К концу 19 века в области исследования электричества было сделано очень много. Работы Франклина, Гельмгольца, Ампера, Фарадея привели, в конечном итоге, к созданию системы уравнений Джорджа Максвелла, теоретически описывающей явления электродинамики. Однако свободного носителя электрического заряда найти все не удавалось.

Корпускулы Томсона: Что такое электроны и как они были открыты
Модель атома. Источник изображения: timetoast.com

Как были открыты электроны

Важным в исследовании свойств электричества в то время было изучение катодных лучей. Для изучения использовалась стеклянная трубка с откачанным до низкого давления воздухом, с разных концов которой было впаяно по электроду. Один из электродов (анод) подключался к положительному полюсу электрической батареи, второй (катод) - к отрицательному. Стоило подать на электроды напряжение, как разреженный газ начинал светиться в районе катода, при повышении напряжения свечение распространялось на всю длину трубки. Но если откачивать газ еще больше, то свечение оставалось только в районе анода.

Корпускулы Томсона: Что такое электроны и как они были открыты
Трубка Гейсслера. Источник изображения: Энциклопедия С. Оргельбранда (1898 г)

Катодные лучи учеными мира трактовались по-разному - кто-то полагал, что напряжение возбуждает эфирные волны подобные световым, другие утверждали, что происходит перенос атомов или молекул. Сторонники корпускулярной гипотезы доказывали свою точку зрения отклонением катодных лучей под воздействием внешнего магнитного поля. Аргументом «волновиков» было прохождение лучей сквозь тонкую алюминиевую фольгу.

Корпускулы Томсона

В 1895 году опыты с катодными лучами начал молодой англичанин Джозеф Джон Томсон (сторонник корпускулярной теории катодных лучей), работавший в Кавендишской лаборатории университета Кембриджа. Для своих опытов физик усовершенствовал катодно-анодную трубку, дополнив ее электрическими катушками для создания наведенного магнитного поля, внешнее электрическое поле в трубке создавалось за счет конденсаторных пластин. Такое усовершенствование дало возможность исследовать поведение катодных лучей под воздействием комбинированных электрических и магнитных полей.

Корпускулы Томсона: Что такое электроны и как они были открыты
Джозеф Джон Томсон в лаборатории. Источник изображения: commons.wikimedia.org

В процессе двухлетней работы Томсон установил, что катодные лучи отклоняются под действием магнитного или электрического поля, действующих поодиночке. Кроме того, англичанину удалось добиться сбалансированного воздействия электрического и магнитного полей, при котором катодные лучи не отклонялись, в этой ситуации действие полей уравновешивало друг друга.

Ряд измерений показал, что соотношение полей для уравновешивания их воздействия имеет зависимость от скорости движения частиц внутри трубки. Дальнейшее измерение скорости катодных лучей показало, что она значительно ниже скорости света. Это уже было торжество корпускулярной теории - поскольку все электромагнитные волны (включая свет) движутся с одинаковой скоростью. Томсон и назвал излучаемые катодом частицы «корпускулами». Позднее их переименовали в электроны.

30 апреля Джозеф Томсон предоставил Лондонскому Королевскому обществу доклад о проведенных испытаниях и совершенном открытии. Именно этот день и считается днем, когда был открыт электрон. Заодно с признанием работ Томсона, английским ученым мужам пришлось признать, что атомы не являются неделимыми, поскольку электронам, больше кроме как из атома излучаться было неоткуда.

Модели атомов

Сам Томсон и разработал первую модель сложного атома. Согласно представлениям англичанина, в центре атома находится массивное ядро, которое имеет положительный заряд. Внутри него содержатся крошечные отрицательно заряженные электроны (острые на язык англичане быстро назвали эту модель «пудинг с изюмом»).

Корпускулы Томсона: Что такое электроны и как они были открыты
Модель атома «пудинг с изюмом». Источник изображения: eodev.com

В целом атом является электрически нейтральным. Разделение зарядов происходит за счет отрыва от атома или захвата им электронов.

Но уже через 10 лет опыты Резерфорда показали, что электроны вращаются вокруг массивного, но все же относительно небольшого положительно заряженного ядра.

Корпускулы Томсона: Что такое электроны и как они были открыты
Планетарная модель атома. Источник изображения: cknow.ru

Так начала создаваться привычная школьникам планетарная модель атома. А Кавендишская лаборатория стала одним из научных центров мира.

Не остались забытыми и катодно-анодные трубки с помощью которых проводились эксперименты. Их, правда, стали называть электронно-лучевыми трубками и на их основе создали кинескопы телевизоров.

Корпускулы Томсона: Что такое электроны и как они были открыты
Упрощённая схема электронно-лучевой трубки. Источник изображения: hep.by (Центр физики частиц и высоких энергий НИИ ЯП БГУ)

За счет воздействия электрических и магнитных полей стала осуществляться горизонтальная и вертикальная развертка мест бомбардировки фосфоресцирующих ячеек телеэкрана электронами, что и позволяло создавать изображение.

Если вам понравилась статья, то поставьте лайк и подпишитесь на канал Научпоп. Наука для всех. Оставайтесь с нами, друзья! Впереди ждёт много интересного!
Категория: Новости науки и техники