Открытие электрона

Сегодня все ученики старших классов знают, что такое электрон, а ведь его открыли чуть больше ста лет назад. На тот момент он был мельчайшей частицей вещества, известной ученым. Какие же научные исследования привет к открытию электрона?

Вплоть до конца XIX в. разные физические открытия только множили вопросы, на которые не было ответа. Например, ученые выяснили, что предметы могут содержать заряд статического электричества - но какую форму он имеет? При возникновении электрического тока по проводнику текут заряды -но что они собой представляют и чем отличаются от электростатических? Высокое напряжение на пластинах электровакуумного прибора вызывает появление катодных лучей - но из чего состоят эти лучи? И если материя состоит из атомов, то из чего состоят сами атомы?

Ответы на эти вопросы удалось получить после изобретения вакуумного насоса, который позволил ученым создавать для своих экспериментов безвоздушную среду. Один из первых экспериментов в подобных условиях провел в 1850 г. немецкий производитель лабораторного оборудования Генрих Гейслер. Он вставил металлические пластины в стеклянную вакуумную трубку, содержавшую разреженный инертный газ. Потом Гейслер присоединил пластины к источнику тока высокого напряжения. Находящейся в трубке газ засветился.

Вскоре трубки Гейслера стали популярной игрушкой. Для серьезных экспериментов ими воспользовались два немецких физика: Юлиус Плюкер в 1859 г. и Иоганн Хитторф в 1869 г. Оба выяснили, что свечение вызывается «лучами», которые испускаются отрицательно заряженной пластиной, или катодом, и по прямой линии устремляются к аноду. Этот факт в 1879 г. подтвердил английский физик Уильям Крукс, предположивший, что «лучи» состоят из частиц. Спустя шестнадцать лет французский физик Жан Батист Перрен, сумевший отклонить катодные лучи с помощью магнитного и электрического полей, доказал, что они являются потоком отрицательно заряженных частиц.

Это подготовило почву для смелых экспериментов английского физика Джозефа Джона Томсона, который и открыл существование электрона. Долгое время ученый работал в Кавендишекой лаборатории при Кембриджском университете, которая стала при нем одной из ведущих научно-исследовательских лабораторий мира.

Английский физик, как и его французский коллега Перрен, проводил опыты по отклонению катодных лучей. Мельчайшие частицы, из которых состоят эти лучи, Томсон называл корпускулами. Ученый сумел вычислить отношение заряда корпускул к их массе (е/m). Оно оказалось в 1000 раз больше соответствующего заряда для иона водорода (сейчас известно, что истинное отношение близко к 1800:1). А водород среди всех элементов обладает наибольшим отношением заряда к массе.

Томсон определил, что корпускула несет тот же заряд, что и ион водорода, а значит, она в 1000 раз легче, чем простейший атом. Кроме того, ученым было доказано, что е/m не зависит оттого, какой газ находится в трубке, и от материалов, из которых сделаны электроды.

Исходя из всех этих исследований, Томсон в 1897 г. делает вывод, что атом - «не последний предел делимости материи» и что в его состав входят корпускулы, названные впоследствии электронами. Сам термин «электрон» ввел ирландский физик Джордж Стоуни в 1891 г. Первоначально для обозначения основной единицы электричества. Стало ясно, что именно электроны создают статическое электричество, а также электрический ток.

В 1906 г. Томсон создал модель атома, получившую прозвище «сливовыйпудинг» («пудинг с изюмом»). Ученый выдвинул гипотезу, что атом представляет собой шар положительно заряженного вещества с вкраплениями электронов.

Томсон продолжил изучать положительные лучи, испускаемые анодом незаряженной трубки. Эта работа привела к открытию метода разделения заряженных частиц по массам, а затем к появлению масс-спектрографа, изобретенного в 1919 г. английским физиком Фрэнсисом Астоном. Когда в 1919 г. Томсон вышел в отставку, его место занял английский физик Эрнест Резерфорд, который в 1911 г. предложил планетарную теорию строения атома.

Трубки Гейслера представляют собой стеклянные колбы, из которых выкачан почти весь воздух. На концах трубок имеются металлические пластины. Когда между пластинами проходит электрический ток, оставшиеся в трубке атомы воздуха светятся.