Номер 6, страница 338 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

6. Расскажите об истории открытия электрона.

История открытия электрона — это не единичное событие, а цепь теоретических предположений и экспериментальных прорывов, которые происходили на протяжении XIX века и увенчались успехом в самом его конце. Это открытие стало революционным, так как доказало, что атом не является неделимой частицей, а имеет сложную структуру.

Теоретические предпосылки

Первые идеи о дискретной природе электричества появились благодаря работам английского ученого Майкла Фарадея в 1830-х годах. Изучая электролиз (прохождение тока через растворы солей и кислот), он установил законы, которые косвенно указывали на то, что электричество переносится определенными порциями, или "атомами электричества". Однако это были лишь косвенные свидетельства.
В 1874 году ирландский физик Джордж Джонстон Стоуни, анализируя законы Фарадея, впервые высказал гипотезу о существовании элементарного электрического заряда. В 1891 году он предложил для этой гипотетической частицы название "электрон". На тот момент это была лишь теория, не подкрепленная прямым экспериментом.

Исследование катодных лучей

Ключевым этапом на пути к открытию электрона стало изучение электрического разряда в разреженных газах. В 1850-1870-х годах физики, в частности Юлиус Плюккер и Уильям Крукс, обнаружили, что если в стеклянной трубке с двумя электродами создать вакуум и подать на электроды высокое напряжение, то от отрицательного электрода (катода) исходит невидимое излучение, вызывающее свечение стекла трубки. Это излучение получило название катодных лучей.
Дальнейшие исследования показали, что катодные лучи:
- распространяются прямолинейно;
- отклоняются в магнитном поле, что указывало на то, что они состоят из заряженных частиц;
- несут отрицательный заряд (что было окончательно доказано в 1895 году Жаном Перреном).
Однако природа этих лучей оставалась предметом споров: одни ученые считали их потоком частиц, другие — особым видом электромагнитных волн.

Решающий эксперимент Дж. Дж. Томсона

Окончательную точку в споре поставил английский физик Джозеф Джон Томсон в 1897 году. Он провел серию экспериментов с катодно-лучевой трубкой, в которой катодные лучи проходили через систему, где можно было создавать одновременно электрическое и магнитное поля.
1. Томсон смог измерить скорость частиц. Он подобрал величины напряженности электрического поля ($\text{E}$) и индукции магнитного поля ($\text{B}$) так, чтобы они компенсировали друг друга, и пучок лучей не отклонялся. В этом случае скорость частиц $\text{v}$ можно было рассчитать по формуле $v = E/B$.
2. Затем, отключив электрическое поле, он измерил радиус кривизны траектории ($\text{r}$) лучей в одном только магнитном поле. Это позволило ему вычислить удельный заряд частиц, то есть отношение их заряда ($\text{e}$) к массе ($\text{m}$). Расчет велся по формуле $e/m = v / (Br) = E / (B^2r)$.
В результате эксперимента Томсон сделал два фундаментальных вывода:
- Отношение $e/m$ для частиц катодных лучей было одним и тем же, независимо от материала катода и газа, который находился в трубке. Это доказывало, что данные частицы являются универсальной составляющей любого вещества.
- Удельный заряд этих частиц оказался примерно в 1837 раз больше, чем у иона водорода — самой легкой из известных на тот момент частиц. Поскольку заряд иона водорода считался элементарным, это означало, что масса частицы катодных лучей во много раз меньше массы атома водорода.
Таким образом, Томсон доказал существование новой, ранее неизвестной субатомной частицы с отрицательным зарядом, которую он назвал "корпускулой". Позже за ней закрепилось название "электрон", предложенное Стоуни.

Измерение заряда и массы электрона

Эксперимент Томсона позволил определить отношение $e/m$, но не сами значения заряда и массы по отдельности. Эта задача была решена американским физиком Робертом Милликеном в его знаменитом опыте с масляными каплями в 1909–1913 годах.
Милликен распылял мельчайшие капли масла между двумя пластинами, создававшими электрическое поле. Наблюдая за движением капель под действием силы тяжести и электрического поля, он смог с высокой точностью определить их заряд. Оказалось, что заряд любой капли всегда был кратен некоторой фундаментальной величине, которую Милликен и определил как элементарный заряд — заряд одного электрона ($e \approx 1,602 \cdot 10^{-19}$ Кл).
Зная значение заряда $\text{e}$ и отношение $e/m$ из опытов Томсона, стало возможным вычислить и массу электрона ($m_e \approx 9,109 \cdot 10^{-31}$ кг).

Ответ: Открытие электрона является результатом многоэтапного процесса исследований XIX века. Ключевой вклад внес английский физик Дж. Дж. Томсон, который в 1897 году в экспериментах с катодными лучами доказал существование отрицательно заряженных частиц, масса которых была значительно меньше массы атомов. Он измерил отношение заряда этих частиц к их массе ($e/m$), установив, что они являются универсальными компонентами всего вещества. Это открытие ознаменовало рождение субатомной физики. Позднее Роберт Милликен измерил точное значение заряда электрона, что позволило вычислить и его массу.