Д.Д. Томсон: Кн. для учащихся - Кудрявцев С.П.
Скачать (прямая ссылка):
50 Изучение электропроводности в газах, установление в цих ионного механизма проводимости, не обязательно приводящего к переносу вещества, послужило дальнейшим толчком к раскрытию природы проводимости в металлах. В 1889 г. Гизе предположил," что проводимость металлов носит ионный характер. Он считал, что в металлах атомы «связаны до известной степени с определенными местами, электричество переносится обменом ионами... так что не происходит соответствующего переноса материальных частиц». Предположение Гизе явилось следующей ступенью в раскрытии механизма проводимости металлов.
Создание электронной теории Хендриком Лоренцем (1853— 1928), открытие электрона, доказательство его универсальности — все это дало основу. для дальнейшего продвижения в решении этого вопроса. В 1898 г. профессор Геттингенского университета Карл Рикке (1845 — 1915) предположил, что электропроводность металлов обусловлена упорядоченным движением положительных и отрицательных частиц под действием внешних электрических дил. Следуя Томсону, Рикке считал отрицательные частицы одинаковыми для различных металлов. Заметим, что он еще определенно не отождествлял отрицательные частицы с электронами. Свою теорию Рикке пытался применить для объяснения термоэлектрических явлений.
Рикке также поставил эксперимент с целью проверки, переносится ли вещество металла при движении этих частиц. Он в течение года пропускал электрический ток порядка 10 А через цепь, составленную из цилиндров различных металлов. Никакого переноса вещества он не обнаружил.
Дальнейшее развитие теория электропроводности металлов получила в работах немецкого физика Пауля Друде (1863— 1906) и Дж. Дж. Томсона. По существу, этих двух ученых можно считать основателями классической электронной теории Проводимости металлов. Теории Томсона и Друде были опубликованы в 1900 г. и имели много общих черт. Основное различие этих теорий заключалось в том, что у Друде переносчиками электричества наряду с электронами были и положительные частицы, а у Томсона носителями тока являлись только электроны.
Впервые свою теорию Томсон изложил в докладе, прочитанном на конгрессе физиков в Париже в 1900 г. Позже она была опубликована в книге «Корпускулярная теория материи». В ней он писал: «Согласно корпускулярной теории электропроводности прохождение электрического тока через металл обусловливается отрицательно заряженными корпускулами, которые несутся в направлении, противоположном току... Прохождение тока через металл не сопряжено с каким-либо переносом атомов вместе с током: исследователи часто
51 искали следы такого рода переноса, но ни разу их не обна-
ружили...» _
Томсон предложил две теории для объяснения электропроводности металлов. Согласно его первой теории, в металлическом проводнике находится большое число электронов, рассеянных по всему его объему. Электроны могут свободно двигаться между атомами металла. Они могут сталкиваться как между собой, так и с атомами металла. Столкновения свободных электронов подчинялись у Томсона законам моле-кулярно-кинетической теории. Средняя кинетическая энергия электронов не зависела ни от давления, ни от природы газа, а определялась только абсолютной температурой —2
TTllL m
= аТ, где а — универсальная постоянная, и — скорость
2
беспорядочного движения электронов. В отсутствие электрического поля тока в проводнике нет, поскольку движение электронов в металле носит беспорядочный характер и не имеет преимущественного направления. Йод действием электрического поля электроны начинают двигаться упорядоченно в направлении, противоположном направлению напряженности электрического поля,— возникает электрический ток. Далее Томсон предполагает, что. при столкновениях электрона с атомами металла или с другими электронами скорость его упорядоченного движения падает до нуля. После столкновения эта скорость под действием электрического поля равномерно Eet
нарастает до -в конце движения.
m
Это выражение легко получить, если вспомнить, что для равноускоренного движения v =Vo -\-at; поскольку vo=0, то
F Еє
V = at. Из вторбго закона Ньютона а = — = —. Подставляя
mm
последнее выражение в формулу скорости, получим V- Eet
m
где E — напряженность электрического поля, t — время между
столкновениями. Средняя скорость электрона будет V== -i-.
2 m
Английский физик Джеймс Джине (1877 —1946) показал, что при столкновениях скорость электронов не падает до нуля. Чтобы учесть эту остаточную скорость, Томсон вводит в свою теорию коэффициент ?, который он полагал несколько большим единицьї. Средняя скорость упорядоченного движения электронов с учетом этого коэффициента будет V = ^r ^Eet .
2 m
Время между столкновениями Томсон определял из отношения средней длины свободного пробега электронов к их средней скорости беспорядочного (теплового) движения: ?=—. Учитывая, что плотность тока j = nve, где п — концентрация
52 свободных электронов в объеме проводника, V — скорость упорядоченного движения электронов, е — заряд, Томсон получил выражение закона Ома:
