Ю.О. Беличенко. Электрон. Планетарная модель атома

Обзорная лекция преподавателя физики и математики Юлии Олеговны Беличенко

Немецкого физика Вильгельма Эдуарда Вебера (1804-1891) называют одним из творцов электронной теории. Именно у него с 1862 года появились впервые ясные и четкие идеи об атомном строении электричества. Правда он считал подвижными атомы положительного электричества.

В 1874 году ирландский физик и математик Джордж Джонстон Стоней (1826-1911) ввёл в науку термин «электрон», определив его как «фундаментальную единицу измерения электроэнергии». На заседании Британской ассоциации обратил внимание на существование в природе трех «естественных единиц»: скорости света, постоянной тяготения и заряда «электрического атома».

Немецкий физик, врач, физиолог, психолог, акустик Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц (1821-1894) в 1881 году в своей известной речи заявил: «Если мы допускаем существование химических атомов, то мы принуждены заключить отсюда далее, что также и электричество, как положительное, так и отрицательное, разделяется на определенные элементарные количества, которые играют роль атомов электричества».

В 1869 году немецкий физик и химик  Иоганн Вильгельм Гитторф (1824-1914) , получив в разрядной трубке вакуум, заметил, что темное катодное пространство быстро распространяется по всей трубке, вследствие чего стенки трубки начинают сильно флюоресцировать. Так Гитторф впервые наблюдал катодные лучи – электроны, ускоряемые в вакууме разностью потенциалов между катодом и анодом.  Он ещё подметил, что свечения трубки смещаются под действием магнита.

Немецкий физик, лауреат Нобелевской премии по физике (1905 год) «за исследовательские работы по катодным лучам» Филипп Эдуард Антон фон Ленард (1862-1947) опытным путём убедительно доказал, что катодные лучи могут выйти наружу при сохранении вакуума в трубке, т. е. эти лучи не могут быть частичками металла или газа. Но этого мало. Катодные лучи в воздухе производят люминисцирующее и фотографическое действие. Ленард был первым физиком, наблюдавшим действие рентгеновских лучей и даже получившим первую рентгенограмму. Но он не сумел понять в должной мере своего открытия и характеризовал его всего лишь как доказательство волновой природы катодных лучей.

Французский физик Жан Бати́ст Перре́н (1870-1942) в опыте в 1895 году обнаружил заряд катодных лучей, поместив против катода цилиндр, соединенный с электрометром. При прохождении разряда цилиндр зарядился отрицательно. Отсюда Перрен с несомненностью установил перенос заряда катодными лучами.

Однако в историю науки именно английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) вошел как человек, открывший электрон. С 1884 по 1919 год Томсон руководил лабораторией Кавендиша. За это время она превратилась в крупный центр мировой физики, в международную школу физиков. Здесь начали свой научный путь Резерфорд, Бор, и многие другие, в том числе и русские ученые. Джозеф Джон Томсон не владел ни одним иностранным языком и отказывался от любых попыток разговора даже на французском, полностью полагаясь на свою жену в качестве переводчика. Несмотря на то, что он мог бегло читать по-французски и по-немецки, он никогда не писал и не говорил на этих языках. Свободно владел Эсперанто.

Он сконструировал трубку: катод, ускоряющие электроды в виде колечек, и пластинки, на которые можно было подавать отклоняющее напряжение. На стенку он нанес тонкий слой вещества, способного светиться под ударами налетающих частиц. Получился предок электроннолучевых трубок, так хорошо знакомых нам в век телевизоров и радиолокаторов.

Цель опыта Томсона заключалась в том, чтобы отклонить пучок корпускул электрическим полем и компенсировать это отклонение полем магнитным. Выводы, к которым он пришел в результате эксперимента, были поразительны.

Во-первых, оказалось, что частицы летят в трубке с огромными скоростями, близкими к световым. А во-вторых, электрический заряд, приходившийся на единицу массы корпускул, был фантастически большим. Что же это были за частицы? Томпсон пришёл к следующим заключениям:

1. Что атомы не неделимы
2. Что эти частицы все одинаковой массы, несут одинаковый заряд отрицательного электричества,  и являются компонентами всех атомов.
3. Масса этих частиц меньше, чем одна тысячная массы атома водорода.

Теперь называются „электрон“— универсальная частица атомов, первая из открытых физиками так называемых «элементарных частиц». Но как электроны в атомах расположены? Модель, предложенная Дж. Дж. Томсоном: атом состоит из положительно заряженного вещества, внутрь которого вкраплены электроны, так что атом напоминает пудинг с изюмом. Томсоновскую модель атома нельзя было непосредственно проверить.

Планетарная модель атома

Единственной моделью строения атома стала известная всем с 9 класса школы планетарная модель Резерфорда, право на существование которой доказывалось строгими, простыми и красивыми опытами Эрнеста Резерфорда (1871-1937) В 1898 году Резерфорд принял место профессора Макгиллского университета в Монреале, где начал серию важных экспериментов, касающихся радиоактивного излучения элемента урана; совместно с Содди он открыл радиоактивный распад и его закон.

В 1908 году Резерфорду будет присуждена Нобелевская премия по химии «за проведенные им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ». Но это будет уже в ХХ веке.