Номер 1, страница 297 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Обсудить в классе. Параграф 90. Электрический заряд и элементарные частицы. Закон сохранения заряда. Глава 14. Электростатика - номер 1, страница 297.

Условие.

Решение.

Решение 3.

История открытия электрона — это повествование о том, как научная мысль постепенно переходила от представления о неделимости атома к современной субатомной физике. Процесс этот занял несколько десятилетий и включал в себя как теоретические прозрения, так и гениальные эксперименты.

Предпосылки и первые гипотезы. К середине XIX века благодаря работам Майкла Фарадея стало понятно, что электричество связано с материей и, возможно, имеет дискретную природу. В 1874 году ирландский физик Джордж Джонстон Стони, анализируя законы электролиза, впервые высказал гипотезу о существовании фундаментальной единицы электрического заряда. В 1891 году он предложил для этой единицы название «электрон». Однако на тот момент это была лишь теоретическая концепция, не подкреплённая открытием соответствующей частицы.

Исследование катодных лучей. Ключевую роль в открытии электрона сыграло изучение катодных лучей — таинственного излучения, возникающего в вакуумных трубках при подаче высокого напряжения.

• В 1850–1860-х годах немецкие физики Юлиус Плюккер и его ученик Иоганн Гитторф обнаружили, что от отрицательного электрода (катода) исходят лучи, вызывающие свечение (флуоресценцию) стекла трубки.
• В 1870-х годах английский учёный Уильям Крукс провёл серию наглядных опытов. Он показал, что катодные лучи распространяются прямолинейно, могут отбрасывать тень от предметов и даже вращать лёгкую вертушку, установленную на их пути. Это указывало на то, что лучи состоят из потока частиц, обладающих массой и импульсом.
• Тем не менее, природа катодных лучей оставалась предметом споров. Немецкая научная школа (в частности, Генрих Герц) склонялась к тому, что это вид электромагнитных волн, так как лучи могли проходить сквозь тонкие металлические пластины. Британские и французские учёные, напротив, считали их потоком частиц.

Эксперименты Дж. Дж. Томсона (1897 г.). Решающий вклад в разрешение этого спора и открытие электрона внёс английский физик Джозеф Джон Томсон, директор Кавендишской лаборатории в Кембридже. В 1897 году он провёл три ключевых эксперимента.

1. Сначала Томсон окончательно доказал, что катодные лучи несут отрицательный заряд. Он направил их на электрометр и зафиксировал накопление отрицательного заряда.
2. Далее, создав в трубке более глубокий вакуум, он смог продемонстрировать, что катодные лучи отклоняются в электрическом поле в сторону положительно заряженной пластины. Это было прямым доказательством их корпускулярной природы и отрицательного заряда.
3. Самым важным стал эксперимент по измерению отношения заряда частицы к её массе ($e/m$). Томсон использовал скрещенные электрическое и магнитное поля. Подбирая их напряжённость так, чтобы лучи не отклонялись, а затем измеряя отклонение только в магнитном поле, он смог вычислить это отношение. Полученное значение оказалось примерно в 1800 раз больше, чем у иона водорода — самой лёгкой из известных на тот момент частиц.

Из этих результатов Томсон сделал два революционных вывода:

• Частицы катодных лучей (которые он назвал «корпускулами») либо имеют массу, во много раз меньшую массы атома водорода, либо несут колоссальный заряд. Томсон придерживался первого варианта.
• Отношение $e/m$ не зависело ни от газа в трубке, ни от материала катода. Это означало, что эти корпускулы являются универсальной составной частью всех атомов.

Таким образом, в 1897 году была открыта первая элементарная частица. Вскоре для неё было принято название «электрон», предложенное Стони. Открытие Томсона разрушило представление о неделимости атома и заложило основы для создания первой модели атома (модель «пудинга с изюмом»).

Определение заряда и массы электрона. Для полного описания частицы оставалось измерить её заряд $e$ и вычислить массу $m$ по отдельности. Эту задачу решил американский физик Роберт Милликен в своих знаменитых опытах с каплями масла (1909–1913 гг.). Он с высочайшей точностью измерил величину элементарного заряда: $e \approx 1.6 \times 10^{-19}$ Кл. Используя это значение и отношение $e/m$, измеренное Томсоном, физики смогли вычислить массу электрона, которая оказалась равной $m_e \approx 9.11 \times 10^{-31}$ кг, что подтвердило выводы Томсона о том, что это чрезвычайно лёгкая частица.

Ответ: Электрон был открыт в 1897 году английским физиком Дж. Дж. Томсоном в результате экспериментов по изучению катодных лучей. Томсон доказал, что эти лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц, и измерил отношение их заряда к массе ($e/m$), которое оказалось почти в 2000 раз больше, чем у иона водорода. Он сделал вывод, что эти частицы (названные позже электронами) являются универсальными компонентами всех атомов и, следовательно, первыми открытыми субатомными частицами. Позднее Роберт Милликен измерил точный заряд электрона, что позволило вычислить и его массу.