Электрон

22

Электрон

Одна из составных частей атома — отрицательно заряженный электрон — была обнаружена еще в XIX в. В 1897 г. удалось, хотя и грубо, измерить заряд электрона; позднее измерена была его масса и еще позже был обнаружены другие его свойства — врашательный и магнитный моменты.

При освещении, в особенности ультрафилотовым светом, отрицательно заряженное тело постепенно теряет свой заряд, а нейтральное — заряжается положительно. Явление этого, называемое фотоэлектрическим эфектом или, короче, фотоэфектом, было исследовано Столетовым еще в XIX в. Характер испускаемых телом при фотоэфекте зарядов — электронов — особенно наглядно виден в поставленном мной в 1912 г. опыте, который был видензменением уже ранее применяшихся устройств.

В пространстве между двумя параллельными горизонтальными пластинами A и B (рисунок 1) попадали мелкие заряженные металлические пылики o. Если частница оказалась заряженной отрицательно, то ее можно удержать от падения, зарядив верхиной пластину положительно, а нижнюю — отрицательно.

Эта статья — отрывок из книги А. Ф. Иоффе «Основные представления современной физики» (М. — Л., ГИТТЛ, 1949). Мы помещаем его с небольшими изменениями и дополнениями. Дополнительные мелким шрифтом.

Положительное заряженная пылика удерживается полем противоположного знака. Можно подобрать такую разность потенциальов $U_1$ между пластинами, чтобы электрическая сила как раз уравновешила силу тяжестei. Тогда пылика повисает неподвижно на много часов.

Электрическая сила, которая действует на заряд $e_1$ пылики, направлена вверх и равна $e_1 \frac{U_1}{d}$, где $d$ — расстояние между пластинами $A$ и $B$. Обозначим силу тяжестei, действующего на пылики, через $P$. Условие равновесия пылики в пространстве между пластинами — равенство силы тяжестei и электрической силы:

$$P = e_1 \frac{U_1}{d}.$$

В этом состоянии я освещал пылику источником света, вызывающим фотоэлектрический эффект. Спустя некоторое время неподвижная прежде пылика начинала падать. Так как тяжестei $P$ не могла измениться от освещения, не изменились $U_1$ и $d$, то, следовательно, уменшился заряд $e_1$ до какой-то величины $e_2$.

Увеличия разность потенциальов $U_1$ до нового значения $U_2$, можно было снова остановить пылики; при этом должно удовлетворяться равенство $e_2 \frac{U_2}{d} = P$.

Заряжая и снова разряжая пылику, можно было этот процесс повторять сотни раз, каждый раз при соответствующих потенциальах $U_1, U_2, U_3, \dots$. Оказалось, что различные заряды $e_1, e_2, e_3, \dots$, которые имела пылика, точно выражались следующим соотношением:

$$e_1:e_2:e_3:... = \frac{1}{U_1}:\frac{1}{U_2}:\frac{1}{U_3}:... = 1:2:3:...$$

Рис. 1. Схема опыта по определению заряда электрона.

23

Заряды пылинки изменялись как ряд цельх чисел. Когда на пылинке оставался один отрицательный заряд, то она теряла его целиком при освешении и оставалась незаряженной. Действительно, никакой разностью потенциальов $U$ (ни положительный, ни отрицательный) не удавалось заменить падение частички. Но если во время padения продолжать освешение, то спустя некоторое время пылинка, теряя еще один заряд, заряжалась положительно, и тогда ее снова можно оставить, но только уже противоположной разностью потенциальов, когда потенциаль верхней пластны отрицательный, а нижней — положительный.

Тысячи таких опытов с пылинками из различных материалов показали, что заряд любой пылинки всегда состоит из целого числа попределенных порций, равных по наиболее точным современным изменением $4,8024 \cdot 10^{-10}$ абсолотных электростатических единиц (за единицу принимается заряд, отталкивающий равный ему заряд, помещенный на расстояние в 1 см, с силой в 1 дину)$^*$). Каждый раз, когда при освешении пылинка теряла отрицательный заряд, он оказывался равным — $4,8024 \cdot 10^{-10}$ абсолотным.

Эти единичные отрицательные заряды получили название электронов.

Никогда и ни где не удавалось наблюдать зарядов, меняших заряд электрона или равных нецелому числу зарядов электрона. Такие же отрицательное заряженные частицы — электроны — испускают накаленные тела. Это явление называют термоэлектронной эмиссей; им широко пользовется в радиолампах.

При пропускании электрического заряда сквозь сильно разреженные газы из отрицательного полюса (катада) выходит поток отрицательных зарядов, называемый катодными лучами. Удалось показать, что и

$^*$) По изменении, проведенным к настоящему времени, наименший электрический заряд (положительный или отрицательный) равен $e = 4,803250(21) \cdot 10^{-10}$ абсолотных электростатических единиц (ед. СГСЭ), или (в СИ) $e = 1,6021892(46) \cdot 10^{19}$ Кл.

катодные лучи — поток тех же электронов.

Поместив каталогные лучи или поток фотоэлектронов в магнитное поле, можно определить относение заряда электронов $e$ к их массе $m$, а следовательно, и самую массу электронов.

Оказалось, что не только заряды, но и массы $m$ электронов самого различного происхождения в точности совпадают и что

$$m = 9,1060 \cdot 10^{-28} \text{ г.}$$

В течение первого десятилетия нашей его вектор был единственным известной тогда «элементарной» частицей. Физики думали, что электрон — последний и простейший элемент природы, и представляющего его себе, как равные atoms, в виде шарикка, по объему или по поверхности которого распределен электрический заряд.

Однако и тогда уже, в 1908 г., В. И. Ленин указвал, что принципи диалектического материалов о неисчерпаемом многообразии природы заставляет ожидать, что и электрон — сложное образование.

Это предвидение позже подтвердилось, хотя мы и сейчас не можем быть уверены в полное существующее картины электрона.

Оказалось, что электрон обладает врашательным моментом (спином) $s$ и магнитным моментом $μ$.

Магнитный момент электрона определяет максимальный момент сил, действующих на электрон в магнитном поле с индукцией $B$:

$$M_{\text{max}} = |B| \mu.$$

Для витка с током $I$

$$M_{\text{max}} = |B| IS,$$

где $S$ — площадь, ограниченная витком (см. «Физика 9»). Поэтому магнитный момент витка с током равен $μ = IS$. Магнитный момент — величины векторная. Вектор $\mu$ направлен перpendicularно плоскости витка.

Магнитные свойства электрона с полной наглядностью обнаруживаются в опитах, которые были поставлены Штерном и Герлахом по методу молекулярного пучка. В этом методе изучается поток молекул в виде тонкой ленты, выделенной при помощи системы узких щелей в пространстве, в котором создано воз-

24

можно высокое разрежение. Всякое отклонение такого потока молекул от прямолинейного пути может быть вызван только действием сил, а эти силы могут быть вычислены по начальной скорости молекул и величины отклонения. Этот метод применяется для обнаружения самых разнообразных воздействий, в том числе даже таких слабых, как силы тяготения.

Если пропустить молекулярный пучок через сильное и притом резко неоднородное магнитное поле, то отдельные молекулы отклонятся тем сильнее, чем больше их магнитный момент и чем меньше угол между направлением магнитного момента и направлением магнитного поля, через которое проходят молекулы.

Магнитный момент может произходить как от магнитных свойств самого электрона, так и от того электрического тока, который электрон создает, двигаясь по замкнутой орбите. Если, например, электрон движется по окружности радиуса $r$ со скоростью $v$, то через поперечное сечение окружности электрон проходит $v/2\pi r$ раз в секунду, переноскаяждый раз свой заряд $e$. Таким образом, врашающся по окружности радиуса $r$ электрон представляет собой ток $i = ev/2\pi r$. Магнитный момент $\mu$ движущегося по круговой орбите электрона равен

$$\mu = \pi r^2 i = \frac{evr}{2}.$$

Механический момент количества движения такого врашающегося по орбите электрона — $L = mvr$.

Таким образом, для движения по круговой орбите электрона

$$\frac{\mu}{L} = \frac{e}{2m}.$$

В атомах водорода, лития и серебра механический врашательный момент электронов при движении по орбите равен нулю: $L = 0$. Поэтому и магнитный момент $\mu$ должен быть равным нулю.

Между тем для потока всех этих атомов получилось хорошо изменение при прохождения сквозь магнитное поле (рисунок 2). При этом весь поток разбивался на

$$\frac{\mu}{s} = \frac{e}{m}$$

— относение $\mu/s$ вдвое больше, чем относение $\mu/L$.