Відкриття електрона
30 квітня 1897 року професор Кембриджського університету Джозеф Томсон зробив доповідь у Лондонському королівському товаристві, якою повідомив про результати електро-магнітних досліджень свічення катодних трубок, які дозволили встановити існування легкої субатомної частинки з негативним зарядом, названої ним «корпускулою». Це відкриття революційно змінило уявлення про будову матеріального світу, і у 1907 році Томсон був удостоєний Нобелівської премії з фізики.
Прийнято вважати, що першим ідею про подільність матерії на безліч дрібних і тому невидимих частинок, атомів, висунув давньогрецький філософ Левкіпп, який жив у другій половині V століття до н. е. Вчення Левкіппа розвинув його учень Демокріт (Абдерський), котрий стверджував, що атоми — вічні, незмінні і неподільні частки речовини, рухаються в абсолютно пустому просторі, а зміни у Всесвіті відбуваються виключно через зміни зв'язків між атомами, але не в них самих: «Солодкість і гіркота, спека і холод — насправді [лише] атоми і порожнеча». Подібні погляди домінували в науці понад два тисячоліття, й до початку XIX століття існування атомів залишалось лише гіпотезою. Підтвердження їх існування було зроблене в часи встановлення емпіричних закономірностей фізичних і хімічних процесів, зокрема, роботами англійця Джона Дальтона, який ввів поняття атомної ваги і першим розрахував її у відносних одиницях.
Дещо пізніше, близько 1844 року, інший англієць, хірург Річард Ламінг, який займався займався наукою в час дозвілля, першим висловив гіпотезу, що атом складається з ядра, отченого зарядженими електричними частинками, додаванням або відніманням яких він намагався пояснити природу хімічних реакцій. Жодних експериментальних даних на підтвердження своєї теорії Ламінг не привів і його дововідь Королівському науковому товариству на довгі роки залишилась без уваги.
Наступним етапом у дослідженні атома стало вивчення явища, відкритого у 1869 році німцем Йоганном Гітторфом при дослідженні провідності газу між двома електродами при зниженому тиску і низькій напрузі, відомому під назвою «катодні промені». Незвичне свічення біля катода (позитивно зарядженого електрода), залежне від ступеню розрідженості газу, згодом вивчав англієць Вільям Крукс, який встановив, що воно переміщується від катода до анода, ним можна керувати з допомогою магнітного поля і «носій свічення» має негативний заряд. Пояснити ці явища взявся ірландець Джордж Стоні, котрий у 1874 році висловив гіпотезу, що катодні промені складаються із заряджених частинок, «атомів електрики», як він їх називав, постійно прикріплених до атомів речовини. Він же у 1881 році їх означив як «електроліон», а через десять років першим запропонував термін «електрон».
Фундаментально природу катодних променів вивчив професор фізики Джозеф Томсон, який разом з зі своїми колегами Джоном Таунсендом і Гарольдом Вільсоном у Кавендіській лабораторії Кембриджського університету провів серію експериментів, використовуючи удосконалену «трубку Крукса», доповнену електричними котушками і набором паралельних електричних конденсаторних пластин, що створювали всередині неї магнітне і електричне поле, відповідно. Досліди Томсона дали можливість встановити, що катодні промені відхиляються в магнітному полі під час відсутності електричного, відхиляються в електричному полі за відсутності магнітного і при одночасній дії електричного і магнітного полів збалансованої інтенсивності, орієнтованих в напрямках, що викликають окремо відхилення в протилежні сторони, катодні промені поширюються прямолінійно, тобто дія двох полів взаємно врівноважується.
Крім того, було з'ясовано, що співвідношення між електричним і магнітним полями, при якому їх дії врівноважується, залежить від швидкості, з якою рухаються частинки. Провівши ряд вимірювань, Томсон зміг визначити швидкість руху катодних променів, яка виявилась значно меншою за швидкість світла, з чого був зроблений висновок, що за своєю природою вони є потоком субатомних частинок, названих «корпускулами». Доповідь за результатами своїх еспериментів Джозеф Томсон зробив 30 квітня 1897 року в Лондонському королівському товаристві, на якому повідомив також і про проведену ним оцінку маси досі невідомих частинок, яка виявивилась в тисячу разів меншою за масу атома водню.
Згодом Томсон показав, що негативно заряджені частинки, вироблені радіоактивними, нагрітими та освітленими матеріалами, мають однакову природу. У 1904 році він запропонував модель атома, що «складається з декількох (у залежності від хімічної речовини — А.Л.) негативно заряджених корпускул, поміщених у сферу, що має однорідно розподілений позитивний електричний заряд», яка дозволила пояснити ряд фундаментальних фізичних явищ. Через два роки «на відзнаку заслуг в області теоретичних і експериментальних досліджень електропровідності газів» Джозеф Томсон був відзначений Нобелівською премією з фізики.
Проте результати численних експериментів, проведених у наступні роки, модель атома Томсона пояснити не змогла, і у 1911 році їй на зміну прийшла т. зв. «планетарна модель», запропонована його учнем новозеландцем Ернестом Резерфордом, на той час уже також Нобелівським лауреатом: у центр умовної сфери він помістив дуже мале за розмірами ядро з позитивним зарядом, достатнім, щоб скомпенсувати негативний заряд частинок, що обертаються навколо ядра. Не прижилась і запропонована Томпсоном назва елементарного негативного заряду «корпускула», практично витіснена із вжитку «електроном», який у моделі атома 1913 року ще одного учня Томсона данця Нільса Бора міг займати лише дискретні орбіти навколо щільного атомного ядра, переміщуючись між якими, випромінював або поглинав кванти (неподільні порції) енергії.
Подальше дослідження електрона дозволило встановити його роль у побудові хімічних зв'язків між атомами, виявити його обертання навколо власної осі і дуалістичну поведінку — як частинки або хвилі. Це заклало основи принципово нових розділів теоретичної фізики — квантової механіки і квантової теорії поля, для опису явищ, які відбуваються на рівні мікросвіту, але наслідки яких проявляються на рівні макросвіту.
Коментарі
Дописати коментар