Номер 1, страница 326 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

1. Как был открыт электрон?

1. Как был открыт электрон?

Открытие электрона стало результатом длительных исследований электрических разрядов в разреженных газах и было сделано английским физиком Джозефом Джоном Томсоном в 1897 году. Процесс открытия можно разделить на несколько ключевых этапов.

Предыстория: Катодные лучи

Во второй половине XIX века учёные активно изучали явление, которое происходило при пропускании электрического тока через стеклянные трубки с сильно разреженным газом (вакуумные трубки). Было замечено, что от отрицательного электрода (катода) исходит невидимое излучение, которое вызывает свечение стекла трубки. Эти лучи назвали катодными. Долгое время велись споры об их природе: одни учёные считали их разновидностью электромагнитных волн (подобно свету), другие — потоком частиц.

Эксперименты Дж. Дж. Томсона

Дж. Дж. Томсон провёл серию гениальных экспериментов, чтобы окончательно выяснить природу катодных лучей.

1. Доказательство наличия заряда. Сначала Томсон показал, что катодные лучи переносят отрицательный электрический заряд. Он направил пучок лучей в специальный цилиндр (цилиндр Фарадея), соединённый с чувствительным электрометром, и зафиксировал накопление отрицательного заряда. Это было веским доводом в пользу корпускулярной (частичной) природы лучей.

2. Отклонение в электрическом поле. Томсону удалось сделать то, что не получалось у его предшественников: он смог наблюдать отклонение катодных лучей в электрическом поле. Пучок лучей, проходя между двумя параллельными пластинами, на которые подавалось напряжение, отклонялся в сторону положительно заряженной пластины. Это однозначно доказывало, что лучи состоят из отрицательно заряженных частиц.

3. Измерение отношения заряда к массе ($e/m_e$). Это был самый важный эксперимент. Томсон использовал катодно-лучевую трубку, в которой мог создавать как электрическое, так и магнитное поля, перпендикулярные друг другу и направлению движения лучей.
• Сначала он включал оба поля и подбирал их напряжённость так, чтобы их действия на частицы компенсировали друг друга (электрическая сила $F_E = eE$ уравновешивала магнитную силу $F_B = evB$). В этом случае пучок не отклонялся, что позволило Томсону определить скорость частиц: $v = E/B$.
• Затем он отключал электрическое поле и измерял радиус $\text{r}$ круговой траектории, по которой пучок отклонялся в одном только магнитном поле. Магнитная сила в этом случае выступала в роли центростремительной силы: $evB = m_e v^2 / r$.
• Объединив эти два результата, Томсон смог вычислить отношение заряда частицы к её массе (удельный заряд): $e/m_e = v / (Br) = E / (B^2 r)$.

Выводы и значение открытия

Результаты измерений Томсона показали, что отношение заряда к массе для частиц катодных лучей примерно в 1837 раз больше, чем для самого лёгкого известного иона — иона водорода. Из этого следовал революционный вывод: либо заряд этих частиц невероятно велик, либо их масса ничтожно мала. Томсон сделал правильный выбор в пользу второго варианта.

Он пришёл к заключению, что эти частицы, которые он назвал «корпускулами», являются универсальными составными частями любого вещества, то есть входят в состав всех атомов. Это полностью изменило научное представление о строении материи и разрушило существовавшую веками идею о неделимости атома.

Позже эти частицы получили название «электрон», которое было предложено ранее ирландским физиком Джорджем Стони. Окончательно существование электрона как фундаментальной частицы с определённым зарядом и массой было подтверждено в 1909-1913 годах экспериментами американского физика Роберта Милликена, который с высокой точностью измерил элементарный заряд.

Ответ: Электрон был открыт в 1897 году английским физиком Дж. Дж. Томсоном в результате серии экспериментов с катодными лучами. Томсон доказал, что катодные лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц, измерил отношение их заряда к массе и показал, что оно более чем в тысячу раз превышает аналогичное отношение для иона водорода. Это позволило ему сделать вывод о существовании новой, очень лёгкой субатомной частицы, являющейся универсальным компонентом всех атомов.