Эрик Роджерс - Физика для любознательных. Том 3. Электричество и магнетизм. Атомы и ядра

Таблица значений e / m и е / М

(Самые первые измерения были недостаточно точны. В таблице приведены данные, полученные уже тогда, когда были разработаны хорошие экспериментальные методики; численные результаты обычно рассчитывались по отклонениям частиц в электрическом и магнитном полях.)

Частицы ∙ Значение e / M и е / m, кулон/кг

∙Катодные лучи в разрядной трубке: электроны, выбитые из атомов газа или металлического электрода с помощью бомбардировки. [Поскольку это был самый первый метод получения электронных пучков (благодаря нему за ними и закрепилось название катодных лучей), приводятся результаты трех различных экспериментов.] ∙ 1,775∙10 11; 1,761∙10 11; 1,759∙10 11

∙Электроны, вылетающие из вольфрамовой спиральки, накаленной добела (как в диоде) ∙ 1,76∙10 11

∙Электроны с раскаленного докрасна оксидного катода (какие применяются в современных радиолампах) ∙ 1,78∙10 11

∙Электроны, выбитые из металла ультрафиолетовым светом («фотоэлектрический эффект», используемый в фотоэлементах) ∙ 1,756∙10 11

∙Внутриатомные электроны, вынуждаемые внешним магнитным полем к изменению своих «орбит» (эффект Зеемана) ∙ 1,761∙10 11

∙Электроны в водородных и гелиевых атомах: использован метод сравнения электронной массы с массой атома по измерениям длин волн в спектрах, трактуемых теорией Бора, которая считается верной ∙ 1,761∙10 11

∙Медленные бета-частицы, испускаемые радиоактивными атомами ∙ 1,763∙10 11

∙Бета-частицы (медленные… умеренно быстрые… быстрые), испускаемые радиоактивными атомами; получается непрерывный набор значений ∙ от 1,76∙10 11до 0,35∙10 11

∙В более поздних экспериментах, когда электроны, испускаемые горячими катодами, стали разгонять до огромных энергий на ускорителях, нижняя граница интервала получаемых значений е / m опустилась; получены величины, в тысячи раз меньшие — это изменение связывается с релятивистским увеличением массы

∙Положительно заряженные лучи: положительные ионы в разрядных трубках. Значение е / М зависит от того, какой газ наполняет трубку:

— ион водорода Н+ ∙ 1,76∙10 11/1840

— ион кислорода О +∙ 1,76∙10 11/16∙1840

— ион кислорода О ++∙ 1,76∙10 11∙2/16∙1840

— ионы ртути Hg +, Hg ++… до Hg ++++++++ ∙ 1,76∙10 11(от 1 до 8)/200∙1840

∙Положительные ионы при электролизе:

— ион водорода Н+ ∙ 1,76∙10 11/1840

— меди Си ++ ∙ 1,76∙10 11∙2/63,6∙1840

— ион хлора Сl - ∙ 1,76∙10 11/35∙1840

∙Альфа-частицы, испускаемые радиоактивными атомами ∙ 1,76∙10 11∙2/4∙1840

∙И многие недавно открытые частицы (например, μ-мезоны) ∙ 1,76∙10 11/~200

Вычислим дроби более точно;

m/ M= ( e/ M)/( e/ m) = 9.75∙10 7/1.76∙10 11= 1/1840

Электрон и атом, его потерявший (т. е. оставшийся от атома положительный ион), имеют равные и противоположные по знаку заряды, поскольку вещество обычно нейтрально. Но массы их чрезвычайно сильно отличаются. Не удивительно, что электроны так подвижны в электрических полях: легко отклоняемый пучок электроны образуют в телевизионной трубке, мгновенно, как охваченная паникой толпа, срываются с места в счетчике Гейгера. При таком большом в сравнении со своей маленькой массой заряде они ускоряются в электрических полях много быстрее, чем заряженные атомы. Лишь когда электроны приобретают огромные кинетические энергии, миллиарды электронвольт, они кажутся (неподвижным наблюдателям) такими же массивными, как атомы.

Зачем нужно знать е

Если мы сможем измерить е , то, поделив эту величину на определенное ранее отношение е / m , найдем массу отдельного электрона. А массу отдельного атома с его помощью узнать еще проще, поскольку е / М для атомных ионов легко определяется из опытов по электролизу. По атомным массам можно рассчитать массу любой молекулы, а следовательно, число молекул в любом образце жидкости или газа. Кроме того, теории атомной структуры не обходятся без вычислений, для которых необходимо знать истинную величину е . Точное знание этой величины имеет чрезвычайно важное значение.

Измерение е

К 1900 г. существование электрона как атомной частицы было установлено и определено отношение elm для него, но о величине е можно было строить лишь приблизительные догадки. Экспериментальные факты по электролизу задолго до этого указывали на то, что существуют «атомы электричества», во всем подобные друг другу, причем некоторые ионы несут по одному такому атому электрического заряда, другие — по два и т. д. К 1910 г. величина е стала крайне необходимой для развития атомных теорий — теорию Бора нельзя было бы как следует проверить, не зная как следует ни е , ни е / m . Дж. Дж. Томсон и другие попытались измерить е , формируя облачка из мельчайших водяных капелек, каждая из которых образовывалась вокруг иона с зарядом е , а затем собирая эти облачка. Это дало лишь грубую оценку, и не было никакой уверенности, что все эти заряды в точности равны [106]. Тогда Р. А. Милликен [107]и поставил свой великий эксперимент, в котором использовал крошечную капельку масла, собиравшую небольшой заряд с ионов воздуха. Он снова и снова измерял полный заряд капельки и каждый раз обнаруживал, что тот в небольшое целое число раз (например, в 1, 2 или 10) больше некоторого основного заряда, который во всех случаях был одним и тем же. Поначалу он не знал ни величины этого универсального основного заряда, «электрона», ни того, сколько таких зарядов помещалось на его капельке. Он должен был проводить измерения со многими заряженными каплями, а потом устраивать арифметическую «угадайку». Задача была «похожа на случай, когда вам надо найти вес одного яйца, если даны веса большого числа бумажных кульков с яйцами, в каждом из которых находится свое, к тому же неизвестное число яиц» [108].