Vật lý 9, 10

18

Vật lý 9, 10

Cuốn sách đã xuất bản “Khám phá điện tử” dành cho học sinh lớp 9, “Làm thế nào để nhìn thấy cái vô hình?” - học sinh lớp mười.
Nguyên liệu được chuẩn bị bởi N.K. Belkin.

Sự khám phá ra electron

Từ “electron” - tên của một trong những hạt cơ bản được nạp - và các dẫn xuất của nó có lẽ thường được tìm thấy nhiều nhất trong các tài liệu khoa học và kỹ thuật ngày nay. Gần đây, từ “điện tử” xuất hiện, một mặt biểu thị nghiên cứu về sự tương tác của các electron với trường điện từ, mặt khác là một lĩnh vực công nghệ mới. Những tính từ như “điện tử”, “điện tử”, v.v. đã đi vào ngôn ngữ và cuộc sống của chúng ta một cách rộng rãi. Chẳng hạn, chỉ cần nhớ lại sự tồn tại của nhiều thiết bị điện tử và máy tính điện tử là đủ.

Electron được phát hiện khi nào, bởi ai và như thế nào? Khi nào, ai và làm thế nào xác định được các đặc tính cơ bản của nó và làm rõ vai trò của nó trong tự nhiên?

Tia hay hạt? Việc phát hiện ra electron đánh dấu sự hoàn thành của nhiều thập kỷ nghiên cứu về sự phóng điện của khí, tức là quá trình cho dòng điện truyền qua chất khí (Vật lý 9, §70-72). Đặc biệt, vào khoảng giữa thế kỷ trước, người ta phát hiện ra rằng nếu đặt một điện áp đủ cao vào các điện cực được hàn vào ống thủy tinh chứa khí, thì một dòng điện sẽ đi qua chất khí và chất khí đó sẽ tự phát sáng. Bản chất của ánh sáng phụ thuộc vào áp suất khí và điện áp đặt vào, còn màu sắc của ánh sáng được xác định bởi bản chất của khí. Tuy nhiên, ở áp suất đủ thấp (khoảng một pakel, tức là một nửa bầu khí quyển), ánh sáng của khí gần như biến mất (mặc dù dòng điện vẫn tiếp tục chạy), nhưng thủy tinh của ống bắt đầu phát sáng màu xanh lục.

Điều gì xảy ra trong ống phóng điện sau khi ánh sáng khí biến mất? Về vấn đề này, đã nảy sinh tranh chấp giữa các nhà vật lý tích cực nghiên cứu hiện tượng này nhất.

Các nhà vật lý người Đức (G. Hertz, E. Goldstein) tin rằng các tia đặc biệt phát ra từ cực âm của ống, khiến thủy tinh phát sáng. Vì vậy chúng được gọi là tia catôt. Hertz, người phát hiện ra sóng điện từ, có xu hướng tin rằng tia âm cực là sóng điện từ đặc biệt, tương tự như ánh sáng, nhưng là ánh sáng vô hình.

Các nhà vật lý người Anh (W. Crookes, A. Schuster, sau đó là J. J. Thomson) tin rằng không phải các tia phát ra từ cực âm mà là một số hạt tích điện âm, và dưới tác động của chúng, thủy tinh sẽ phát sáng. Ví dụ, Crookes lập luận rằng đây là những phân tử khí di chuyển ra khỏi cực âm, thu được điện tích âm và sau đó được gia tốc bởi lực đốt điện về phía cực dương. Điều này được đề xuất bởi thực tế là các tia âm cực bị lệch bởi từ trường. Tất nhiên, các nhà vật lý người Đức cũng biết về thực tế quan trọng này, nhưng vào thời điểm đó người ta vẫn chưa khẳng định chắc chắn rằng sóng điện từ không tương tác với từ trường.

Cả hai bên tranh chấp đều khẳng định chắc chắn rằng tính chất của tia âm cực không phụ thuộc vào vật liệu làm ra cực âm. Cuộc tranh cãi này đã có kết quả vì mỗi nhóm nhà khoa học đều cố gắng nghĩ ra và thực hiện các thí nghiệm để chứng minh họ đúng.

Các thí nghiệm mang tính quyết định được thực hiện vào năm 1897 bởi nhà vật lý người Anh Joseph John Thomson. Những trạng thái này được kiểm tra bằng cách quan sát chuyển động của các hạt tích điện trong điện trường và từ trường.

Chuyển động của các hạt mang điện trong điện trường và từ trường. Ở số trước, trong bài “Về số Faraday và điện tích riêng của một hạt tích điện”, đã chỉ ra rằng tốc độ v và căn a của một hạt tích điện trong điện trường được xác định bởi điện tích riêng của hạt q/m (q là điện tích của hạt, m là khối lượng của hạt):

21

Hình 2. Sơ đồ chuyển đổi quang điện tử: 1 - vật được chiếu sáng bằng tia hồng ngoại; 2 - các vật thể thu được hình ảnh ánh sáng; 3 - quang điện; 4 - hình ảnh ánh sáng; 5-5’ — điện cực hội tụ; 6 - hình ảnh điện tử; 7 - anom, lớp phủ bằng chất nhiều lớp.

mà mắt người có thể “nhìn thấy”. Hãy nói về điều này chi tiết hơn một chút.

Vào những năm 30, một nhóm các nhà vật lý người Hà Lan do V. Holst đứng đầu đang nghiên cứu vấn đề cải thiện chất lượng ảnh chụp thu được trong điều kiện ánh sáng yếu. Ý tưởng đằng sau phương pháp được đề xuất khá đơn giản.

Phim chụp ảnh vật thể nhận biết ánh sáng khả kiến, vật thể phản xạ được chụp ảnh. Tuy nhiên, bản thân vật thể luôn luôn (ở nhiệt độ khác độ không tuyệt đối) đóng vai trò là nguồn phát ra cái gọi là bức xạ nhiệt, bản chất cũng là điện từ. Hóa ra là bước sóng, tương ứng với mức cực đại trong sự phân bố năng lượng của bức xạ này trên các bước sóng, phụ thuộc vào nhiệt độ (xem biểu đồ trên hình 1, trong đó bước sóng được vẽ dọc theo trục hoành, và năng lượng bức xạ tới một khoảng bước sóng đơn vị được vẽ dọc theo trục tọa độ). Ở nhiệt độ rất cao, cơ thể chủ yếu phát ra ánh sáng nhìn thấy được. Ở nhiệt độ phòng, khi việc chụp ảnh thường được thực hiện ngẫu nhiên, lượng phát xạ tối đa xảy ra ở vùng hồng ngoại vô hình.

Nếu có thể tìm ra cách chuyển đổi hình ảnh hồng ngoại vô hình này thành các bước sóng ngắn hơn mà phim có thể cảm nhận được thì có thể chụp ảnh trong điều kiện ánh sáng yếu hoặc thậm chí trong bóng tối.

Bộ chuyển đổi như vậy đã được tạo ra và được gọi là chuyển đổi quang điện tử. Thành phần chính của nó là photocathode - một màng xử lý mỏng làm bằng vật liệu chứa các nguyên tử của kim loại nguyên - Caesium, rubidium hoặc kali. Ranh giới màu đỏ của hiệu ứng quang điện $\lambda_{\max}$ đối với các vật liệu đó nằm trong vùng hồng ngoại, do đó, khi các tia hồng ngoại có bước sóng $\lambda < \lambda_{\max}$ chiếu vào màng thì ánh sáng sẽ hút các electron ra khỏi màng. Để tận dụng lợi thế của các electron phát ra trong quá trình quang hiệu, một lớp kim loại được đặt lên màng, mỏng đến mức màng vẫn có khả năng biến đổi.

Sơ đồ chuyển đổi chính được thể hiện ở hình 2. Hình ảnh của vật 1, được chiếu sáng bằng ánh sáng hồng ngoại, được hình thành trên tế bào quang 3. Như đã đề cập, một lớp kim loại mỏng không phải là vật cản đối với các tia và ở những vị trí của vật thể quang điện nơi hình ảnh của vật chạm vào, các electron quang dẫn xuất hiện ở phía đối diện của màng. Trong một số trường hợp, cực dương 7 nằm trong katom, bề mặt của nó được phủ một lớp vật liệu nghiền (phần này của thiết bị được lấp đầy bằng một ống truyền hình thông thường). Một sự chênh lệch điện thế cao (ở mức hàng chục nghìn volt) được tạo ra giữa cực dương và cực âm, làm tăng tốc các quang điện tử. Điều này sẽ tạo ra một dòng electron bay từ cực âm đến cực dương và tùy theo những điều kiện nhất định, sự phân bố của các electron này trên bề mặt cực dương sẽ tuân theo hình dạng của vật thể được chụp ảnh. Khi ở trên cực dương, các electron làm cho nó phát sáng.

Hơn nữa, nếu photokat cảm thấy -