Открытие электрона было сложным и длительным процессом, простирающимся от исследования Фарадеем электролиза, экспериментах Милликена с каплями масла до катодных лучей Джозеф Джон Томсона.
Именно англичанину учёному Томсону принадлежит открытие электрона.
Результаты четырех различных областей (электрохимия, электромагнитная теория, спектроскопия и катодные лучи) сошлись, чтобы подтвердить существование новой субатомной составляющей материи — открытие электрона. Понятно, что ученые занимавшиеся изучением электричества внесли свою лепту в открытия человечества и взаимодействие электрических зарядов.
История открытия электрона учёными всего света
- Эксперименты английского физика как основоположника электродинамики Фарадея (1791-1867) по электролизу, интерпретированные с точки зрения атомной теории материи, подразумевали, что электричество имеет атомную структуру. То есть электричество появляется в естественных единицах измерения.
- В 1891 ирландский физик и математик Джордж Джонстон Стоуни (1826-1911) назвал эти единицы или ввел в науку термин “электрон”.
- В 1894 году ирландцем Джозефом Лармором (1857-1942) была предложена электронная теория для преодоления определенных эмпирических и концептуальных проблем, с которыми столкнулась электромагнитная теория Максвелла. Электроны Лармора считались универсальными составляющими материи и были представлены в виде структур во всепроникающем эфире.
- Аналогичная электромагнитная теория была предложена нидерландским физиком-теоретиком Хендриком Антуан Лоренц (1853-1928), который разработал классическую электронную теорию в электромагнетизме. Теория Лоренца включала предположение Максвелла о том, что электромагнитные явления представляют собой волновые процессы в эфире, и предположил, что эти явления обусловлены действием заряженных частиц. Лоренц назвал эти частицы “ионами”, в аналогии с ионами электролиза.
- Решающим событием для развития теорий Лармора и Лоренца стало экспериментальное открытие Питера Зеемана (1865-1943). В 1896 году Зееман обнаружил, что спектральные линии натрия расширяются под воздействием магнитного поля ( Эффект Зеемана). Это была теория расщепления линий атомных спектровв магнитном поле. Опираясь на теорию Лоренца, он объяснил модификацию спектра натрия влиянием магнетизма на режим вибрации “ионов». По наблюдаемому расширению он смог рассчитать их отношение заряда к массе, которое, ко всеобщему удивлению, оказалось на три порядка больше, чем у электролитических ионов. Это было первым признаком того, что Лоренц ионы, так же как и электроны Лармора, были намного меньше обычных ионов. В 1899 году Лоренц изменил название своих “ионов” на “электроны”.
- Электронные теории получили дополнительную поддержку в результате теоретического и экспериментального исследования катодных лучей. Это были исследования электрического разряда в газе при низком давлении.
Природа этих лучей была предметом значительных дебатов где они были отождествлены с электроном. Споры утихли когда в 1897 году, Дж. Дж. Томсон (1856–1940) показал, что лучи состоят из “корпускул”, мельчайших заряженных частиц. Суть эксперимента состояла в исследовании газового разряда, то есть процесса прохождения электрического тока через газ. По электрическим и магнитным отклонениям этих частиц при прохождении через газ он рассчитал отношение массы к заряду (m/е). Оказалось, что значение m/e было на три порядка меньше, известного ранее значения для иона водорода при электролизе. Именно с 1897 года считается открытие электрона английским физиком Дж. Дж. Томсоном - В 1899 году Томсон сообщил об измерениях отношения массы к заряду частиц, полученных в результате фотоэффекта, а также термоэлектронной эмиссии. Эти измерения показали, что рассматриваемые частицы были идентичны составляющим катодных лучей.
Томсон сделал следующие выводы:
- Атомы делимы, из них могут быть вырваны отрицательно заряженные частицы под действием определенных сил: электрических, удара частиц, ультрафиолетового света, тепла.
- Вырванные частицы имеют одинаковую массу, несут одинаковый отрицательный заряд электричества и не зависят от материала.
- Масса частиц меньше в 1000 раз чем масса атома водорода.
- Более подходящий термин «электрон».
За исследование прохождения электричества через газ, которые привели к открытию электрона в 1906 году получил Нобелевскую премию по физике.
Дж. Дж. Томсон
- Французский физик Анри Беккерель (1852-1908) пришел к аналогичному выводу об идентичности недавно открытых β-лучей (рентген), которые, как было показано, были полностью сопоставимым с катодными лучами.
Таким образом, к концу девятнадцатого века электрон появился в различных теоретических и экспериментальных контекстах.
Объяснения ученых формы и структуры электрона
В начале двадцатого века β-лучи использовались в качестве инструмента для определения различий между современными электромагнитными теориями, которые по-разному объясняли форму и структуру электрона.
- Во-первых, теория, разработанная Максом Абрахам (1875-1922) подразумевала, что электрон представляет собой жесткую сферу с однородным (поверхностное или объемное) распределением заряда, на форму которого не повлияло его движение через эфир.
- Во-вторых, согласно теории электронов Х. А. Лоренца и согласно теории относительности Альберта Эйнштейна, электрон был деформируемым и сжимался в направлении своего движения.
- В-третьих, Альфред Бухерер (1863-1927) и Пол Ланжевен (1872-1946) предположили, что движущийся электрон будет деформирован, но его объем останется постоянным.
Все эти теории подразумевали, что масса электрона зависит от его скорости. Однако их количественные прогнозы об этой зависимости различалась.
Немецкий физик Вальтер Кауфман (1871-1947) предпринял экспериментальную программу поиска, направленную на выяснение природы массы электрона и ее изменения со скоростью. Он определил зависимость скорости отношения заряда к массе β-лучей на основе их электрических и магнитных отклонений. Его результаты, казалось, противоречили предсказаниям теории “Лоренца–Эйнштейна” что масса электрона постоянна и не зависит от скорости. К середине 1910-х годов объединенные усилия теоретиков и эксперименталистов показали, что результаты Кауфмана были ошибочными и масса электрона постоянна.
1910-е годы ознаменовались кульминацией исследовательской программы, направленной на измерение заряда электрона.
С 1909 года и далее Милликен смог получить представление об отдельных электронах. Его тщательные наблюдения за заряженными каплями масла, движущимися под одновременным действием силы тяжести и электрического поля, позволили ему измерить заряд отдельных электронов. Эти измерения установили, что электричество имеет атомную структуру.
Квантовая физика электрона
Первое электричество и далее открытие электрона также сыграло ключевую роль в разработке атомных моделей. В 1920-е годы был также установлен волновой характер электрона. В 1923 году Луи де Бройль (1892-1987) разработал синтез корпускулярной и волновой концепций материи. Суть концепции в процессе рассеяния электронов по веществу.
С 1913 по 1928 год постепенно развивалась квантовая физика электрона. Нильс Бор (1885-1962) и Арнольд Зоммерфельд (1868-1951) представили ограничительные условия на размер, форму и направление в пространстве орбиты электронов, связанных внутри атома. Эти условия были выражены в виде квантовых чисел определяющих расположение орбитали.
Электрон не имеет определенной траектории движения и может находиться в любой части пространства вокруг ядра, но с разной вероятностью.
