18
Физика 9, 10
Публикуемая книга заметка «Открытие электрона» предназначена девятиклассик, «Как увидеть невидимое?» — десятиклассикам.
Материалы подготовил Н. К. Белкин.
Открытие электрона
Слово «электрон» — называние одной из загруженных элементарных частиц — и производные от него, пожалуй, чаще всего встречаются в наших дня в научно-технической литературе. Сравнительно недавно появилось слово «электроника», обозначающее, с одной стороны, накуку о взаимодействиях электров с электромагнитными полями, а с другой — новую область техники. Такие прилагательные, как «электронный», «электронная» и т. д., широко вошли в наш язык и в нашу жизнь. Достаточно напомнить, например, о существовании различных электронных приборов и электронных вычислительных машин.
Когда, кем и как был открыт электрон? Когда, кто и как определил его основные свойства и выясил его роль в природе?
Лучи или частицы? Открытие электрона представляет собой завершение длившегося несколько десятилетий исследования газового разряда, то есть процесс прохождения электрического тока через газ («Физика 9», §70—72). В частности, приближительно к середине прошло века было выясено, что если к электродам, впаяным в стеклянную трубку с газом, приложить достаточно высокое напряжение, то через газ прохождение электрический ток, а сам газ при этом светится. Характер свечения зависит от давления газа и приложенного напряжения, а цвет света определяется природой газа. Однако при достаточно малом давлении (около одного пакеля, то есть стольсяной доли атмосферы) свечение газа почти исчезает (хотя ток продолжает идти), но это начинает светиться зеленовым светом стекло трубки.
Что же происходит в разрядной трубке после исчезновения свечения газа? По этому поводу возникли спор между физиками, наиболее активно изученными это явление.
Немецкие физики (Г. Герц, Э. Гольдштейн) считали, что из катода трубки исходят особы лучи, которые и вызывают свечение стекла. Их поэтому называют катодными лучами. Герц, открытый электромагнитные волны, естественно, склонен был считать, что катодные лучи — это особы электромагнитные волны, похожие на свет, но свет невидимый.
Англійские физики (У. Крукс, А. Шустер, затем Дж. Дж. Томсон) полагали, что из катода выходят не лучи, а какие-то отрицательно заряженные частицы и что именно под их воздействием возникнет свечение стекла. Крукс, например, утверждал, что это газовые молекулы, которые, удаляясь о катод, прибретают отрицательный заряд и затем ускоряются силой прижжения к аноду. В ползу этого говорило то, что катодные лучи отклоняются магнитным полем. Об этом важном факте знали, конечно, и немецкие физики, но в то время еще не было твердого установлено, что электромагнитные волны с магнитным полем не взаимодействуют.
Обеими спорящими сторонами было твордо установлено, что свойства катодных лучей не зависит от того, из какого материала сделан катод. Спор этот был весом плодоворным, так как каждая группа ученых стралась придумать и поставить такие опыты, которые доказали бы их правоту.
Решающее опыты были выполнены в 1897 году английским физиком Джозефом Джоном Томсоном. Опытые эти состояния в наблюдании движения заряженных частицы в электрическом и магнитном полях.
Движение заряженных частицы в электрическом и магнитном полях. В прошлом номере в заметке «О числе Фарадея и удельном заряженной частицы» было показано, что скорость v и укорение a заряженной частицы в электрическом поле определяются удельным зарядом частицы q/m (q — заряд частицы, m — ее масса):
21
Рис. 2. Схема электроннооптического преобразования: 1 — предмет, освещаемый инфракрасным светом; 2 — объекты, с помощью которого получается световое изображение; 3 — ‘фотокатод; 4 — световое изображение; 5-5’ — фокусирующие электроды; 6 — электронное изображение; 7 — аном, покрытий ломинесцурушим веществом.
которые может «увидеть» человекский глаз. Расскажем об этом немного подробнее.
В тридцатьные годы группа голландских физков во главе с В. Хольстом занимаясь проблемой лучшення качества фотографического изображения, получаемого в условиях слабой освещенности. Идея предложенного имми метода была довольно простой.
Объчная фотопленка воспринимает видимый свет, отраженный фотографируемый предмет. Оdnako и сам предмет всегда (при температуре, отличных от абсолотного нуля) служит источником так называемого теплового излучения, которое по своей природе тоже электромагнитное. Оказывается, что длина волны, который соответствует максимум в распределении энергии этого излучения по длиам волны, зависит от температуры (см. график на рисунке 1, где по оси абсцисс отложена длина волны, а по оси ordinат — энергия излучения, приходящая на единичный интервал длины волн). При очень высоких температуре тела испускают в основном видимый свет. При комнатных же температуре, когда обычно и произвольная фотографирование, максимум в излучении приходит на невидимую инфракрасную область.
Если бы удалось найти способ преобразовать это невидимое инфракрасное изображение в более коротковолновое, к которым чувствуетна фотопленка, то можно было бы фотографировать при слабой освещенности или даже в темноте.
Такой преобразователь был создан и получил название электроннооптического преобразования. Его основным элементом служит фотокатод — тонкая процедная пленка, изготовлена из материалов, содержащого atoms целочybных металлов — цезия, рубидия или калия. Красная граница фотоэфекта для таких материалов находится в инфракрасной области, поэтому при padении на пленку инфракрасных лучей с длинами волн свет вырывает из нее электроны. Для воспользования вылетших при фотоэфективе электронов на пленку напыляется слой металла, настолько тонкий, что пленка остается преобразной.
Прициплальная схема преобразования показана на рисунке 2. Изображение предмета 1, освещаемого инфракрасным светом, формируется на фотокатоде 3. Как уже говорилось, тонкий слой металла не является преятствием для лучей, и в тех местах фотокатода, куда попало изображение предмета, с противоположной стороны пленки появляются фотомисссионные электроны. На некоторых случаях каатом расположен анод 7, поверхность которого покрыта слоем ломинесцурушенного материала (эта часть прибора наполняется собой общную телевизионную трубку). Между анодом и катодом создается высокая разность потенциалов (порядка десятков тысяч волт), котораяускоряет фотоэлектроны. Таким образом возникнет поток электронов, летящий от катода к аноду, причем, при соблюдении определенных условий, распределение этих электронов по поверхности анода повторяет форму фотографируемого предмета. Попав на анод, электроны вызывают его свечение.
При этом если photokatод чувствует-