Открытие электрона

«Исследования, которые привели к открытию электрона, – вспоминал потом Томсон, – начались с попыток объяснения расхождения поведения катодных лучей под действием магнитных и электрических сил». В то время как отклоняющее действие магнитного поля на катодные лучи было зафиксировано многими исследователями, в отношении действия электрического поля существовали разногласия. Некоторые физики наблюдали отклоняющее действие электрического поля на катодные лучи; однако другие исследователи отрицали это.

Томсон показал, что это расхождение обусловлено несовершенством техники откачки газа из вакуумных трубок. В результате остатки ионизированного газа нейтрализовали влияние внешнего электрического поля. Томсон усовершенствовал технику откачки и получил заметные отклонения пучка катодных лучей электрическим полем.

Далее Томсон и Резерфорд установили, что под действием облучения рентгеновскими лучами электропроводность газа сильно повышается, сохраняя это свойство некоторое время после облучения. Однако газ, подвергнутый облучению рентгеновскими лучами и пропущенный затем через ватный фильтр, немедленно терял приобретенное свойство. Этот факт подтверждал предположение, что носителями электричества в газах являются заряженные частицы, образующиеся под действием рентгеновского излучения.

Томсон предпринял попытку изучить природу этих частиц и определить их заряд и массу. Для этого Томсон решил изучить свойства катодных лучей, которые, как он считал, также являлись потоком заряженных частиц. С целью измерения отношения заряда к массе частиц катодных лучей Томсон использовал два метода.

Первый метод заключался в наблюдении отклонения пучка катодных лучей в магнитном поле, перпендикулярном их направлению. В этом случае сила Лоренца играла роль центростремительной силы, под действием которой частицы катодных лучей двигались по окружности:

.

Томсон преобразовал эту формулу к виду и для определения отношения , стоящего в правой части последнего соотношения, измерял заряд и кинетическую энергию, переносимые катодными лучами за один и тот же промежуток времени. Для измерения электрического заряда пучок катодных лучей направлялся в цилиндр Фарадея (полый металлический цилиндр, соединенный с электрометром). Кинетическая энергия пучка катодных лучей определялась по измерению температуры внутри цилиндра Фарадея с помощью помещенного туда термоэлемента. В этом случае выполняется очевидное равенство , где и Q – измеренные с помощью цилиндра Фарадея значения кинетической энергии и заряда. Поэтому формула, используемая Томсоном для расчета удельного заряда , приобретает окончательный вид:

.

Второй метод, использованный Томсоном, заключался в следующем. Томсон воздействовал на пучок катодных лучей взаимно перпендикулярными электрическим и магнитным полями, направленными перпендикулярно пучку. Он подбирал величину электрического поля E такой, чтобы воздействия электрического и магнитного полей на пучок взаимно компенсировались:

.

Затем он измерял отклонение этого пучка под действием одного лишь магнитного поля той же напряженности:

.

Из двух последних соотношений следовала формула для удельного заряда:

.

Обоими методами Томсон получил близкие значения , почти в две тысячи раз превосходящие значение этой величины для иона водорода. Оказалось, что величина не зависит от вида газа в трубке, а также от материала катода. Из опыта Томсона следовало, что катодные лучи бесспорно являются потоком заряженных частиц, заряд и масса которых остаются одними и теми же при использовании различных газов и различных материалов катода. Если принять, что заряд частиц катодных лучей равен заряду водородного иона, определенному из законов электролиза, то масса этих частиц получалась приблизительно в 1837 раз меньшей массы атома водорода. Напрашивался вывод о существовании заряженных частиц, имеющих очень малую массу и входящих в качестве составных частей в атомы всех элементов. Эти частицы Томсон предложил назвать «корпускулами», однако это название не прижилось. Частицы, как и предложил в 1891 году Стоней, стали называть электронами. В 1906 году за открытие электрона Томсону была присуждена Нобелевская премия.