J.J. Thomson ve fiziğin gelişimine katkısı
XX yüzyıl

Doğumunun 150. yılı dolayısıyla

Yüz elli yıl önce İngiltere'de, Manchester'lı bir ikinci el kitap satıcısının ailesinde, 19. yüzyılın sonları ve 20. yüzyılın başlarının en önde gelen fizikçilerinden biri haline gelen bir çocuk doğdu. Bu olay 18 Aralık 1856'da gerçekleşti ve bu çocuk Joseph John Thomson. Fiziğin gelişimine katkısı etkileyicidir: 1897'de elektronun deneysel keşfi, Nobel Fizik Ödülü'nü aldı (1906); elektronları içeren ilk atom modellerinden biri (1903); izotopların varlığına dair ilk deneysel kanıt (1912), en önemli temsilcisi Ernest Rutherford olan büyük bir fizikçiler bilimsel okulunun oluşturulması - bu, bu adamın uzun yaşamı boyunca bilimde yaptıklarının tam bir listesi değil . Bu nedenle yıldönümünde sadece bilimsel mirasını hatırlamak değil, aynı zamanda bu mirasın zamanımız için önemini değerlendirmeye çalışmak da önemlidir. Ve bir sebep daha var. Hem profesyonel fizikçiler hem de sadece bilim tarihiyle ilgilenen birçok insanın kafasında, çağdaşlarının kısaca "Gi-Gi" olarak adlandırdığı bu bilim adamının adı, bir yandan çoğu zaman birçok kişinin adının gölgesinde kalıyor. Öte yandan, bazen yanlışlıkla, olağanüstü bilimsel başarılarından dolayı 1892'de Lord Kelvin unvanını alan yaşlı çağdaşı William Thomson'un (1824-1907) bilimsel erdemleriyle anılır. (ikincisinin yalnızca mutlak sıcaklık ölçeğini önerdiğini değil, aynı zamanda şu anda okulda incelenen, bir salınım devresindeki salınım periyodu için 1853 Thomson formülünü de oluşturduğunu unutmayın). Bu durum aynı zamanda J. J. Thomson'ın özel olarak anılmayı hak etmesinin de nedenidir.

Thomson gençliğinde mühendis olmak istiyordu ve hatta ilgili profildeki Manchester kolejlerinden birine girdi. Ancak kısa süre sonra babasının ölümü nedeniyle maddi yetersizlik nedeniyle mühendislik çalışmalarına ara vermek zorunda kaldı. "Ancak matematik, fizik ve kimya okuduktan sonra 1876'da Trinity College'dan burs almayı başardı ve Thomson'ın tüm akademik hayatı Cambridge Üniversitesi ile bağlantılıydı." (*Kelime " Üçlü"İngilizce'den tercüme edilmiştir. "Üçlü" anlamına gelir, yani Trinity College, St. Üçlü.")

Thomson 1880 yılında üniversiteden mezun oldu ve ilk bilimsel çalışmaları bu zamana (19. yüzyılın 90'lı yıllarının başı) kadar uzanıyor. Maxwell elektrodinamiğinin geliştirilmesine adanmışlardır. Böylece yüklü bir topun hareketi problemini çözen Thomson, yükün görünen kütlesinin elektrostatik alanın enerjisinden dolayı arttığı sonucuna vardı ve bu sonuç yirminci yüzyılın başında daha da geliştirildi. özel görelilik teorisinde, özellikle A. Poincaré'nin eserlerinde. Thomson, 1884 yılında, 28 yaşındayken, bu görevde J. W. Rayleigh'in yerine Cavendish Laboratuvarı'nın müdürü oldu ve müdürlük 1918'e kadar devam etti. Bir yıl sonra, 1885'te Thomson, "İlkelerin Bazı Uygulamaları Üzerine" başlıklı tezini savundu. G. Hertz'in daha sonra "harika bir inceleme" olarak adlandırdığı dinamiğin fiziksel olaylara aktarımı: "Yazar burada, Newton'un hareket yasalarıyla birlikte yeni, açıkça ifade edilmemiş öncüllere dayanan dinamiğin sonuçlarını geliştiriyor. Bu incelemeye katılabilirim; Aslında, bu incelemeyle tanışmadan önce benim araştırmam zaten önemli ölçüde ilerlemişti," Hertz, Thomson'ın hayatının son yılındaki tezini "Yeni Bir Bağlantıda Belirlenen Mekaniğin İlkeleri" (1894) kitabının önsözünde yazdı. ).

Elektronun keşfi

1. Arkaplan. Akademisyen P.L. Kapitsa, “Benjamin Franklin'in Bilimsel Faaliyeti” (1956) adlı makalesinde, 1749 tarihli mektuplarından birinden bir alıntı yapıyor: “Elektrik maddesi son derece küçük parçacıklardan oluşur, çünkü metal kadar yoğun sıradan maddelere o kadar kolay ve özgürce nüfuz edebiliyorlar ki, gözle görülür bir dirençle karşılaşmıyorlar.” Bu sözlerle ilgili yorum yapan P.L. Kapitsa şöyle yazıyor: “Günümüzde bunlara “son derece küçük parçacıklara” elektron diyoruz. Franklin ayrıca herhangi bir cismi bu elektrik parçacıklarıyla doyurulmuş bir sünger olarak görüyordu. Cisimlerin elektrifikasyonu, fazla miktarda elektrik parçacığı içeren bir cismin pozitif yüklü olması gerçeğinden oluşur; eğer bir cisim bu parçacıklardan yoksunsa negatif yüklüdür.”

Böylece, elektrik yükünün taşıyıcısı olan parçacıkların varlığına ilişkin tahminler 18. yüzyılda dile getirildi. "Elektrik akışkanının" tanecikli yapısı fikrine dayanarak elektrodinamik oluşturmaya yönelik ilk girişim 40'lı yıllarda yapıldı. XIX yüzyıl Bu parçacıkların ağırlıksız olduğunu düşünen ve onlara "elektrik kütleleri" adını veren Alman fizikçi Wilhelm Eduard Weber (1804-1891), esasen "kütle" terimini "yük" terimiyle eşitledi. Maxwell'in esas olarak 60'larda geliştirdiği elektrodinamiğinde. XIX yüzyıl bu tür parçacıklardan bahsedilmiyor: alan yaklaşımı hakimdir ve elektrik, iletkenler içinde hareket eden bir tür sıkıştırılamaz sıvı olarak ele alınır. Elektrik yüklerinin ayrıklığı fikrini Maxwell'in elektrodinamiğine dahil etme girişimi ilk kez 1878'de G. Lorentz tarafından yapıldı. Böylece Lorenz, 1892'de "Maxwell'in Elektromanyetik Teorisi ve Hareketli Cisimlere Uygulanması" adlı çalışmasında şunları yazdı: "Tüm ağır cisimlerin pozitif veya negatif yüklü birçok küçük parçacık içerdiğini ve tüm elektriksel olayların meydana geldiğini varsaymak yeterli olacaktır." bu parçacıkların yer değiştirmesi ile. Bu kavrama göre, elektrik yükü belirli bir işaretin fazla parçacıklarından kaynaklanmaktadır, elektrik akımı bu parçacıkların akışından kaynaklanmaktadır ve katı yalıtkanlarda, içlerinde bulunan elektrikli parçacıklar varsa "dielektrik yer değiştirme" meydana gelmektedir. denge konumlarından uzaklaştırılır.

Bu hipotezler elektrolitlerle ilgili yeni hiçbir şey içermiyor ve eski elektrik teorisinde var olan metalik iletkenlerle ilgili fikirlerle belirli bir benzerliği temsil ediyor. Elektrikli bir sıvının atomlarından yüklü parçacıklara kadar pek de uzak değil.”

Seyreltilmiş gazlardaki elektriksel olayların özelliklerine ilişkin çalışmalar özellikle dikkate değerdir. 70'lerde Alman fizikçi Eugen Goldstein (1850–1930) fiziğe katot ışınları kavramını tanıttı ve doğaları gereği ışığa benzer olduklarını, tek farkın ışığın vücut tarafından her yöne doğru kendi etrafında yayılması ve katot ışınlarının yayılması olduğunu öne sürdü. yalnızca katot yüzeyine diktir, ancak her iki süreç de doğası gereği dalga süreçleridir. Goldstein'ın 70'lerin sonundaki deneyleri. XIX yüzyıl seçkin İngiliz fizikçi William Crookes (1832-1919) tarafından geliştirilmiş bir biçimde tekrarlanmıştır. 1873 yılında tasarladığı gaz deşarj tüpüne bir radyometre yerleştiren Crookes, tüpün katot ışınlarının etkisi altında döndüğünü keşfetti ve bundan bu ışınların enerji ve momentum aktardığı sonucuna vardı. Crookes, katot ışınlarının yolu boyunca tüpün içine metal bir haç yerleştirdikten sonra, bunun tüpün floresan camı üzerindeki gölgesini keşfetti ve katot ışınlarının düz bir çizgide yayıldığı sonucuna vardı. Deneysel olarak bu ışınların bir mıknatıs tarafından şu veya bu yönde saptırılabileceğine ikna olmuştu. Işınlara bir şey dedi dördüncü veya aşırı gazlı maddenin durumu veya radyant madde Ancak parçacık bir doğaya sahip olan parçacık kozmik ölçekte yorumlanır: "Maddenin bu dördüncü durumunu incelerken, haklı olarak son parçacıklar olarak kabul edebileceğimiz" son "parçacıkların nihayet elimizde olduğu fikri yaratılır. Evrenin fiziğinin temeli.”

Katot ışınlarının doğasına ilişkin parçacık kavramı, daha önce bahsedilen dalga kavramıyla çelişiyordu. Crookes, katot ışınlarının bir gaz boşaltma tüpünde bulunan artık gaz molekülleri olduğuna inanıyordu; Katotla temasa geçtikten sonra ondan negatif yük alırlar ve katottan itilirler. Ancak o zaman elektrik alanı tarafından saptırılmaları gerekir. G. Hertz tarafından yapılan deneyler, bunların bir elektrik alanı tarafından saptırılmadığını gösterdi. 1892'de Hertz deneysel olarak katot ışınlarının ince alüminyum plakalardan geçebileceğine ikna oldu. Ancak eğer durum böyleyse, o zaman elektrikli moleküllerin metalin içinden nasıl geçebileceği açık değildir. Öte yandan manyetik alan ışık dalgalarını etkilemez ancak Crookes'un deneyleri bu alanın katot ışınlarına etki ettiğini gösterdi. Böylece 90'ların başında. XIX yüzyıl çözülmesi gereken bir sorun vardı. Katot ışınları nedir – dalgalar mı yoksa parçacıklar mı?

2. J. Perrin ve J. Thomson - katot ışınlarının doğası sorununa çözüm. İncirde. Şekil 1, Jean Baptiste Perrin (1870–1942) tarafından 1895 yılında gerçekleştirilen deneyin diyagramını göstermektedir. Deşarj tüpünün içinde katodun önünde N elektroskoba bağlı metal bir silindir 10 cm mesafeye yerleştirildi ABCD(ceketli EFGH) katodun karşısında küçük bir delik bulunur. Tüp çalışırken, bir katot ışın demeti silindire nüfuz etti ve silindir her zaman negatif yük aldı. Katot ışınlarını silindire girmeyecek şekilde saptırmak için bir mıknatıs kullanıldıysa, elektroskop herhangi bir okuma vermedi. Bundan, katot ışınlarının negatif elektrik yükleri taşıdığı sonucuna varılabilir ve bu nedenle bir parçacık akışından bahsediyoruz.

Ancak dalga kavramını savunanlar şu itirazı öne sürüyorlar. Katodun yüklü parçacıklar yaydığını kabul ederken, bu parçacıkların katot ışınları olduğunu yalanladılar. Katot ışınları tüpün duvarına çarptığında, ikincisi parlamaya başladı, ancak onların görüşüne göre parıltı ve parçacıkların katot tarafından fırlatılması, tıpkı bir top mermisinin namludan ayrılması gibi iki farklı olay olabilir. Bir silahın patlaması ve bu sürece eşlik eden flaş farklı olgulardır.

Yüklü parçacıkların katot tarafından fırlatılmasının ve deşarj tüpünün duvarının parıltısının birbirine bağlı olduğunu, farklı fiziksel olaylardan değil, birinden bahsettiğimizi deneysel olarak kanıtlamak gerekiyordu. Bu kanıt, Perrin'in deneylerinin varyantları olan 1897'deki deneylerinde J.J. Thomson tarafından sunuldu. Delikli silindir, katodun önüne değil, tüpün geometrisinin değiştirildiği tarafına yerleştirildi, Şekil 1.1. 2. Bu durumda, floresans başlangıçta tüpün cam duvarında gözlendi, ancak katot ışınları bir mıknatıs tarafından saptırıldığında ve negatif yükü kaydeden bir elektroskoba bağlı bir silindirin deliğine "yönlendirildiğinde" ortadan kayboldu. . Böylece tüp duvarındaki ışıltı ile silindirin şarjının aynı parçacıklardan kaynaklandığı kanıtlandı. Üstelik Thomson deneylerinde Hertz'in yapamadığını yapmayı başardı: katot ışınlarının bir elektrik alanıyla saptırılmasını sağlamayı başardı (Hertz'in deneylerinde her şey, tüpte ortaya çıkan artık gazın iletkenliği nedeniyle bozuldu). katot ışınlarının etkisi altında).

Yani katot ışınları parçacıklardır. Hangi? Özellikleri nelerdir, özellikleri nelerdir? Thomson bu soruları hareketlerini mekanik yasalarıyla açıklayarak yanıtladı. Örneğin, elektrostatik bir alanda, düşen cisimlerin Dünya yüzeyine yakın davranışlarıyla aynı şekilde davranmaları gerekir. Örneğin, pozitif yüklü bir parçacık kendisini üstteki pozitif yüklü ve alttaki negatif yüklü iki yatay plaka arasındaki boşlukta bulursa, o zaman bu parçacık üst plakadan itilecek ve alt plakaya çekilecektir. yani aşağıya doğru ivmelenerek hareket edin. Bu parçacık, plakaların düzlemlerine paralel yönlendirilmiş bir hızla bu plakalar arasındaki boşluğa uçarsa, o zaman alt plakaya parabolik bir yörünge boyunca yaklaşacaktır, yani. Dünya yüzeyine paralel hızla atılan bir taşın Dünya yüzeyine düşmesiyle aynı şekilde hareket eder. Plakalar arasındaki boşlukta ayrıca çizimin ötesine veya çizimden yönlendirilmiş bir manyetik alan varsa, o zaman ilk olarak Lorentz kuvveti (manyetik kuvvet) incelenen yüklü parçacık üzerinde etkili olacaktır ve yönüne göre karar verilebilir. yükün işareti ve ikincisi, elektrik ve manyetik kuvvetler, zıt yönlere yönlendirilmeleri durumunda birbirlerini iptal edebilir. Elektrik kuvveti, parçacık yükü ile elektrik alan kuvvetinin çarpımı olarak hesaplanır; manyetik kuvvet, bu yükün parçacığın hızı ve manyetik alanın indüksiyonu ile çarpımı olarak hesaplanır (hız ve indüksiyon vektörleri arasındaki açı 90° olsun). Sonra alırız eE = eB yani e = B. Buradan yüklü bir parçacığın hareket hızının elektrik alan kuvvetinin oranı olarak hesaplandığı hemen anlaşılır. e manyetik alan indüksiyonuna B. Ancak Lorentz kuvvetinin yüklü bir parçacığa 2 / merkezcil ivme kazandırdığı bilinmektedir. R; o zaman parçacığın spesifik yükünün değerini bulabilirsiniz, yani. yükün parçacık kütlesine oranı:

Bu sonuçtan şunu görmek mümkündür. İncelenen parçacığın özgül yükü, manyetik alan indüksiyonuna ve elektrik alan kuvvetine (yani plakalar arasındaki potansiyel farkına) bağlıdır. Bir parçacığın özgül yükü, tüpteki artık gazın kimyasal özelliklerine, tüpün geometrik şekline, elektrotların yapıldığı malzemeye, katot ışınlarının hızına (Thomson deneylerinde) bağlı değildir. 1897'de bu hız 0,1'di İle, Nerede İle– ışığın boşluktaki hızı) ve diğer fiziksel parametrelere bağlı değildir. Katot ışınları, Crookes'un inandığı gibi katottan yayılan artık gaz iyonları değildir, ancak yine de parçacıklardır. Ve eğer spesifik yükleri sabitse, o zaman özdeş parçacıklardan bahsediyoruz. Thomson, bu parçacıkların kütlesini gram cinsinden ve yükünü SGSM cinsinden ifade ederek, o günlerde alışılmış olduğu gibi, parçacıkların özgül yükünün 1,7 x 10 7 birime eşit olduğunu elde etti. SGSM/g. Deneyinin yüksek doğruluğu, bir elektronun özgül yükünün modern değerinin (1,76 ± 0,002)10 7 birim olmasıyla kanıtlanmaktadır. SGSM/g.

Spesifik yükün elde edilen değerine dayanarak parçacıkların kütlesi tahmin edilmeye çalışılabilir. Deneyler gerçekleştirildiği zaman, hidrojen iyonunun özgül yükünün değeri zaten biliniyordu (104 SGSM birim/g). "Elektron" terimi de o dönemde mevcuttu; 1891'de İrlandalı fizikçi ve matematikçi George Stoney (1826–1911) tarafından elektroliz sırasında tek değerlikli bir iyonun elektrik yükünü belirtmek için kullanılmaya başlandı ve Thomson'ın araştırmasından sonra bu terim şu şekilde adlandırıldı: keşfettiği parçacıklara aktarıldı. Ve elektronun yükünün ve kütlesinin bir şekilde hidrojen iyonunun karşılık gelen değerleri ile ilişkili olduğunu varsayarsak, o zaman iki seçenek mümkündü:

A) elektronun kütlesi hidrojen iyonunun kütlesine eşitse, elektronun yükü hidrojen iyonunun yükünden 10 3 kat daha büyük olmalıdır. Ancak Alman fizikçi Philipp Lenard'ın araştırması böyle bir varsayımın gerçek dışı olduğunu gösterdi. Katot ışınları oluşturan parçacıkların havada ortalama serbest yolunun 0,5 cm olduğunu, hidrojen iyonu için ise 10 –5 cm'den az olduğunu buldu.Bu, yeni keşfedilen parçacıkların kütlesinin küçük olması gerektiği anlamına geliyor;

B) parçacığın yükü hidrojen iyonunun yüküne eşittir, ancak bu durumda bu parçacığın kütlesi hidrojen iyonunun kütlesinden 10 3 kat daha az olmalıdır. Thomson bu seçeneğe karar verdi.

Yine de elektronun yükünü veya kütlesini bir şekilde doğrudan ölçmek daha iyi olacaktır. Aşağıdaki durum sorunun çözülmesine yardımcı oldu. Aynı 1897'de, Thomson katot ışınlarının incelenmesi üzerine deneylerini gerçekleştirdiğinde öğrencisi Charles Wilson, su buharıyla aşırı doymuş havada her iyonun bir buhar yoğunlaşma merkezi haline geldiğini buldu: iyon, buhar damlacıklarını çeker ve oluşum Bir su damlacığı görünür hale gelinceye kadar büyür. (Daha sonra, 1911'de Wilson bu keşfi kullanarak ünlü cihazını - Wilson odasını yarattı). Thomson, öğrencisinin keşfinden bu şekilde yararlandı. İyonlaşmış bir gazın içinde aynı yüke sahip belirli sayıda iyon bulunduğunu ve bu iyonların bilinen bir hızla hareket ettiğini varsayalım. Gazın hızlı genleşmesi aşırı doygunluğa yol açar ve her iyon bir yoğunlaşma merkezi haline gelir. Akım gücü, iyon sayısı ile her iyonun yükü ve hızının çarpımına eşittir. Akımın gücü ölçülebilir, iyonların hareket hızı da ölçülebilir ve bir şekilde parçacıkların sayısını belirlerseniz bir parçacığın yükünü bulabilirsiniz. Bunu yapmak için öncelikle yoğunlaşan su buharının kütlesi, ikinci olarak da tek bir damlacığın kütlesi ölçüldü. İkincisi aşağıdaki gibi yerleştirildi. Damlacıkların havadaki düşüşü dikkate alındı. Stokes formülüne göre yerçekiminin etkisi altındaki bu düşüşün hızı eşittir:

– damlanın düştüğü ortamın viskozite katsayısı, yani hava. Bu hızı bilerek damlacığın yarıçapını bulabilirsiniz. R ve damlacığın küresel olduğu varsayılarak hacmi. Bu hacmi suyun yoğunluğuyla çarparak bir damlacığın kütlesini buluruz. Yoğunlaştırılmış sıvının toplam kütlesini bir damlacığın kütlesine bölerek, bir iyon yükünün bulunduğu gaz iyonlarının sayısına eşit olan sayılarını buluruz. Thomson, çok sayıda ölçümün ortalaması olarak istenen yük için 6,5±10-10 birimlik bir değer elde etti. SGSM, o zamanlar zaten bilinen hidrojen iyonunun yüküyle oldukça tatmin edici bir uyum içindeydi.

Yukarıda tartışılan yöntem 1899'da Wilson tarafından geliştirildi. Negatif yüklü damlacığın üzerinde, damlacığa etki eden yerçekimi kuvvetini çekiciliğiyle dengeleyen pozitif yüklü bir plaka vardı. Bu durumdan yoğunlaşma çekirdeğinin yükünü bulmak mümkün oldu. Konuyla ilgili bir soru şudur: Düşüşün yükü aslında elektronun yükü müdür? Bu, elektronun yüküne a priori eşit olması gerekmeyen iyonize moleküllerin yükü değil mi? Thomson, iyonize bir molekülün yükünün aslında bir elektronun yüküne eşit olduğunu, maddenin iyonizasyon yönteminden bağımsız olarak ortaya çıktığını ve elektroliz sırasında her zaman tek değerlikli bir iyonun yüküne eşit olduğunun ortaya çıktığını gösterdi. Bu yükün değerini elektronun spesifik yükünün ifadesine koyarak ikincisinin kütlesini bulabiliriz. Bu kütlenin hidrojen iyonunun kütlesinden yaklaşık 1800 kat daha az olduğu ortaya çıkıyor. Şu anda, aşağıdaki temel sabit değerleri kabul edilmektedir: elektron yükü 1.601 · 10 –19 C; Elektronun kütlesi 9,08 × 10 –28 g'dır ve bu, bir hidrojen atomunun kütlesinden yaklaşık 1840 kat daha azdır.

Thomson'ın katot ışınlarının özellikleri ve doğası üzerine yaptığı araştırmayla bağlantılı olarak, onun fotoelektrik etkinin doğasına ilişkin çalışmalara yaptığı katkıdan da bahsetmek isterim. O zamanlar, bu fenomenin mekanizmasında netlik yoktu - ne A.G. Stoletov'un (Mayıs 1896'da, yani elektronun keşfinden önce ölen) çalışmalarında ya da Avrupalı ​​​​fizikçilerin - İtalyan A. Riga, Alman V. Galvax ve 1894'te ölen G. Hertz'in çalışmalarında daha da fazlası. 1899'da Thomson, katot ışınlarının özelliklerini inceleme yöntemine benzer deneysel bir yöntem kullanarak fotoelektrik etkiyi inceliyor, aşağıdakileri belirledi. Fotoelektrik etki sırasında ortaya çıkan elektrik akımının negatif yüklü parçacıkların akışı olduğunu varsayarsak, bu akımı oluşturan parçacığın hareketini, elektrik ve manyetik alanlarla aynı anda etki ederek teorik olarak hesaplayabiliriz. Thomson'ın deneyleri, katot ultraviyole ışınlarla aydınlatıldığında zıt yüklü iki plaka arasındaki akımın, negatif yüklü parçacıkların akışı olduğunu doğruladı. Thomson'ın daha önce iyonların yükünü ölçtüğü yöntemin aynısı kullanılarak gerçekleştirilen bu parçacıkların yük ölçümleri, büyüklük sırasına göre katot ışınlarını oluşturan parçacıkların yük değerine yakın bir ortalama yük değeri verdi. Buradan Thomson, her iki durumda da aynı doğadaki parçacıklardan bahsetmemiz gerektiği sonucuna vardı; elektronlar hakkında.

Thomson'un atomu. Açık elektronları maddenin yapısıyla "bağlama" sorunu, Thomson tarafından elektronların spesifik yükünü belirlemeye yönelik çalışmasında ortaya atılmıştı. Thomson tarafından önerilen ilk atom modeli, A. Mayer'in (ABD) 70'lerin sonlarında gerçekleştirilen yüzen mıknatıslarla yapılan deneylerine dayanıyordu. XIX yüzyıl Bu deneyler aşağıdakilerden oluşuyordu. Su dolu bir kapta, içine mıknatıslanmış iğnelerin yerleştirildiği, onlardan hafifçe çıkıntı yapan yüzen mantarlar vardı. İğnelerin görünür uçlarının polaritesi tüm durdurucularda aynıydı. Bu tıkaçların üzerinde, yaklaşık 60 cm yükseklikte, zıt kutuplu silindirik bir mıknatıs yerleştirildi ve iğneler mıknatısa çekilirken aynı anda birbirlerini itti. Sonuç olarak, bu tıkaçlar kendiliğinden çeşitli denge geometrik konfigürasyonlarını oluşturdu. 3 veya 4 trafik sıkışıklığı varsa, bunlar normal bir çokgenin köşelerinde bulunuyordu. Bunlardan 6 tanesi varsa, çokgenin köşelerinde 5 fiş yüzüyordu ve altıncısı merkezdeydi. Örneğin 29 olsaydı, o zaman bir fiş yine şeklin ortasındaydı ve geri kalanı onun etrafına halkalar halinde yerleştirilmişti: 6, bir sonraki merkeze en yakın halkada, sırasıyla 10 ve 12 yüzüyordu. halkalar merkezden uzaklaştıkça Thomson, mekanik tasarımı atomun yapısına aktardı ve bunda D.I. Mendeleev'in Periyodik Tablosunda bulunan desenleri açıklama olasılığını gördü (elektronların katman katman dağılımı anlamına geliyor) atom). Ancak bu durumda atomdaki belirli elektron sayısı sorunu açık kaldı. Ve örneğin birkaç yüz elektronun olduğunu varsayarsak (özellikle bir elektronun kütlesinin bir hidrojen iyonunun kütlesiyle karşılaştırıldığında ihmal edilebilir olduğu gerçeğini hesaba katarsak), o zaman böyle bir yapıdaki elektronların davranışını incelemek pratik olarak imkansızdır. Bu nedenle, 1899'da Thomson, nötr atomun çok sayıda elektron içerdiğini ve bunun negatif yükünün "elektronların dağıldığı uzayı sanki oradaymış gibi hareket etme yeteneğine sahip kılan bir şey" ile telafi edildiğini öne sürerek modelini değiştirdi. elektronların negatif yüklerinin toplamına eşit pozitif bir elektrik yükü."

Birkaç yıl sonra dergide " Felsefe Dergisi" (No. 2, 1902), bir elektronun bir atomla etkileşimini ele alan başka bir Thomson'un - Lord Kelvin olarak bilinen William - çalışması ortaya çıktı. Kelvin, dıştaki bir elektronun, elektronun merkezinden atomun merkezine olan mesafenin karesiyle ters orantılı bir kuvvetle bir atoma çekildiğini savundu; Bir atomun parçası olan bir elektron, elektronun merkezinden atomun merkezine olan mesafeyle doğru orantılı bir kuvvetle ikincisine çekilir. Bu, özellikle Kelvin'in elektronları yalnızca bağımsız parçacıklar olarak değil, aynı zamanda atomun ayrılmaz bir parçası olarak gördüğünü gösterir. Bu sonuç “sıradan bir madde atomunun kapladığı uzayda pozitif elektriğin düzgün bir şekilde dağıldığı varsayımına eşdeğerdir. Bundan, iki tür elektriğin olduğu sonucu çıktı: "sıvılar" ve özellikle eter genellikle hayal edildiğinden, sürekli bir bulut biçiminde negatif, tanecikli ve pozitif." Genel olarak Kelvin'e göre bir atomun pozitif elektrik yükünün düzgün bir küresel dağılımına ve belirli sayıda elektrona sahip olduğunu söyleyebiliriz. Tek elektronlu bir atomdan bahsediyorsak, elektronun atomun merkezinde pozitif yük bulutu ile çevrelenmiş olması gerekir. Bir atomda iki veya daha fazla elektron varsa, o zaman böyle bir atomun kararlılığı sorusu ortaya çıkar. Kelvin, elektronların atomun merkezi etrafında dönüyor gibi göründüğünü, atomun sınırıyla eş merkezli küresel yüzeylerde bulunduğunu ve bu yüzeylerin de atomun içinde bulunduğunu öne sürdü. Ancak bu durumda sorunlar ortaya çıkar: Yüklü bir parçacık hareket ettiğinde, bir manyetik alan ortaya çıkmalı ve ivmeyle hareket ettiğinde (ve dönen bir elektron kaçınılmaz olarak merkezcil ivmeye sahiptir), elektromanyetik radyasyon meydana gelmelidir. Thomson bu konuları inceledi ve yaklaşık on beş yıl boyunca Kelvin'in fikirlerinin destekçisi olarak kaldı.

Daha 1903'te Thomson, dönen elektronların eliptik olarak polarize ışık dalgaları üretmesi gerektiğini tespit etti. Dönen yüklerin manyetik alanına gelince, teorinin gösterdiği gibi, elektronlar yükten dönme merkezine olan mesafeyle orantılı bir kuvvetin etkisi altında döndüğünde, maddenin manyetik özellikleri ancak şu koşul altında açıklanabilir: enerji dağılımı. Böyle bir saçılmanın gerçekten var olup olmadığı sorusuna Thomson net bir cevap vermedi (görünüşe göre böyle bir saçılmanın varlığının atomun yapısının kararlılığı sorununu gündeme getireceğini fark etmişti).

1904 yılında Thomson atom yapısının mekanik kararlılığı sorununu ele aldı. Her ne kadar bu yaklaşım artık bir anakronizm olarak algılansa da (atomu oluşturan parçacıkların davranışı, o zamanlar hakkında kesinlikle hiçbir şey bilinmeyen klasik mekanikten ziyade kuantum mekaniği açısından değerlendirilmelidir), şu şekilde elde edilen sonuçlar: Thomson'ın hâlâ durmaya niyeti var.

İlk olarak Thomson, bir atomdaki elektronların hızlı bir şekilde dönmesi gerektiğini ve bu dönme hızının belirli bir sınırın altında olamayacağını tespit etti. İkincisi, eğer bir atomdaki elektron sayısı sekizden fazla ise, o zaman elektronlar birkaç halka halinde düzenlenmeli ve halkanın yarıçapı arttıkça her halkadaki elektron sayısı da artmalıdır. Üçüncüsü, radyoaktif atomlar için, radyoaktif radyasyon nedeniyle elektronların hızının giderek azalması ve belirli bir azalma sınırında yeni bir atom yapısının oluşmasına yol açacak “patlamaların” meydana gelmesi gerekir.

Rutherford'un 1910'da ortaya çıkan ve daha sonra N. Bohr tarafından kuantum perspektifinden geliştirilen gezegen modeli günümüzde genel kabul görmektedir. Bununla birlikte, Thomson'ın modeli şunları ortaya koyması açısından değerlidir: 1) elektronların sayısı ve dağılımını atomun kütlesine bağlama sorunu; 2) toplam negatif elektronik yükü telafi eden, atomdaki pozitif yükün doğası ve dağılımı ile ilgili sorunlar; 3) atomik kütle dağılımı sorunları. Bu problemler yirminci yüzyılda fiziğin daha sonraki gelişimi sırasında çözüldü ve bunların çözümü sonuçta atomun yapısı hakkında modern fikirlerin ortaya çıkmasına yol açtı.

İzotopların varlığının deneysel kanıtı. Aynı kimyasal elementin atomlarının farklı atom kütlelerine sahip olabileceği fikri, Thomson'un "izotop problemini" incelemeye başlamasından çok önce ortaya çıktı. Bu fikir 19. yüzyılda ortaya çıktı. organik kimyanın kurucusu A.M. Butlerov (1882) ve bir süre sonra W. Crooks (1886) tarafından ifade edildi. İlk radyoaktif izotoplar 1906'da Amerikalı kimyager ve aynı zamanda fizikçi B. Boltwood (1870–1927) tarafından elde edildi - farklı yarı ömürlere sahip iki toryum izotopu. "İzotop" terimi bir süre sonra F. Soddy (1877–1956) tarafından radyoaktif bozunma için yer değiştirme kurallarını formüle ettikten sonra tanıtıldı. Thomson'a gelince, 1912'de sözde özellikleri ve özelliklerini deneysel olarak inceledi. kanal ışınları ve ne olduğu hakkında birkaç söz söylenmelidir.

Bir elektrik alanının etkisi altında seyreltilmiş bir gaz içinde hareket eden pozitif iyonların akışından bahsediyoruz. Elektronlar, ışıma deşarjı ve katot potansiyeli düşüşü bölgesindeki katotta gaz molekülleriyle çarpıştığında, moleküller elektronlara ve pozitif iyonlara bölünür. Elektrik alanıyla hızlanan bu iyonlar yüksek hızla katoda gelir. Katotta iyon hareketi yönünde delikler varsa veya katodun kendisi bir ızgara şeklindeyse, bu kanallardan geçen iyonların bir kısmı katot sonrası boşluğa düşecektir. Bu tür iyonların davranışlarını incelemeye 80'li yıllarda başladı. XIX yüzyıl daha önce bahsedilen E. Goldstein. Thomson, 1912'de, daha önce bahsedilen tekniği (Thomson'ın "parabol yöntemi" anlamına gelir) kullanarak eşzamanlı elektrik ve manyetik alanların kanal ışınları (özellikle neon iyonları için) üzerindeki etkisini inceledi. Deneylerindeki neon iyonları ışını iki parabolik akıma bölündü: biri atom kütlesi 20'ye karşılık gelen parlak olan, diğeri ise atom kütlesi 22'ye karşılık gelen daha zayıf olan. Buradan Thomson, Dünya'nın atmosferinde bulunan neonun iki farklı gazın karışımı. F. Soddy, Thomson'ın araştırmasının sonuçlarını şu şekilde değerlendirdi: “Bu keşif, Periyodik Tablonun bir ucunda bulunanın, sistemin diğer ucundaki bir elemente en beklenmedik şekilde uygulanmasını temsil ediyor; genel olarak maddenin yapısının yalnızca periyodik yasada yansıtılandan çok daha karmaşık olduğu varsayımını doğruluyor." Sonuç yalnızca atom fiziği için değil, aynı zamanda deneysel fiziğin daha sonraki gelişimi için de büyük önem taşıyordu çünkü çeşitli izotopların kütlelerinin ölçülmesine yönelik yöntemleri gösteriyordu.

1919'da Thomson'ın öğrencisi ve asistanı Francis William Aston (1877–1945), klor ve cıvadaki izotopların varlığını deneysel olarak kanıtladığı ilk kütle spektrografını yaptı. Kütle spektrografı, elektrik ve manyetik olmak üzere iki alanın etkisi altında yüklü parçacıkları saptıran Thomson yöntemini tam olarak kullanıyor, ancak Aston'un cihazı, farklı atom kütlelerine sahip iyonların ayrı akışlarının fotoğrafını ve buna ek olarak yüklü bir parçacığın elektrikteki sapmasını kullandı. ve manyetik alanlar aynı düzlemde, ancak zıt yönlerde kullanıldı. Kütle spektrografının fiziği esas olarak aşağıdaki gibidir. “İncelenen maddenin iyonları önce elektrik, sonra manyetik alandan geçerek fotoğraf plakasının üzerine düşüyor ve üzerinde iz bırakıyor. İyon reddi orana bağlıdır e/M, tüm iyonlar için aynıdır (veya daha doğrusu, hayır/MÇünkü bir iyon birden fazla temel yük taşıyabilir). Bu nedenle, aynı kütleye sahip tüm iyonlar fotoğraf plakası üzerinde aynı noktada yoğunlaşır ve farklı kütleye sahip iyonlar diğer noktalarda yoğunlaşır, böylece iyonun plakaya çarptığı noktaya göre kütlesi belirlenebilir. ”

Sonuç olarak Thomson'un yarattığı bilim okulu hakkında birkaç söz. Öğrencileri, P. Langevin, E. Rutherford, F. Aston, Charles Wilson gibi yirminci yüzyılın önde gelen fizikçileridir. Son üçü, Thomson'un kendisi gibi, farklı yıllarda fizik alanında Nobel Ödülü'ne layık görüldü. Oğlundan özellikle bahsedelim. Peder Thomson, elektronun varlığı gerçeğini deneysel olarak kanıtladı ve oğlu George Paget Thomson, elektronların dalga doğasının deneysel kanıtı nedeniyle 1937'de Nobel Ödülü'ne layık görüldü (1927; aynı yıl, Thomson Jr.'dan bağımsız olarak). ., benzer araştırma K. Davisson tarafından işbirlikçisi L. Germer ile birlikte yürütüldü (her ikisi de ABD'den fizikçilerdi; Davisson ayrıca Nobel Ödülü'ne layık görüldü). Erwin Schrödinger 1928'de bu çalışmaları şöyle değerlendirdi: "Bazı araştırmacılar (Davisson, Germer ve genç J.P. Thomson), birkaç yıl önce durumlarını izlemek için bir psikiyatri hastanesine yerleştirilecekleri bir deney yapmaya başladılar. akıl . Ama tamamen başarılı oldular."

İzotopların varlığının deneysel kanıtlarıyla işaretlenen 1912'den sonra Thomson yirmi sekiz yıl daha yaşadı. 1918'de Cavendish Laboratuvarı'nın direktörlüğü görevinden ayrıldı (yerini Rutherford aldı) ve ardından günlerinin sonuna kadar bilime giden yolunun başladığı Trinity Koleji'ne başkanlık etti. Joseph John Thomson, 30 Ağustos 1940'ta 84 yaşında öldü ve West Minster Abbey'e gömüldü - aynı yer, Isaac Newton, Ernest Rutherford ve İngiliz edebiyatının figürleri arasında Charles Dickens'ın ebedi istirahatlerini bulduğu yer.

Edebiyat

1. Bilimin hayatı. Ed. Kapitsa S.P. – M.: Nauka, 1973.

2. Kapitsa P.L. Deney. Teori. Pratik. – M.: Nauka, 1981.

3. Dorfman Ya.G. 19. yüzyılın başından 20. yüzyılın ortalarına kadar dünya fizik tarihi. – M.: Nauka, 1979.

4. Liozzi M. Fizik tarihi. – M.: Mir, 1970.

1.1 Elektronun ve radyoaktivitenin keşfi.

Atomun karmaşık yapısı hakkında fikirlerin doğuşu

Elektrik akımının ayrık doğası, Faraday'ın elektroliz konusundaki çalışmasına da yansıyor; aynı akım, hangi maddenin çözündüğüne bağlı olarak elektrotlar üzerinde farklı miktarlarda maddenin salınmasına yol açıyor. Bir mol tek değerlik madde salındığında, elektrolitten 96.500 C'lik bir yük geçer ve iki değerlikli bir madde ile yük iki katına çıkar. 19. yüzyılın sonlarında tanımlandıktan sonra. Avogadro sayısı, temel elektrik yükünün büyüklüğünü tahmin etmeyi mümkün kıldı. 6,02 10 23 atom 96.500 C'lik bir yük aktardığına göre, bir tanesinin payı 1,2-10 -19 C'dir. Dolayısıyla bu, elektriğin en küçük kısmı veya bir “elektrik atomu”dur. Georg Stoney bu "elektrik atomuna" elektron adını vermeyi önerdi.

Gazlardaki akımlarla çalışmak, seyrekleştirilmiş bir gaz ortamı elde etmenin zorlukları nedeniyle karmaşıktır. Alman cam üfleyici G. Geisler, içinden elektrik akımı geçtiğinde parlayan seyreltilmiş gazla eğlence amaçlı tüpler yaptı. Bunlarda V. Gitthoff, katottan gelen ve tüp duvarlarının floresansına neden olan radyasyonu keşfetti. katot ışınları.İngiliz fizikçi W. Crookes'un tespit ettiği gibi, bu ışınlar düz bir çizgide yayılıyor, manyetik alan tarafından saptırılıyor ve mekanik etki yapıyordu.

Fransız fizikçi J. Perrin, tüpün içine, katodun karşısında delik bulunan metal bir silindiri katodun önüne yerleştirdi ve silindirin negatif yüklü olduğunu keşfetti. Işınlar manyetik alan tarafından saptırılıp silindire girmediğinde yüksüz olduğu ortaya çıktı. İki yıl sonra J. Thomson, silindiri katodun önüne değil yanına yerleştirdi: getirilen bir mıknatıs, katot ışınlarını silindire girecek ve onu negatif olarak yükleyecek şekilde büktü, ancak cam üzerindeki floresan nokta kaydı. Bu, ışınların negatif yüklü parçacıklar olduğu anlamına gelir. Böyle bir ölçüm cihazına yüksek vakumlu katot ışın tüpü denir. Kapasitör bölgesinde açılan manyetik alanın neden olduğu Lorentz kuvvetinin etkisi altında, ışının ekran üzerindeki ışıklı izi kayar. Böylece 1895'te yeni bir bilim doğdu - elektronik.

Elektrik ve manyetik alanlarla aynı anda hareket eden ve büyüklüklerini değiştiren Thomson, bunları telafi edilecek, katot ışınlarının sapmayacak ve cam üzerindeki noktanın hareket etmeyecek şekilde seçti. Elektrik yükünün parçacık kütlesine oranını elde etti e/t = 1.3 10-7 C/g. Thomson'dan bağımsız olarak bu değer V. Kaufman tarafından katot ışınları için ölçülmüş ve benzer bir değer elde edilmiştir. Thomson bu parçacığa isim verdi parçacık, ve bir elektron yalnızca onun yüküdür, ancak daha sonra katot ışınlarının parçacığına elektron adı verildi (Yunancadan. elektron - kehribar).

Elektronun keşfi ve benzersiz özelliklerinin araştırılması, atomun yapısına yönelik araştırmaları teşvik etti. Enerjinin madde tarafından emilmesi ve yayılması süreçleri netleşti; kimyasal elementlerin benzerlikleri ve farklılıkları, kimyasal aktiviteleri ve inertlikleri; D.I. Mendeleev'in Kimyasal Elementlerin Periyodik Tablosunun iç anlamı, kimyasal bağların doğası ve kimyasal reaksiyonların mekanizmaları; Elektronların hareketinin belirleyici bir rol oynadığı tamamen yeni cihazlar ortaya çıktı. Maddenin doğasına ilişkin görüşler değişti. Elektronun keşfi (1897) atom fiziği çağını başlattı.

J. Thomson, elektronların madde yoluyla aktarımıyla ilgili çok sayıda deneyden, bir atomdaki elektron sayısının atom kütlesinin boyutuyla ilişkili olduğu sonucuna vardı. Ancak normal durumda atomun elektriksel olarak nötr olması gerekir ve bu nedenle her atomda farklı işaretlerdeki yüklerin sayısı eşittir. Bir elektronun kütlesi hidrojen atomunun kütlesinin yaklaşık 1/2000'i olduğundan, pozitif yükün kütlesi elektronun kütlesinin 2000 katı olmalıdır. Örneğin hidrojenin kütlesinin neredeyse tamamı pozitif yük ile ilişkilidir. Elektronun keşfiyle birlikte hemen yeni sorunlar ortaya çıktı. Bir atom nötrdür, bu da içinde pozitif yüklü başka parçacıkların olması gerektiği anlamına gelir. Henüz açılmadılar.

Fransız fizikçi A. Becquerel, lüminesans üzerine çalışırken radyoaktivite olgusunu keşfetti (1896). Tüpün duvarlarındaki katot ışınlarından gelen floresans ile tüpün bu kısmından yayılan X ışınları arasındaki ilişkiyle ilgilendi. Çeşitli maddeleri ışınlayarak, güneş ışığıyla ışınlanan fosforesan cisimlerden x-ışınları yayılıp yayılmayacağını bulmaya çalıştı. Kısa süre sonra Curie'ler konuyu ele aldılar ve Marie Curie'nin doğum yeri olan Polonya'nın onuruna polonyum adını verdikleri daha aktif bir element keşfettiler. Etkinin büyüklüğünü ölçen Sklodowska-Curie yeni bir element olan radyumu keşfetti ve radyasyon etkisinin kendisini adlandırdı. radyoaktivite(lat. radyo- Işınlar yayıyorum). Radyumun radyasyon yoğunluğu uranyumunkinden yüzbinlerce kat daha fazladır. Daha sonra üçüncü radyoaktif element keşfedildi - aktinyum. Ve radyoaktivite araştırmalarında belli bir "patlama" yaşandı.

1899'un sonunda, J. Thomson'ın işbirlikçisi E. Rutherford şu sonuca varmıştır: “... deneyler, uranyum radyasyonunun karmaşık olduğunu ve en az iki farklı türden oluştuğunu göstermektedir: biri, hızla emilir, buna a-radyasyon diyelim; bir başkası, daha etkileyici olanı, buna diyelim

Artık atomun bölünemez olduğu düşünülmüyordu. Hidrojen atomlarından gelen tüm atomların yapısı fikri, 1815 yılında İngiliz doktor W. Prout tarafından ifade edildi. Atomların bölünmezliğine ilişkin şüpheler, spektral analizin ve Kimyasal Elementlerin Periyodik Tablosunun keşfedilmesine yol açtı. Atomun kendisinin, karakteristik spektrumlardan sorumlu olan bileşen parçalarının iç hareketleriyle karmaşık bir yapı olduğu ortaya çıktı. Yapısının modelleri ortaya çıkmaya başladı.

Bir atom modeli - pozitif yük, pozitif yüklü oldukça geniş bir bölgeye (muhtemelen küresel şekilli) dağıtılır ve elektronlar, "pudingdeki kuru üzümler" gibi buraya serpiştirilir - 1902'de Kelvin tarafından önerildi. J. Thomson fikrini geliştirdi: Bir atom, içinde titreşim halinde olan elektronların dağıtıldığı, pozitif yüklü maddeden oluşan bir damla pudingdir. Bu titreşimler nedeniyle atomlar elektromanyetik enerji yayarlar; Bu şekilde ışığın dağılımını açıklayabildi ancak birçok soru ortaya çıktı. Kimyasal elementlerin Periyodik Tablosunu açıklamak için, elektronların farklı konfigürasyonlarını inceledi; kararlı konfigürasyonların soy gazlar gibi aktif olmayan elementlerin yapısına, kararsız konfigürasyonların ise daha aktif olanlara karşılık geldiğini öne sürdü. Thomson, atomların yaydığı ışığın dalga boylarına dayanarak böyle bir atomun kapladığı alanın yaklaşık 10-10 m olduğunu tahmin etti ve radyasyonun özelliklerini Maxwell teorisine göre hesaplayarak birçok varsayımda bulundu. Atomun içinde yalnızca elektromanyetik kuvvetlerin etki ettiğine inanıyordu. 1903'te Thomson, elektronların hareket ederken eliptik dalgalar yayması gerektiğini, 1904'te ise elektron sayısı 8'den fazla olduğunda halkalar halinde düzenlenmesi gerektiğini ve halkanın yarıçapı azaldıkça her halkadaki sayısının azalması gerektiğini elde etti. Elektron sayısı radyoaktif atomların kararlı kalmasına izin vermez, alfa parçacıkları yayarlar ve yeni bir atom yapısı oluşur. Thomson'un öğrencilerinden E. Rutherford'un deneyi, atomun yapısının nükleer modelinin ortaya çıkmasına yol açtı.

19. yüzyılın sonlarında keşifler. - X-ışınları (1895), doğal radyoaktivite (Becquerel, 1896), elektron (J. Thomson, 1897), radyum (Pierre ve Marie Curie, 1898), radyasyonun kuantum doğası (Planck, 1900) bir devrimin başlangıcıydı. bilimde devrim.

1.2 Atomun yapısının gezegen modeli. Modern bilim ve Bohr'un önermeleri

Atomun yapısının gezegen modeli ilk olarak J. Perrin tarafından, gözlemlenen özellikleri elektronların yörünge hareketi ile açıklamaya çalışarak önerildi. Ancak V. Vin bunun savunulamaz olduğunu düşünüyordu. Birincisi, klasik elektrodinamiğe göre bir elektron döndüğünde, sürekli olarak enerji yayması ve sonunda çekirdeğe düşmesi gerekir. İkincisi, sürekli enerji kaybı nedeniyle, bir atomun radyasyonunun sürekli bir spektruma sahip olması gerekir, ancak bir çizgi spektrumu gözlenir.

α parçacıklarının ince altın ve diğer metal plakalardan geçişine ilişkin deneyler E. Rutherford'un çalışanları E. Marsden ve H. Geiger (1908) tarafından gerçekleştirildi. Neredeyse tüm parçacıkların plakadan serbestçe geçtiğini ve bunların yalnızca 1/10.000'inin 150°'ye kadar güçlü bir sapmaya maruz kaldığını buldular. Thomson'ın modeli bunu açıklayamadı, ancak eski asistanı Rutherford sapmaların oranını tahmin etti ve gezegen modeline geldi: pozitif yük, önemli bir kütle ile 10 - 15 düzeyinde bir hacimde yoğunlaştı.

Bir atomdaki elektronların yörüngelerinin sabitleneceğini göz önünde bulunduran Thomson, 1913'te atomun yapısına ilişkin gezegensel bir modele de ulaştı. Ancak böyle bir atomun kararlılığı sorununu Coulomb yasasını kullanarak çözerek yalnızca bir elektron için kararlı bir yörünge buldu. Ne Thomson ne de Rutherford radyoaktif bozunma sırasında alfa parçacıklarının emisyonunu açıklayamadı - atomun merkezinde elektronların olması gerektiği mi ortaya çıktı?! Asistanı G. Moseley, Periyodik Tablodaki bazı atomların spektral çizgilerinin frekansını ölçtü ve “bir atomun, atomdan atoma hareket ederken düzenli olarak artan belirli bir karakteristik değere sahip olduğunu” buldu. Bu miktar, iç çekirdeğin yükünden başka bir şey olamaz.”

Gezegen modeline dayalı bir atom yapısı teorisinin inşası birçok çelişkiyle karşılaştı.

İlk başta Danimarkalı fizikçi N. Bohr, yüklü parçacıkların madde içinde hareket ederken yavaşlaması sorununa klasik mekaniği ve elektrodinamiği uygulamaya çalıştı, ancak elektron enerjisinin belirli bir değeri için isteğe bağlı yörünge parametreleri (veya frekanslar) atamak mümkün hale geldi. ) buna paradokslara yol açtı.

Bohr, atomun yapısı teorisi ile spektrumların kökeni sorunu üzerinde hemfikirdi. Rutherford'un modelini, atomun kararlılığını ve radyasyonunun çizgi spektrumunu sağlayan varsayımlarla tamamladı. Bohr, klasik mekaniğin fikirlerini terk etti ve Planck'ın kuantum hipotezine döndü: Halkadaki kinetik enerji ile devrim periyodu arasındaki belirli bir ilişki, bu ilişkinin aktarımıdır. e= hv , Periyodik hareket yapan bir sistem için osilatörün enerjisi ve frekansı arasındaki ilişkiyi ifade eder. Balmer, Rydberg ve Ritz'in spektral formülleri, atomun stabilitesini ve hidrojen atomunun spektrumunun çizgi yapısını sağlamak için gereklilikleri formüle etmeyi mümkün kıldı: atomda birkaç sabit durum (veya gezegendeki elektron yörüngeleri) vardır. atomun enerji yaymadığı model; Bir elektron sabit bir yörüngeden diğerine hareket ettiğinde, atom, Rydberg-Ritz frekans kuralına uygun olarak, frekansla orantılı olarak enerjinin bir kısmını yayar veya soğurur.

Elektron, hem elektrik hem de manyetik alanlara yanıt veren atom altı bir parçacıktır.

19. yüzyılın ikinci yarısı boyunca fizikçiler katot ışınları olgusunu aktif olarak incelediler. . Gözlemlendikleri en basit aparat, içine her iki taraftan bir elektrotun lehimlendiği, seyreltilmiş gazla doldurulmuş, kapalı bir cam tüptü: bir tarafta. katot, elektrik pilinin negatif kutbuna bağlı; diğeriyle birlikte - anot, pozitif kutba bağlanır. Katot-anot çiftine yüksek voltaj uygulandığında, tüpteki seyreltilmiş gaz parlamaya başladı ve düşük voltajlarda parlama yalnızca katot bölgesinde ve artan voltajla tüm tüpün içinde gözlendi; ancak belirli bir andan itibaren gaz tüpten dışarı pompalandığında, katot bölgesindeki parıltı anoda yakın kalarak kayboluyordu. Bilim insanları bu parıltıyı katot ışınları.

1880'lerin sonuna gelindiğinde katot ışınlarının doğası hakkındaki tartışma keskin bir polemik niteliği kazandı. Alman okulunun önde gelen bilim adamlarının ezici çoğunluğu, katot ışınlarının, ışık gibi, görünmez eterin dalga bozuklukları olduğu görüşündeydi. İngiltere'de katot ışınlarının iyonize moleküllerden veya gazın kendi atomlarından oluştuğu görüşündeydiler. Her iki tarafın da hipotezini destekleyecek güçlü kanıtları vardı. Moleküler hipotezin savunucuları, katot ışınlarının manyetik alanın etkisi altında saptırıldığına, ışık ışınlarının ise manyetik alandan etkilenmediğine haklı olarak dikkat çekti. Bu nedenle yüklü parçacıklardan oluşurlar. Öte yandan, tanecikli hipotezin destekçileri bir dizi olguyu, özellikle de 1892'de keşfedilen ince alüminyum folyodan katot ışınlarının neredeyse engelsiz geçişinin etkisini açıklayamadı.

Nihayet 1897 yılında genç İngiliz fizikçi J. J. Thomson bu tartışmalara kesin olarak son verdi ve aynı zamanda elektronun kaşifi olarak yüzyıllar boyunca ünlendi. Thomson deneyinde, tasarımı tüpün içinde bir manyetik alan oluşturan (Amper yasasına göre) elektrik bobinleri ve içinde bir elektrik alanı oluşturan bir dizi paralel elektrik kapasitör plakasıyla desteklenen geliştirilmiş bir katot ışın tüpü kullandı. tüp. Bu sayede katot ışınlarının hem manyetik hem de elektrik alanların etkisi altındaki davranışını incelemek mümkün hale geldi.

Thomson, yeni bir tüp tasarımı kullanarak sırasıyla şunları gösterdi: (1) katot ışınları, elektrik alanın olmadığı bir manyetik alanda saptırılıyor; (2) katot ışınları, manyetik alanın olmadığı bir elektrik alanında saptırılır; ve (3) ayrı ayrı zıt yönlerde sapmalara neden olan yönlere yönlendirilmiş, dengeli yoğunluktaki elektrik ve manyetik alanların eşzamanlı etkisi altında, katot ışınları doğrusal olarak yayılır, yani iki alanın etkisi karşılıklı olarak dengelenir.

Thomson, etkilerinin dengelendiği elektrik ve manyetik alanlar arasındaki ilişkinin, parçacıkların hareket hızına bağlı olduğunu buldu. Bir dizi ölçüm yaptıktan sonra Thomson, katot ışınlarının hareket hızını belirlemeyi başardı. Işık hızından çok daha yavaş hareket ettikleri ortaya çıktı; bu, ışığın kendisi de dahil olmak üzere herhangi bir elektromanyetik radyasyonun ışık hızında hareket etmesi nedeniyle katot ışınlarının yalnızca parçacık olabileceği anlamına geliyordu ( santimetre. Elektromanyetik radyasyon spektrumu). Bu bilinmeyen parçacıklar. Thomson onlara "zerrecikler" adını verdi ama kısa sürede "elektronlar" olarak anılmaya başlandılar.

Elektronların atomların bir parçası olarak var olması gerektiği hemen anlaşıldı - aksi takdirde nereden gelebilirlerdi? 30 Nisan 1897 - Thomson'ın Londra Kraliyet Cemiyeti toplantısında elde ettiği sonuçları rapor ettiği tarih - elektronun doğum günü olarak kabul edilir. Ve bu günde atomların “bölünmezliği” fikri geçmişte kaldı ( santimetre. Maddenin yapısının atom teorisi). On yıldan biraz daha uzun bir süre sonra atom çekirdeğinin keşfiyle birlikte ( santimetre. Rutherford'un elektronu keşfi, modern atom modelinin temelini attı.

Yukarıda açıklanan "katot" tüpleri veya daha kesin olarak katot ışın tüpleri, sıcak bir katodun yüzeyinden sıkı bir şekilde kontrol edilen miktarlarda elektronun etki altında dışarı atıldığı modern televizyon resim tüpleri ve bilgisayar monitörlerinin en basit öncüleri haline geldi. Alternatif manyetik alanların etkisiyle kesin olarak belirlenmiş açılarda saptırılırlar ve ekranların fosforlu hücrelerini bombalayarak üzerlerinde net bir görüntü oluştururlar, fotoelektrik etkinin bir sonucu olarak, katodun gerçek doğası hakkındaki bilgimiz olmadan keşfi de imkansız olacaktır. ışınlar.

Keşif için önkoşullar, hipotezler

Thomson'ın deneyimi, elektrik alanı oluşturan paralel metal plakalardan oluşan bir sistemden ve manyetik alan oluşturan bobin sistemlerinden geçen katot ışınlarının ışınlarını incelemekti. Her iki alan ayrı ayrı uygulandığında kirişlerin saptığı ve aralarında belirli bir oranda kirişlerin düz yörüngelerini değiştirmediği keşfedildi. Bu alan oranı parçacık hızına bağlıydı. Bir dizi ölçüm yaptıktan sonra Thomson, parçacıkların hareket hızının ışık hızından çok daha düşük olduğunu keşfetti; böylece parçacıkların kütleye sahip olması gerektiği gösterildi. Ayrıca, bu parçacıkların atomlarda varlığı ve daha sonra Rutherford'un deneylerinde geliştirilen bir atom modeli hakkında hipotezler öne sürüldü.

Notlar

Kaynaklar

Wikimedia Vakfı. 2010.

Diğer sözlüklerde “Elektronun keşfi”nin ne olduğuna bakın:

Atomun iç yapısını inceleyen fizik dalı. Başlangıçta bölünemez olduğu düşünülen atomlar karmaşık sistemlerdir. Proton ve nötronlardan oluşan devasa bir çekirdeğe sahipler ve çevresinde boş uzayda hareket ediyorlar... ... Collier Ansiklopedisi

Bu terimin başka anlamları da vardır, bkz. Elektron (anlamlar). Elektron Sembol Kütlesi 9,10938291(40) 10−31 kg, 0,510998928(11) MeV ... Wikipedia

- (Latince materyalis malzemesinden), çoğunlukla aşağıdaki anlamlardan biri veya birkaçı verilen çok anlamlı bir fikir. 1. Varlık veya gerçekliğe ilişkin açıklama: Yalnızca madde vardır veya gerçektir; mesele... Felsefi Ansiklopedi

Bilim tarihi ... Vikipedi

Dünya hakkında nesnel, sistematik olarak organize edilmiş ve doğrulanmış bilgi geliştirmeyi amaçlayan özel bir bilişsel aktivite türü. Diğer bilişsel aktivite türleri ile etkileşime girer: günlük, sanatsal, dini, mitolojik... Felsefi Ansiklopedi

Elektron Sembol Kütlesi 9,10938215(45)×10−31kg, 0,510998910(13) MeV/c2 Antipartikül pozitron Sınıfları fermiyon, lepton ... Wikipedia

Elektron Sembol Kütlesi 9,10938215(45)×10−31kg, 0,510998910(13) MeV/c2 Antipartikül pozitron Sınıfları fermiyon, lepton ... Wikipedia

Leukippos ve öğrencisi Demokritos "atom" kavramını ilk kez ortaya attıklarında, onu maddenin sonlu, bölünemez bir parçacığı olarak hayal etmişlerdi. İki bin yıldan fazla bir süre sonra Dalton bu görüşü destekledi. Bu tanıma göre atomun bir iç yapısının olmaması gerekir. Sonuçta, eğer bir atom daha küçük parçacıklara bölünebiliyorsa, o zaman bu parçacıklar gerçek atom olacaktır.

19. yüzyıl boyunca. atomun bölünmez olduğu, herhangi bir karakteristik özellikten yoksun olduğu ve hiçbir iç yapıya sahip olmadığı düşünülüyordu. Ancak doğası gereği kimyasal bile olmayan bir dizi deney yaptıktan sonra bu bakış açısı reddedildi. Elektrik akımının incelenmesi eski fikirlerin yıkılmasına yol açtı.

Bildiğiniz gibi pozitif ve negatif yüklü noktalar arasında bir elektrik voltajı oluşur. Böyle bir voltajın etkisi altında yükler, potansiyeli daha yüksek olan bir noktadan daha düşük potansiyele sahip bir noktaya doğru hareket eder. Böylece, elektrik alanının iki noktası arasındaki potansiyel farkı eşitleme eğiliminde olan bir elektrik akımı ortaya çıkar.

İlk elektrik araştırmacıları, henüz çok ciddi şekilde kanıtlanmamış deneylerinde, tuz çözeltileri gibi bazı sıvıların elektrik akımını nispeten kolay ilettiğini tespit etti. Fırtına sırasında oluşan bir elektrik deşarjı olan yıldırım, anında birkaç kilometre derinlikteki hava tabakasına yayılır.

19. yüzyılın deneycileri akımı bir boşluktan geçirmeye çalışmak çok cazip görünüyordu. Ancak böyle bir deneyin sonuçlarının güvenilir olması için yeterince derin bir vakum elde edilmesi gerekiyordu. Faraday'ın elektrik akımını boşluktan geçirme girişimleri, yeterince derin bir boşluk elde edememesi nedeniyle başarısız oldu.

1855 yılında Alman cam üfleyici Heinrich Geisler, kendi icat ettiği yöntemle özel şekilli cam kaplar yaptı ve bunları vakumladı. Arkadaşı Alman fizikçi ve matematikçi Julius Plücker, bu Heussler tüplerini vakum ve gazlardaki elektrik deşarjlarını incelemek için kullandı.

Plücker elektrotları gündüz tüplerine lehimledi, aralarında bir elektrik potansiyeli yarattı ve bir elektrik akımı aldı. Akımın etkisi altında, doğası vakumun derinliğine bağlı olan tüplerde bir parıltı (“akkor etkisi”) ortaya çıktı. Yeterince derin bir vakumda, tüpteki parıltı kayboldu ve yalnızca anotun yakınında tüp camının yeşil bir parıltısı fark edildi.

1875 civarında, İngiliz fizikçi William Crookes (1832-1919), daha derin bir vakumun elde edilebileceği tüpler (Crookes tüpleri) tasarladı. Vakumdan geçen elektrik akımını incelemek daha kolay hale geldi. Bir elektrik akımının katottan çıkıp anoda doğru hareket ettiği, burada anodu çevreleyen cama çarpıp bir parıltı oluşturduğu oldukça açık görünüyordu. Bu olgunun anlaşılmasının geçerliliğini kanıtlamak için Crookes tüpün içine bir metal parçası yerleştirdi ve katodun karşısındaki uçta camın üzerinde bir gölge belirdi. Ancak o dönemde fizikçiler elektrik akımının ne olduğunu bilmiyorlardı. Katottan anoda gerçekte neyin hareket ettiğini kesin olarak söyleyemediler, ancak bu akışın düz bir çizgide hareket ettiğini kesin olarak biliyorlardı (çünkü metalin gölgesi açıkça tanımlanmıştı). Fizikçiler bu olgunun doğasına ilişkin herhangi bir sonuca varmadan onu “radyasyon” olarak sınıflandırdılar ve 1876'da Alman fizikçi Eugen Goldstein (1850–1930) bu akışa katot ışınları adını verdi.

Katot ışınlarının dalga doğasına sahip bir tür ışık olduğunu varsaymak doğaldır. Dalgalar, ışık gibi düz bir çizgide hareket eder ve ışık gibi yerçekimi kuvvetlerinden etkilenmez. Aynı zamanda katot ışınları çok büyük hızlarda hareket eden parçacıkları temsil edebilir. Bu parçacıkların kütlesi çok küçük olduğundan ya da çok hızlı hareket ettiklerinden (ya da her iki nedenden dolayı) yerçekiminin etkisini ya hiç yaşamazlar ya da bu etki hissedilir derecede kendini göstermez. Birkaç on yıl boyunca bilim adamları katot ışınlarının doğası konusunda bir fikir birliğine varamadılar. Dahası, Alman fizikçiler katot ışınlarının salınımlar olarak değerlendirilmesini güçlü bir şekilde savundular ve İngiliz fizikçiler de aynı kararlılıkla katot ışınlarının parçacıklar olduğu konusunda ısrar ettiler.

Bu anlaşmazlık, katot ışınlarının manyetik alan tarafından saptırılıp saptırılmadığının belirlenmesine çalışılarak çözülebilir.

Plücker'in kendisi ve ondan bağımsız olarak Crookes böyle bir sapmanın var olduğunu gösterdi. Çözülmesi gereken bir soru daha kaldı. Katot ışınları yüklü parçacıklar ise, elektrik alanı da onları saptırmalıdır. Ancak katot ışınlarının elektrik alanında saptığını hemen kanıtlamak mümkün olmadı. Ancak 1897'de çok derin vakumlu tüplerle çalışan İngiliz fizikçi Joseph John Thomson (1856-1940), sonunda katot ışınlarının bir elektrik alanının etkisi altında saptığını göstermeyi başardı.

Pirinç. 1

Bu, kanıt zincirindeki son halkaydı ve şimdi geriye kalan tek şey, katot ışınlarının negatif yüklü parçacıklardan oluşan bir akış olduğu gerçeğini kabul etmekti. Belirli bir kuvvetteki manyetik alanda bir parçacığın sapma miktarı, parçacığın kütlesi ve elektrik yükünün büyüklüğü ile belirlenir. Thomson, bu miktarları ayrı ayrı ölçemese de, bir parçacığın kütle ve yük oranını ölçebildi.

Bilindiği gibi hidrojen atomu en küçük kütleye sahiptir ve katot ışınlarının bir parçacığının aynı kütleye sahip olduğunu varsayarsak, elektrik yükünün bilinen en küçük yükten (hidrojen iyonunun yükü) yüzlerce kat daha büyük olması gerekir. . Aynı zamanda, katot ışınları parçacığının yükünün iyonlarda gözlenen minimum yüke eşit olduğunu varsayarsak, bu durumda parçacığın kütlesi, hidrojen atomunun kütlesinden birçok kez daha az olmalıdır. Thomson yalnızca kütle ve yük oranını belirlediğinden, her iki seçenek de eşit derecede muhtemeldi.

Yine de katot ışını parçacığının herhangi bir atomdan çok daha küçük olduğuna inanmak için iyi nedenler vardı. 1911 yılında Amerikalı fizikçi Robert Andrews Millikan (1868-1953), bir parçacığın taşıyabileceği minimum elektrik yükünü oldukça doğru bir şekilde ölçerek bu varsayımın doğruluğunu kanıtladı.

Eğer bir katot ışın parçacığı bu kadar küçük bir yük taşıyorsa, kütlesi bir hidrojen atomunun kütlesinin yalnızca 1/1837'si olmalıdır. Böylece atom altı parçacıkların ilki keşfedildi.

Faraday'ın elektroliz yasalarının keşfinden bu yana elektriğin parçacıklar tarafından taşınabileceği fikri ortaya çıktı. 1891'de İrlandalı fizikçi George Johnston Stoney, elektriğin temel birimi için bir isim bile önerdi; ona elektron adını vermeyi önerdi. Böylece katot ışınlarının incelenmesi sonucunda bilim adamlarının yarım asırdan fazla süredir üzerinde düşündüğü ve merak ettiği “elektrik atomu” keşfedildi. J. J. Thomson'ın çalışmalarının önemi dikkate alındığında, kendisi elektronun kaşifi olarak kabul edilebilir.