Entdeckungsvoraussetzungen, Hypothesen

Thomsons Experiment bestand darin, Kathodenstrahlen zu untersuchen, die durch ein System paralleler Metallplatten gingen, die ein elektrisches Feld erzeugten, und durch Spulensysteme, die ein Magnetfeld erzeugten. Es wurde festgestellt, dass die Strahlen abgelenkt wurden, wenn beide Felder getrennt angelegt wurden, und dass die Strahlen bei einem bestimmten Verhältnis zwischen ihnen ihre gerade Flugbahn nicht änderten. Dieses Feldverhältnis hing von der Teilchengeschwindigkeit ab. Nach einer Reihe von Messungen fand Thomson heraus, dass die Bewegungsgeschwindigkeit von Teilchen viel geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit – somit wurde gezeigt, dass Teilchen eine Masse haben müssen. Darüber hinaus wurde eine Hypothese über das Vorhandensein dieser Teilchen in Atomen aufgestellt und ein Atommodell entwickelt, das anschließend in den Experimenten von Rutherford entwickelt wurde.

Anmerkungen

Quellen

Wikimedia-Stiftung. 2010.

Sehen Sie in anderen Wörterbüchern, was „Entdeckung des Elektrons“ ist:

Der Zweig der Physik, der die innere Struktur von Atomen untersucht. Atome, die ursprünglich als unteilbar galten, sind komplexe Systeme. Sie haben einen massiven Kern aus Protonen und Neutronen, um den sie sich im leeren Raum bewegen... ... Colliers Enzyklopädie

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- (aus dem Lateinischen materialis material) eine polysemantische Idee, der meist eine oder mehrere der folgenden Bedeutungen zugeschrieben werden. 1. Aussage zur Existenz oder Realität: Nur Materie existiert oder ist real; Materie ist... Philosophische Enzyklopädie

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Elektronensymbol Masse 9,10938215(45)×10−31kg, 0,510998910(13) MeV/c2 Antiteilchen Positron Klassen Fermion, Lepton ... Wikipedia

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Kikoin A.K. Entdeckung des Elektrons // Quantum. - 1985. - Nr. 3. - S. 18-20.

Nach besonderer Vereinbarung mit der Redaktion und den Herausgebern der Zeitschrift „Kvant“

Das Wort „Elektron“ – der Name eines der geladenen Elementarteilchen – und seine Ableitungen kommen heutzutage vielleicht am häufigsten in der wissenschaftlichen und technischen Literatur vor. Vor relativ kurzer Zeit tauchte das Wort „Elektronik“ auf, das einerseits die Wissenschaft der Wechselwirkungen von Elektronen mit elektromagnetischen Feldern und andererseits ein neues Technologiefeld bezeichnet. Adjektive wie „elektronisch“, „elektronisch“ usw. haben weithin Eingang in unsere Sprache und unser Leben gefunden. Es reicht aus, sich beispielsweise an die Existenz verschiedener elektronischer Geräte und elektronischer Computer zu erinnern.

Wann, von wem und wie wurde das Elektron entdeckt? Wann, wer und wie bestimmte es seine grundlegenden Eigenschaften und klärte seine Rolle in der Natur?

Strahlen oder Teilchen?

Die Entdeckung des Elektrons stellt den Abschluss mehrerer Jahrzehnte der Forschung zur Gasentladung dar, also dem Prozess, elektrischen Strom durch ein Gas zu leiten (Physik 9, § 70-72). Insbesondere um die Mitte des letzten Jahrhunderts wurde festgestellt, dass, wenn eine ausreichend hohe Spannung an Elektroden angelegt wird, die in einem Glasrohr mit Gas eingeschlossen sind, ein elektrischer Strom durch das Gas fließt und das Gas selbst glüht. Die Art des Leuchtens hängt vom Gasdruck und der angelegten Spannung ab, und die Farbe des Lichts wird durch die Art des Gases bestimmt. Bei einem ausreichend niedrigen Druck (ungefähr ein Pascal, also ein Hunderttausendstel einer Atmosphäre) verschwindet das Leuchten des Gases jedoch fast (obwohl der Strom weiterhin fließt), aber das Glas der Röhre beginnt mit a zu glühen grünliches Licht.

Was passiert in der Entladungsröhre, nachdem das Gasglühen verschwunden ist? Zu diesem Thema kam es zu einem langjährigen Streit zwischen den Physikern, die dieses Phänomen am aktivsten untersuchten.

Deutsche Physiker (G. Hertz, E. Goldstein) glaubten, dass von der Kathode der Röhre spezielle Strahlen ausgehen, die das Glas zum Leuchten bringen. Deshalb wurden sie berufen Kathodenstrahlen. Hertz, der die elektromagnetischen Wellen entdeckte, neigte von Natur aus zu der Annahme, dass Kathodenstrahlen spezielle elektromagnetische Wellen seien, ähnlich wie Licht, aber unsichtbares Licht.

Englische Physiker (W. Crookes, A. Schuster, dann J. J. Thomson) glaubten, dass aus der Kathode keine Strahlen austraten, sondern einige negativ geladene Teilchen, und dass das Glas unter ihrem Einfluss leuchtete. Crookes argumentierte beispielsweise, dass es sich dabei um Gasmoleküle handelt, die sich von der Kathode entfernen, eine negative Ladung annehmen und dann durch die Anziehungskraft in Richtung Anode beschleunigt werden. Dies wurde durch die Tatsache gestützt, dass die Kathodenstrahlen durch ein Magnetfeld abgelenkt werden. Natürlich wussten auch deutsche Physiker um diese wichtige Tatsache, aber zu diesem Zeitpunkt war noch nicht eindeutig geklärt, dass elektromagnetische Wellen nicht mit einem Magnetfeld interagieren.

Beide Streitparteien stellten fest, dass die Eigenschaften von Kathodenstrahlen nicht davon abhängen, aus welchem ​​Material die Kathode besteht. Diese Debatte war sehr fruchtbar, da jede Gruppe von Wissenschaftlern versuchte, Experimente zu entwickeln und durchzuführen, die ihnen Recht geben würden.

Die entscheidenden Experimente wurden 1897 vom englischen Physiker Joseph John Thomson durchgeführt. Diese Experimente bestanden darin, die Bewegung geladener Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern zu beobachten.

Bewegung geladener Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern

In der letzten Ausgabe wurde im Artikel „Über die Faraday-Zahl und die spezifische Ladung eines geladenen Teilchens“ gezeigt, dass die Geschwindigkeit υ und Beschleunigung A eines geladenen Teilchens in einem elektrischen Feld werden durch die spezifische Ladung des Teilchens \(~\dfrac(q)(m)\) bestimmt ( Q- Teilchenladung, M- seine Masse):

\(~\upsilon = \sqrt(2 \dfrac(q)(m) U)\) , \(~a = \dfrac(q)(m) E\) ,

Wo U- Spannung und E- Feldstärke.

Aber es stellt sich heraus, dass die Bewegung eines Teilchens in magnetisch das Feld wird auch durch seine spezifische Ladung bestimmt. Zeigen wir es.

Pro Teilchen mit Ladung Q(der Einfachheit halber betrachten wir es als positiv), wenn wir uns mit einer Anfangsgeschwindigkeit \(~\vec \upsilon\) in einem Magnetfeld mit Induktion \(~\vec B\) bewegen, die Lorentzkraft \(~\vec F_L\) Gesetze („Physik 9“, §89). Wenn der Vektor \(~\vec \upsilon\) senkrecht zum Vektor \(~\vec B\) steht, dann ist die Lorentzkraft im Absolutwert gleich qυB und ist senkrecht zum Geschwindigkeitsvektor und zum magnetischen Induktionsvektor gerichtet. Da die Kraft senkrecht zur Geschwindigkeit des Teilchens wirkt, bewirkt sie, dass sich das Teilchen auf einem Kreis bewegt, was ihm eine Zentripetalbeschleunigung verleiht. Newtons zweites Gesetz für diesen Fall hat die Form

\(~m \dfrac(\upsilon^2)(r) = q \upsilon B\) ,

wo für den Radius R wir bekommen Kreise

\(~r = \dfrac(m \upsilon)(qB) = \dfrac(\upsilon)(B \dfrac(q)(m))\) .

Somit wird für einen gegebenen Wert der magnetischen Induktion und der Anfangsgeschwindigkeit eines Teilchens der Krümmungsradius seiner Flugbahn tatsächlich durch die spezifische Ladung des Teilchens \(~\left(\dfrac(q)(m) \right) bestimmt. \).

Aus der letzten Gleichung können wir eine Formel zur Bestimmung der spezifischen Ladung selbst erhalten:

\(~\dfrac(q)(m) = \dfrac(\upsilon)(Br)\) .

Kreisradius R und Induktion IN einfach zu messen. Aber Sie müssen immer noch die Geschwindigkeit kennen υ Partikel, die nicht so einfach zu messen sind. Thomson gelang es, diese Schwierigkeit zu umgehen. Und so geht's.

Experimente von J. J. Thomson

Der Zweck von Thomsons Experimenten bestand darin, die spezifische Ladung jener vermeintlichen Teilchen zu bestimmen, die laut englischen Physikern Kathodenstrahlen bilden. Das von Thomson erstellte Gerät ist in der Abbildung schematisch dargestellt.

In ein Glasgefäß ist eine Kathode eingelötet ZU und Anode A, Membran- und Kondensatorplatten. Zwischen ZU Und A Es wird eine ausreichend hohe Spannung angelegt, um Kathodenstrahlen zu erzeugen. Löcher in der Anode und der Membran „schneiden“ einen schmalen Strahl aus, der auf die gegenüberliegende Wand des Gefäßes trifft und dort das Glas zum Leuchten bringt. Der gestrichelte Kreis in der Abbildung stellt Spulen (außerhalb des Gefäßes) dar, die ein Magnetfeld senkrecht zum elektrischen Feld des Kondensators (und zur Ebene der Abbildung) erzeugen.

Wenn in der Röhre nur das elektrische Feld eines Kondensators entsteht und die obere Platte positiv geladen ist, wird das Strahlenbündel, sofern es wirklich aus negativ geladenen Teilchen besteht, nach oben abgelenkt (Flugbahn). A auf dem Bild). Wird lediglich ein Magnetfeld erzeugt, das über die Musterebene hinaus von uns weg gerichtet ist, wird der Strahl nach unten abgelenkt (Flugbahn). B). Anhand des Leuchtens der Stirnwand des Rohres lässt sich leicht feststellen, wo genau der Strahl auftrifft.

Es ist jedoch möglich, solche Werte der elektrischen Feldstärke \(~\vec E\) und der magnetischen Induktion \(~\vec B\) zu wählen, dass der Strahl überhaupt nicht abweicht und sich auf einem geraden Weg bewegt (siehe Abbildung). in der Abbildung rot markiert). Das bedeutet, dass die auf das Teilchen wirkende elektrische Kraft gleich groß ist wie die Lorentzkraft: qE = qυB. Daraus erhalten wir den Ausdruck für die Teilchengeschwindigkeit \(~\upsilon = \dfrac(E)(B)\). Wenn wir es in die Formel für die spezifische Ladung einsetzen, finden wir

\(~\dfrac(q)(m) = \dfrac(E)(B^2 r)\) . (*)

Alles in Thomsons Experiment verlief wie erwartet. In einem elektrischen Feld bewegte sich der Strahl entlang einer Flugbahn ( A), in magnetisch - anders ( B). Bei gleichzeitiger Wirkung beider Felder wurde der Strahl überhaupt nicht abgelenkt.

Mithilfe der Formel (*), die leicht messbare Größen umfasst (und nicht die Teilchengeschwindigkeit einbezieht), war es möglich, die spezifische Ladung der Teilchen zu bestimmen, die das bilden, was früher Kathodenstrahlen genannt wurde. Die spezifische Ladung dieser Teilchen erwies sich als ungeheuer groß: 1,76·10 11 C/kg. Diese Teilchen werden Elektronen genannt. Daher wird heute allgemein davon ausgegangen, dass das Jahr der Entdeckung des Elektrons das Jahr 1897 ist und der Autor dieser wichtigsten Entdeckung Joseph John Thomson ist.

Da aus der Kathode der Entladungsröhre immer Elektronen herausfliegen, unabhängig davon, aus welchem ​​Material die Kathode besteht, könnte man daraus schließen, dass Elektronen Teil jedes Atoms sind. Thomson äußerte diese Hypothese im selben Jahr 1897.

In den nächsten Jahren zeigte Thomson (wie auch andere Wissenschaftler), dass Partikel, die während der thermionischen Emission von einem erhitzten Metall emittiert werden, die gleiche spezifische Ladung haben, das heißt, dass sie auch Elektronen sind. Die gleiche spezifische Ladung haben auch Teilchen, die durch Licht aus Metallen herausgeschleudert werden. Und das sind auch Elektronen!

Für seine theoretischen und experimentellen Studien zum Stromdurchgang durch Gase (die zur Entdeckung des Elektrons führten) erhielt J. J. Thomson 1906 den Nobelpreis für Physik.

Über die Masse und Ladung des Elektrons

Wenn man den Wert der spezifischen Ladung eines Elektrons kennt, kann man weder über den Wert der Ladung noch über den Wert der Masse des Elektrons separat etwas sagen. Allerdings war bereits Ende des letzten Jahrhunderts der Wert der spezifischen Ladung des Wasserstoffions bekannt, ebenso wie die Tatsache, dass die Ladung des Wasserstoffions im absoluten Wert (aber nicht im Vorzeichen) gleich der Ladung ist des Elektrons. Und das erlaubt uns, etwas über die Masse des Elektrons zu sagen. Tatsächlich sind die spezifischen Ladungen des Elektrons bzw. des Wasserstoffions gleich

\(~\dfrac(e)(m_e) = 1,76 \cdot 10^(11)\) C/kg, \(~\dfrac(e)(m_H) = 9,65 \cdot 10^(7) \) C/ kg

(Hier e- Elektronenladungsmodul, wie es üblicherweise bezeichnet wird, M e - Elektronenmasse, M H – Masse des Wasserstoffions). Wenn wir \(~\dfrac(e)(m_e)\) durch \(~\dfrac(e)(m_H)\ dividieren, finden wir, dass die Masse des Elektrons ungefähr 1840-mal kleiner ist als die Masse des Wasserstoffions.

Ungefähr 15 Jahre nach Thomsons Experimenten haben R. Millikan in den USA und A.F. Ioffe in Russland direkt die Ladung des Elektrons gemessen, die sich als gleich 1,6·10 -19 C herausstellte. Daraus ergibt sich für die Elektronenmasse ein Wert von 9,1·10 -31 kg. Dies sind die kleinsten Ladungs- und Massewerte in der Natur.

Joseph John Thomson geboren in Manchester. Hier in Manchester absolvierte er das Owens College und studierte von 1876 bis 1880 an der Universität Cambridge am berühmten College of the Holy Trinity (Trinity College). Im Januar 1880 bestand Thomson seine Abschlussprüfungen erfolgreich und begann seine Arbeit am Cavendish Laboratory.

Thomson war von experimenteller Physik besessen. Besessen im besten Sinne des Wortes. Thomsons wissenschaftliche Leistungen wurden vom Direktor des Cavendish Laboratory hoch geschätzt Rayleigh. Als er 1884 als Direktor zurücktrat, zögerte er nicht, Thomson als seinen Nachfolger zu empfehlen.

Von 1884 bis 1919 leitete Thomson das Cavendish-Labor. In dieser Zeit entwickelte es sich zu einem wichtigen Zentrum der Weltphysik, einer internationalen Schule für Physiker. Hier begann unsere wissenschaftliche Reise Rutherford, Bor, Langevin und viele andere, darunter russische Wissenschaftler.

Thomsons Forschungsprogramm war breit gefächert: Fragen des Durchgangs von elektrischem Strom durch Gase, die elektronische Theorie von Metallen, Erforschung der Natur verschiedener Arten von Strahlen ...

Nachdem er sich mit der Untersuchung der Kathodenstrahlen beschäftigt hatte, beschloss Thomson zunächst zu prüfen, ob die Experimente seiner Vorgänger, die die Ablenkung von Strahlen durch elektrische Felder erreichten, sorgfältig genug durchgeführt worden waren. Er konzipiert ein Wiederholungsexperiment, entwirft spezielle Geräte dafür, überwacht die Gründlichkeit der Auftragsausführung und das erwartete Ergebnis ist offensichtlich.

In der von Thomson entworfenen Röhre wurden die Kathodenstrahlen gehorsam von der positiv geladenen Platte angezogen und von der negativ geladenen Platte deutlich abgestoßen. Das heißt, sie verhielten sich wie erwartet von einem Strom schnell fliegender winziger Teilchen, die mit negativer Elektrizität geladen waren. Ausgezeichnetes Ergebnis!

Es könnte sicherlich allen Kontroversen über die Natur der Kathodenstrahlen ein Ende setzen. Doch Thomson betrachtete seine Forschung nicht als abgeschlossen. Nachdem er die Natur der Strahlen qualitativ bestimmt hatte, wollte er den Teilchen, aus denen sie bestanden, eine genaue quantitative Definition geben.

Inspiriert durch den ersten Erfolg entwarf er eine neue Röhre: eine Kathode, Beschleunigungselektroden in Form von Ringen und Platten, an die eine Ablenkspannung angelegt werden konnte. Auf die Wand gegenüber der Kathode trug er eine dünne Schicht einer Substanz auf, die unter dem Einfluss einfallender Partikel glühen kann. Das Ergebnis war der Vorläufer der Kathodenstrahlröhren, die uns im Zeitalter von Fernsehern und Radargeräten so vertraut war.

Das Ziel von Thomsons Experiment bestand darin, einen Strahl von Teilchen durch ein elektrisches Feld abzulenken und diese Ablenkung durch ein magnetisches Feld zu kompensieren. Die Schlussfolgerungen, zu denen er als Ergebnis des Experiments kam, waren erstaunlich. Zunächst stellte sich heraus, dass die Teilchen in der Röhre mit enormen Geschwindigkeiten fliegen, nahe der Lichtgeschwindigkeit. Und zweitens war die elektrische Ladung pro Masseneinheit der Teilchen fantastisch groß.

Was waren das für Teilchen: unbekannte Atome mit riesigen elektrischen Ladungen oder winzige Teilchen mit unbedeutender Masse, aber geringerer Ladung? Er entdeckte außerdem, dass das Verhältnis der spezifischen Ladung zu einer Masseneinheit ein konstanter Wert ist, unabhängig von der Geschwindigkeit der Teilchen, dem Kathodenmaterial und der Art des Gases, in dem die Entladung stattfindet.

Diese Unabhängigkeit war alarmierend. Es scheint, dass die Teilchen eine Art universelle Materieteilchen waren, Bestandteile von Atomen. „Nach einer langen Diskussion der Experimente“, schreibt Thompson in seinen Memoiren, „stellte sich heraus, dass ich die folgenden Schlussfolgerungen nicht vermeiden konnte:

1. Dass Atome nicht unteilbar sind, weil negativ geladene Teilchen durch elektrische Kräfte, den Aufprall sich schnell bewegender Teilchen, ultraviolettes Licht oder Hitze aus ihnen herausgerissen werden können.

2. Dass diese Teilchen alle die gleiche Masse haben, die gleiche Ladung negativer Elektrizität tragen, unabhängig von der Art der Atome, aus denen sie stammen, und Bestandteile aller Atome sind.

3. Die Masse dieser Teilchen beträgt weniger als ein Tausendstel der Masse eines Wasserstoffatoms. Ich habe diese Teilchen ursprünglich Korpuskeln genannt, aber jetzt tragen sie den passenderen Namen „Elektron“.

Thomson begann mit den Berechnungen. Zunächst war es notwendig, die Parameter der mysteriösen Körperchen zu bestimmen, und dann könnte man vielleicht entscheiden, um welche es sich handelt. Die Ergebnisse der Berechnungen zeigten: Es besteht kein Zweifel, dass die unbekannten Teilchen nichts anderes als kleinste elektrische Ladungen sind – unteilbare Elektrizitätsatome oder Elektronen.

Am 29. April 1897 fand in dem Raum, in dem seit mehr als zweihundert Jahren Tagungen der Royal Society of London stattgefunden hatten, sein Bericht statt. Die Zuhörer waren begeistert. Die Freude der Anwesenden war keineswegs darauf zurückzuführen, dass Kollege J. J. Thomson die wahre Natur der Kathodenstrahlen so überzeugend enthüllt hatte.

Die Situation war viel ernster. Atome, die Grundbausteine ​​der Materie, sind keine elementaren runden Körner mehr, undurchdringlich und unteilbar, Teilchen ohne innere Struktur ...

Wenn negativ geladene Teilchen aus ihnen herausfliegen könnten, bedeutet das, dass die Atome eine Art komplexes System gewesen sein müssen, ein System bestehend aus etwas, das mit positiver Elektrizität geladen ist, und negativ geladenen Teilchen – Elektronen. Nun sind weitere wichtige Hinweise für zukünftige Recherchen sichtbar geworden.

Zunächst galt es natürlich, Ladung und Masse eines Elektrons genau zu bestimmen. Dies würde es ermöglichen, die Atommassen aller Elemente zu klären, die Massen der Moleküle zu berechnen und Empfehlungen für den richtigen Aufbau von Reaktionen zu geben.

Im Jahr 1903 im selben Cavendish-Labor bei Thomson G. Wilson nahm eine wichtige Änderung an Thomsons Methode vor. In einem Gefäß, in dem eine schnelle adiabatische Expansion ionisierter Luft stattfindet, werden Kondensatorplatten platziert, zwischen denen ein elektrisches Feld erzeugt und der Wolkenfall beobachtet werden kann, sowohl in Gegenwart eines Feldes als auch in Abwesenheit davon.

Wilsons Messungen ergaben einen Wert für die Ladung des Elektrons von 3,1 mal 10 minus zehnten Potenzen von abs.el. Einheiten Wilsons Methode wurde von vielen Forschern verwendet, darunter auch Studenten der Universität St. Petersburg Malikow Und Alekseev, der feststellte, dass die Ladung 4,5 mal 10 hoch minus zehntel Potenz abs.el entspricht. Einheiten Dies war das Ergebnis, das dem wahren Wert am nächsten kam, bevor Millikan 1909 mit der Messung einzelner Tropfen begann.

So wurde es entdeckt und gemessen Elektron - universelles Atomteilchen, das erste der sogenannten „Elementarteilchen“, das von Physikern entdeckt wurde. Diese Entdeckung ermöglichte es den Physikern zunächst, die Frage nach der Untersuchung der elektrischen, magnetischen und optischen Eigenschaften der Materie auf neue Weise zu stellen.

Informationsquelle: Samin D.K. „One Hundred Great Scientific Discoveries“, M.: „Veche“, 2002.

Die Debatte darüber, wer das Elektron entdeckt hat, dauert bis heute an. Neben Joseph Thomson sehen einige Wissenschaftshistoriker Hendrik Lorentz und Peter Zeeman als Entdecker des Elementarteilchens, andere - Emil Wichert und wieder andere - Philip Lenard. Wer ist er also – der Wissenschaftler, der das Elektron entdeckt hat?

Atom bedeutet unteilbar

Der Begriff „Atom“ wurde von Philosophen eingeführt. Der antike griechische Denker Leukipp im 5. Jahrhundert v. Chr. e. vermutete, dass alles auf der Welt aus winzigen Teilchen besteht. Sein Schüler Demokrit nannte sie Atome. Laut dem Philosophen sind Atome die „Bausteine“ des Universums, unteilbar und ewig. Die Eigenschaften von Stoffen hängen von ihrer Form und äußeren Struktur ab: Atome fließenden Wassers sind glatt, Metallatome haben Profilzähne, die dem Körper Härte verleihen.

Der herausragende russische Wissenschaftler M. V. Lomonosov, der Begründer der atomar-molekularen Theorie, glaubte, dass bei der Zusammensetzung einfacher Substanzen Korpuskeln (Moleküle) von einer Atomart gebildet werden, während komplexe von verschiedenen Atomarten gebildet werden.

Ein autodidaktischer Chemiker (Manchester) ermittelte 1803 anhand experimenteller Daten und unter Annahme der Masse von Wasserstoffatomen als konventionelle Einheit die relativen Atommassen einiger Elemente. Die Atomtheorie des Engländers war für die Weiterentwicklung der Chemie und Physik von großer Bedeutung.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde eine ganze Reihe experimenteller Daten gesammelt, die die Komplexität der Struktur des Atoms bewiesen. Dazu gehören das Phänomen des photoelektrischen Effekts (G. Hertz, A. Stoletov 1887), die Entdeckung der Kathode (J. Plücker, W. Crooks, 1870) und der Röntgenstrahlen (V. Roentgen, 1895), der Radioaktivität (A . Becquerel, 1896).

Wissenschaftler, die mit Kathodenstrahlen arbeiteten, teilten sich in zwei Lager: Einige gingen von der Wellennatur des Phänomens aus, andere von der Korpuskularnatur. Greifbare Ergebnisse erzielte Jean Baptiste Perin, Professor an der Ecole Normale Supérieure (Lille, Frankreich). 1895 zeigte er durch Experimente, dass Kathodenstrahlen ein Strom negativ geladener Teilchen sind. Vielleicht ist Peren der Physiker, der das Elektron entdeckt hat?

An der Schwelle zu großen Erfolgen

Der Physiker und Mathematiker George Stoney (Royal Irish University, Dublin) äußerte 1874 die Annahme, dass Elektrizität diskret sei. In welchem ​​Jahr und wer war er? Im Zuge experimenteller Arbeiten zur Elektrolyse war es D. Stoney, der den Wert der minimalen elektrischen Ladung bestimmte (obwohl das erhaltene Ergebnis (10 -20 °C) 16-mal geringer war als das tatsächliche ). Im Jahr 1891 nannte ein irischer Wissenschaftler die Einheit der elektrischen Elementarladung „Elektron“ (vom altgriechischen „Bernstein“).

Ein Jahr später formulierte Hendrik Lawrence (Niederlande) die wichtigsten Bestimmungen seiner elektronischen Theorie, nach der die Struktur jeder Substanz auf diskreten elektrischen Ladungen basiert. Diese Wissenschaftler gelten nicht als Entdecker des Teilchens, aber ihre theoretischen und praktischen Forschungen wurden zu einer verlässlichen Grundlage für Thomsons zukünftige Entdeckung.

Unerschütterlicher Enthusiast

Auf die Frage, wer wann das Elektron entdeckt hat, geben Enzyklopädien eine klare und eindeutige Antwort – Joseph John Thomson im Jahr 1897. Was ist also das Verdienst des englischen Physikers?

Der Vater des zukünftigen Präsidenten der Royal Society of London war Buchhändler und vermittelte seinem Sohn von Kindheit an die Liebe zum gedruckten Wort und den Durst nach neuem Wissen. Nach seinem Abschluss am Owens College (ab 1903 – und an der University of Cambridge im Jahr 1880) ging der junge Mathematiker Joseph Thomson zur Arbeit am Cavendish Laboratory. Experimentelle Forschung faszinierte den jungen Wissenschaftler völlig. Kollegen bemerkten seine Unermüdlichkeit, Entschlossenheit und außergewöhnliche Leidenschaft für die Praxis arbeiten.

1884, im Alter von 28 Jahren, wurde Thomson als Nachfolger von Lord C. Rayleigh zum Direktor des Labors ernannt. Unter Thomsons Führung entwickelte sich das Labor in den nächsten 35 Jahren zu einem der größten Zentren der Weltphysik. Von hier aus begannen N. Bor und P. Langevin ihre Reise.

Aufmerksamkeit fürs Detail

Thomson begann seine Arbeit zur Untersuchung der Kathodenstrahlen mit der Überprüfung der Experimente seiner Vorgänger. Für viele Experimente wurden Sondergeräte nach persönlichen Zeichnungen des Laborleiters angefertigt. Nachdem Thomson eine qualitative Bestätigung der Experimente erhalten hatte, dachte er nicht einmal daran, damit aufzuhören. Er sah seine Hauptaufgabe darin, die Natur der Strahlen und ihrer Bestandteile quantitativ genau zu bestimmen.

Die für die folgenden Experimente konzipierte neue Röhre enthielt neben der üblichen Kathode auch Beschleunigungselektroden (in Form von Platten und Ringen) mit Ablenkspannung. Der Teilchenstrom wurde auf einen Schirm gerichtet, der mit einer dünnen Schicht einer Substanz bedeckt war, die beim Auftreffen der Teilchen leuchtete. Der Fluss sollte durch den kombinierten Einfluss elektrischer und magnetischer Felder gesteuert werden.

Bestandteile eines Atoms

Es ist schwer, ein Pionier zu sein. Noch schwieriger ist es, seine Überzeugungen zu verteidigen, die im Widerspruch zu den seit Jahrtausenden etablierten Konzepten stehen. Der Glaube an sich selbst und an sein Team machte Thomson zum Entdecker des Elektrons.

Die Erfahrung führte zu erstaunlichen Ergebnissen. Es stellte sich heraus, dass die Masse der Teilchen zweitausendmal geringer war als die von Wasserstoffionen. Das Verhältnis der Ladung eines Teilchens zu seiner Masse hängt nicht von der Strömungsgeschwindigkeit, den Eigenschaften des Kathodenmaterials oder der Art des gasförmigen Mediums ab, in dem die Entladung stattfindet. Mir kam eine Schlussfolgerung in den Sinn, die allen Grundlagen widersprach: Korpuskeln sind universelle Materieteilchen innerhalb eines Atoms. Immer wieder überprüfte Thomson sorgfältig und sorgfältig die Ergebnisse von Experimenten und Berechnungen. Als kein Zweifel mehr bestand, wurde der Royal Society of London ein Bericht über die Natur der Kathodenstrahlen vorgelegt. Im Frühjahr 1897 hörte das Atom auf, unteilbar zu sein. Im Jahr 1906 erhielt Joseph Thomson den Nobelpreis für Physik.

Unbekannt Johann Wichert

Der Name des Geophysiklehrers in Köningsbör und dann der Universität Göttingen, Forscher der Seismographie unseres Planeten Johann Emil Wichert, ist in den Fachkreisen von Geologen und Geographen besser bekannt. Aber auch Physikern ist es bekannt. Dies ist die einzige Person, die die offizielle Wissenschaft neben Thomson als Entdecker des Elektrons anerkennt. Und um ganz genau zu sein: Das Werk, das Wicherts Experimente und Berechnungen beschreibt, wurde im Januar 1897 veröffentlicht – vier Monate früher als der Bericht des Engländers. Wer das Elektron entdeckt hat, ist historisch bereits geklärt, aber die Tatsache bleibt eine Tatsache.

Als Referenz: Thomson verwendete in keinem seiner Werke den Begriff „Elektron“. Er verwendete den Namen „Körperchen“.

Wer hat Proton, Neutron und Elektron entdeckt?

Nach der Entdeckung des ersten Elementarteilchens begann man, Annahmen über den möglichen Aufbau des Atoms zu treffen. Eines der ersten Modelle wurde von Thomson selbst vorgeschlagen. Ein Atom, sagte er, sei wie ein Stück Rosinenpudding: ein positiv geladener Körper, durchsetzt mit negativen Teilchen.

1911 (Neuseeland, Großbritannien) schlug er vor, dass das Atommodell eine Planetenstruktur habe. Zwei Jahre später stellte er die Hypothese auf, dass es im Kern eines Atoms ein positiv geladenes Teilchen gäbe, und nachdem er es experimentell ermittelt hatte, nannte er es ein Proton. Er sagte auch die Anwesenheit eines neutralen Teilchens mit der Masse eines Protons im Kern voraus (das Neutron wurde 1932 vom englischen Wissenschaftler J. Chadwick entdeckt). Im Jahr 1918 übertrug Joseph Thomson die Leitung des Labors an Ernest Rutherford.

Unnötig zu erwähnen, dass uns die Entdeckung des Elektrons einen neuen Blick auf die elektrischen, magnetischen und optischen Eigenschaften der Materie ermöglichte. Es ist schwer, die Rolle von Thomson und seinen Anhängern bei der Entwicklung der Atom- und Kernphysik zu überschätzen.

Ein Elektron ist ein subatomares Teilchen, das sowohl auf elektrische als auch auf magnetische Felder reagiert.

In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts untersuchten Physiker aktiv das Phänomen der Kathodenstrahlen. Der einfachste Apparat, in dem sie beobachtet wurden, war ein mit verdünntem Gas gefülltes, verschlossenes Glasrohr, in das auf beiden Seiten eine Elektrode eingelötet war: auf einer Seite Kathode, verbunden mit dem Minuspol der elektrischen Batterie; mit einem anderen - Anode, mit dem Pluspol verbunden. Beim Anlegen einer Hochspannung an das Kathoden-Anoden-Paar begann das verdünnte Gas in der Röhre zu glühen, und bei niedrigen Spannungen wurde das Glühen nur im Kathodenbereich und mit zunehmender Spannung im Inneren der gesamten Röhre beobachtet; Wenn jedoch das Gas ab einem bestimmten Zeitpunkt aus der Röhre gepumpt wurde, verschwand das Leuchten im Kathodenbereich und blieb in der Nähe der Anode. Wissenschaftler führten dieses Leuchten darauf zurück Kathodenstrahlen.

Ende der 1880er Jahre nahm die Diskussion über die Natur der Kathodenstrahlen einen scharf polemischen Charakter an. Die überwiegende Mehrheit der prominenten Wissenschaftler der deutschen Schule war der Meinung, dass Kathodenstrahlen wie Licht Wellenstörungen des unsichtbaren Äthers seien. In England war man der Meinung, dass Kathodenstrahlen aus ionisierten Molekülen oder Atomen des Gases selbst bestehen. Jede Seite hatte starke Beweise, die ihre Hypothese stützten. Befürworter der Molekülhypothese wiesen zu Recht darauf hin, dass Kathodenstrahlen unter dem Einfluss eines Magnetfelds abgelenkt werden, während Lichtstrahlen durch das Magnetfeld nicht beeinflusst werden. Daher bestehen sie aus geladenen Teilchen. Andererseits konnten Befürworter der Korpuskularhypothese eine Reihe von Phänomenen nicht erklären, insbesondere den 1892 entdeckten Effekt des nahezu ungehinderten Durchgangs von Kathodenstrahlen durch dünne Aluminiumfolie.

Im Jahr 1897 schließlich beendete der junge englische Physiker J. J. Thomson diese Streitigkeiten endgültig und wurde zugleich jahrhundertelang als Entdecker des Elektrons berühmt. In seinem Experiment verwendete Thomson eine verbesserte Kathodenstrahlröhre, deren Design durch elektrische Spulen ergänzt wurde, die (gemäß dem Ampere-Gesetz) ein Magnetfeld im Inneren der Röhre erzeugten, und einen Satz paralleler elektrischer Kondensatorplatten, die im Inneren ein elektrisches Feld erzeugten das Rohr. Dadurch wurde es möglich, das Verhalten von Kathodenstrahlen unter dem Einfluss magnetischer und elektrischer Felder zu untersuchen.

Mit einem neuen Röhrendesign hat Thomson konsequent gezeigt, dass:

• Kathodenstrahlen werden in einem Magnetfeld abgelenkt, wenn kein elektrisches Feld vorhanden ist;
• Kathodenstrahlen werden in Abwesenheit eines Magnetfelds in einem elektrischen Feld abgelenkt;
• Bei gleichzeitiger Einwirkung von elektrischen und magnetischen Feldern ausgeglichener Intensität, die in Richtungen ausgerichtet sind, die getrennt Abweichungen in entgegengesetzte Richtungen verursachen, breiten sich die Kathodenstrahlen geradlinig aus, d. h. die Wirkung der beiden Felder ist gegenseitig ausgeglichen.

Thomson fand heraus, dass die Beziehung zwischen den elektrischen und magnetischen Feldern, bei der sich ihre Wirkungen ausgleichen, von der Geschwindigkeit abhängt, mit der sich die Teilchen bewegen. Nach einer Reihe von Messungen konnte Thomson die Bewegungsgeschwindigkeit der Kathodenstrahlen bestimmen. Es stellte sich heraus, dass sie sich viel langsamer als die Lichtgeschwindigkeit bewegen, was bedeutete, dass Kathodenstrahlen nur Teilchen sein konnten, da sich jede elektromagnetische Strahlung, einschließlich des Lichts selbst, mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet (siehe Spektrum der elektromagnetischen Strahlung). Diese unbekannten Teilchen. Thomson nannte sie „Körperchen“, aber bald wurden sie als „Elektronen“ bekannt.

Es wurde sofort klar, dass Elektronen als Teil von Atomen existieren müssen – woher würden sie sonst kommen? Der 30. April 1897 – das Datum, an dem Thomson auf einer Tagung der Royal Society of London über seine Ergebnisse berichtete – gilt als Geburtstag des Elektrons. Und an diesem Tag gehörte die Idee der „Unteilbarkeit“ der Atome der Vergangenheit an (siehe Atomtheorie des Aufbaus der Materie). Zusammen mit der etwas mehr als zehn Jahre später folgenden Entdeckung des Atomkerns (siehe Rutherfords Experiment) legte die Entdeckung des Elektrons den Grundstein für das moderne Atommodell.

Die oben beschriebenen „Kathoden“-Röhren, genauer: Kathodenstrahlröhren, wurden zu den einfachsten Vorläufern moderner Fernsehbildröhren und Computermonitore, bei denen unter Einfluss streng kontrollierte Mengen an Elektronen aus der Oberfläche einer heißen Kathode herausgeschlagen werden Durch magnetische Wechselfelder werden sie in genau festgelegten Winkeln abgelenkt und bombardieren die phosphoreszierenden Zellen der Bildschirme und erzeugen auf ihnen ein klares Bild, das auf dem photoelektrischen Effekt beruht, dessen Entdeckung ohne unsere Kenntnis der wahren Natur der Kathode ebenfalls unmöglich wäre Strahlen.