Kust hiinlased tulid? Hiina päritolu
Selles küsimuses on täielik lahkarvamus. Mõned teadusajaloolased seostavad elektroni avastamist G. Lorentzi ja P. Zeemani nimedega, teised omistavad selle E. Wiechertile, teised - teistele uurijatele, enamik aga rõhutab Joseph John Thomsoni ehk suurepärane GG, nagu teda ka kutsutakse teadusmaailm.
Isegi kõige silmapaistvamad autoriteedid, kes on aatomifüüsika probleemidega tihedalt seotud, on täiesti hämmingus: kellele kuulub avastaja au? Silmapaistev teoreetiline füüsik N. Bohr on veendunud F.E.A.Lenardi prioriteedis ja ületamatu eksperimentaalfüüsik E.Rutherford on veendunud F.Kaufmanis.
Aja jooksul ulatub elektroni tegeliku avastamise vastuoluline periood 28 aastani: 1871–1899. Kes seisis selle märkimisväärse avastuse taga, mis põhjustas nii pikki teaduslahinguid, kui odad tõsiselt purunesid? Veelgi enam, olukorras, kus osa vaidlejaid on jõudnud juba liiga palju tüli teha. Mõned neist olid hõivatud teadusliku uurimistööga ja mõned teaduslike intriigidega. Täpselt nagu aruteludes valguse olemuse selgitamiseks.
Algul, 1894. aastal, võitlesid omavahel väljapaistev saksa loodusteadlane Hermann Ludwig Helmholtz ja tema teaduslik vastane iirlane George Stoney. Igaüks neist omistas elektroni avastamise prioriteedi iseendale. Stoney süüdistas kõigi ausate inimeste ees Helmholtzi ilmses plagiaadis, avaldades teda süüdistavad faktid artiklis “Elektronist või elektriaatomist”, mis ilmus ajakirja Philosophics Magazine ühes numbris (1894, 1.38). , R.418). Kui õige see süüdistus oli?
Kaksteist aastat enne seda avaldamist samas ajakirjas (1882, 11. kd, R. 361) avaldas Stoney töö, milles ta kirjeldas oma seisukohti elektroni olemasolu kohta, väites, et „iga elektrolüüdi katkenud keemilise sideme kohta on kindel, kõigil juhtudel identne elektrienergia kogus."
Möödus vähem kui kaks kuud, kui Chemical Society avaldatud ajakirjas ilmus Helmholtzi artikkel, mis teatas tema elektroni avastamisest. See ütles: "Kui lihtsate ainete aatomistruktuuri ideed peetakse õigeks, siis ei saa vältida järeldust, et elekter, nii negatiivne kui ka positiivne, jaguneb elementaarseteks osadeks, mida hoitakse koos nagu elektriaatomid."
Kas Helmholtz teadis Stoney loomingust neid ridu kirjutades? Ilmselt ei saanud ta muud teada, kui teadis. Samuti on seletamatu, miks ta oma autoriteediga spekuleerides igal võimalusel Stoney sõna otseses mõttes purustas, jättes oma prioriteedi pidevalt enda omaks? Kasvava kuulsuse nimel? Kuid Helmholtz suples selle kiirtes juba üsna sageli. Stoneyl, kuna ta süvenes edasi arendatavasse “elektroonilisse” ideesse, ei olnud lihtsalt piisavalt aega Helmholtzi isikus esineva ärritaja neutraliseerimiseks.
Selle areng neelas teda nii palju, et ta mitte ainult ei suutnud anda kvantitatiivset hinnangut väikseima elektrilaengu kohta, nõudes selle lisamist põhiliste looduslike konstantide hulka, vaid leidis ka stabiilse nime negatiivselt laetud elementaarosakesele - “ elektron”.
Ilmselt sundis varjatud kadedus kõva töötaja Stoney läbimurde pärast teaduse tulevikku Helmholtzi esmalt igal pool oma kolleegi ründama ja seejärel targalt vaikima. Raske on ennustada, kas aktiivne tegevus, vastutegevus või tegevusetus võidab vaenlast kõige paremini. Nii ta ajutiselt vaikis.
Kui aga kella veel veidi tagasi keerata, polnud üldse mõtet teadusliku liidri eest võitlema hakata, sest pärast asja ajaloo põhjalikku uurimist kerkis esile veel kaks nime. Selgub, et 1878. aastal enne Stoneyt juhtis teadlaste tähelepanu elektrilaengute diskreetsuse ideele juba üks füüsikateaduse tugisambaid hollandlane Hendrik Lorentz ja seitse aastat enne Lorentzi saksa füüsik Wilhelm. Eduard Weber rääkis elektronist, oodates iirlase ja kõigi teiste nende järgijate uurimistööd. Näiteks Weber väitis hämmastava taipamisega: "...elektri universaalse levikuga on lubatud tajuda, et elektriaatom on seotud aine iga aatomiga." Võib-olla oleks ta pidanud saama auloorbereid?
Ebatõenäoline. Üks asi on ju väärtuslikku ideed väljendada, teine asi on selle arengusse igati kaasa aidata. Ja seetõttu, ilma südametunnistuse piinata, prioriteet elektroni olemasolu teoreetilisel põhjendamisel, tegelikult negatiivse laengu ennustamisel. elementaarosake, võime selle julgelt kinkida iirlasele Stoneyle, kelle nime kahjuks kuskil ei mainita: ei teatmeteoses ega entsüklopeediates.
Muide, elektroni avastamise eelisõiguse eest võitlesid mitte ainult teoreetikud, vaid ka eksperimenteerijad, saades teada, kes avastas negatiivselt laetud osakese eksperimentaalselt? Tänapäeval teab iga koolilaps J. J. Thomsoni nime, kes enamiku teaduskroonikute arvates on elektroni tõeline “vanem”. Just selle vapustava avastuse eest pälvis ta 1906. aastal Nobeli preemia.
Prioriteeti peetakse vaieldamatuks, kuigi tegelikult räägib ajalooline tegelikkus sellele vastu. Selles veendumiseks piisab, kui võtta kätte Koenigsbergi ülikooli 1897. aasta jaanuari ajakiri, kus nad avaldasid uusim uurimus keemia ja füüsika alal. Selle perioodika jaanuarikuu 38. köites 12. leheküljel avaldati saksa füüsiku Emil Wicherti artikkel, mis kinnitas ühemõtteliselt selle taga oleva elektroni eksperimentaalse avastamise prioriteetsust.
Thomson teatas samast avastusest Inglismaa Kuningliku Instituudi teadusnõukogule kaks kuud hiljem – 30. aprillil 1897 ja tema esimene seda küsimust üksikasjalikult käsitlev publikatsioon ilmus alles mais. Teadlastele tutvustas seda ajakiri "Elekter" (1897, ou1.39, R.104).
Seega oli Wichert suurest GG-st viis kuud ees. Kuid keda huvitas sündmuste kronoloogia, kui tegemist oli teadusmaailmas vaieldamatu autoriteediga? Siinkohal pöördume tagasi küsimuse juurde, millest tuleks lähtuda intellektuaalomandi jaotamisel: kas ideest endast, selle edasiarendusest ja põhjendusest või mõlemat sisaldavast teedrajavast trükitööst?
Tundub, et igal juhul ei saa ignoreerida avastuse või leiutise võimuletuleku kronoloogilist järjekorda. Isegi eeldusel, et algselt oli hüpotees, mis pidi ajas ja mõtetes "selgendama". Seetõttu osales elektroni avastamisega samal, kui mitte suuremal määral, kui Stoney, Weber ja kuulus Thomson, vähetuntud Wichert.
Kuid ainult mõnest spetsiaalsest teatmeteosest võib lugeda, et J. J. Thomsonist sõltumatult avastas see füüsik elektroni ja määras kindlaks selle suhtelise laengu. Selles näites oleme veendunud autoriteedi jõu tegelikus teaduses.
1.1 Elektroni ja radioaktiivsuse avastamine.
Ideede sünd aatomi keerulise struktuuri kohta
Diskreetsus elektrivool kajastub Faraday elektrolüüsitöös – sama vool viib elektroodidele erineva koguse aine vabanemiseni, olenevalt sellest, milline aine on lahustunud. Ühe mooli ühevalentse aine vabanemisel läbib elektrolüüdi laeng 96 500 C ja kahevalentse aine korral laeng kahekordistub. Pärast määratlemist 19. sajandi lõpus. Avogadro arv võimaldas hinnata elementaarelektrilaengu suurust. Kuna 6.02 kannab 10 23 aatomit üle laengu 96 500 C, siis ühe osakaal on 1,2-10 -19 C. Seetõttu on see väikseim osa elektrist või "elektri aatom". Georg Stoney soovitas seda "elektri aatomit" nimetada elektroniks.
Gaaside vooludega töötamist raskendavad raskused haruldase gaasilise keskkonna saamisel. Saksa klaasipuhuja G. Geisler valmistas meelelahutuseks harvendatud gaasiga torusid, mis hõõgusid, kui sellest läbi lasti elektrivool. Nendes avastas V. Gitthoff katoodilt kiirguse, mis põhjustas toruseinte fluorestsentsi, mida nimetati nn. katoodkiired. Nagu inglise füüsik W. Crookes tuvastas, levisid need kiired sirgjooneliselt, kaldusid magnetvälja poolt kõrvale ja neil oli mehaaniline mõju.
Prantsuse füüsik J. Perrin asetas katoodi ette oleva toru sisse metallsilindri, mille auk oli katoodi vastas, ja avastas, et silinder on negatiivselt laetud. Kui kiired magnetvälja poolt kõrvale kaldusid ja silindrisse ei sisenenud, osutus see laenguta. Kaks aastat hiljem asetas J. Thomson silindri mitte katoodi ette, vaid küljele: toodud magnet painutas katoodkiired nii, et need sisenesid silindrisse ja laadisid selle negatiivselt, kuid fluorestsentslaik klaasil nihkus. See tähendab, et kiired on negatiivselt laetud osakesed. Sellist mõõteseadet nimetatakse kõrgvaakum-katoodkiiretoruks. Kondensaatori piirkonnas sisselülitatud magnetväljast põhjustatud Lorentzi jõu mõjul nihkub valgusvihu valgusjälg ekraanil. Nii sündis aastal 1895 uus teadus - elektroonika.
Töötades samaaegselt elektri- ja magnetväljadega ning muutes nende suurust, valis Thomson need välja nii, et need oleksid kompenseeritud, katoodkiired ei kalduks kõrvale ja koht klaasil ei liikunud. Ta sai elektrilaengu ja osakeste massi suhte e/t = 1,3 10-7 C/g. Sõltumata Thomsonist mõõtis selle väärtuse katoodkiirte jaoks V. Kaufman ja sai sarnase väärtuse. Thomson andis sellele osakesele nime kehake, ja elektron on ainult selle laeng, kuid katoodkiirte osakest ennast nimetati elektroniks (kreeka keelest. elektron - merevaigukollane).
Elektroni avastamine, selle uurimine ainulaadsed omadused stimuleeris aatomi struktuuri uurimist. Selgeks said aine poolt energia neeldumise ja eraldumise protsessid; sarnasused ja erinevused keemilised elemendid, nende keemiline aktiivsus ja inertsus; sisemine tähendus Perioodilisustabel D. I. Mendelejevi keemilised elemendid, keemiliste sidemete olemus ja mehhanismid keemilised reaktsioonid; Ilmunud on täiesti uued seadmed, milles elektronide liikumine mängib otsustavat rolli. Muutusid vaated mateeria olemusele. Elektroni avastamisega (1897) sai alguse aatomifüüsika ajastu.
Arvukatest katsetest elektronide ülekandega aine kaudu jõudis J. Thomson järeldusele, et elektronide arv aatomis on seotud aatommassi suurusega. Aga sisse heas seisukorras aatom peab olema elektriliselt neutraalne ja seetõttu on igas aatomis vastasmärgiliste laengute arvud võrdsed. Kuna elektroni mass on ligikaudu 1/2000 vesinikuaatomi massist, peab positiivse laengu mass olema 2000 korda suurem elektroni massist. Näiteks on vesinikul peaaegu kogu mass seotud positiivse laenguga. Elektroni avastamisega tekkisid kohe uued probleemid. Aatom on neutraalne, mis tähendab, et selles peab olema teisi positiivse laenguga osakesi. Neid pole veel avatud.
Prantsuse füüsik A. Becquerel avastas luminestsentsi uurides (1896) radioaktiivsuse fenomeni. Teda huvitas seos toru seintel olevate katoodkiirte fluorestsentsi ja toru sellest osast eralduva röntgenikiirguse vahel. Kiiritav erinevaid aineid, püüdis ta välja selgitada, kas kiiritatud fosforestseeruvad kehad võivad kiirata röntgenikiirgust päikesevalgus. Peagi võtsid Curie'd asja käsile ja avastasid aktiivsema elemendi, mille nad nimetasid Marie Curie sünnikoha Poola auks polooniumiks. Mõju ulatust mõõtes avastas Sklodowska-Curie uue elemendi - raadiumi ja nimetas kiirgusefekti ennast radioaktiivsus(alates lat. raadio- Ma kiirgan kiiri). Raadiumi kiirgusintensiivsus on sadu tuhandeid kordi suurem kui uraanil. Siis avastati kolmas radioaktiivne element – aktiinium. Ja radioaktiivsuse uurimisel oli teatav "buum".
1899. aasta lõpuks jõudis J. Thomsoni töötaja E. Rutherford järeldusele: „... katsed näitavad, et uraani kiirgus on keeruline ja koosneb vähemalt kahest erinevat tüüpi: üks, kiiresti neelduv, nimetagem seda a-kiirguseks; teine, läbitungiv, nimetagem seda
-kiirgus." Kolm aastat hiljem leidis P. Villar veel ühe kiirguse komponendi, mida magnetväli ei nihutanud, seda nimetati -kiirteks. Radioaktiivsus leidis kiiresti rakendust loodusteadustes ja meditsiinis.Aatomit ei peetud enam jagamatuks. Idee kõigi aatomite struktuurist vesinikuaatomitest väljendas juba 1815. aastal inglise arst W. Prout. Avastuse põhjuseks olid kahtlused aatomite jagamatuse suhtes spektraalanalüüs ja keemiliste elementide perioodilisustabel. Selgus, et aatom ise on keeruline struktuur iseloomulike spektrite eest vastutavate koostisosade sisemiste liikumistega. Selle struktuuri mudelid hakkasid ilmuma.
Aatomi mudeli - positiivne laeng jaotub positiivselt laetud üsna suures piirkonnas (võib-olla sfäärilise kujuga) ja sellesse on segatud elektronid, nagu "rosinad pudingis" - pakkus Kelvin 1902. aastal. J. Thomson arendas välja oma idee: aatom on tilk positiivselt laetud ainest pudingut, mille sees jaotuvad elektronid, mis on vibratsiooniseisundis. Nende vibratsioonide tõttu kiirgavad aatomid elektromagnetilist energiat; Nii suutis ta küll seletada valguse hajumist, kuid küsimusi tekkis palju. Keemiliste elementide perioodilise tabeli selgitamiseks uuris ta elektronide erinevaid konfiguratsioone, viidates sellele, et stabiilsed konfiguratsioonid vastavad mitteaktiivsete elementide, näiteks väärisgaaside, struktuurile ja ebastabiilsed aktiivsematele. Aatomite poolt kiiratava valguse lainepikkuste põhjal hindas Thomson sellise aatomi poolt hõivatud ala suuruseks umbes 10–10 m. Ta tegi palju oletusi, jäädes kõrvale kiirguse karakteristikute arvutamisest Maxwelli teooria järgi, kuna ta. usuti, et aatomi sees toimivad ainult elektromagnetilised jõud. 1903. aastal saavutas Thomson, et elektronid peaksid liikudes kiirgama elliptilisi laineid, 1904. aastal - et kui elektronide arv on üle 8, peaksid nad paiknema rõngasteks ja nende arv igas rõngas peaks vähenema rõnga raadiuse vähenemisega. Elektronide arv ei võimalda radioaktiivsetel aatomitel olla stabiilsed, nad kiirgavad alfaosakesi ja tekib uus aatomi struktuur. Thomsoni ühe õpilase E. Rutherfordi eksperiment viis aatomi struktuuri tuumamudelini.
Avastused 19. sajandi lõpus. - Röntgenikiirgus (1895), looduslik radioaktiivsus (Becquerel, 1896), elektron (J. Thomson, 1897), raadium (Pierre ja Marie Curie, 1898), kiirguse kvantloomus (Planck, 1900) olid alguseks. revolutsioon teaduses.
1.2 Aatomi ehituse planetaarmudel. Kaasaegne teadus ja Bohri postulaadid
Aatomi ehituse planetaarse mudeli pakkus esmakordselt välja J. Perrin, püüdes vaadeldavaid omadusi seletada elektronide orbitaalse liikumisega. Kuid V. Vin pidas seda talumatuks. Esiteks, kui elektron pöörleb, peab see klassikalise elektrodünaamika kohaselt pidevalt kiirgama energiat ja lõpuks langema tuumale. Teiseks peaks aatomi kiirgus pideva energiakadu tõttu olema pideva spektriga, kuid vaadeldakse joonspektrit.
α-osakeste läbimise katsed läbi õhukeste kulla- ja muude metallide plaatide viisid läbi E. Rutherfordi töötajad E. Marsden ja H. Geiger (1908). Nad leidsid, et peaaegu kõik osakesed läbivad plaati vabalt ja ainult 1/10 000 neist kogevad tugevat läbipainet – kuni 150°. Thomsoni mudel ei suutnud seda seletada, kuid tema endine assistent Rutherford hindas kõrvalekallete osa ja jõudis planeedimudelini: positiivne laeng on koondunud 10–15 suurusjärku ja märkimisväärse massiga.
Arvestades elektronide orbiite aatomis, jõudis Thomson 1913. aastal ka aatomi ehituse planetaarse mudelini. Kuid lahendades Coulombi seaduse abil sellise aatomi stabiilsuse probleemi, leidis ta stabiilse orbiidi ainult ühe elektroni jaoks. Alfaosakeste emissiooni radioaktiivse lagunemise ajal ei osanud Thomson ega Rutherford seletada – selgus, et aatomi keskmes peavad olema elektronid?! Tema assistent G. Moseley mõõtis perioodilise tabeli mitme aatomi spektrijoonte sagedust ja leidis, et „aatomil on teatud iseloomulik väärtus, mis aatomilt aatomile liikudes regulaarselt suureneb. See suurus ei saa olla midagi muud kui sisemise südamiku laeng.
Planeedimudelil põhineva aatomistruktuuri teooria konstrueerimisel tekkis palju vastuolusid.
Algul püüdis Taani füüsik N. Bohr rakendada klassikalist mehaanikat ja elektrodünaamikat aines liikuvate laetud osakeste aeglustumise probleemile, kuid elektroni energia etteantud väärtuse jaoks sai võimalikuks määrata suvalised orbiidi parameetrid (või sagedused). ), mis viis paradoksideni.
Bohr nõustus aatomi struktuuri teooriaga spektrite päritolu probleemiga. Ta täiendas Rutherfordi mudelit postulaatidega, mis tagasid aatomi stabiilsuse ja selle kiirguse joonspektri. Bohr loobus klassikalise mehaanika ideedest ja pöördus Plancki kvanthüpoteesi poole: teatud seos rõnga kineetilise energia ja pöördeperioodi vahel on suhte ülekandmine. E= hv , väljendab perioodilist liikumist läbiva süsteemi ostsillaatori energia ja sageduse vahelist suhet. Balmeri, Rydbergi ja Ritzi spektraalvalemid võimaldasid sõnastada aatomi stabiilsuse ja vesinikuaatomi spektri joonelisuse tagamise nõuded: aatomis on mitu statsionaarset olekut (ehk planeedis elektroni orbiidid). mudel), milles aatom energiat ei eralda; Kui elektron liigub ühelt statsionaarselt orbiidilt teisele, kiirgab või neelab aatom osa energiast, mis on võrdeline sagedusega, kooskõlas Rydberg-Ritzi sagedusreegliga.
Joseph John Thomson sündinud Manchesteris. Siin Manchesteris lõpetas ta Owensi kolledži ja õppis aastatel 1876–1880 Cambridge'i ülikool kuulsas Trinity kolledžis. Jaanuaris 1880 sooritas Thomson edukalt lõpueksamid ja asus tööle Cavendishi laborisse.
Thomson oli kinnisideeks eksperimentaalne füüsika. Kinnisideeks kõige paremas mõttes see sõna. Thomsoni teadussaavutusi hindas kõrgelt Cavendishi labori direktor Rayleigh. Kui ta 1884. aastal direktori ametist lahkus, ei kõhelnud ta Thomsonit oma järglaseks soovitamast.
Aastatel 1884–1919 juhtis Thomson Cavendishi laboratooriumi. Selle aja jooksul kujunes sellest maailma füüsika suur keskus, rahvusvaheline füüsikute kool. Algas siit teaduslik tee Rutherford, Bor, Langevin ja paljud teised, sealhulgas vene teadlased.
Thomsoni uurimisprogramm oli lai: küsimused elektrivoolu gaaside kaudu liikumisest, metallide elektrooniline teooria, eri tüüpi kiirte olemuse uurimine...
Katoodkiirte uurimisega tegelema asunud, otsustas Thomson ennekõike kontrollida, kas tema eelkäijate katsed, kes saavutasid kiirte kõrvalekaldumise elektriväljadega, on tehtud piisavalt hoolikalt. Ta mõtleb välja korduskatse, kavandab selle jaoks spetsiaalse varustuse, jälgib tellimuse täitmise põhjalikkust ja oodatav tulemus on ilmne.
Thomsoni disainitud torus tõmbasid katoodkiired kuulekalt positiivse laenguga plaadi poole ja tõrjusid selgelt negatiivsest eemale. See tähendab, et nad käitusid ootuspäraselt kiiresti lendavate pisikeste negatiivse elektriga laetud kehakeste voost. Suurepärane tulemus!
See võib kindlasti lõpetada kõik vaidlused katoodkiirte olemuse üle. Kuid Thomson ei pidanud oma uurimistööd lõpetatuks. Olles määranud kiirte olemuse kvalitatiivselt, tahtis ta anda täpse kvantifitseerimine ja nende koostises olevad kehakesed.
Esimesest edust inspireerituna kavandas ta uue toru: katood, kiirenduselektroodid rõngaste ja plaatide kujul, millele saab rakendada kõrvalekaldpinget. Katoodi vastas olevale seinale kandis ta õhukese kihi ainet, mis on võimeline sissetulevate osakeste mõjul hõõguma. Tulemuseks oli elektronkiiretorude esivanem, mis oli meile telerite ja radarite ajastul nii tuttav.
Thomsoni katse eesmärk oli suunata kehakeste kiir elektriväljaga kõrvale ja kompenseerida see läbipaine magnetväljaga. Järeldused, milleni ta katse tulemusena jõudis, olid hämmastavad. Esiteks selgus, et osakesed lendavad torus tohutu kiirusega, valguskiiruse lähedal. Ja teiseks, elektrilaeng kehakeste massiühiku kohta oli fantastiliselt suur.
Mis osakesed need olid: tundmatud aatomid, mis kandsid tohutuid elektrilaenguid, või tühise massiga, kuid väiksema laenguga pisikesed osakesed? Lisaks avastas ta, et erilaengu ja ühiku massi suhe on konstantne väärtus, mis ei sõltu osakeste kiirusest, katoodi materjalist ja gaasi laadist, milles tühjenemine toimub.
Selline iseseisvus oli murettekitav. Tundub, et kehakesed olid mingid universaalsed aineosakesed, komponendid aatomid. "Pärast pikka arutelu katsete üle," kirjutab Thompson oma memuaarides, "selgus, et ma ei suutnud vältida järgmisi järeldusi:
1. Et aatomid ei ole jagamatud, kuna elektrijõudude mõjul, kiiresti liikuvate osakeste mõjul võivad neist välja rebida negatiivselt laetud osakesed, ultraviolettvalgus või soojust.
2. Need osakesed on kõik sama massiga, kannavad sama negatiivse elektri laengut, olenemata sellest, millistest aatomitest nad pärinevad, ja on kõigi aatomite komponendid.
3. Nende osakeste mass on väiksem kui üks tuhandik vesinikuaatomi massist. Alguses nimetasin neid osakesi korpuskliteks, kuid nüüd kutsutakse neid rohkem sobiv nimi"elektron".
Tomson hakkas arvutusi tegema. Kõigepealt oli vaja kindlaks määrata salapäraste kehakeste parameetrid ja siis oleks ehk võimalik otsustada, mis need on. Arvutuste tulemused näitasid: pole kahtlustki, et tundmatud osakesed pole midagi muud kui väikseimad elektrilaengud – jagamatud elektriaatomid ehk elektronid.
29. aprillil 1897 toimus tema ettekanne ruumis, kus Londoni Kuningliku Seltsi koosolekud olid toimunud rohkem kui kakssada aastat. Kuulajad olid rõõmsad. Kohalolijate rõõmu ei seletanud sugugi asjaolu, et kolleeg J. J. Thomson oli nii veenvalt paljastanud katoodkiirte tõelise olemuse.
Olukord oli palju tõsisem. Aatomid, mateeria peamised ehitusplokid, on lakanud olemast elementaarsed ümarad terad, läbitungimatud ja jagamatud, osakesed, millel puudub igasugune sisemine struktuur...
Kui neist võisid välja lennata negatiivselt laetud kehakesed, siis see tähendab, et aatomid pidid olema mingi kompleksne süsteem, süsteem, mis koosneb millestki positiivse elektriga laetud ja negatiivselt laetud kehakestest – elektronidest. Nüüd edasi on nähtavaks saanud kõige vajalikumad juhised tulevasteks otsinguteks.
Kõigepealt oli muidugi vaja täpselt määrata ühe elektroni laeng ja mass. See võimaldaks selgitada kõigi elementide aatomite massi, arvutada molekulide massid ja anda soovitusi reaktsioonide õigeks koostiseks.
1903. aastal samas Cavendishi laboris Thomsonis G. Wilson tegi Thomsoni meetodis olulise muudatuse. Anumasse, milles toimub ioniseeritud õhu kiire adiabaatiline paisumine, asetatakse kondensaatorplaadid, mille vahele saab tekitada elektrivälja ja jälgida pilve langemist nii välja olemasolul kui ka puudumisel.
Wilsoni mõõtmised andsid elektroni laengu väärtuseks 3,1 korda 10 abs.el miinus kümnendiku võimsusega. ühikut Wilsoni meetodit kasutasid paljud teadlased, sealhulgas Peterburi ülikooli tudengid Malikov Ja Aleksejev, kes leidis, et laeng võrdub 4,5 korda 10 miinus kümnendiku võimsusega abs.el. ühikut See oli kõige lähemal tõeline tähendus kõigi tulemus, mis saadi enne, kui Millikan hakkas 1909. aastal üksikuid langusi mõõtma.
Nii see avastati ja mõõdeti elektron - aatomite universaalne osake, esimene nn elementaarosakestest, mille füüsikud avastasid. See avastus võimaldas füüsikutel esiteks püstitada küsimuse elektri-, magnet- ja optilised omadused ained.
Teabe allikas: Samin D.K. “Sada suurt teaduslikku avastust”, M.: “Veche”, 2002.
J.J.Thomson ja tema panus füüsika arengusse
XX sajand
Tema 150. sünniaastapäevaks
Sada viiskümmend aastat tagasi sündis Inglismaal Manchesteri kasutatud raamatute edasimüüja perre poiss, kellest sai 19. sajandi lõpu ja 20. sajandi alguse üks silmapaistvamaid füüsikuid. See juhtus 18. detsembril 1856 ja see laps oli Joseph John Thomson. Tema panus füüsika arengusse on muljetavaldav: elektroni eksperimentaalne avastus 1897. aastal, pälvis Nobeli füüsikaauhinna (1906); üks esimesi elektrone sisaldava aatomi mudeleid (1903); esimesed eksperimentaalsed tõendid isotoopide olemasolu kohta (1912), suure teadusliku füüsikute koolkonna loomine, mille silmapaistvaim esindaja on Ernest Rutherford - see pole täielik loetelu sellest, mida see mees oma pika elu jooksul teaduses tegi . Seetõttu tundub tema juubeliaastal oluline mitte ainult tema teaduspärandit meenutada, vaid ka püüda hinnata selle pärandi olulisust meie aja jaoks. Ja on veel üks põhjus. Paljude inimeste – nii professionaalsete füüsikute kui ka lihtsalt teadusajaloost huvitatute – meeles jääb selle teadlase nimi, keda tema kaasaegsed kutsusid põgusalt “Gi-Gi”, ühelt poolt sageli paljude nimede varju. teisi möödunud sajandi silmapaistvaid füüsikuid ja teisest küljest omistatakse talle mõnikord ekslikult teaduslikud teened tema vanem kaasaegne William Thomson (1824–1907), kes sai aastal 1892 lord Kelvini tiitli oma silmapaistvate teaduslike saavutuste eest (pange tähele, et viimane ei pakkunud välja mitte ainult absoluutse temperatuuriskaala, vaid kehtestas 1853. aastal ka Thomsoni võnkeperioodi valemi võnkeahelas). See asjaolu on ka põhjus, miks J. J. Thomson väärib eraldi äramärkimist.
Nooruses tahtis Thomson saada inseneriks ja astus isegi mõnda vastava profiiliga Manchesteri kolledžisse. Kuid peagi oli ta isa surma tõttu sunnitud rahapuudusel inseneriõpingud katkestama. "Kuid pärast matemaatika, füüsika ja keemia õppimist õnnestus tal 1876. aastal saada stipendium Trinity College'i ja just Cambridge'i ülikooliga oli Thomsoni kogu edasine akadeemiline elu seotud." (*Sõna " Kolmainsus"inglise keelest tõlgitud. tähendab "kolmainsust", st. Trinity College on St. Kolmainsus.")
Thomson lõpetas ülikooli 1880. aastal ja tema esimesed teadustööd pärinevad sellest ajast (19. sajandi 90ndate algusest). Need on pühendatud Maxwelli elektrodünaamika arendamisele. Nii jõudis Thomson laetud kuuli liikumise probleemi lahendades järeldusele, et laengu näivmass suureneb elektrostaatilise välja energia mõjul ja seda järeldust arendati edasi 20. sajandi alguses. erirelatiivsusteoorias, eelkõige A. Poincaré töödes. 1884. aastal, 28-aastaselt, sai Thomsonist Cavendishi labori direktor, kes asendas sellel ametikohal J. W. Rayleigh'd ning direktori ametikoht jätkus kuni 1918. aastani. Aasta hiljem, 1885. aastal kaitses Thomson väitekirja pealkirjaga "On Some application of the Principles dünaamikast füüsikalistele nähtustele”, mida G. Hertz hiljem nimetas “imeliseks traktaadiks”: “Autor arendab siin välja dünaamika tagajärjed, mis koos Newtoni liikumisseadustega põhinevad uutel, selgelt väljendamata eeldustel. Ma võiksin selle traktaadiga ühineda; tegelikult oli mu enda uurimistöö juba enne selle traktaadiga tutvumist oluliselt edenenud,” kirjutas Hertz aastal Thomsoni väitekirjast. Eelmisel aastal oma elust eessõnas raamatule “Mehaanika põhimõtted, mis on sätestatud uus ühendus"(1894).
Elektroni avastamine
1. Taust. Akadeemik P. L. Kapitsa tsiteerib oma artiklis “Benjamin Franklini teaduslik tegevus” (1956) fragmenti ühest oma 1749. aasta kirjast: “Elektriaine koosneb üliväikestest osakestest, sest nad suudavad tungida läbi tavaliste ainete, nii tihedate kui metall, nii kergesti ja vabalt, et neil pole märgatavat vastupanu. P.L. Kapitsa kirjutab neid sõnu kommenteerides: „Tänapäeval kutsume neid „üliväikesi osakesi“ elektronideks. Lisaks pidas Franklin iga keha nende elektriosakestega küllastunud käsnaks. Kehade elektrifitseerimine seisneb selles, et keha, milles on elektriosakesi liig, on positiivselt laetud; kui kehal need osakesed puuduvad, on see negatiivselt laetud.
Nii avaldati juba 18. sajandil oletusi elektrilaengu kandjate osakeste olemasolu kohta. Esimene katse konstrueerida elektrodünaamikat "elektrilise vedeliku" granulaarse struktuuri idee põhjal tehti 40ndatel. XIX sajandil Saksa füüsik Wilhelm Eduard Weber (1804–1891), kes pidas neid osakesi kaalututeks ja nimetas neid "elektri massideks", võrdsustades termini "mass" mõistega "laeng". Maxwelli elektrodünaamikas, mille ta arendas välja peamiselt 60ndatel. XIX sajandil sedalaadi osakesi ei mainita: selles domineerib väljalähenemine ja elektrit käsitletakse kui mingisugust kokkusurumatut vedelikku, mis liigub juhtides. Elektrilaengute diskreetsuse ideed juurutada Maxwelli elektrodünaamikasse tegi esimest korda 1878. aastal G. Lorentz. Nii kirjutas Lorenz 1892. aastal oma töös "Maxwelli elektromagnetiline teooria ja selle rakendamine liikuvatele kehadele": "Piisab eeldada, et kõik kaalukad kehad sisaldavad palju väikeseid positiivselt või negatiivselt laetud osakesi ja kõik elektrilised nähtused on põhjustatud. nende osakeste nihkumise teel . Selle kontseptsiooni kohaselt on elektrilaeng tingitud ühe kindla märgiga osakeste ülemäärast, elektrivool nende osakeste voolust ja tahketes isolaatorites toimub "dielektriline nihe", kui neis sisalduvad elektrifitseeritud osakesed eemaldatakse oma tasakaaluasenditest.
Need hüpoteesid ei sisalda elektrolüütide osas midagi uut ja kujutavad endast teatud analoogiat ideedega, mis puudutasid vanas elektriteoorias eksisteerinud metallilisi juhte. See pole nii kaugel elektrivedeliku aatomitest kuni laetud osakesteni.
Eriti tähelepanuväärsed on uuringud, mis käsitlevad haruldaste gaaside elektriliste nähtuste omadusi. 70ndatel Saksa füüsik Eugen Goldstein (1850–1930) tutvustas katoodkiirte mõistet füüsikasse ja väitis, et nad on oma olemuselt sarnased valgusega ainult selle erinevusega, et valgust kiirgab keha enda ümber igas suunas ja katoodkiired kiirgavad. ainult risti katoodi pinnaga, kuid Mõlemad protsessid on oma olemuselt lainelised protsessid. Goldsteini katsed 70ndate lõpus. XIX sajandil parandatud kujul kordas väljapaistev inglise füüsik William Crookes (1832–1919). Pärast gaaslahendustorusse 1873. aastal kavandatud radiomeetri kasutuselevõttu avastas Crookes selle pöörlemise katoodkiirte mõjul, millest järeldas ta, et need kiired edastavad energiat ja impulssi. Pannud torusse katoodkiirte teele metallist risti, avastas Crookes selle varju toru fluorestseeruval klaasil ja jõudis järeldusele, et katoodkiired levivad sirgjooneliselt. Ta oli eksperimentaalselt veendunud, et neid kiiri saab magnetiga ühes või teises suunas kõrvale kalduda. Ta nimetas kiiri millekski neljas või ultragaasiline aine olek või kiirgav aine, millel on aga korpuskulaarne iseloom, tõlgendatuna kosmilisel skaalal: „Seda neljandat aine olekut uurides tekib mõte, et lõpuks on meie käsutuses „lõplikud“ osakesed, mida võime õigusega pidada Universumi füüsika aluseks."
Katoodkiirte olemuse korpuskulaarsele kontseptsioonile vastandus juba mainitud lainekontseptsioon. Crookes uskus, et katoodkiired on jääkgaasi molekulid, mis sisalduvad gaaslahendustorus; Katoodiga kokku puutudes saavad nad sellelt negatiivse laengu ja tõrjutakse katoodilt eemale. Kuid siis tuleb need elektrivälja abil kõrvale kalduda. G. Hertzi läbiviidud katsed näitasid, et elektriväli neid kõrvale ei kaldu. 1892. aastal veendus Hertz eksperimentaalselt, et katoodkiired võivad läbida õhukesi alumiiniumplaate. Aga kui see nii on, siis pole selge, kuidas elektrifitseeritud molekulid metallist läbi pääsevad. Teisest küljest ei mõjuta magnetväli valguslaineid, kuid Crookesi katsed näitasid, et see väli mõjub katoodkiirtele. Seega 90ndate alguses. XIX sajandil tekkis probleem, mis vajas lahendamist. Mis on katoodkiired – lained või osakesed?
2. J. Perrin ja J. Thomson - katoodkiirte olemuse probleemi lahendus. Joonisel fig. Joonisel 1 on diagramm katsest, mille viis läbi 1895. aastal Jean Baptiste Perrin (1870–1942). Lahendustoru sees katoodi ees N 10 cm kaugusele asetati elektroskoobiga ühendatud metallsilinder ABCD(jope EFGH), mille katoodi vastas on väike auk. Kui toru töötas, tungis silindrisse katoodkiirte kiir ja silinder sai alati negatiivse laengu. Kui katoodkiirte suunamiseks magnetiga nii, et need silindrisse ei satuks, ei andnud elektroskoop näitu. Sellest võiks järeldada, et katoodkiired kannavad endas negatiivseid elektrilaenguid ja seetõttu räägime osakeste voolust.
Lainekontseptsiooni toetajad esitasid aga järgmise vastuväite. Kuigi nad tunnistasid, et katood võib kiirata laetud osakesi, eitasid nad, et need osakesed olid katoodkiired. Kui katoodkiired tabasid toru seina, hakkas viimane hõõguma, kuid hõõgumine ja osakeste väljapaiskumine katoodi poolt võis nende arvates olla kaks erinevat nähtust, nagu ka suurtükimürsu tünnist väljumine. relv ja selle protsessiga kaasnev välklamp on erinevad nähtused.
Oli vaja katseliselt tõestada, et laetud osakeste väljapaiskumine katoodi poolt ja lahendustoru seina kuma on omavahel seotud, et me ei räägi erinevatest füüsikalistest nähtustest, vaid ühest. Need tõendid esitas J.J. Thomson oma katsetes 1897. aastal, mis olid Perrini katsete variandid. Avaga silinder ei asunud mitte katoodi ees, vaid selle küljel, mille jaoks muudeti toru enda geomeetriat, joon. 2. Antud juhul täheldati fluorestsentsi algselt toru klaasseinas, kuid see kadus, kui katoodkiired suunati magnetiga kõrvale ja "juhiti" elektroskoobiga ühendatud silindri auku, mis registreeris negatiivse laengu. . Seega tõestati, et toruseina kuma ja silindri täitumine on põhjustatud samadest osakestest. Ja pealegi suutis Thomson oma katsetes teha seda, mis Hertzil ei õnnestunud: tal õnnestus saavutada katoodkiirte kõrvalekaldumine elektrivälja toimel (Hertzi katsetes rikkus kõik ära torus oleva jääkgaasi juhtivus, mis tekkis katoodkiirte mõjul).
Seega on katoodkiired osakesed. Milline? Millised on nende omadused, omadused? Thomson vastas neile küsimustele, kirjeldades nende liikumist mehaanika seadustega. Näiteks elektrostaatilises väljas peaksid nad käituma samamoodi nagu langevad kehad Maa pinna lähedal. Kui näiteks positiivselt laetud osake satub kahe horisontaalse plaadi vahele, mille ülaosa on positiivselt ja alumine negatiivselt laetud, siis see osake tõrjub ülevalt plaadilt ja tõmbab põhja, s.t. liikuda kiirendusega allapoole. Kui see osake lendab nende plaatide vahelisse ruumi kiirusega, mis on suunatud paralleelselt plaatide tasanditega, siis ta läheneb alumisele plaadile mööda paraboolset trajektoori, s.t. liikuda samamoodi nagu Maa pinnaga paralleelse kiirusega visatud kivi langeb maa pind. Kui plaatide vahelises ruumis on ka magnetväli, mis on suunatud kas joonisest väljapoole või jooniselt, siis esiteks mõjub uuritavale laetud osakesele Lorentzi jõud (magnetjõud) ja selle suuna järgi saab hinnata. laengu märk ja teiseks võivad elektri- ja magnetjõud teineteist kustutada, kui need on suunatud vastassuundadele. Elektrijõud arvutatakse osakeste laengu ja elektrivälja tugevuse korrutisena; magnetjõud arvutatakse selle laengu korrutisena osakese kiiruse ja magnetvälja induktsiooniga (olgu kiiruse ja induktsioonivektorite vaheline nurk 90°). Siis saame eE = eB, st. E = B. Siit on kohe selge, et pinge suhtena arvutatakse laetud osakese liikumiskiirus elektriväli E magnetvälja induktsioonile B. Siiski on teada, et Lorentzi jõud annab laetud osakesele tsentripetaalse kiirenduse 2 / r; siis saab leida osakese erilaengu väärtuse, st. laengu ja osakese massi suhe:
Sellest tulemusest võib näha järgmist. Uuritava osakese erilaeng sõltub magnetvälja induktsioonist ja elektrivälja tugevusest (st plaatide potentsiaalide erinevusest). Osakese erilaeng ei sõltu sellest keemilised omadused jääkgaas torus, toru geomeetriline kuju, materjal, millest elektroodid on valmistatud, katoodkiirte kiirus (Thomsoni katsetes 1897. aastal oli see kiirus 0,1 Koos, Kus Koos– valguse kiirus vaakumis) ja mitte ühelgi teisel füüsikalisel parameetril. Katoodkiired ei ole katoodist eralduvad jääkgaasioonid, nagu Crookes arvas, vaid need on siiski osakesed. Ja kui nende erilaeng on konstantne, siis räägime identsetest osakestest. Väljendades nende osakeste massi grammides ja laengut SGSM-is, nagu tol ajal oli tavaks, sai Thomson osakeste erilaenguks 1,7 10 7 ühikut. SGSM/g. Tema katse suurest täpsusest annab tunnistust fakt, et elektroni erilaengu tänapäevane väärtus on (1,76 ± 0,002)10 7 ühikut. SGSM/g.
Saadud erilaengu väärtuse põhjal võiks proovida hinnata osakeste massi. Katsete tegemise ajaks oli vesinikiooni erilaengu väärtus juba teada (10 4 SGSM ühikut/g). Selleks ajaks oli olemas ka mõiste "elektron", mille võttis 1891. aastal kasutusele iiri füüsik ja matemaatik George Stoney (1826–1911) elektrilaengu tähistamiseks. monovalentne ioon elektrolüüsi ajal ja pärast Thomsoni uurimistööd kanti see termin üle tema avastatud osakestele. Ja kui eeldame, et elektroni laeng ja mass on kuidagi seotud vesinikiooni vastavate väärtustega, siis oli võimalik kaks võimalust:
A) elektroni mass võrdub vesinikiooni massiga, siis peab elektroni laeng olema vesinikiooni laengust 10 3 korda suurem. Saksa füüsiku Philipp Lenardi uuringud näitasid aga sellise oletuse ebareaalsust. Ta leidis, et katoodkiiri moodustavate osakeste keskmine vaba tee õhus on 0,5 cm, vesinikuioonil aga alla 10–5 cm, mis tähendab, et äsja avastatud osakeste mass peaks olema väike;
b) osakese laeng on võrdne vesinikiooni laenguga, kuid sel juhul peaks selle osakese mass olema 10 3 korda väiksem vesinikiooni massist. Thomson otsustas selle valikuga.
Sellegipoolest oleks parem kuidagi otse mõõta kas elektroni laengut või selle massi. Järgmine asjaolu aitas probleemi lahendada. Samal 1897. aastal, kui Thomson viis läbi katseid katoodkiirte uurimisel, leidis tema õpilane Charles Wilson, et veeauruga üleküllastunud õhus muutub iga ioon auru kondenseerumise keskuseks: ioon tõmbab ligi aurupiisku ja moodustub algab veepiisk, mis kasvab, kuni muutub nähtavaks. (Hiljem, 1911. aastal, kasutas seda avastust ka Wilson ise, luues oma kuulsa seadme – Wilsoni kambri). Thomson kasutas sel viisil ära oma õpilase avastust. Oletame, et ioniseeritud gaasis on teatud arv ühesuguse laenguga ioone ja need ioonid liiguvad koos teadaolev kiirus. Gaasi kiire paisumine viib selle üleküllastumiseni ja iga ioon muutub kondensatsioonikeskuseks. Voolutugevus võrdub ioonide arvu ja iga iooni laengu ning selle kiiruse korrutisega. Mõõta saab voolu tugevust, mõõta saab ka ioonide liikumiskiirust ja kui osakeste arv kuidagi määrata, siis saab leida ühe osakese laengu. Selleks mõõdeti esiteks kondenseerunud veeauru mass ja teiseks ühe tilga mass. Viimane asus järgmiselt. Arvesse võeti tilkade kukkumist õhus. Selle kukkumise kiirus gravitatsiooni mõjul on Stokesi valemi järgi võrdne,
– selle keskkonna viskoossuse koefitsient, kuhu tilk langeb, s.o. õhku. Seda kiirust teades saate leida tilga raadiuse r ja selle maht, eeldades, et tilk on sfääriline. Korrutades selle mahu vee tihedusega, leiame ühe tilga massi. Jagades kogukaal kondenseerunud vedelik ühe tilga massi kohta, leiame nende arvu, mis võrdub gaasiioonide arvuga, mille kaudu paikneb ühe iooni laeng. Suure hulga mõõtmiste keskmisena sai Thomson soovitud laengu jaoks väärtuseks 6,5 10–10 ühikut. SGSM, mis oli tollal juba tuntud vesinikiooni laenguga üsna rahuldavas kooskõlas.
Eelpool käsitletud meetodit täiustas Wilson aastal 1899. Negatiivse laenguga tilga kohal oli positiivselt laetud plaat, mis oma külgetõmbejõuga tasakaalustas tilgale mõjuvat gravitatsioonijõudu. Sellest seisundist oli võimalik leida kondensatsioonituuma laeng. Asjakohane küsimus on: kas tilga laeng on tegelikult elektroni laeng? Kas see pole mitte ioniseeritud molekulide laeng, mis ei pea olema a priori võrdne elektroni laenguga? Thomson näitas, et ioniseeritud molekuli laeng on tõepoolest võrdne elektroni laenguga, ilmneb sõltumata aine ioniseerimismeetodist ja osutub elektrolüüsi käigus alati võrdseks monovalentse iooni laenguga. Asendades selle laengu väärtuse elektroni spetsiifilise laengu avaldisesse, saame leida viimase massi. See mass on ligikaudu 1800 korda väiksem kui vesinikuiooni mass. Praegu aktsepteeritakse järgmisi põhikonstantide väärtusi: elektronide laeng on 1,601 10 –19 C; elektroni mass on 9,08 10–28 g, mis on ligikaudu 1840 korda väiksem kui vesinikuaatomi mass.
Seoses Thomsoni uurimustega katoodkiirte omaduste ja olemuse kohta tahaksin mainida ka tema panust fotoelektrilise efekti olemuse uurimisse. Sel ajal polnud selle nähtuse mehhanismis selgust - ei A. G. Stoletovi (kes suri mais 1896, s.o. enne elektroni avastamist) töödes ega ka Euroopa füüsikute - itaallase A. Riia, sakslane V. Galvax ja veelgi enam G. Hertzi uuringutes, kes suri veel 1894. Thomson 1899. aastal, uurides fotoelektrilist efekti katsemeetodil, mis sarnaneb katoodkiirte omaduste uurimise meetodile, kehtestas järgmise. Kui eeldada, et fotoefekti käigus tekkiv elektrivool on negatiivselt laetud osakeste voog, siis saame teoreetiliselt välja arvutada selle voolu moodustava osakese liikumise, mõjudes sellele samaaegselt elektri- ja magnetväljaga. Thomsoni katsed kinnitasid, et vool kahe vastassuunaliselt laetud plaadi vahel, kui katoodi on valgustatud ultraviolettkiirtega, on negatiivselt laetud osakeste voog. Nende osakeste laengu mõõtmised, mis viidi läbi samal meetodil, millega Thomson oli varem mõõtnud ioonide laengut, andsid keskmise laengu väärtuse, mis oli suurusjärgus lähedane katoodkiiri moodustavate osakeste laengu väärtusele. Siit järeldas Thomson, et mõlemal juhul tuleks rääkida ühesuguse olemusega osakestest, s.t. elektronide kohta.
Thomsoni aatom."linkimise" probleem avatud elektronid aine struktuuriga püstitas Thomson juba oma elektronide erilaengu määramise töös. Thomsoni pakutud esimene aatomimudel põhines A. Mayeri (USA) katsetel ujuvmagnetitega, mis viidi läbi 70ndate lõpus. XIX sajandil Need katsed koosnesid järgmistest. Veega anumas ujusid korgid, millesse torgati magnetiseeritud nõelad, mis neist veidi välja ulatusid. Nõelte nähtavate otste polaarsus oli kõigil korgidel sama. Nende pistikute kohal, umbes 60 cm kõrgusel, paiknes vastaspoolusega silindriline magnet ja nõelad tõmbasid magneti poole, tõrjudes samal ajal üksteist. Selle tulemusena moodustasid need pistikud spontaanselt erinevaid tasakaalulisi geomeetrilisi konfiguratsioone. Kui liiklusummikuid oli 3 või 4, siis need asusid tavalise hulknurga tippudes. Kui neid oli 6, siis hulknurga tippudes hõljus 5 pistikut ja kuues oli keskel. Kui neid oli näiteks 29, siis oli üks pistik jällegi figuuri keskel ja ülejäänud asusid selle ümber rõngastena: 6 hõljus keskele lähimas rõngas, vastavalt 10 ja 12 järgmises. rõngad, kui need tsentrist eemale liikusid.Thomson kandis mehaanilise disaini üle aatomi struktuurile, nähes selles võimalust selgitada D.I.Mendelejevi perioodilisele tabelile omaseid mustreid (mis tähendab elektronide kihtidevahelist jaotust aatom). Kuid antud juhul jäi lahtiseks küsimus konkreetse elektronide arvu kohta aatomis. Ja kui eeldada, et elektrone on näiteks mitusada (eriti arvestades asjaolu, et elektroni mass on vesinikiooni massiga võrreldes tühine), siis elektronide käitumise uurimine sellises struktuuris on praktiliselt võimatu. Seetõttu muutis Thomson juba 1899. aastal oma mudelit, viidates sellele, et neutraalne aatom sisaldab suurel hulgal elektrone, mille negatiivset laengut kompenseerib "miski, mis muudab elektronide hajutatud ruumi võimeliseks toimima nii, nagu see oleks positiivne elektrilaeng, mis on võrdne elektronide negatiivsete laengute summaga."
Paar aastat hiljem ajakirjas " Filosoofiline ajakiri" (nr. 2, 1902) ilmus teise Thomsoni - Williami, tuntud kui Lord Kelvin - töö, mis käsitles elektroni ja aatomi vastasmõju. Kelvin väitis, et välimine elektron tõmbub aatomi poole jõuga, mis on pöördvõrdeline elektroni keskpunkti ja aatomi keskpunkti vahelise kauguse ruuduga; aatomi osaks olev elektron tõmmatakse viimase poole jõuga, mis on otseselt võrdeline elektroni keskpunkti ja aatomi keskpunkti vahelise kaugusega. See näitab eelkõige, et Kelvin ei pea elektrone mitte ainult iseseisvateks osakesteks, vaid ka aatomi lahutamatuks osaks. See järeldus "võrdub positiivse elektri ühtlase jaotumise eeldusega ruumis, mille hõivab tavalise aine aatom. Sellest järeldub, et on olemas kahte tüüpi elektrit: negatiivne, granuleeritud ja positiivne, pideva pilve kujul, nagu tavaliselt kujutati ette "vedelikke" ja eriti eetrit. Üldiselt võib öelda, et Kelvini järgi on aatomil ühtlane positiivse elektrilaengu sfääriline jaotus ja teatud arv elektrone. Kui me räägime üheelektronilisest aatomist, siis elektron peab olema aatomi keskpunktis, ümbritsetud positiivse laengu pilvega. Kui aatomis on kaks või enam elektroni, siis tekib küsimus sellise aatomi stabiilsuse kohta. Kelvin pakkus välja, et elektronid näivad tiirlevat ümber aatomi keskpunkti, asudes sfäärilistel pindadel, mis on aatomi piiriga kontsentrilised, ja need pinnad asuvad ka aatomi sees. Kuid sel juhul tekivad probleemid: kui laetud osake liigub, peab tekkima magnetväli ja kui see liigub kiirendusega (ja pöörleval elektronil on paratamatult tsentripetaalne kiirendus), siis elektromagnetkiirgus. Thomson uuris neid küsimusi, jäädes umbes viisteist aastat Kelvini ideede toetajaks.
Juba 1903. aastal tegi Thomson kindlaks, et pöörlevad elektronid peaksid tekitama elliptiliselt polariseeritud valguslaineid. Mis puutub pöörlevate laengute magnetvälja, siis nagu teooria näitab, et kui elektronid pöörlevad jõu mõjul, mis on võrdeline kaugusega laengust pöörlemiskeskmesse, saab aine magnetilisi omadusi seletada ainult tingimusel energia hajumisest. Küsimusele, kas selline hajumine on tõesti olemas, ei andnud Thomson selget vastust (ilmselt mõistis, et sellise hajumise olemasolu tõstatab aatomi struktuuri stabiilsuse probleemi).
1904. aastal käsitles Thomson aatomistruktuuri mehaanilise stabiilsuse probleemi. Vaatamata sellele, et praegu tajutakse seda lähenemist anakronismina (aatomit moodustavate osakeste käitumist tuleks vaadelda mitte klassikalise, vaid kvantmehaanika, mille kohta tol ajal absoluutselt midagi ei teatud), on mõttekas siiski peatuda Thomsoni saadud tulemustel.
Esiteks tegi Thomson kindlaks, et aatomis peavad elektronid pöörlema kiiresti ja selle pöörlemise kiirus ei tohi olla väiksem kui teatud piir. Teiseks, kui elektronide arv aatomis on üle kaheksa, peaksid elektronid olema paigutatud mitmesse rõngasse ja elektronide arv igas ringis peaks suurenema tsükli raadiuse suurenemisega. Kolmandaks, radioaktiivsete aatomite puhul peaks radioaktiivsest kiirgusest tingitud elektronide kiirus järk-järgult vähenema ja teatud vähenemise piiril peaksid toimuma "plahvatused", mis viivad uue aatomistruktuuri moodustumiseni.
Tänapäeval on üldtunnustatud Rutherfordi planetaarmudel, mis ilmus 1910. aastal ja mida N. Bohr hiljem kvantperspektiivist täiustas. Sellegipoolest on Thomsoni mudel väärtuslik, kui püstitada: 1) elektronide arvu ja nende jaotuse seostamise probleem aatomi massiga; 2) aatomi positiivse laengu olemuse ja jaotuse probleemid, kompenseerides kogu negatiivse elektroonikalaengu; 3) aatommassi jaotuse probleemid. Need probleemid lahendati kahekümnenda sajandi füüsika hilisema arengu käigus ja nende lahendus viis lõpuks kaasaegsed ideed aatomi struktuuri kohta.
Isotoopide olemasolu eksperimentaalne tõestus. Idee, et sama keemilise elemendi aatomitel võib olla erinev aatommass, tekkis ammu enne seda, kui Thomson hakkas uurima "isotoopide probleemi". See idee 19. sajandil. väljendasid orgaanilise keemia rajaja A. M. Butlerov (1882) ja mõnevõrra hiljem W. Crooks (1886). Esiteks radioaktiivsed isotoobid sai 1906. aastal Ameerika keemik ja samal ajal füüsik B. Boltwood (1870–1927) - kaks erineva poolestusajaga tooriumi isotoopi. Termini "isotoop" võttis mõnevõrra hiljem kasutusele F. Soddy (1877–1956) pärast seda, kui ta sõnastas radioaktiivse lagunemise nihkereeglid. Mis puutub Thomsoni, siis 1912. aastal uuris ta eksperimentaalselt omadusi ja tunnuseid nn kanali kiirtega, ja tuleks öelda paar sõna selle kohta, mis see on.
Jutt on positiivsete ioonide voolust, mis liigub haruldases gaasis elektrivälja mõjul. Kui elektronid põrkuvad hõõglahenduse ja katoodi potentsiaali languse piirkonnas katoodil gaasimolekulidega, jagunevad molekulid elektronideks ja positiivseteks ioonideks. Need ioonid, mida kiirendab elektriväli, tulevad katoodile suurel kiirusel. Kui katoodil on ioonide liikumissuunas augud või kui katood ise on võre kujuga, siis osa ioonidest, olles neid kanaleid läbinud, satub katoodijärgsesse ruumi. Ta hakkas selliste ioonide käitumist uurima juba 80ndatel. XIX sajandil varem mainitud E. Goldstein. Thomson uuris 1912. aastal samaaegsete elektri- ja magnetväljade mõju kanalikiirtele (eriti neooniioonide puhul), kasutades juba mainitud tehnikat (mis tähendab Thomsoni "parabooli meetodit"). Neooniioonide kiir jagunes tema katsetes kaheks paraboolvooks: heledaks, mis vastab aatommassile 20, ja nõrgemaks, mis vastab aatommassile 22. Sellest järeldas Thomson, et Maa atmosfääris sisalduv neoon on kahe erineva gaasi segu. F. Soddy hindas Thomsoni uurimistöö tulemusi järgmiselt: „See avastus esindab perioodilise tabeli ühes otsas leitu kõige ootamatumat rakendust süsteemi teises otsas olevale elemendile; see kinnitab oletust, et aine struktuur üldiselt on palju keerulisem, kui seda kajastab ainult perioodiline seadus. Tulemus ei omanud suurt tähtsust mitte ainult aatomifüüsika, vaid ka eksperimentaalfüüsika edasise arengu jaoks, sest see näitas meetodeid erinevate isotoopide masside mõõtmiseks.
1919. aastal ehitas Tomsoni õpilane ja assistent Francis William Aston (1877–1945) esimese massispektrograafi, mille abil tõestas katseliselt isotoopide olemasolu klooris ja elavhõbedas. Massispektrograaf kasutab täpselt Thomsoni meetodit laetud osakeste kõrvalejuhtimiseks kahe elektri- ja magnetvälja mõjul, kuid Astoni seade kasutas eraldunud ioonivoogude pildistamist, millel on erinevad. aatomi massid, ja lisaks laetud osakese läbipaine elektri- ja magnetväljad- samas tasapinnas, kuid vastassuundades. Massispektrograafi füüsika on peamiselt järgmine. «Uuritava aine ioonid, läbides esmalt elektri- ja seejärel magnetvälja, langevad fotoplaadile ja jätavad sellele jälje. Ioonide tagasilükkamine sõltub suhtest e/m, sama kõigi ioonide puhul (või õigemini öeldes alates ne/m, sest ioon võib kanda rohkem kui ühte elementaarlaengut). Seetõttu on kõik sama massiga ioonid koondunud fotoplaadil samasse punkti ja erineva massiga ioonid koonduvad teistesse punktidesse, nii et punktiks, kus ioon plaati tabab, saab määrata selle massi. ”
Lõpetuseks paar sõna Thomsoni loodud teaduskoolkonnast. Tema õpilased on sellised 20. sajandi silmapaistvad füüsikud nagu P. Langevin, E. Rutherford, F. Aston, Charles Wilson. Viimased kolm sisse erinevad aastad, nagu Thomson ise, märgiti ära Nobeli preemiad füüsikas. Nimetagem eraldi tema poega. Isa Thomson tõestas eksperimentaalselt elektroni olemasolu ja tema poeg George Paget Thomson pälvis 1937. aastal Nobeli preemia elektronide lainelise olemuse eksperimentaalse tõendamise eest (1927; samal aastal, sõltumatult Thomson Jr-st ., sarnaseid uuringuid viis läbi K. Davisson koos oma kaastöölise L. Germeriga (mõlemad olid USA füüsikud; Davisson pälvis ka Nobeli preemia). Erwin Schrödinger hindas neid uuringuid 1928. aastal järgmiselt: „Mõned teadlased (Davisson ja Germer ning noor J. P. Thomson) hakkasid läbi viima katset, mille jaoks paar aastat tagasi oleks nad paigutatud psühhiaatriahaiglasse oma terviseseisundit jälgima. mõistus . Kuid nad olid täiesti edukad."
Pärast 1912. aastat, mida iseloomustasid isotoopide olemasolu eksperimentaalsed tõendid, elas Thomson veel kakskümmend kaheksa aastat. 1918. aastal lahkus ta Cavendishi laboratooriumi direktori kohalt (tema kohale asus Rutherford) ja juhtis seejärel kuni oma päevade lõpuni just Trinity kolledžit, kust kunagi algas tema tee teadusesse. Joseph John Thomson suri 84-aastaselt 30. augustil 1940 ja ta maeti West Minster Abbeysse – samasse kohta, kus said igavese puhkuse Isaac Newton, Ernest Rutherford ja inglise kirjanduse tegelaste seas – Charles Dickens.
Kirjandus
1. Teaduse elu. Ed. Kapitsa S.P. – M.: Nauka, 1973.
2. Kapitsa P.L. Katse. teooria. Harjuta. – M.: Nauka, 1981.
3. Dorfman Ya.G. Maailma füüsika ajalugu 19. sajandi algusest 20. sajandi keskpaigani. – M.: Nauka, 1979.
4. Liozzi M. Füüsika ajalugu. – M.: Mir, 1970.
Avastamise eeldused, hüpoteesid
Thomsoni katse seisnes paralleelsüsteemi läbivate katoodkiirte kiirte uurimises metallplaadid, mis lõi elektrivälja ja poolide süsteemid, mis tekitasid magnetvälja. Avastati, et talad kaldusid mõlema välja eraldi rakendamisel kõrvale ning nendevahelise teatud suhte korral ei muutnud talad oma sirget trajektoori. See väljasuhe sõltus osakeste kiirusest. Pärast mõõtmiste seeriat avastas Thomson, et osakeste liikumiskiirus on palju väiksem kui valguse kiirus – seega näidati, et osakestel peab olema mass. Lisaks püstitati hüpotees nende osakeste olemasolu kohta aatomites ja aatomi mudeli kohta, mis töötati välja Rutherfordi katsetes.
Märkmed
Allikad
Wikimedia sihtasutus. 2010. aasta.
Vaadake, mis on "elektroni avastamine" teistes sõnaraamatutes:
Füüsika haru, mis uurib aatomite sisemist ehitust. Aatomid, mida algselt peeti jagamatuteks, on keerulised süsteemid. Neil on massiivne prootonitest ja neutronitest koosnev tuum, mille ümber nad tühjas ruumis liiguvad... ... Collieri entsüklopeedia
Sellel terminil on ka teisi tähendusi, vt Elektron (tähendused). Elektroni sümboli mass 9,10938291(40) 10−31 kg, 0,510998928(11) MeV ... Wikipedia
- (ladina keeles materialis materialis) polüsemantiline idee, millele kõige sagedamini omistatakse üks või mõni järgmistest tähendustest. 1. Väide olemasolu või tegelikkuse kohta: Ainult mateeria eksisteerib või on reaalne; asi on... Filosoofiline entsüklopeedia
Teaduse ajalugu ... Wikipedia
Kognitiivse tegevuse eriliik, mille eesmärk on arendada objektiivseid, süstemaatiliselt organiseeritud ja põhjendatud teadmisi maailma kohta. Suhtleb teist tüüpi kognitiivse tegevusega: igapäevane, kunstiline, religioosne, mütoloogiline... Filosoofiline entsüklopeedia
Elektroni sümboli mass 9,10938215(45)×10−31kg, 0,510998910(13) MeV/c2 Antiosakeste positroniklassid fermion, lepton ... Wikipedia
Elektroni sümboli mass 9,10938215(45)×10−31kg, 0,510998910(13) MeV/c2 Antiosakeste positroniklassid fermion, lepton ... Wikipedia