Экспериментальные доказательства сложности строения атома

В конце XIX - начала XX в. были открыты явления, которые можно было интерпретировать только исходя из представлений о сложности строения атома.

Электрон

В самом начале XIX в. рядом ученых, в том числе русским физиком В. В. Петровым, были проведены исследования прохождения электриче­ского тока через растворы химических соединений — электролитов, сопровождающегося элек­тролизом этих соединений. Количественные законы электролиза были открыты М. Фарадеем, который показал, что для электролитиче­ского выделения одного грамм-эквивалента любого эле­мента, т.е. равного атомной массе, деленной на число принятых или отданных электронов, нужно пропустить через раствор одинаковое ко­личество электричества, а именно — 96 500 кулонов (т. е. 2,9-10¹⁴ абсолютных электростатических единиц электричества).

m=k I t

Открытое Фарадеем соответствие вполне определен­ного количества электричества одному грамм-эквивален­ту любого элемента является однозначным доказательством существования «атомов электричества», связанных с атомами вещества и их составными частями. Такой вывод был сделан, однако, долгое время в науке продолжали господ­ствовать представления об электрических жидкостях — отрицательной и положительной.

В 1881 г. Г. Гельм­гольц высказал идею об «атомном» строении электриче­ства. Однако и после этого долго оставалось неизвестным, что именно представляют собой «атомы электричества», т. е. определенные порции электрического заряда, носи­телями которых являются мельчайшие частицы веще­ства, каков знак и величина их заряда, какова масса носителей этого заряда.

В 1891г. Стони ввел термин “электрон”, для обозначения наименьшей корпускулы электричества , хотя сам электрон к этому времени еще не был обнаружен экспериментально.

В опытах по прохождению электрического тока через газы, выполненными в 80-90-х годах XIX в., использовались откачанные до стотысячных долей атмосферного давления стеклянные трубки, внутри кото­рых были впаяны металлические электроды. На один из электродов — катод — подавался отрицательный потен­циал, на другой — анод — положительный. При этом на­блюдалось свечение стекла, расположенного против ка­тода. Это свечение вызывалось потоком лучей, идущих от катода и названных поэтому катодными лучами.

Катодные лучи распространяются прямолинейно — перпендикулярно к катоду, независимо от положения анода и, попадая на стекло, вызывают яркое свечение — флуоресценцию. В опытах Дж. Дж. Томсона и его сотрудников иссле­довалось поведение катодных лучей в электрическом и магнитном полях. Было обнаружено, что при пропуска­нии катодных лучей между обкладками конденсатора поток лучей отклонялся по направлению от отрицатель­ной обкладки к положительной .

Отклонение катодных лучей в электрическом поле

Из этого факта следовал вывод, что катодные лучи обладая отрица­тельным зарядом, отталкиваются отрица­тельной обкладкой и притягиваются положительной.

Отклонение катодных лучей от первоначального направ­ления наблюдалось и при пропускании их между полю­сами магнита, т. е. в магнитом поле.

Отклонение катодных лучей в магнитном поле

До опытов Томсона было известно правило левой руки, согласно которому, если расставить большой, указательный и средний паль­цы левой руки в трех перпендикулярных направлениях и направить указательный палец (по направлению сило­вых линий магнитного поля) от северного магнитного полюса к южному, а средний палец — по направлению тока, то большой палец покажет направление силы, дей­ствующей на проводник в магнитном поле. Правило левой руки было установлено до опытов, доказавших отрицательность «атомов электричества», и за направле­ние тока в этом правиле (как и вообще вплоть до наших дней в электротехнике) условно принято направление движения положительных зарядов.

Опыт показал, что катодные лучи обладают отрицательным электрическим зарядом.

Радиус кривизны траектории движения катодных лучей зависит от массы летящих частиц т, их заряда е и скорости v.

В электрическом поле с напряженностью Е радиус кривизны определяется соотношением:

В магнитном поле с напряженностью Н радиус кри­визны равняется

(с — скорость света).

Если действия двух полей компенсируют друг друга, то, оче­видно,

тогда, зная Е и Н, можно определить отношение заряда частиц, образующих катодные лучи, к их массе:

Эксперименты показали, что это отношение постоянно для всех катодных частиц, независимо от материала катода и вида газа, заполнявшего разрядную трубку, и равно

Исследование катодных лучей показало, что они являются потоком частиц с массой 9.10910^-31 кг и с минимально возможным отрицательным зарядом 1.60210^-19 Кл. Таким образом, было доказано, что «атомы электриче­ства» несут отрицательный заряд и являются составной частью всех атомов. Эти отрицательные «атомы электри­чества» были названы электронами.

С открытием электронов стало ясно, что переносчиками заряда при прохождении тока через растворы электроли­тов являются атомы или группы атомов с недостатком или с избытком электронов— положительные и отрицательные ионы.

В начале XX в., на основании исследований броунов­ского движения, было определено число молекул в грамм-молекуле любого вещества — так называемое число Авогадро, равное

Зная это число, можно определить и величину заряда электрона. В самом деле, как показал Фарадей, одному грамм-эквиваленту любого элемента отвечает количество электричества, равное 96500 кулонов, или 2,910¹⁴ CGSE. Поскольку число атомов в грамм-атоме равняется 6,0210²³, ясно, что величина элементарного заряда (элек­трона или одновалентного иона) есть

В 1911 г. заряд электрона был определен прямым путем.

Поскольку для электронов было установ­лено соотношение заряда и массы. Очевидно, что теперь легко можно определить и массу электрона:

Эта масса примерно в 1840 раз меньше массы самого легкого атома — водорода.