Физика для всех. Электроны - Китайгородский А.И.
Скачать (прямая ссылка):
Газ становится проводником тока! Можно предположить, что молекулы разламываются на анионы и катионы. Анионы движутся к положительному, а катионы к отрицательному электроду. Важный этап в исследовании этого явления состоял в создании потока частиц. Для этого в электроде надо сделать отверстие и прошедшие через него ионы одного знака ускорить электрическим полем. С помощью диафрагм можно создать узкий пучок анионов или катионов, движущихся со значительной скоростью. Если пучок^адает на экран такого типа, который используется в телевизоре, то мы увидим светящуюся точку. Пропуская поток ионов через два взаимно перпендикулярных электрических поля и меняя напряжения на конденсаторах, создающих эти поля, можно заставить светящуюся точку бродить по экрану.
С помощью подобного устройства мы можем определить важнейший параметр частицы, а именно отношение ее заряда к массе.
В ускоряющем поле ионы набирают энергию, равную работе электрических сил, f. 3.
i/2mv2 = eU.
Напряжение нам известно, а скорость частиц определяется самыми различными способами. Можно, скажем, измерить отклонение светового пятнышка на экране. Ясно, что отклонение будет тем больше, чем больше путь, пройденный частицей, и чем меньше ее начальная
29
скорость. Задача решается вполне строго. Она похожа на расчет траектории горизонтально брошенного камни.
Есть также способы прямого измерения времени, затрачиваемого ионом на прохождение всего пути.
Итак, известны напряжение и скорость иона. Что же можно вычислить в результате такого опыта? Из уравнения следует: отношение заряда частицы к ее массе. И вот что обидно: как ни менять условия опыта, какими отклонениями и ускорениями частиц ни пользоваться, никак не удается отделить величину заряда от массы. Лишь учитывая сведения, раздобытые химиками, и значение элементарного заряда, полученное из электролиза, удается сделать уверенный вывод: заряды всех одновалентных ионов одинаковы, заряды всех двухвалентных ионов в два раза больше, трехвалентных ионов в три раза больше... Различия в отношениях заряда к массе, которые удается меритьх исключительно большой точностью, можно поэтому рассматривать как метод измерения массы иона._
Вот поэтому прибор, играющий очень большую роль для химии и химической технологии, основанный на принципе описанного нами простенького опыта, носит название масс-спектрографа (книга четвертая), хотя по сути дела он измеряет отношение заряда к массе ионов.
ЭЛЕКТРОННЫЙ ЛУЧ
Не будем следовать зигзагообразному ходу исторических событий, ^который привел физиков к твердому убеждению, что не только существует наименьшая порция электричества, но что эта порция имеет материального носителя, названного электроном. Опишем эксперимент, который сейчас демонстрируется на школьных уроках..
Прибор, предназначенный для этой задачи, когда-то. назывался катодной трубкой. Теперь его имя — электронно-лучевая трубка, или электронная пушка, или осциллограф. Если вы учились в школе давно и не видели этого прибора, не огорчайтесь. Вы хорошо знакомы с электронно-лучевой трубкой — это главная часть вашего телевизора, на экране которого электронный луч
30
Рис. 2.1.
рисует картины, наблюдение которых иногда доставляет удовольствие и всегда, позволяет убить свободное время.
Но вернемся к школьному опыту. Схема трубки показана на рис-. 2.1. Трубка идеально откачана; молекул, которые могли бы разрушаться, в ней нет. Однако, накалив током (его называют катодным) металлическую нить, а затем подсоединив катод и анод к соответетвую-щим полюсам источника напряжения, вы обнаружите на экране трубки светящуюся точку, а при помощи измерительного прибора установите, что от анода к катоду пошел электрический ток. Естественно назвать его анодным.
Раз ток идет через пустоту, то придется сделать вывод, что раскаленная нить испускает отрицательно заряженные частицы. Явление носит название термоэлектронной эмиссии. Любое раскаленное тело обладает этой способностью.
Частицы — не станем, скрывать от читателя, что это и есть электроны,— направляются к анодам, имеющим форму стаканов с круглым отверстием в дне. Электроны выходят в виде узкого пучка, который можно исследовать теми же способами, которые мы только что описали для пучка ионов.
Убедившись при помощи, светящегося экрана в том, что раскаленная нить испускает электроны, мы приступаем с помощью отклоняющих пластин к определению отношения заряда к массе. Результат оказывается сле-дующим. Отношение для электрона в 1840 раз больше,
31
чем это же отношение для самого легкого иона, а именно иона водорода .,Мы делаем отсюда заключение, что электроне 1840 раз легче иона водорода. Это значит, что масса электрона равна 1Ы0""а* г.
Однако читатель вправе заметить, что мы слишком торопимся. Ведь нельзя же из измерения отношения заряда к массе электрона делать заключение, что его масса меньше массы иона. А может быть заряды положительного иона и электрона совсем разные?
Первое определение отношения заряда к массе электрона было проведено еще в конце прошлого века замечательным физиком Джозефом Джоном Томсоном (1856—1940). (Друзья называли его Джиджи. Вероятно, это сокращение, которое часто^встречаешь в мемуарной литературе, вызвано не столько любовью англичан ко всякого рода аббревиатурам, как тем, что в девят надцатом веке жил и работал другой замечательный физик, носивший ту же фамилию. Это Ввдьям Томсон, который за свои научные заслуги был возведен в дворянское достоинство, после чего стал именоваться лордом Кельвином.) Конечно, катодная трубка, которой он пользовался, была гораздо менее совершенной, чем современный осциллограф. Томсон Превосходно понимал, что его измерение лишь делает вероятным дискретность электрического заряда и существование наименьшей порции электричества.
