Эйнштейновская теория относительности - Борн М.
Скачать (прямая ссылка):
Атомистическая структура электричества оказалась особенно ценной при объяснении явления, которое наблюдается при
7* 196 Гл. V. Фундаментальные законы электродинамики
прохождении электрического тока через разреженные газы. В этой области впервые было выяснено, что положительное и отрицательное электричества ведут себя совершенно различным образом. Если два металлических электрода ввести в стеклянную трубку и пропускать между ними ток (фиг. 104), то до тех пор, пока газ еще присутствует в трубке в заметных количествах (имеет заметное давление), в трубке происходят весьма сложные явления. Но по мере того как газ все больше и больше откачивается, явления становятся все проще. Когда достигается очень сильный вакуум, отрицательный электрод — катод К — начинает испускать лучи, проходящие через отверстия в положительном электроде — аноде А — и наблюдаемые за А в форме флуоресценции, производимой ими на экране (что мы
наблюдаем на экране каждого телевизора). Эти лучи называют катодными лучами. Было показано, что их можно отклонять с помощью магнита так же, как поток отрицательного электричества. Величайший вклад в изучение катодных лучей был внесен Томсоном (лордом Кельвином) и Ленардом. Отрицательный заряд лучей также можно непосредственно продемонстрировать, собирая его на полом проводнике. Более того, эти лучи отклоняются и в электрическом* поле, действующем перпендикулярно направлению их движения; это отклонение противоположно направлению поля, что вновь доказывает отрицательность переносимого ими заряда.
Убеждение в том, что природа катодных лучей корпускулярна, стало уверенностью, когда физики успешно вывели количественное заключение относительно их скорости и заряда.
Если представить себе катодные лучи как поток малых частиц массой mei, то, очевидно, эти лучи будут тем меньше отклоняться в определенном электрическом или магнитном поле, чем больше скорость частиц, — аналогично траектория ружейной пули тем ближе к прямой, чем больше ее скорость. Но возможно создавать катодные лучи, которые могут сильно отклоняться, т. е. медленные катодные лучи: нужно использовать малую разность
К
Фиг. 104. Трубка для получения катодных лучей. К — катод; А — анод. § 12. Электронная теория Лоренца
197
потенциалов между катодом и анодом. Выбирая большую разность потенциалов между двумя электродами, мы получаем лучи, сильно ускоренные полем между К и А. Скорость катодных лучей за отверстием в аноде А зависит только от ускорения, приобретенного ими на пути от К до А, которое можно подсчитать, исходя из фундаментального уравнения механики
tnelb = K = еЕ,
где е — заряд и E — напряженность поля. Мы здесь имеем дело, очевидно, со случаем, аналогичным случаю «падения» тел, в котором ускорение равно не ускорению силы тяжести g, а величине
Е.
ITlet
Если бы мы знали отношение e/mei, то скорость v можно было бы найти из закона падения тел. Но здесь два неизвестных, e/mei и V, следовательно, необходимо еще одно измерение, если мы хотим определить эти величины. Это измерение можно осуществить с помощью поперечного магнитного поля. Рассматривая теорию Герца (гл. V, § 11, п. 16, стр. 190), мы видели, что магнитное поле H возбуждает в теле, движущемся перпендикулярно направлению Н, электрическое поле
E = ^-H,
с '
перпендикулярное как к Н, так и к v. Следовательно, отклоняющая сила
еЕ = е-H
с
будет действовать на каждую частицу катодных лучей так, что
эти частицы будут приобретать ускорение
6==
mei с '
перпендикулярное к направлению их движения. Это ускорение можно найти, измеряя поперечное смещение луча. Таким образом, мы получаем второе уравнение для определения двух наших неизвестных e/mei и v.
Определения, выполненные таким или аналогичным методом, дали следующий результат: для не особенно больших скоростей отношение e/mei имеет определенную постоянную величину, равную
-— = 5,31 ¦ IO17 электростат. ед./г, (66) 198 Гл. V. Фундаментальные законы электродинамики
С другой стороны, рассматривая электролиз [гл. V, § 2, формула (48), стр. 157], мы указали, что водород несет количество электричества Со = 2,90-IO14 электростатических единиц/грамм. Если принять теперь напрашивающееся предположение о том, что заряд частицы в каждом случае один и тот же, именно равный «атому электричества», или одному электрону, то мы должны сделать вывод, что масса частицы катодных лучей mei должна находиться в следующем отношении к массе атома водорода тн:
пы=_е_ . е = 2,90 • IO'4 ^ 1
тн тн ' те1 5,31-IO17 1830 *
Таким образом, частицы катодных лучей примерно в две тысячи раз легче, чем атомы водорода — самые легкие атомы из всех химических веществ. Этот результат приводит нас к заключению о том, что катодные лучи представляют собой поток чистых «атомов электричества».
Это мнение выдержало проверку бесчисленных исследований. Отрицательное электричество состоит из свободно движущихся электронов; положительное же электричество связано с веществом и никогда не существует вне вещества. Таким образом, последующие экспериментальные исследования подтвердили и дали точную форму прежним гипотезам одножидкостной теории. Величина заряда е каждого электрона также была успешно определена. Первые опыты этого типа осуществил Томсон (1898г.). Основная идея его опытов состояла в следующем: мельчайшие капли масла или воды или крошечные металлические шарики микроскопических или субмикроскопических размеров создавались с помощью конденсации пара или разбрызгивания жидкости в воздухе. Они падают с постоянной скоростью, поскольку трение воздуха противодействует ускорению силы тяжести. Измеряя скорость падения, можно определить размер частиц, а отсюда их массу М, умножая их размер на плотность вещества. Вес таких частиц, следовательно, равен Mg, где g = 981 см/сек2 — ускорение силы тяжести. Далее, таким частицам можно придать электрический заряд, подвергая воздух воздействию рентгеновских лучей или радиоактивных веществ. Если возбудить электрическое поле Е, направленное вертикально нверх, то на шарик, несущий положительный заряд е, должна действовать сила, стремящаяся двигать его вверх. Если электрическая сила еЕ равна весу Mg, то шарик окажется неподвижно взвешенным в воздухе. Тогда заряд е можно вычислить из уравнения еЕ = Mg. Милликен (1910 г.), выполнивший самые точные опыты такого рода, обнаружил, что заряд малых капель всегда составляет целое кратное определенного минимального заряда. Поэтому мы будем называть этот минимальный § 12. Электронная теория Лоренца
