткритите частици трябва да е малка;
b) зарядът на частицата е равен на заряда на водородния йон, но в този случай масата на тази частица трябва да бъде 10 3 пъти по-малка от масата на водородния йон. Thomson се спря на този вариант.
И все пак би било по-добре по някакъв начин директно да се измери или зарядът на електрона, или неговата маса. Следното обстоятелство помогна за решаването на проблема. През същата 1897 г., когато Томсън провежда своите експерименти за изследване на катодните лъчи, неговият ученик Чарлз Уилсън установява, че във въздуха, пренаситен с водна пара, всеки йон се превръща в център на кондензация на пара: йонът привлича капчици пара и образуването на капка вода започва, която расте, докато стане видима. (По-късно, през 1911 г., самият Уилсън използва това откритие, създавайки своето известно устройство - камерата на Уилсън). Томсън се възползва от откритието на своя ученик по този начин. Да приемем, че в йонизиран газ има определен брой йони с еднакъв заряд и тези йони се движат с известна скорост. Бързото разширяване на газа води до неговото пренасищане и всеки йон се превръща в център на кондензация. Силата на тока е равна на произведението от броя йони и заряда на всеки йон и неговата скорост. Силата на тока може да се измери, скоростта на движение на йоните също може да се измери и ако по някакъв начин определите броя на частиците, тогава можете да намерите заряда на една частица. За да направите това, първо се измерва масата на кондензираната водна пара и второ, масата на една капка. Последният се намираше по следния начин. Беше разгледано падането на капчици във въздуха. Скоростта на това падане под въздействието на гравитацията е равна, според формулата на Стокс,
– коефициент на вискозитет на средата, в която пада капката, т.е. въздух. Познавайки тази скорост, можете да намерите радиуса на капката rи неговия обем, ако приемем, че капката е сферична. Умножавайки този обем по плътността на водата, намираме масата на една капка. Чрез разделяне общо теглокондензирана течност на маса от една капка, намираме техния брой, който е равен на броя газови йони, през които се намира зарядът на един йон. Като средна стойност от голям брой измервания, Томсън получава за желания заряд стойност от 6,5 10 –10 единици. SGSM, което беше в доста задоволително съгласие с вече известния по това време заряд на водородния йон.
Обсъденият по-горе метод беше подобрен от Уилсън през 1899 г. Над отрицателно заредената капка имаше положително заредена плоча, която със своето привличане балансираше силата на гравитацията, действаща върху капката. От това условие беше възможно да се намери зарядът на кондензационното ядро. Уместен въпрос е: дали зарядът на капката всъщност е зарядът на електрона? Това не е ли зарядът на йонизираните молекули, който не е задължително априори да е равен на заряда на електрона? Томсън показа, че зарядът на йонизирана молекула наистина е равен на заряда на електрона, появява се независимо от метода на йонизация на веществото и винаги се оказва равен на заряда на едновалентен йон по време на електролиза. Като заместим стойността на този заряд в израза за специфичния заряд на електрона, можем да намерим масата на последния. Тази маса се оказва приблизително 1800 пъти по-малка от масата на водородния йон. Понастоящем се приемат следните стойности на фундаментални константи: зарядът на електрона е 1,601 10 –19 C; масата на електрона е 9,08 · 10 –28 g, което е приблизително 1840 пъти по-малко от масата на водороден атом.
Във връзка с изследванията на Томсън върху свойствата и природата на катодните лъчи, бих искал да спомена и неговия принос в изследването на природата на фотоелектричния ефект. По това време нямаше яснота в механизма на това явление - нито в трудовете на А. Г. Столетов (починал през май 1896 г., т.е. преди откриването на електрона), нито в трудовете на европейските физици - италианеца А. Рига, германецът В. Галвакс и още повече в изследванията на Г. Херц, починал през 1894 г. Томсън през 1899 г., изучавайки фотоелектричния ефект, използвайки експериментален метод, подобен на метода за изследване на свойствата на катодните лъчи, установи следното. Ако приемем, че електрическият ток, възникващ по време на фотоелектричния ефект, е поток от отрицателно заредени частици, тогава можем теоретично да изчислим движението на частицата, която образува този ток, като едновременно действа върху него с електрически и магнитни полета. Експериментите на Томсън потвърдиха, че токът между две противоположно заредени плочи, когато катодът е осветен с ултравиолетови лъчи, е поток от отрицателно заредени частици. Измерванията на заряда на тези частици, извършени с помощта на същия метод, чрез който Thomson преди това е измервал заряда на йоните, дават средна стойност на заряда, която е близка по величина до стойността на заряда на частиците, образуващи катодни лъчи. Оттук Томсън заключава, че и в двата случая трябва да говорим за частици от една и съща природа, т.е. относно електроните.
Атомът на Томсън.Проблемът с "свързването" отворени електронисъс структурата на материята е поставена от Томсън още в неговата работа за определяне на специфичния заряд на електроните. Първият модел на атома, предложен от Томсън, се основава на експериментите на А. Майер (САЩ) с плаващи магнити, проведени в края на 70-те години. XIX век Тези експерименти се състоеха в следното. В съд с вода плаваха тапи, в които бяха поставени намагнетизирани игли, леко стърчащи от тях. Полярността на видимите краища на иглите беше еднаква на всички запушалки. Над тези тапи, на височина около 60 cm, е разположен цилиндричен магнит с противоположния полюс, като иглите се привличат към магнита, като същевременно се отблъскват. В резултат на това тези тапи спонтанно образуват различни равновесни геометрични конфигурации. Ако имаше 3 или 4 задръствания, те бяха разположени във върховете на правилен многоъгълник. Ако имаше 6 от тях, тогава 5 тапи плуваха по върховете на многоъгълника, а шестата беше в центъра. Ако имаше например 29, тогава един щепсел отново беше в центъра на фигурата, а останалите бяха разположени около него в пръстени: 6 плаваха в най-близкия до центъра пръстен, съответно 10 и 12 в следващия пръстени, докато се отдалечават от центъра.Томсън прехвърли механичния дизайн върху структурата на атома, виждайки в него възможността да обясни моделите, присъщи на периодичната таблица на Д. И. Менделеев (което означава разпределението слой по слой на електроните в атомът). В този случай обаче въпросът за конкретния брой електрони в атома остава открит. И ако приемем, че има например няколкостотин електрона (особено като вземем предвид факта, че масата на електрона е незначителна в сравнение с масата на водороден йон), тогава изучаването на поведението на електроните в такава структура е практически невъзможно. Ето защо още през 1899 г. Томсън модифицира своя модел, предполагайки, че неутралния атом съдържа голям брой електрони, чийто отрицателен заряд се компенсира от „нещо, което прави пространството, в което са разпръснати електроните, способно да действа така, сякаш има положителен електрически заряд, равен на сумата от отрицателните заряди на електроните."
Няколко години по-късно в списание " Философско списание“ (№ 2, 1902) се появява работата на друг Томсън - Уилям, известен като лорд Келвин - който разглежда взаимодействието на електрон с атом. Келвин твърди, че външен електрон е привлечен към атом със сила, обратно пропорционална на квадрата на разстоянието от центъра на електрона до центъра на атома; електрон, който е част от атом, се привлича към последния със сила, правопропорционална на разстоянието от центъра на електрона до центъра на атома. Това показва по-специално, че Келвин разглежда електроните не само като независими частици, но и като неразделна част от атома. Това заключение „е равносилно на предположението за равномерно разпределение на положителното електричество в пространството, заето от атом на обикновена материя. От това следва, че има два вида електричество: отрицателно, гранулирано и положително, под формата на непрекъснат облак, както обикновено се представят „течностите“ и по-специално етерът. Като цяло можем да кажем, че според Келвин атомът има равномерно сферично разпределение на положителен електрически заряд и определен брой електрони. Ако говорим за едноелектронен атом, тогава електронът трябва да е в центъра на атома, заобиколен от облак от положителен заряд. Ако в един атом има два или повече електрона, тогава възниква въпросът за стабилността на такъв атом. Келвин предполага, че изглежда, че електроните се въртят около центъра на атома, като са разположени върху сферични повърхности, концентрични спрямо границата на атома, и тези повърхности също са разположени вътре в атома. Но в този случай възникват проблеми: когато заредена частица се движи, трябва да възникне магнитно поле, а когато се движи с ускорение (а въртящият се електрон неизбежно има центростремително ускорение), трябва да възникне електромагнитно излъчване. Томсън изучава тези въпроси, оставайки около петнадесет години поддръжник на идеите на Келвин.
Още през 1903 г. Томсън установява, че въртящите се електрони трябва да генерират елиптично поляризирани светлинни вълни. Що се отнася до магнитното поле на въртящите се заряди, тогава, както показва теорията, когато електроните се въртят под въздействието на сила, пропорционална на разстоянието от заряда до центъра на въртене, магнитните свойства на материята могат да бъдат обяснени само при условие на разсейване на енергия. На въпроса дали такова разсейване наистина съществува, Томсън не даде ясен отговор (очевидно осъзнавайки, че наличието на такова разсейване би повдигнало проблема за стабилността на структурата на атома).
През 1904 г. Томсън разглежда проблема за механичната стабилност на атомната структура. Въпреки факта, че сега този подход се възприема като анахронизъм (поведението на частиците, образуващи атом, трябва да се разглежда от гледна точка не на класически, но квантова механика, за което по това време не се знаеше абсолютно нищо), все още има смисъл да се спрем на резултатите, получени от Томсън.
Първо, Томсън установи, че електроните в атома трябва да се въртят бързо и скоростта на това въртене не може да бъде по-малка от определена граница. Второ, ако броят на електроните в един атом е повече от осем, тогава електроните трябва да бъдат подредени в няколко пръстена и броят на електроните във всеки пръстен трябва да нараства с увеличаване на радиуса на пръстена. Трето, за радиоактивните атоми скоростта на електроните, дължаща се на радиоактивно излъчване, трябва постепенно да намалява и при определена граница на намаляването трябва да настъпят „експлозии“, водещи до образуването на нова атомна структура.
В наши дни планетарният модел на Ръдърфорд, който се появява през 1910 г. и впоследствие е подобрен от квантова гледна точка от Н. Бор, е общоприет. Независимо от това, моделът на Томсън е ценен по отношение на поставянето на: 1) проблемът за свързване на броя на електроните и тяхното разпределение с масата на атома; 2) проблеми на природата и разпределението на положителния заряд в атома, компенсиращ общия отрицателен електронен заряд; 3) проблеми на разпределението на атомната маса. Тези проблеми бяха решени в процеса на последващото развитие на физиката на ХХ век и тяхното решение в крайна сметка доведе до модерни идеиза структурата на атома.
Експериментално доказателство за съществуването на изотопи.Самата идея, че атомите на един и същи химичен елемент могат да имат различни атомни маси, възниква много преди Томсън да започне да изучава „изотопния проблем“. Тази идея през 19в. е изразено от основателя на органичната химия А. М. Бутлеров (1882) и малко по-късно от У. Крукс (1886). Първо радиоактивни изотопие получен през 1906 г. от американския химик и същевременно физик Б. Болтууд (1870–1927) - два изотопа на торий с различни периоди на полуразпад. Самият термин "изотоп" е въведен малко по-късно от Ф. Соди (1877-1956), след като формулира правилата за изместване на радиоактивния разпад. Що се отнася до Томсън, през 1912 г. той експериментално изследва свойствата и особеностите на т.нар канални лъчи, и трябва да се кажат няколко думи за това какво представлява.
Говорим за поток от положителни йони, движещи се в разреден газ под въздействието на електрическо поле. Когато електрони се сблъскат с газови молекули на катода в областта на тлеещия разряд и катодният потенциал спада, молекулите се разделят на електрони и положителни йони. Тези йони, ускорени от електрическото поле, идват към катода с висока скорост. Ако катодът има дупки по посока на движение на йони или ако самият катод има формата на решетка, то част от йоните, преминали през тези канали, ще се окажат в следкатодното пространство. Той започва да изучава поведението на такива йони още през 80-те години. XIX век споменатият по-рано Е. Голдщайн. Томсън през 1912 г. изследва ефекта върху каналните лъчи (специално за неонови йони) на едновременни електрически и магнитни полета, използвайки вече споменатата техника (което означава „метода на параболата“ на Томсън). Лъчът от неонови йони в неговите експерименти е разделен на два параболични потока: ярък, съответстващ на атомна маса 20, и по-слаб, съответстващ на атомна маса 22. От това Томсън заключава, че неонът, съдържащ се в земната атмосфера, е смес от два различни газа. Ф. Соди оценява резултатите от изследването на Томсън по следния начин: „Това откритие представлява най-неочакваното приложение на това, което е открито за единия край на периодичната таблица, към елемент в другия край на системата; то потвърждава предположението, че структурата на материята като цяло е много по-сложна, отколкото е отразено само в периодичния закон. Резултатът беше от голямо значение не само за атомната физика, но и за последващото развитие на експерименталната физика, тъй като посочи методи за измерване на масите на различни изотопи.
През 1919 г. ученикът и асистент на Томсън Франсис Уилям Астън (1877–1945) конструира първия масспектрограф, с помощта на който експериментално доказва наличието на изотопи в хлора и живака. Масспектрографът използва именно метода на Томсън за отклоняване на заредени частици под въздействието на две полета, електрическо и магнитно, но устройството на Астън използва фотография на разделени йонни потоци с различни атомни маси, и в допълнение, отклонението на заредена частица в електрически и магнитни полета- в една и съща равнина, но в противоположни посоки. Физиката на масспектрографа е основно следната. „Йони на изследваното вещество, преминавайки първо през електрическо, а след това през магнитно поле, попадат върху фотографска плака и оставят следа върху нея. Отхвърлянето на йони зависи от съотношението д/м, същото за всички йони (или, по-добре казано, от не/м, тъй като един йон може да носи повече от един елементарен заряд). Следователно всички йони с еднаква маса са концентрирани в една и съща точка на фотографската плака, а йони с различна маса са концентрирани в други точки, така че по точката, в която йонът удря плаката, може да се определи неговата маса. ”
В заключение, няколко думи за научната школа, създадена от Томсън. Негови ученици са такива видни физици на ХХ век като П. Ланжевин, Е. Ръдърфорд, Ф. Астън, Чарлз Уилсън. Последните три в различни години, като самия Томсън, бяха отбелязани Нобелови наградипо физика. Нека да споменем специално неговия син. Отец Томсън експериментално доказва самия факт на съществуването на електрона, а неговият син, Джордж Паджет Томсън, получава Нобелова награда през 1937 г. за експериментално доказателство за вълновата природа на електроните (1927 г.; през същата година, независимо от Томсън младши ., подобно изследване е извършено от К. Дейвисън заедно с неговия сътрудник Л. Гермер (и двамата са физици от САЩ; Дейвисън също е удостоен с Нобелова награда). Ето как Ервин Шрьодингер оценява тези изследвания през 1928 г.: „Някои изследователи (Дейвисън и Гермър и младият Дж. П. Томсън) започнаха да провеждат експеримент, за който преди няколко години биха били поставени в психиатрична болница, за да наблюдават състоянието си ум . Но те бяха напълно успешни."
След 1912 г., белязана от експериментално доказателство за съществуването на изотопи, Томсън живее още двадесет и осем години. През 1918 г. той напуска поста директор на Кавендишката лаборатория (мястото му е заето от Ръдърфорд) и след това до края на дните си ръководи самия колеж Тринити, откъдето някога е започнал неговият път към науката. Джоузеф Джон Томсън умира на 84-годишна възраст на 30 август 1940 г. и е погребан в Уестминстърското абатство - същото място, където са намерили своя вечен покой Исак Нютон, Ърнест Ръдърфорд и сред фигурите на английската литература - Чарлз Дикенс.
Литература
1. Живот на науката. Изд. Капица С.П. – М.: Наука, 1973.
2. Капица П.Л.Експериментирайте. Теория. Практикувайте. – М.: Наука, 1981.
3. Дорфман Я.Г.Световна история на физиката от началото на 19 до средата на 20 век. – М.: Наука, 1979.
4. Лиози М.История на физиката. – М.: Мир, 1970.
Предпоставки за откритие, хипотези
Експериментът на Томсън се състоеше в изследване на лъчи от катодни лъчи, преминаващи през система от паралелни метални пластини, които създават електрическо поле и системи от намотки, които създават магнитно поле. Установено е, че лъчите се отклоняват при поотделно прилагане на двете полета и при определено съотношение между тях лъчите не променят правата си траектория. Това съотношение на полето зависи от скоростта на частиците. След провеждане на поредица от измервания, Томсън установи, че скоростта на движение на частиците е много по-ниска от скоростта на светлината - така беше показано, че частиците трябва да имат маса. По-нататък се предполагаше наличието на тези частици в атомите и модел на атома, впоследствие разработен в експериментите на Ръдърфорд.
Бележки
Източници
Фондация Уикимедия. 2010 г.
Вижте какво е „Откриване на електрона“ в други речници:
Клонът на физиката, който изучава вътрешната структура на атомите. Атомите, първоначално смятани за неделими, са сложни системи. Те имат масивно ядро, състоящо се от протони и неутрони, около което се движат в празно пространство... ... Енциклопедия на Collier
Този термин има други значения, вижте Електрон (значения). Електрон Символ Маса 9.10938291(40) 10−31 kg, 0.510998928(11) MeV ... Wikipedia
- (от лат. materialis материал) полисемантична идея, на която най-често се придава едно или няколко от следните значения. 1. Изявление относно съществуването или реалността: Само материята съществува или е реална; материята е... Философска енциклопедия
История на науката ... Wikipedia
Специален вид познавателна дейност, насочена към развиване на обективни, систематично организирани и обосновани знания за света. Взаимодейства с други видове познавателна дейност: битова, художествена, религиозна, митологична... Философска енциклопедия
Електрон Символ Маса 9.10938215(45)×10−31kg, 0.510998910(13) MeV/c2 Античастица позитрон Класове фермион, лептон ... Wikipedia
Електрон Символ Маса 9.10938215(45)×10−31kg, 0.510998910(13) MeV/c2 Античастица позитрон Класове фермион, лептон ... Wikipedia