4.8: Електрони

Last updated
Save as PDF

Page ID: 19042

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Що викликає відключення електроенергії?

При відключенні електроенергії все ваше електрообладнання раптом перестає працювати. Радіо було увімкнено всього хвилину тому і зараз воно мовчить. Що сталося? Десь між електрогенератором і вашим електричним пристроєм стався переривання. Потужність перестала надходити через дроти і в ваше радіо. Ця «сила» виявляється електронами, які рухаються по проводах і викликають протікання електричного струму.

Чи є щось всередині атома?

У міру того, як дев'ятнадцяте століття почав наближатися до кінця, поняття атомів було усталено. Ми могли визначити масу різних атомів і мали деякі хороші уявлення про атомний склад багатьох сполук. Атомна теорія Далтона стверджувала, що атоми неподільні, тому вчені не ставили питань про те, що знаходиться всередині атома - він був твердим і не міг бути розщеплений далі. Але потім все почало змінюватися.

Електрон

У 1897 році англійський фізик Джей Джей Томсон (1856-1940) експериментував з пристроєм під назвою електронно-променева трубка, в якій електричний струм пропускався через гази при низькому тиску. Електронно-променева трубка складається з герметичної скляної трубки, встановленої з обох кінців металевими дисками, званими електродами. Потім електроди підключаються до джерела електрики. Один електрод, званий анодом, стає позитивно зарядженим, а інший електрод, званий катодом, стає негативно зарядженим. Світиться промінь (електронний промінь) рухається від катода до анода.

Раніше були проведені дослідження сера Вільяма Крукса та інших, щоб визначити природу електронного променя. Томсон видозмінив і продовжив ці експерименти, намагаючись дізнатися про ці таємничих променях. Він виявив дві речі, які підтримували гіпотезу про те, що електронний промінь складається з потоку частинок.

Коли предмет помістили між катодом і протилежним кінцем трубки, він відкидав тінь на скло.
Електронно-променева трубка була побудована з невеликою металевою рейкою між двома електродами. До рейки кріпилося весло колесо, здатне обертатися уздовж рейки. При запуску електронно-променевої трубки колесо оберталося від катода до анода. Це довело, що електронний промінь був зроблений з частинок, які повинні мати масу. Крук вперше спостерігав це явище і приписував його тиску цими частинками на колесо. Томсон правильно припустив, що ці частинки виробляють тепло, через що колесо оберталося.

Для того щоб визначити, чи складався електронний промінь із заряджених частинок, Томсон використовував магніти і заряджені пластини для відхилення електронного променя. Він зауважив, що катодні промені відхиляються магнітним полем таким же чином, як провід, що несе електричний струм, який, як відомо, негативно заряджений. Крім того, електронний промінь відхилявся від негативно зарядженої металевої пластини і до позитивно зарядженої пластини.

Томсон знав, що протилежні звинувачення притягують один одного, тоді як подібні звинувачення відштовхують один одного. Разом результати експериментів з електронно-променевою трубкою показали, що катодні промені насправді є потоками крихітних негативно заряджених частинок, що рухаються з дуже високими швидкостями. У той час як Томсон спочатку називав ці частинки тілець, пізніше вони були названі електронами.

Томсон провів подальші експерименти, які дозволили йому обчислити відношення\(\frac{e}{m_e}\) заряду до маси електрона. В одиницях кулонів до грам це значення становить 1,8 × 10 ⁸ кулонів/грам. Він виявив, що це значення є постійною і не залежить від газу, що використовується в електронно-променевій трубці, або від металу, використовуваного в якості електродів. Він зробив висновок, що електрони - це негативно заряджені субатомні частинки, присутні в атомах всіх елементів.

Резюме

Катодні промені відхиляються магнітним полем.
Промені відхиляються від негативно зарядженого електричного поля і до позитивно зарядженого поля.
Співвідношення заряд/маса для електрона становить 1,8 × 10 ⁸ кулонів/грам.

Рецензія

Яка субатомна частка створює електроенергію, і як вона це робить?
Чию роботу Томсон повторив і переглянув?
Який експеримент виконав Томсон, який показав, що катодні промені є частинками?
Як він показав, що ці частинки мали на них заряд?
Електронний промінь мав позитивний або негативний заряд?