Descoperirea electronului este scurtă. Istoria descoperirii electronului

În 1897, fizicianul britanic Joseph John Thomson (1856-1940) a descoperit electronul după o serie de experimente menite să studieze natura descărcare electricăîn vid. Celebrul om de știință a interpretat deviațiile razelor plăcilor și magneților încărcate electric ca o dovadă că electronii sunt mult mai mici decât atomii.

Marele fizician și om de știință a trebuit să devină inginer

Thomson Joseph John, marele și mentorul, ar fi trebuit să devină inginer, așa credea tatăl său, dar la acea vreme familia nu avea mijloacele să plătească pentru educație. În schimb, tânărul Thomson a urmat o facultate la Machester și mai târziu la Cambridge. În 1884 a fost numit în postul prestigios de profesor de fizică experimentală la Cambridge, deși personal a efectuat foarte puține lucrări experimentale. A descoperit un talent pentru dezvoltarea echipamentelor și diagnosticarea problemelor conexe. Thomson Joseph John a fost un profesor bun, și-a inspirat studenții și a acordat o atenție considerabilă problemei generale a dezvoltării științei predării în universități și școlile secundare.

Laureat al Premiului Nobel

Thomson a primit numeroase premii diferite, inclusiv Premiul Nobel pentru fizică în 1906. De asemenea, a avut marea plăcere să-i vadă pe unii dintre apropiații săi primind premiile Nobel, inclusiv pe Rutherford la chimie în 1908. O serie de oameni de știință, precum William Prout și Norman Lockyer, au propus că atomii nu sunt cele mai mici particule din Univers și că sunt construiți din unități mai fundamentale.

Descoperirea electronului (pe scurt)

În 1897, Thompson a propus că una dintre unitățile de bază era de 1000 de ori mai mică decât un atom, acesta a devenit cunoscut sub numele de electron. Omul de știință a descoperit acest lucru prin cercetările sale asupra proprietăților razelor catodice. El a estimat masa razelor catodice prin măsurarea căldurii generate atunci când razele de tranziție termică lovin și a comparat-o cu deviația magnetică a razei. Experimentele sale arată nu numai că razele catodice sunt de 1000 de ori mai ușoare decât un atom de hidrogen, dar și că masa lor a fost aceeași, indiferent de tipul de atom. Omul de știință a ajuns la concluzia că razele constau din particule foarte ușoare, încărcate negativ, care sunt universale material de constructie pentru atomi. El a numit aceste particule „corpuscule”, dar mai târziu oamenii de știință au preferat denumirea de „electroni”, propusă de George Johnston Stoney în 1891.

experimentele lui Thompson

Comparând deviația fasciculelor catodice cu electrice și câmpuri magnetice, fizicianul a obținut măsurători mai fiabile ale sarcinii și masei electronului. Experimentul lui Thomson a fost efectuat în interiorul unor tuburi speciale cu raze catodice. În 1904, el a emis ipoteza că modelul atomic reprezenta o sferă de materie pozitivă în care pozițiile particulelor erau determinate de forțe electrostatice. Pentru a explica sarcina general neutră a atomului, Thompson a sugerat că corpusculii erau distribuiți într-un câmp uniform de sarcină pozitivă. Descoperirea electronului a făcut posibil să se creadă că atomul ar putea fi împărțit în părți și mai mici și a fost primul pas către crearea unui model detaliat al atomului.

Istoria descoperirii

Joseph John Thomson este recunoscut pe scară largă drept descoperitorul electronului. Profesorul și-a petrecut cea mai mare parte a carierei lucrând la diverse aspecte ale conducerii energiei electrice prin gaze. În 1897 (anul în care a fost descoperit electronul), el a demonstrat experimental că așa-numitele raze catodice erau de fapt particule încărcate negativ în mișcare.

Multe intrebari interesante este direct legată de procesul de descoperire. Este clar că caracterizarea razelor catodice fusese studiată chiar înainte de Thomson, iar câțiva oameni de știință aduseseră deja contribuții importante. Este atunci posibil să spunem cu certitudine că Thomson a fost primul care a descoperit electronul? La urma urmei, el nu a inventat tubul cu vid sau prezența razelor catodice. Descoperirea unui electron este un proces pur cumulativ. Pionierul creditat aduce o contribuție majoră prin generalizarea și sistematizarea întregii experiențe acumulate înaintea sa.

Tuburi catodice Thomson

Marea descoperire a electronului a fost făcută folosind echipamente speciale si in anumite conditii. Thomson a efectuat o serie de experimente folosind un tub catodic elaborat, care includea două plăci cu raze care călătoresc între ele. Controversa de lungă durată cu privire la natura razelor catodice apărute în timpul trecerii curent electric printr-un vas din care a fost pompat cea mai mare parte a aerului.

Acest vas era un tub catodic. Folosind o metodă de vid îmbunătățită, Thomson a reușit să facă un argument convingător că aceste raze erau compuse din particule, indiferent de tipul de gaz sau tipul de metal folosit ca conductor. Thomson poate fi numit pe bună dreptate omul care a divizat atomul.

Reclus științific? Nu este vorba despre Thomson

Fizicianul remarcabil al timpului său nu a fost în niciun caz un reclus științific, așa cum se consideră adesea oamenii de știință străluciți. A fost șeful administrativ al Laboratorului Cavendish de mare succes. Acolo omul de știință a cunoscut-o pe Rose Elizabeth Paget, cu care s-a căsătorit în 1890.

Thomson nu numai că a gestionat un număr de proiecte de cercetare, a finanțat și renovarea laboratoarelor cu puțin sprijin din partea universității și colegiilor. Era un profesor talentat. Oamenii pe care i-a adunat în jurul său din 1895 până în 1914 au venit din toate părțile lumii. Unii dintre ei au primit șapte premii Nobel sub conducerea sa.

În timp ce lucra cu Thomson la Laboratorul Cavendish în 1910, el a efectuat cercetări care au condus la înțelegerea modernă a

Thomson și-a luat foarte în serios activitățile de predare: a ținut în mod regulat prelegeri la școală primară dimineața și a predat știința studenților absolvenți după-amiaza. Omul de știință a considerat doctrina utilă cercetătorului pentru că necesită revizuirea periodică a ideilor de bază și, în același timp, lăsând loc și posibilității de a descoperi ceva nou la care nimeni nu-i acordase atenție până acum. Istoria descoperirii electronului confirmă clar acest lucru. Thompson și-a dedicat cea mai mare parte a lucrării sale științifice studiului trecerii particulelor de curent încărcate electric prin spațiul vid. A studiat catodul și razele X și a adus contribuții enorme la studiul fizicii atomice. În plus, Thomson a dezvoltat și o teorie a mișcării electronilor în câmpurile magnetice și electrice.

1.1 Descoperirea electronului și a radioactivității.

Nașterea ideilor despre structura complexă a atomului

Natura discretă a curentului electric este reflectată în lucrările lui Faraday privind electroliză - același curent duce la eliberarea de cantități diferite de substanță pe electrozi, în funcție de substanța dizolvată. Când se eliberează un mol dintr-o substanță monovalentă, o sarcină de 96.500 C trece prin electrolit, iar cu o substanță divalentă, sarcina se dublează. După ce a fost definită la sfârșitul secolului al XIX-lea. Numărul lui Avogadro a făcut posibilă estimarea mărimii sarcinii electrice elementare. Deoarece 6,02 10 23 atomi transferă o sarcină de 96.500 C, atunci ponderea unuia este de 1,2-10 -19 C. Prin urmare, aceasta este cea mai mică porțiune de electricitate sau un „atom de electricitate”. Georg Stoney a sugerat numirea acestui „atom de electricitate” un electron.

Lucrul cu curenți în gaze este complicat de dificultățile de a obține un mediu gazos rarefiat. Suflatorul german de sticlă G. Geisler a făcut tuburi pentru divertisment cu gaz rarefiat care strălucea când trecea un curent electric prin el. În ele, V. Gitthoff a descoperit radiația de la catod care a provocat fluorescența pereților tubului, care a fost numită raze catodice. După cum a stabilit fizicianul englez W. Crookes, aceste raze s-au propagat în linie dreaptă, au fost deviate de un câmp magnetic și au avut un efect mecanic.

Fizicianul francez J. Perrin a plasat un cilindru metalic cu o gaură opusă catodului în interiorul tubului în fața catodului și a descoperit că cilindrul era încărcat negativ. Când razele au fost deviate de câmpul magnetic și nu au intrat în cilindru, s-a dovedit a fi neîncărcat. Doi ani mai târziu, J. Thomson a așezat cilindrul nu în fața catodului, ci în lateral: un magnet adus a îndoit razele catodice, astfel încât acestea au intrat în cilindru și l-au încărcat negativ, dar pata fluorescentă de pe sticlă s-a deplasat. Aceasta înseamnă că razele sunt particule încărcate negativ. Un astfel de dispozitiv de măsurare se numește tub catodic cu vid înalt. Sub influența forței Lorentz cauzate de câmpul magnetic pornit în zona condensatorului, urma luminoasă a incidenței fasciculului pe ecran se schimbă. Așa că în 1895 s-a născut o nouă știință - electronice.

Acționând simultan cu câmpurile electrice și magnetice și modificându-le magnitudinea, Thomson le-a selectat astfel încât să fie compensate, razele catodice să nu devieze, iar pata de pe sticlă să nu se miște. El a obținut raportul dintre sarcina electrică și masa particulelor e/t = 1,3 10-7 C/g. Independent de Thomson, această valoare a fost măsurată pentru raze catodice de V. Kaufman și obținută valoare apropiată. Thomson a numit această particulă corpuscul, iar un electron este doar sarcina lui, dar atunci particula de raze catodice însăși a fost numită electron (din greacă. elektron - chihlimbar).

Descoperirea electronului și studiul proprietăților sale unice au stimulat cercetările asupra structurii atomului. Procesele de absorbție și emisie de energie de către materie au devenit clare; asemănări și diferențe ale elementelor chimice, activitatea lor chimică și inerția; sensul intern al Tabelului periodic al elementelor chimice al lui D.I Mendeleev, natura legăturilor chimice și mecanismele reacțiilor chimice; Au apărut dispozitive complet noi în care mișcarea electronilor joacă un rol decisiv. Vederile asupra naturii materiei s-au schimbat. Descoperirea electronului (1897) a început epoca fizicii atomice.

Din numeroase experimente cu transmiterea electronilor prin materie, J. Thomson a concluzionat că numărul de electroni dintr-un atom este legat de mărimea masei atomice. Dar în stare normală, atomul trebuie să fie neutru din punct de vedere electric și, prin urmare, în fiecare atom numărul de sarcini de diferite semne este egal. Deoarece masa unui electron este de aproximativ 1/2000 din masa unui atom de hidrogen, masa sarcinii pozitive trebuie să fie de 2000 de ori masa electronului. De exemplu, hidrogenul are aproape toată masa sa asociată cu o sarcină pozitivă. Odată cu descoperirea electronului, imediat au apărut noi probleme. Un atom este neutru, ceea ce înseamnă că trebuie să existe și alte particule cu o sarcină pozitivă în el. Încă nu au fost deschise.

Fizicianul francez A. Becquerel, în timp ce studia luminiscența, a descoperit (1896) fenomenul radioactivității. El a fost interesat de relația dintre fluorescența de la razele catodice de pe pereții tubului și razele X emise din această parte a tubului. Iradierea diverse substanțe, a încercat să afle dacă razele X ar putea fi emise de corpurile fosforescente iradiate cu lumina solară. Curând soții Curie au abordat problema și au descoperit un element mai activ, pe care l-au numit poloniu în onoarea Poloniei, locul de naștere al Mariei Curie. Măsurând amploarea efectului, a descoperit Skłodowska-Curie element nou- radiu, și numit efectul de radiație în sine radioactivitate(din lat. radio- emit raze). Intensitatea radiației radiului este de sute de mii de ori mai mare decât cea a uraniului. Apoi a fost descoperit al treilea element radioactiv - actiniul. Și a existat un anumit „boom” în studiul radioactivității.

Până la sfârșitul anului 1899, angajatul lui J. Thomson E. Rutherford a concluzionat: „... experimentele arată că radiația uraniului este complexă și constă din cel puțin două diverse tipuri: unul, absorbit rapid, să-i spunem a-radiere; altul, mai pătrunzător, să-i spunem radiație.” Trei ani mai târziu, P. Villar a găsit o altă componentă a radiației care nu a fost deviată de un câmp magnetic, el a fost numit -raze. Radioactivitatea a găsit rapid aplicație în știința naturii și în medicină.

Atomul nu mai era considerat indivizibil. Ideea structurii tuturor atomilor din atomii de hidrogen a fost exprimată încă din 1815 de către medicul englez W. Prout. Îndoielile cu privire la indivizibilitatea atomilor au dat naștere la descoperirea analizei spectrale și a Tabelului periodic al elementelor chimice. S-a dovedit că atomul în sine este o structură complexă cu mișcări interne componente, responsabil pentru spectrele caracteristice. Au început să apară modele ale structurii sale.

Modelul unui atom - o sarcină pozitivă este distribuită într-o regiune destul de mare încărcată pozitiv (posibil de formă sferică) și electronii sunt intercalate în el, ca „stafide într-o budincă” - a fost propus de Kelvin în 1902. J. Thomson și-a dezvoltat ideea: un atom este o picătură de budincă de materie încărcată pozitiv, în interiorul căreia sunt distribuiți electronii, care se află într-o stare de vibrație. Din cauza acestor vibrații, atomii emit energie electromagnetică; Astfel a putut explica dispersia luminii, dar au apărut multe întrebări. Pentru a explica Tabelul periodic al elementelor chimice, el a studiat diferite configurații ale electronilor, sugerând că configurațiile stabile corespund structurii elementelor inactive, cum ar fi gazele nobile, iar cele instabile corespund celor mai active. Pe baza lungimilor de undă ale luminii emise de atomi, Thomson a estimat aria ocupată de un astfel de atom la aproximativ 10 -10 m El a făcut o mulțime de presupuneri, fiind dus de calculul caracteristicilor radiațiilor conform teoriei lui Maxwell, deoarece el. credea că doar forțele electromagnetice acționează în interiorul atomului. În 1903, Thomson a obținut că electronii ar trebui să emită unde eliptice atunci când se mișcă, în 1904 - că atunci când numărul de electroni este mai mare de 8, ei să fie aranjați în inele și numărul lor în fiecare inel să scadă odată cu descreșterea razei inelului. Numărul de electroni nu permite atomilor radioactivi să fie stabili, ei emit particule alfa și se stabilește o nouă structură atomică. Experimentul lui E. Rutherford, unul dintre elevii lui Thomson, a condus la modelul nuclear al structurii atomului.

Descoperiri la sfârșitul secolului al XIX-lea. - razele X (1895), radioactivitatea naturală (Becquerel, 1896), electronul (J. Thomson, 1897), radiul (Pierre și Marie Curie, 1898), natura cuantică a radiațiilor (Planck, 1900) au fost începutul unei revoluție în știință.

1.2 Model planetar al structurii atomului. Știința modernăși postulatele lui Bohr

Modelul planetar al structurii atomului a fost propus pentru prima dată de J. Perrin, încercând să explice proprietățile observate prin mișcarea orbitală a electronilor. Dar V. Vin a considerat-o de nesuportat. În primul rând, atunci când un electron se rotește, conform electrodinamicii clasice, trebuie să radieze continuu energie și, în cele din urmă, să cadă pe nucleu. În al doilea rând, din cauza pierderii continue de energie, radiația unui atom ar trebui să aibă un spectru continuu, dar se observă un spectru de linie.

Experimentele privind trecerea particulelor α prin plăci subțiri de aur și alte metale au fost efectuate de angajații lui E. Rutherford, E. Marsden și H. Geiger (1908). Ei au descoperit că aproape toate particulele trec liber prin placă și doar 1/10.000 dintre ele experimentează o deviație puternică - până la 150°. Modelul lui Thomson nu a putut explica acest lucru, dar Rutherford, fostul său asistent, a făcut estimări ale fracției de abateri și a ajuns la modelul planetar: sarcina pozitivă este concentrată într-un volum de ordinul 10 - 15 cu masă semnificativă.

Considerând că orbitele electronilor dintr-un atom sunt fixe, Thomson în 1913 a ajuns și la un model planetar al structurii atomului. Dar, rezolvând problema stabilității unui astfel de atom folosind legea lui Coulomb, el a găsit o orbită stabilă pentru un singur electron. Nici Thomson, nici Rutherford nu au putut explica emisia de particule alfa în timpul dezintegrarii radioactive - s-a dovedit că trebuie să existe electroni în centrul atomului?! Asistentul său G. Moseley a măsurat frecvența liniilor spectrale ale unui număr de atomi din Tabelul Periodic și a constatat că „un atom are o anumită valoare caracteristică care crește în mod regulat atunci când trece de la atom la atom. Această cantitate nu poate fi altceva decât încărcarea miezului interior.”

Construirea unei teorii a structurii atomice bazată pe modelul planetar a întâmpinat o mulțime de contradicții.

La început, fizicianul danez N. Bohr a încercat să aplice mecanica clasică și electrodinamica problemei decelerării particulelor încărcate atunci când se deplasează prin materie, dar pentru o valoare dată a energiei electronilor, a devenit posibilă atribuirea unor parametri orbitali arbitrari (sau frecvențe). ), ceea ce a dus la paradoxuri.

Bohr a fost de acord asupra teoriei structurii atomice cu problema originii spectrelor. El a completat modelul lui Rutherford cu postulate care asigurau stabilitatea atomului și spectrul de linie al radiației acestuia. Bohr a abandonat ideile mecanicii clasice și a apelat la ipoteza cuantică a lui Planck: o anumită relație între energia cinetică din inel și perioada de revoluție este un transfer al relației. E= hv , exprimând relația dintre energia și frecvența oscilatorului pentru un sistem aflat în mișcare periodică. Formulele spectrale ale lui Balmer, Rydberg și Ritz au făcut posibilă formularea cerințelor pentru asigurarea stabilității atomului și a naturii de linie a spectrului atomului de hidrogen: în atom există mai multe stări staționare (sau orbite de electroni în planeta planetară). model) în care atomul nu emite energie; Atunci când un electron se deplasează de pe o orbită staționară pe alta, atomul emite sau absoarbe o parte de energie proporțională cu frecvența, în concordanță cu regula frecvenței Rydberg-Ritz.

Deci Bohr a postulat frecvențele și existența stărilor staționare. Faptul că un electron poate fi doar pe anumite orbite a explicat imediat spectrul de linii ale atomilor - un electron emite lumină numai atunci când se deplasează de pe o orbită pe alta, adică. în porțiuni discrete și nu radiază pe orbita permisă. Corectitudinea ipotezelor lui Bohr a putut fi confirmată doar printr-un bun acord cu experimentul.

Aplicând teoria sa la structura atomului de hidrogen, Bohr a explicat două serii spectrale (cunoscute atunci) și a prezis încă două, nedescoperite încă. El a dat o explicație rațională pentru seria de linii spectrale, a determinat raza atomului și a calculat valoarea constantei Rydberg, care făcea parte din principiul combinației Rydberg-Ritz. A fost un succes uriaș. Dar când s-a mutat la atomi mai complecși, Bohr a întâmpinat dificultăți: pentru atomul de heliu - doar matematici, iar cu mai mulți electroni problema s-a dovedit a fi mai dificilă decât problema multor corpuri din teoria lui Newton. Și Bohr a început să construiască modele asemănătoare hidrogenului. Teoria a fost îmbunătățită de fizicianul german A. Sommerfeld. Din calculele sale s-a dovedit că orbita era o elipsă care precesează. Dar o astfel de combinație artificială de concepte clasice și cuantice a condus la rezultate inexacte pentru atomi complecși, nu a explicat diferitele intensități ale liniilor din spectre etc., deși datele despre spectrele hidrogenului au fost confirmate deja în 1914.

Modelul Rutherford-Bohr este primul model cuantic al structurii atomice. Combinând rezultatele obținute din studiile de radioactivitate, fenomene optice și electromagnetice, a marcat începutul unei noi ere în dezvoltarea teoriei atomice și și-a dezvăluit imediat rodnicia în spectroscopie și teoria legăturilor chimice. Predicția spectrului atomului de hidrogen - realizare remarcabilă teorii și cel mai mare triumf al fizicii. Ulterior, s-a stabilit că electronul nu poate fi considerat ca punct material, are proprietăți de undă, are o structură în funcție de starea sa, iar orbite staționare nu există. Datorită naturii ondulatorii, electronii și sarcinile lor sunt, parcă, mânjiți în spațiul atomului și astfel încât densitatea electronilor este neuniformă și are maxime în anumite locuri. Descrierea comportamentului norului de electroni dată în mecanica cuantică a devenit din ce în ce mai departe de a fi clară. Specificul reprezentărilor câmpurilor cuantice constă în forma probabilistică a legilor.

La valori foarte mari ale energiei transmise atomilor, aceștia își pierd proprietățile, formând a patra stare fizică - plasmă.În plasmă, aproape toată ordinea care distinge un atom de altul dispare acolo; Plasma cu gaz de neon (10 electroni pe atom) are aceleași proprietăți ca și plasma cu gaz de sodiu cu 11 electroni. Haosul unor astfel de temperaturi ridicate se observă doar în laborator, dar în spațiu este o întâmplare obișnuită. Bohr a arătat că pentru lungimi de undă mari se poate ajunge la formula Balmer folosind electrodinamica clasică (în această regiune a spectrului formula Rayleigh-Jeans este valabilă). Această poziție, numită „principiul corespondenței” a devenit baza metodologică pentru dezvoltarea inițială a mecanicii cuantice. În limită, când stările staționare se dovedesc a fi apropiate și greu de distins, pot fi folosite concepte clasice. Dar acest principiu nu a oferit asistență constructivă pentru dezvoltarea teoriei. Van der Waerden a numit întreaga perioadă din 1919 până în 1925 o perioadă de „ghicire sistematică” bazată pe principiul corespondenței. S.I. Vavilov credea că eșecul de a calcula atomul de heliu l-a privat pe Bohr de un instrument puternic de cercetare - utilizarea conceptelor clasice pentru „ghicirea aproape intuitivă a relațiilor adevărate”.

2.1 Structura elementelor chimice și înțelegerea tabelului periodic

În discursul său Nobel, Bohr a remarcat că teoria sa a explicat spectrele moleculare în bună concordanță cu experimentul. Când a continuat să explice structura elementelor chimice, el a sugerat că configurațiile închise sunt mai favorabile din punct de vedere energetic și, după umplerea unei învelișuri, următoarele încep să se umple. După crearea de către Bohr a teoriei cuantice a atomului de hidrogen și succesul conceptelor cuantice în alte domenii ale științei, spectroscopia s-a dezvoltat activ, care a fost cheia lumii fenomenelor intra-atomice.

În 1896, P. Zeeman a efectuat un experiment pe care Faraday nu a avut timp să-l facă. A plasat flacăra arzătorului între polii unui electromagnet și a observat spectrul. La observarea peste câmp, pe lângă linia principală cu frecvența de oscilație, care ar fi fost fără câmp, au existat două linii deplasate cu laturi diferite din cea principală. Toate cele trei linii sunt polarizate liniar. Când sunt observate de-a lungul câmpului, nu există o componentă imparțială, dar componentele deplasate sunt polarizate într-un cerc în direcții opuse. H. Lorentz a explicat efectul Zeeman prin rotația electronilor pe o orbită circulară cu o frecvență ciclică determinată de forța Lorentz. J. Larmore a luat în considerare precesia electronilor în jurul liniilor de câmp magnetic cu această frecvență. Teoria Larmore-Lorentz este o realizare remarcabilă a teoriei electronice, iar autorii ei au fost premiați Premiul Nobel pentru descoperirea și explicarea efectului Zeeman (1902). Dar teoria cuantică dezvoltată de A. Sommerfeld nu a putut spune nimic despre polarizarea și intensitatea liniilor, acestea au fost determinate în efectul Zeeman normal folosind principiul corespondenței Bohr; În practică, se observă mai des împărțirea în mai multe componente (linii). După cum a subliniat D.S. Rozhdestvensky în 1919, această problemă este strâns legată de proprietățile magnetice ale atomului.

Dar efectul anormal Zeeman, atunci când o linie care s-a despărțit diferit de triplet a avut loc într-un câmp magnetic, nu a fost interpretat. Pauli, lucrând cu Bohr timp de doi ani la această problemă, a prezentat ipoteza spin nuclear pentru a explica structura hiperfină a liniilor spectrale. El credea că fenomenele inexplicabile „apar din cauza ambiguității proprietăților electronului, care nu pot fi descrise în mod clasic” (1924). De fapt, aceasta a fost ipoteza existenței spinului electronilor, care a fost exprimată timid de Compton (1921).

Ideea experimentului a fost de a folosi fapt cunoscut atracție de către un mare magnet al celor mici, ai căror pol nord și sud acţionează forte diferite din cauza neomogenităţii magnetului mare. Într-un câmp uniform, pur și simplu s-ar întoarce în direcția câmpului. Conform teoriei clasice, fasciculul de pe ecran ar trebui să ofere o imagine neclară - momentul magnetic al atomului poate lua orice valoare. Conform teoriei cuantice, s-ar putea aștepta ca fasciculul fie să nu se divizeze (cum ar trebui să fie cazul hidrogenului), fie să se dividă în cel puțin trei fascicule (în prezența unui moment magnetic). Dar s-a dovedit că un fascicul de atomi de hidrogen, argint, sodiu, potasiu și alți atomi monovalenți a fost împărțit în două fascicule. Prin urmare, a apărut ipoteza despre momentul mecanic și magnetic propriu al electronului.

Din punctul de vedere al teoriei clasice, prezența unor astfel de momente se poate datora rotației electronului în jurul propriei axe. Apoi, ca masă rotativă, va avea moment unghiular. Iar o sarcină rotativă este un set de curenți circulari, adică. apare și un moment magnetic.

Spinul unui electron are dimensiunea cuplului-impuls înmulțit cu distanța. Se spune că stările sale sunt „sus” și „jos”. Într-un câmp magnetic este îndreptat de-a lungul câmpului sau împotriva acestuia. În același 1924, Pauli a formulat principiul: mai mult de două particule identice cu spin semiîntregi nu pot fi simultan pe o orbită. Spinul unui electron descrie asimetria electronului, non-izotropia proprietăților sale.

Excluderea lui Pauli a condus la noi descoperiri, la o înțelegere a conductivității termice și electrice a metalelor și semiconductorilor. Până în 1927, Pauli a fost capabil să explice paramagnetismul gazului de electroni într-un metal și structura învelișurilor de electroni dintr-un atom.

Învelișuri electronice ale atomilor au fost construite folosind principiul Pauli. Așa a fost înțeles Tabelul periodic al elementelor chimice al lui D.I. Mendeleev. Fiecare strat a fost reprezentat de un set de orbite staționare. Potrivit lui Bohr, electronii încep să ocupe orbite mai înalte numai după ce au umplut învelișul. Au fost determinate metode de găsire a orbitelor permise Regulile de cuantizare ale lui Bohr - Sommerfeld, ceea ce a făcut posibilă avansarea modelului Bohr de la hidrogen la alți atomi. S-a dovedit că electronii nu se mișcă în cercuri, ci în elipse, ceea ce înseamnă că electronii aflați pe aceeași elipsă trebuie să difere ca orientare, iar elipsele aceluiași strat trebuie să difere în ceea ce privește excentricitatea.

Valorile energetice pe care le poate asuma o particulă în mișcare sunt determinate de numărul (numerele) cuantic principal(e): n= 1, 2, 3,... Straturile electronice sunt desemnate cu majuscule ale alfabetului latin LA, L , M, N , DESPRE etc. Cea mai mare cantitate electronii din strat sunt egali cu 2 n 2, deci în stratul cel mai apropiat de miez K (n = 1) nu pot exista mai mult de doi electroni în strat L (pag= 2) - nu mai mult de opt etc. Cu cât este mai mare sarcina nucleară sau numărul atomic din tabel, cu atât este mai puternică atracția electronilor, în special straturi interioare, prin urmare, diametrele straturilor scad odată cu creșterea numărului de elemente, iar toți atomii au aproape aceleași dimensiuni de ordinul 10 - 10 m Atomii aparținând aceluiași grup de elemente din tabelul periodic au aceeași valență, ceea ce determină proprietățile lor chimice similare. Pe cochiliile exterioare au acelasi numar electroni, care se numesc valență.

Principiul Pauli a făcut posibilă explicarea saturației nivelurilor. În conformitate cu proprietățile funcției de simetrie, atunci când două particule sunt interschimbate, numai stările antisimetrice sunt posibile pentru electroni. Ulterior, principiul Pauli a jucat un rol decisiv în construirea statisticilor Fermi-Dirac pentru particulele cu spin semiîntreg - fermioni. Pentru particule cu spin întreg (în unități) - bozoni - Au fost construite statisticile Bose-Einstein. Principiul Pauli nu are analog în fizica clasică, iar motivele fizice ale existenței acestei interdicții nu sunt încă pe deplin înțelese. Pauli a propus mai întâi o regulă simplă care explica automat prezența grupurilor de 2, 8, 18 și 32 de elemente. El a postulat că nu mai mult de doi electroni ar putea ocupa un orbital de electroni (sau undă staționară). Curând a fost descoperită prezența spinului în electron și s-a dovedit că principiul Pauli avea o bază.

Dacă trecem prin sistemul de elemente chimice în direcția creșterii numărului lor, se dovedește că cele mai scăzute niveluri de energie sunt mai întâi umplute cu electroni. Deci, un atom de bismut arată la fel ca un atom de plumb, dar cu o diferență - bismutul are 6 p-shell are inca un electron. Există o altă regulă pentru umplerea cochiliilor - regula lui Hund conform căruia, la completare s , p , d etc.nivelurile lor sunt ocupate mai întâi de electroni cu aceeași orientare de spin și abia apoi de electroni cu cea opusă. În acest fel puteți construi modele de 92 de atomi stabili din Tabelul periodic al elementelor chimice.

Astfel, un atom de azot are 7 electroni; două dintre ele (cu rotire „dreapta” și „stânga”) sunt situate la niveluri \ sși 2, iar celelalte trei sunt la nivel 2p, care nu poate deține decât 6 electroni. Conform regulii lui Hund, ultimii trei electroni ai azotului au aceeași orientare de spin. În modelul val, fiecare dintre r-elec tronurile corespund unei funcții de undă a două jumătăți simetrice „în formă de ou”; trei dintre ele pot fi orientate de-a lungul oricăreia dintre cele trei axe ale sistemului de coordonate dreptunghiulare, rezultând atomul să apară simetric sferic. Următorul atom - oxigenul - trebuie să conțină unul dintre aceștia " p-spații” este un alt electron cu spin opus. Poate fi gândit astfel: două complet congruente p-orbitalii se patrund unul in celalalt fara sa se afecteze deloc unul pe altul. Tabelul periodic al elementelor își pierdea misterul.

După cum se știe, elementele chimice naturale ocupă locuri în Tabelul periodic până la nr. 92, adică până la uraniu. Nu există elemente mai grele nici pe Pământ, nici în meteoriții care vin din spațiu. Acest lucru este de înțeles - există mai mulți protoni în nucleele atomilor acestor elemente, ceea ce înseamnă că nucleele unor astfel de elemente sunt instabile, iar atomii sunt radioactivi. Pentru a obține elemente transuraniu, au fost create instalații speciale numite ciclotroni, în care sunt create fascicule puternice de particule α și particule mai grele pentru a bombarda uraniul cu acestea. Primele ciclotroni au fost create în SUA, unde s-au obținut mai întâi plutoniu și neptuniu, apoi până la elementul nr. 101, care a fost numit mendelevium.

2.2 Cataliza chimică și metode de control al proceselor chimice

Reactivitatea unei substanțe este determinată în proporție de 50% de compoziția și structura sa și 50% de reactivul său în reacție. Deci, dacă reactivul este acid puternic, atunci substanța se comportă ca o bază și invers. Această dualitate de comportament în reacție a fost explicată de Butlerov, crezând că substanța se împarte în doi izomeri și acest lucru afectează izomeria de echilibru. (tautomerie). Ulterior, A. N. Nesmeyanov a stabilit că aceasta este o bifurcare a proprietăților izomerului în ansamblu.

Prin anii 70 ai secolului al XIX-lea. ideile și metodele fizicii au început să pătrundă în domenii conexe ale științelor naturale. N. N. Beketov a fost primul care a formulat şi fundamentat poziţia care chimie fizică- o știință independentă, a cărei sarcină principală este de a studia legătura dintre proprietățile fizice și chimice ale substanțelor, fenomenelor și proceselor. Au fost create lucrările lui M. Berthelot, Y. Thomson, V.F Luchinin și N.N termochimie, studierea tiparelor în căldura de formare şi ardere a substanţelor în funcţie de acestea structura chimica. Cercetările efectuate de J. Gibbs, J. G. Van't Hoff, V. G. Nernst și alți oameni de știință au dezvoltat substanțe chimice termodinamica, studierea proceselor energetice care însoţesc procesele chimice. Gibbs a formulat regula fazei, conform căreia un sistem are mai multe stări separate prin granițe. Nernst a constatat că la apropierea unei temperaturi egale cu 0 K, efectul termic și forță motrice reacțiile chimice sunt din ce în ce mai aceleași și acest lucru face posibilă calcularea cu precizie a reacțiilor chimice. Calculul sistematic al reacțiilor a fost început de N.A. Menshutkin.

Reacțiile chimice sunt baza chimiei. Ciocnirile dintre molecule pot elibera energie suficientă pentru a regrupa electronii din ele și a forma un nou set de legături, adică formarea de noi compuși. Reacțiile chimice sunt prezentate de obicei sub formă de ecuații: în stânga sunt substanțele inițiale, în dreapta sunt produsele de reacție; săgeata indică către energia totală de legătură inferioară, indicând în ce direcție reacția tinde să se desfășoare spontan. Dar reacțiile pot merge în ambele direcții și reprezintă o redistribuire a legăturilor chimice.

Cercetările asupra legilor generale care guvernează procesele chimice au atras interesul științei apărute la sfârșitul secolului al XIX-lea. industria chimică. Dacă o substanță este catalizator, sau inhibitor are loc un întreg complex de reacții, participă toate substanțele din zona de reacție și pot rezulta diferite produse secundare. Productivitatea industriei chimice depindea de cunoașterea vitezei și direcției reacțiilor și de influența diverșilor factori asupra acestora. Determinarea naturii unui proces chimic părea aproape imposibilă până când s-au creat termodinamica chimică și cinetica.

Răspunsul la întrebarea ce determină posibilitatea efectuării unei reacții și restructurare a legăturilor chimice este dat de legile termodinamicii. De exemplu, un anumit combustibil este necesar pentru a produce căldură. Transferul de căldură dintr-un corp încălzit este asociat cu distribuția energiei: atomii substanței emit energie mișcarea termică atomii din jur fără a-și schimba starea. La reactii chimice energia se risipește și ea, dar mediul atomilor și substanța inițială se schimbă și poate apărea o nouă substanță. La rezolvarea diferitelor probleme termodinamice se folosesc funcții speciale - potențiale termodinamice. Cunoscând expresia potențialelor termodinamice, alte caracteristici ale proceselor pot fi calculate prin parametri independenți ai sistemului. Să enumerăm câteva dintre ele.

Potențialul termodinamic este egal cu modificarea potențialului pe particulă în procesul corespunzător. Și o reacție este posibilă dacă este însoțită de o scădere a potențialului. Când o piatră cade într-un câmp gravitațional, energia sa potențială scade. Un proces similar se observă într-o reacție chimică: atunci când are loc, acesta energie liberă trece la un nivel inferior. În aceste exemple, analogia este completă, deoarece nu există nicio modificare a entropiei. Dar în reacțiile chimice trebuie luată în considerare modificarea entropiei, iar posibilitatea unei reacții nu înseamnă că aceasta va decurge spontan. Termodinamica explică: o reacție va avea loc numai dacă energia substanțelor scade și entropia crește. Entropia crește deoarece aranjarea atomilor într-o moleculă mică este mai puțin ordonată decât într-una mare.

Dar procesele și stările reale sunt cel mai adesea neechilibrate, iar sistemele sunt deschise. Astfel de procese sunt discutate în termodinamica de neechilibru.

Le Chatelier a propus principiul echilibrului mobil (1884). Acum se formulează după cum urmează: o influență externă care scoate sistemul dintr-o stare de echilibru termodinamic determină procese în el care vizează slăbirea rezultatelor unei astfel de influențe. A devenit posibilă deplasarea echilibrului către formarea produselor de reacție prin modificări de temperatură, presiune și concentrație de reactivi. Aceste metode au fost numite termodinamic.

Fenomenul de cataliză chimică a fost descoperit în 1812 de Kirchhoff. În secolul al XVIII-lea știa deja despre efectul catalitic al nitratului în producerea acidului sulfuric, deși sensul acestui fenomen nu putea fi explicat. Bercellius a legat natura interacțiunii agenților cu potențiale electrochimice (1835), desemnând puterea „de a provoca activitate chimică” cu conceptul de forță catalitică. Liebig a sugerat că interacțiunea cu un catalizator s-ar putea schimba continuu legături chimiceîntr-o moleculă. Părerile lui Liebig au fost susținute de D. I. Mendeleev. Până la sfârșitul secolului al XIX-lea. a realizat că reacția a implicat pereții vasului, solvenți și impurități aleatorii. Studiul intenționat al catalizei a făcut posibilă până la mijlocul secolului al XX-lea. obțineți o gamă largă de produse organice, reglați viteza și direcția dorită a reacțiilor chimice.

D.P. Konovalov a pus bazele fizico-chimice teorii ale catalizei, a introdus conceptul suprafata activa(1885) și a derivat o formulă pentru viteza reacțiilor autocatalitice independent de S. Ostwald. D.I Mendeleev (1886) a studiat și teoria catalizei. În timpul catalizei, moleculele reactivului sunt activate la contactul cu catalizatorul: legăturile din substanță devin mai mobile, „împingând” substanțele să interacționeze. V. Ostwald, comparând activitățile relative ale diverșilor acizi, a ajuns să elucideze condițiile de echilibru chimic și dezvoltarea catalizei. El a definit un catalizator ca fiind o substanță „care modifică viteza unei reacții, dar nu face parte din produsul final al reacției”.

Ponderea proceselor catalitice în industria chimică ajunge la 80%. În ultimii 50 de ani, cataliza a devenit un instrument puternic pentru sinteza substanțelor. Dependența vitezei de reacție de temperatură a fost studiată de S. Arrhenius, care a propus (1889) legea: probabilitatea de acumulare a energiei de activare este determinată de formula obținută de Boltzmann: Van't Hoff a investigat motivele care modifică viteza reacțiilor și a arătat că, odată cu creșterea temperaturii, energia particulelor în timpul coliziunilor poate fi suficientă pentru a începe o reacție chimică. Cunoscând valorile entropiei substanțelor, este posibil să se determine condițiile reacției și direcția acesteia.

catalizator natural - clorofilă - compus metalo-organic complex în țesutul viu al unei frunze verzi. Prin urmare, procesul de fotosinteză poate fi considerat a avea loc sub un foto-biocatalizator, iar aceste reacții sunt studiate pentru a obține o altă sursă de energie. Pentru idei despre structura biocatalizatorilor eficienți, chimiștii apelează adesea la natura vie. Prin urmare, viitorul catalizei se află pe calea dintre chimie și biologie. Majoritatea proceselor biochimice sunt catalitice. Energia de activare este calculată în chimie cuantică.

Biocatalizatorii au fost descoperiți la începutul secolului al XX-lea. Datorită muncii chimiștilor francezi P. Sabatier și J.B. Sanderan, industria a început să folosească nichelul, cuprul, cobaltul și fierul în locul metalelor nobile la hidrogenarea substanțelor organice. Chimistul organic rus V.N Ipatyev a studiat efectul catalitic al oxizilor metalici la presiuni și temperaturi ridicate și a constatat că atunci când se folosește un amestec de catalizatori, efectul lor este îmbunătățit. O metodă catalitică pentru sinteza amoniacului din azotul atmosferic și hidrogenul sub presiune a fost descoperită de chimistul german F. Haber. Atunci chimistul-tehnolog K. Bosch și A. Mittash au propus o metodă industrială pentru sinteza amoniacului folosind un amestec de catalizatori - fier, potasiu caustic și alumină - la temperaturi ridicate și presiune ridicată.

De asemenea, este posibil să controlați cursul unei reacții chimice prin atragerea unei surse externe de energie - lumină sau căldură. Cu ajutorul acestuia, este posibil să slăbiți atomii din molecula originală și să-i inducăți să participe la reacția dorită. Aceasta este domeniul chimiei care se numește chimia stărilor extreme. Utilizarea radiațiilor electromagnetice mai dure în acest scop (pentru moleculele cu legături intramoleculare puternice) este chimia radiațiilor.

2.3 Reacții în lanț și radicali liberi

Radicalul liber a fost descoperit în 1900 de un originar din Ucraina, M. Gomberg, creatorul antigelului pentru mașini. El a izolat un anumit compus capabil să reacționeze și a demonstrat că este „jumătate de moleculă”. Anterior, se credea că numai moleculele și atomii participă la reacțiile chimice. Dacă are loc o reacție de tip substituție, energia eliberată este redistribuită între produșii de reacție. Dar multe reacții au loc prin produși intermediari de reacție și energia de activare scade. Dacă intermediarii au valențe nesaturate, această scădere este deosebit de remarcabilă. Astfel de atomi sau compuși sunt numiți radicaliși este indicată printr-un punct deasupra simbolului.

M. Bodenstein a descoperit că în timpul interacțiunii dintre clor și hidrogen, un foton de lumină absorbit determină formarea a aproximativ o sută de mii de molecule de acid clorhidric. Reacția de combinare a clorului cu hidrogenul are loc după cum urmează:

Prima valență nesaturată la temperaturile camerei nu se formează, este necesar ca cu ceva ajutor extern molecula de clor să se despartă în doi atomi, după care reacția se va desfășura spontan și rapid după schema dată. De fiecare dată, în locul valenței nesaturate a unui atom liber, apare valența altui atom, iar acest proces are loc unul câte unul. Reacția are loc într-o manieră în lanț, de unde și numele - reacţie în lanţ.

Concept reacții în lanț ramificat introdus 10 ani mai târziu de I.A Christiansen și G.A Kramers, arătând că reacțiile în lanț pot fi observate nu numai în reacțiile fotochimice. Acest concept a fost ulterior împrumutat de către fizicieni pentru a descrie procesele nucleare.

Oamenii de știință sovietici Yu.B Khariton și A.K Walter, studiind reacțiile dintre vaporii de fosfor și oxigen (1926), nu au putut înțelege de ce nu au avut loc la presiuni scăzute și mari ale oxigenului, în timp ce o explozie a avut loc la presiuni medii. O explicație pentru acest fenomen a fost dată de fondatorul școlii științifice de cinetică chimică N. N. Semenov. Motivul este o reacție în lanț ramificat, când în loc de o valență nesaturată se obțin mai multe.

Oxidarea hidrogenului, de exemplu, are loc după următoarea schemă: (nuclearea lanțului), (ramificarea lanțului), (continuarea lanțului).

Radicalul H0 2 care apare în stadiul de nucleare a lanțului este puțin activ. Deci, dintr-un centru activ cu o valență nesaturată H, se obțin trei hidroxizi OH și doi H Dacă ultimii radicali H pot produce din nou trei radicali, atunci viteza de reacție crește ca o avalanșă. Acest proces violent poate fi prevenit doar prin recombinarea H pe pereții vasului sau prin transferul de valență la radicalul inactiv H0 2 din interiorul volumului. Aceasta înseamnă că, prin modificarea condițiilor de reacție, puteți controla rata progresului acesteia. În acest caz, dimensiunea vasului joacă un rol important - dacă radicalii vor avea timp să ajungă la perete și să se recombine pe el sau dacă reacția se va ramifica mai devreme, terminând cu o explozie.

Omul de știință englez S.N Hinshelwood, care a descoperit substanțe care pot reacționa în două moduri, a ajuns la aceleași concluzii. Idei similare cu privire la clasificarea proceselor de aprindere și a fenomenelor de limitare în timpul arderii acetilenei au fost conținute în monografia lui D.V. (1915). În acetilenă, de exemplu, cu încălzire lentă, produșii de descompunere ai grupului CH nu vor avea timp să ia naștere produșii cunoscuți de polimerizare etc. Cu încălzire rapidă, moleculele active vor începe să se despartă la viteze mari, în timpul coliziunilor ele. va da naștere unei transformări chimice și procesul se va dezvolta din strat în strat, formând o undă de reacție. La concentrații scăzute de molecule, reacția se poate stinge. Aceasta înseamnă că procesul de ardere poate fi controlat.

Semenov a construit și a conturat teoria reacțiilor în lanț în monografia „Reacții în lanț” (1934). Acesta a acoperit un număr mare de fenomene care au loc în timpul proceselor explozive și arderii.

Exemplu reacţie în lanţ este și reacția de fisiune a nucleelor ​​de uraniu, care are loc similar cu reacția chimică, doar că în locul legii conservării masei funcționează legea conservării și modificării energiei (și a masei). Lucrările începute în 1934 sub conducerea lui E. Fermi au arătat că nucleele atomice ale majorității elementelor sunt capabile să absoarbă neutroni lenți și să devină radioactive. Până în 1938, s-a descoperit că uraniul activat de neutroni conține un element asemănător tantalului. Există o singură explicație pentru acest fapt - sub influența neutronilor, atomul de uraniu este împărțit în două mase aproximativ egale. Dacă în uraniu raportul dintre numărul de neutroni și numărul de protoni este de 1,6, iar în tantal este între 1,2 și 1,4, atunci în timpul fisiunii vor apărea cu siguranță elemente cu neutroni „în plus”. Aceasta înseamnă că neutronii joacă rolul de chibrituri care excită reacția de fisiune.

J.J. Thomson și contribuția sa la dezvoltarea fizicii
secolul XX

La 150 de ani de la nașterea lui

În urmă cu o sută cincizeci de ani, în Anglia, în familia unui dealer de carte la mâna a doua din Manchester, s-a născut un băiat care a devenit unul dintre cei mai importanți fizicieni de la sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea. Acest lucru s-a întâmplat pe 18 decembrie 1856, iar acest copil a fost Joseph John Thomson. Contribuția sa la dezvoltarea fizicii este impresionantă: descoperirea experimentală a electronului în 1897, distins cu Premiul Nobel pentru fizică (1906); unul dintre primele modele ale atomului care include electroni (1903); prima dovadă experimentală a existenței izotopilor (1912), crearea unei mari școli științifice de fizicieni, cel mai proeminent reprezentant al căruia este Ernest Rutherford - aceasta nu este o listă completă a ceea ce a făcut acest om în știință în timpul vieții sale lungi . De aceea, în anul aniversării sale, pare important nu doar să ne amintim moștenirea sa științifică, ci și să încercăm să evaluăm semnificația acestui patrimoniu pentru vremea noastră. Și mai este un motiv. În mintea multor oameni - atât fizicieni profesioniști, cât și cei pur și simplu interesați de istoria științei - numele acestui om de știință, pe care contemporanii săi l-au numit pe scurt „Gi-Gi”, pe de o parte, este adesea umbrit de numele multor persoane. alți fizicieni remarcabili ai secolului trecut și, pe de altă parte, i se atribuie uneori în mod eronat meritele științifice ale contemporanului său mai în vârstă, William Thomson (1824–1907), care a primit titlul de Lord Kelvin în 1892 pentru realizările sale științifice remarcabile. (de remarcat că acesta din urmă nu numai că a propus scara absolută a temperaturii, dar a stabilit și formula lui Thomson din 1853 pentru perioada de oscilație într-un circuit oscilator, acum studiată la școală). Această împrejurare este și motivul pentru care J. J. Thomson merită o mențiune specială.

În tinerețe, Thomson și-a dorit să devină inginer și chiar a intrat într-unul dintre colegiile din Manchester de profil relevant. Dar în curând, din cauza morții tatălui său, a fost nevoit să-și întrerupă studiile de inginerie din cauza lipsei de fonduri. „Cu toate acestea, după ce a studiat matematica, fizica și chimia, în 1876 a reușit să primească o bursă la Trinity College și a fost legată de Universitatea din Cambridge întreaga viață academică a lui Thomson.” (*Cuvântul " Treime„tradus din engleză. înseamnă „Trinitate”, adică Trinity College este Colegiul St. Treime.")

Thomson a absolvit Universitatea în 1880, iar primele sale lucrări științifice datează din această perioadă (începutul anilor 90 ai secolului al XIX-lea). Ele sunt dedicate dezvoltării electrodinamicii lui Maxwell. Astfel, rezolvând problema mișcării unei bile încărcate, Thomson a ajuns la concluzia că masa aparentă a sarcinii crește datorită energiei câmpului electrostatic, iar această concluzie a fost dezvoltată în continuare la începutul secolului XX. în teoria relativităţii, în special, în lucrările lui A. Poincaré. În 1884, la vârsta de 28 de ani, Thomson a devenit director al Laboratorului Cavendish, în locul lui J. W. Rayleigh, iar conducerea a continuat până în 1918. Un an mai târziu, în 1885, Thomson și-a susținut disertația intitulată „Despre unele aplicații ale principiilor dinamicii la fenomene fizice”, pe care G. Hertz le-a numit mai târziu „un tratat minunat”: „Autoarea dezvoltă aici consecințele dinamicii, care, alături de legile mișcării lui Newton, se bazează pe premise noi, neexprimate clar. M-as putea alatura acestui tratat; de fapt, propriile mele cercetări au avansat deja în mod semnificativ înainte să fac cunoștință cu acest tratat”, a scris Hertz despre disertația lui Thomson în ultimul an al vieții sale în prefața cărții „Principii ale mecanicii stabilite într-o nouă conexiune” (1894). ).

Descoperirea electronului

1. Context.În articolul său „Activitatea științifică a lui Benjamin Franklin” (1956), academicianul P.L Kapitsa citează un fragment din una dintre scrisorile sale din 1749: „Materia electrică este formată din particule extrem de mici, deoarece. ele pot pătrunde în substanțele obișnuite, la fel de dense ca metalul, cu atâta ușurință și libertate încât nu experimentează nicio rezistență vizibilă.” Comentând aceste cuvinte, P.L Kapitsa scrie: „În ziua de azi le numim electroni „particule extrem de mici”. Franklin a considerat în continuare orice corp ca pe un burete saturat cu aceste particule de electricitate. Electrificarea corpurilor constă în faptul că un corp care are un exces de particule electrice este încărcat pozitiv; dacă unui corp îi lipsesc aceste particule, este încărcat negativ.”

Astfel, ipotezele despre existența particulelor care sunt purtătoare de sarcină electrică au fost exprimate încă din secolul al XVIII-lea. Prima încercare de a construi electrodinamică bazată pe ideea structurii granulare a „fluidului electric” a fost făcută în anii 40. al XIX-lea Fizicianul german Wilhelm Eduard Weber (1804–1891), care a considerat aceste particule ca fiind lipsite de greutate și le-a numit „mase electrice”, echivalând în esență termenul „masă” cu termenul „sarcină”. În electrodinamica lui Maxwell, pe care a dezvoltat-o ​​în principal în anii 60. al XIX-lea particulele de acest fel nu sunt menționate: abordarea câmpului domină în ea, iar electricitatea este tratată ca un fel de fluid incompresibil care se mișcă în conductori. O încercare de a introduce ideea discretității sarcinilor electrice în electrodinamica lui Maxwell a fost făcută pentru prima dată în 1878 de G. Lorentz. Astfel, în 1892, în lucrarea sa „Teoria electromagnetică a lui Maxwell și aplicarea sa la corpurile în mișcare”, Lorenz scria: „Va fi suficient să presupunem că toate corpurile grele conțin multe particule mici încărcate pozitiv sau negativ și că toate fenomenele electrice sunt cauzate. prin deplasarea acestor particule . Conform acestui concept, sarcina electrică se datorează unui exces de particule de un anumit semn, curentul electric se datorează fluxului acestor particule, iar în izolatoarele solide există o „deplasare dielectrică” dacă particulele electrificate conținute în ele. sunt îndepărtate din pozițiile lor de echilibru.

Aceste ipoteze nu conțin nimic nou în raport cu electroliții și reprezintă o anumită analogie cu ideile referitoare la conductorii metalici care existau în vechea teorie a electricității. Nu este atât de departe de atomii unui lichid electric până la corpusculii încărcați.”

De remarcat în mod deosebit sunt studiile privind caracteristicile fenomenelor electrice în gazele rarefiate. În anii 70 Fizicianul german Eugen Goldstein (1850–1930) a introdus conceptul de raze catodice în fizică și a sugerat că, prin natura lor, ele sunt asemănătoare cu lumina, cu singura diferență că lumina este emisă de corpul în jurul său în toate direcțiile, iar razele catodice sunt emise. doar perpendicular pe suprafața catodului, dar Ambele procese sunt procese ondulatorii prin natura lor. Experimentele lui Goldstein la sfârșitul anilor '70. al XIX-lea a fost repetat într-o formă îmbunătățită de remarcabilul fizician englez William Crookes (1832–1919). După ce a introdus un radiometru, pe care el îl proiectase încă din 1873, în tubul cu descărcare în gaz, Crookes a descoperit rotația acestuia sub influența razelor catodice, de unde a concluzionat că aceste raze transferă energie și impuls. După ce a plasat o cruce de metal în tub pe calea razelor catodice, Crookes și-a descoperit umbra pe sticla fluorescentă a tubului și a ajuns la concluzia că razele catodice se propagă în linie dreaptă. El a fost convins experimental că aceste raze pot fi deviate într-o direcție sau alta de un magnet. A numit ceva razelor patrulea sau ultragazos starea materiei, sau materie radiantă, care, însă, are o natură corpusculară, interpretată la scară cosmică: „Când studiem această a patra stare a materiei, se creează ideea că avem în sfârșit la dispoziție particulele „finale”, pe care, pe bună dreptate, le putem considera a fi baza fizicii Universului.”

Conceptului corpuscular al naturii razelor catodice i s-a opus conceptul de undă deja menționat. Crookes credea că razele catodice sunt molecule de gaz rezidual conținute într-un tub cu descărcare în gaz; După ce au intrat în contact cu catodul, ei primesc o sarcină negativă de la acesta și sunt respinși de catod. Dar apoi trebuie să fie deviați de câmpul electric. Experimentele efectuate de G. Hertz au arătat că nu sunt deviate de un câmp electric. În 1892, Hertz s-a convins experimental că razele catodice pot trece prin plăci subțiri de aluminiu. Dar dacă este așa, atunci nu este clar cum pot trece moleculele electrificate prin metal. Pe de altă parte, un câmp magnetic nu afectează undele luminoase, dar experimentele lui Crookes au arătat că acest câmp acționează asupra razelor catodice. Astfel, la începutul anilor 90. al XIX-lea a fost o problemă care trebuia rezolvată. Ce sunt razele catodice - undele sau particulele?

2. J. Perrin și J. Thomson - soluție la problema naturii razelor catodice. În fig. Figura 1 prezintă o diagramă a experimentului care a fost efectuat în 1895 de Jean Baptiste Perrin (1870–1942). În interiorul tubului de descărcare în fața catodului N un cilindru metalic conectat la electroscop a fost plasat la o distanta de 10 cm ABCD(imbracat EFGH) cu un mic orificiu opus catodului. Când tubul funcționa, un fascicul de raze catodice a pătruns în cilindru, iar cilindrul a primit întotdeauna o sarcină negativă. Dacă s-a folosit un magnet pentru a devia razele catodice, astfel încât acestea să nu intre în cilindru, electroscopul nu a dat nicio citire. Din aceasta s-ar putea concluziona că razele catodice poartă sarcini electrice negative și, prin urmare, vorbim despre un flux de particule.

Cu toate acestea, susținătorii conceptului val au înaintat următoarea obiecție. Deși admiteau că catodul poate emite particule încărcate, ei au negat că aceste particule ar fi raze catodice. Când razele catodice au lovit peretele tubului, acesta din urmă a început să strălucească, dar strălucirea și ejectarea particulelor de către catod, în opinia lor, ar putea fi două fenomene diferite, la fel ca și plecarea unui obuz de artilerie din țeavă. a unei arme și blițul care însoțește acest proces sunt fenomene diferite.

A fost necesar să se demonstreze experimental că ejecția particulelor încărcate de către catod și strălucirea peretelui tubului de descărcare sunt interconectate, că nu vorbim despre diferite fenomene fizice, ci despre unul singur. Această dovadă a fost prezentată de J.J Thomson în experimentele sale din 1897, care erau variante ale experimentelor lui Perrin. Cilindrul cu gaura a fost situat nu în fața catodului, ci pe o parte a acestuia, pentru care a fost schimbată geometria tubului în sine, Fig. 2. În acest caz, fluorescența a fost observată inițial în peretele de sticlă al tubului, dar a dispărut când razele catodice au fost deviate de un magnet și „duse” în orificiul unui cilindru conectat la un electroscop, care a înregistrat o sarcină negativă. . Astfel, s-a dovedit că strălucirea peretelui tubului și încărcarea cilindrului sunt cauzate de aceleași particule. Și în plus, în experimentele sale, Thomson a reușit să facă ceea ce Hertz nu a reușit să facă: a reușit să obțină deviația razelor catodice printr-un câmp electric (în experimentele lui Hertz, totul a fost stricat de conductivitatea gazului rezidual din tub, care a apărut sub influența razelor catodice).

Deci razele catodice sunt particule. Care? Care sunt proprietățile lor, caracteristicile lor? Thomson a răspuns la aceste întrebări descriind mișcarea lor cu legile mecanicii. De exemplu, într-un câmp electrostatic, acestea ar trebui să se comporte în același mod cum se comportă corpurile în cădere lângă suprafața Pământului. Dacă, de exemplu, o particulă încărcată pozitiv se găsește în spațiul dintre două plăci orizontale, al căror vârf este încărcat pozitiv și partea inferioară încărcată negativ, atunci această particulă va fi respinsă de pe placa superioară și atrasă spre partea inferioară, adică. misca cu acceleratie in jos. Dacă această particulă zboară în spațiul dintre aceste plăci cu o viteză îndreptată paralel cu planurile plăcilor, atunci se va apropia de placa inferioară de-a lungul unei traiectorii parabolice, adică. se mișcă în același mod în care cade o piatră aruncată cu o viteză paralelă cu suprafața Pământului suprafata pamantului. Dacă în spațiul dintre plăci există și un câmp magnetic îndreptat fie dincolo de desen, fie din desen, atunci, în primul rând, forța Lorentz (forța magnetică) va acționa asupra particulei încărcate studiate și după direcția ei se poate judeca semnul sarcinii și, în al doilea rând, forțele electrice și magnetice se pot anula reciproc dacă sunt direcționate în direcții opuse. Forța electrică este calculată ca produsul dintre sarcina particulelor și intensitatea câmpului electric; forța magnetică este calculată ca produsul acestei sarcini cu viteza particulei și inducerea câmpului magnetic (fie ca unghiul dintre vectorii viteză și inducție să fie de 90°). Apoi primim eE = eB, adică E = B. De aici este imediat clar că viteza de mișcare a unei particule încărcate este calculată ca raport al tensiunii câmp electric E la inducția câmpului magnetic B. Cu toate acestea, se știe că forța Lorentz conferă accelerație centripetă unei particule încărcate 2 / r; apoi puteți găsi valoarea sarcinii specifice a particulei, adică raportul dintre sarcina si masa particulei:

Din acest rezultat se pot observa următoarele. Sarcina specifică a particulei studiate depinde de inducția câmpului magnetic și de intensitatea câmpului electric (adică de diferența de potențial dintre plăci). Sarcina specifică a unei particule nu depinde de proprietățile chimice ale gazului rezidual din tub, de forma geometrică a tubului, de materialul din care sunt fabricați electrozii, de viteza razelor catodice (în experimentele lui Thomson). în 1897, această viteză era de 0,1 Cu, Unde Cu– viteza luminii în vid) și nu pe alți parametri fizici. Razele catodice nu sunt ioni de gaz reziduali emiși de catod, așa cum credea Crookes, dar sunt totuși particule. Și dacă sarcina lor specifică este constantă, atunci vorbim despre particule identice. Exprimând masa acestor particule în grame și sarcina în SGSM, așa cum era obișnuit în acele vremuri, Thomson a obținut sarcina specifică a particulelor egală cu 1,7 10 7 unități. SGSM/g. Precizia ridicată a experimentului său este evidențiată de faptul că valoarea modernă a sarcinii specifice a unui electron este (1,76 ± 0,002)10 7 unități. SGSM/g.

Pe baza valorii obținute a sarcinii specifice, se poate încerca să se estimeze masa particulelor. În momentul în care au fost efectuate experimentele, valoarea încărcăturii specifice a ionului de hidrogen era deja cunoscută (104 unități SGSM/g). Termenul „electron” exista și în acel moment, a fost introdus în uz în 1891 de către fizicianul și matematicianul irlandez George Stoney (1826–1911) pentru a desemna sarcina electrică a unui ion monovalent în timpul electrolizei, iar după cercetările lui Thomson, acest termen a fost; transferat la particulele pe care le-a descoperit. Și dacă presupunem că sarcina și masa electronului sunt oarecum legate de valorile corespunzătoare pentru ionul de hidrogen, atunci erau posibile două opțiuni:

O) masa electronului este egală cu masa ionului de hidrogen, atunci sarcina electronului trebuie să fie mai mare decât sarcina ionului de hidrogen de 10 3 ori. Cu toate acestea, cercetările fizicianului german Philipp Lenard au arătat irealitatea unei astfel de presupuneri. El a descoperit că drumul liber mediu al particulelor care formează raze catodice în aer este de 0,5 cm, în timp ce pentru ionul de hidrogen este mai mic de 10 –5 cm. Aceasta înseamnă că masa particulelor nou descoperite ar trebui să fie mică.

b) sarcina particulei este egală cu sarcina ionului de hidrogen, dar în acest caz masa acestei particule ar trebui să fie de 10 3 ori mai mică decât masa ionului de hidrogen. Thomson s-a hotărât pe această opțiune.

Totuși, ar fi mai bine să măsori cumva direct fie sarcina electronului, fie masa acestuia. Următoarea circumstanță a ajutat la rezolvarea problemei. În același 1897, când Thomson și-a efectuat experimentele privind studiul razelor catodice, studentul său Charles Wilson a descoperit că în aerul suprasaturat cu vapori de apă, fiecare ion devine un centru de condensare a aburului: ionul atrage picături de abur și formarea începe o picătură de apă, care crește până devine vizibilă. (Mai târziu, în 1911, Wilson însuși a folosit această descoperire, creând faimosul său dispozitiv - camera Wilson). Thomson a profitat în acest fel de descoperirea elevului său. Să presupunem că într-un gaz ionizat există un anumit număr de ioni care au aceeași sarcină, iar acești ioni se mișcă cu o viteză cunoscută. Expansiunea rapidă a gazului duce la suprasaturarea acestuia, iar fiecare ion devine un centru de condensare. Puterea curentului este egală cu produsul dintre numărul de ioni și sarcina fiecărui ion și viteza acestuia. Puterea curentului poate fi măsurată, viteza de mișcare a ionilor poate fi măsurată și, dacă determinați cumva numărul de particule, atunci puteți găsi sarcina unei particule. Pentru a face acest lucru, în primul rând, a fost măsurată masa vaporilor de apă condensați și, în al doilea rând, masa unei singure picături. Acesta din urmă a fost amplasat după cum urmează. S-a luat în considerare căderea picăturilor în aer. Viteza acestei căderi sub influența gravitației este egală, conform formulei Stokes,

– coeficientul de vâscozitate al mediului în care cade picătura, i.e. aer. Cunoscând această viteză, puteți găsi raza picăturii rși volumul acestuia, presupunând că picătura este sferică. Înmulțind acest volum cu densitatea apei, găsim masa unei picături. Împărțind masa totală a lichidului condensat la masa unei picături, găsim numărul lor, care este egal cu numărul de ioni de gaz prin care se află sarcina unui ion. Ca medie a unui număr mare de măsurători, Thomson a obținut valoarea de 6,5 10 –10 unități pentru încărcarea dorită. SGSM, care era în acord destul de satisfăcător cu încărcarea ionului de hidrogen deja cunoscută la acea vreme.

Metoda discutată mai sus a fost îmbunătățită de Wilson în 1899. Deasupra picăturii încărcate negativ se afla o placă încărcată pozitiv, care, cu atracția sa, echilibra forța gravitațională care acționează asupra picăturii. Din această condiție a fost posibil să se găsească sarcina nucleului de condensare. O întrebare relevantă este: sarcina picăturii este de fapt sarcina electronului? Nu este aceasta sarcina moleculelor ionizate, care nu trebuie să fie a priori egală cu sarcina electronului? Thomson a arătat că sarcina unei molecule ionizate este într-adevăr egală cu sarcina unui electron, apare indiferent de metoda de ionizare a substanței și se dovedește întotdeauna a fi egală cu sarcina unui ion monovalent în timpul electrolizei. Prin înlocuirea valorii acestei sarcini în expresia pentru sarcina specifică a electronului, putem găsi masa acestuia din urmă. Această masă se dovedește a fi de aproximativ 1800 de ori mai mică decât masa ionului de hidrogen. În prezent, sunt acceptate următoarele valori ale constantelor fundamentale: sarcina electronului este de 1.601 10 –19 C; masa electronilor este de 9,08 10 –28 g, care este de aproximativ 1840 de ori mai mică decât masa unui atom de hidrogen.

În legătură cu cercetările lui Thomson asupra proprietăților și naturii razelor catodice, aș dori să menționez și contribuția sa la studiul naturii efectului fotoelectric. La acel moment, nu exista claritate în mecanismul acestui fenomen - nici în lucrările lui A.G. Stoletov (care a murit în mai 1896, adică înainte de descoperirea electronului), nici în lucrările fizicienilor europeni - italianul A. Riga, germanul V. Galvax, și cu atât mai mult în studiile lui G. Hertz, care a murit în 1894. Thomson în 1899, studiind efectul fotoelectric folosind o tehnică experimentală similară cu tehnica de studiu a proprietăților razelor catodice, a stabilit următoarele. Dacă presupunem că curentul electric care apare în timpul efectului fotoelectric este un flux de particule încărcate negativ, atunci putem calcula teoretic mișcarea particulei care formează acest curent, acționând simultan asupra ei cu câmpuri electrice și magnetice. Experimentele lui Thomson au confirmat că curentul dintre două plăci încărcate opus atunci când catodul este iluminat cu raze ultraviolete este un flux de particule încărcate negativ. Măsurătorile încărcăturii acestor particule, efectuate folosind aceeași metodă prin care Thomson măsurase anterior sarcina ionilor, au dat o valoare medie a sarcinii care a fost apropiată, în ordinea mărimii, de valoarea de încărcare a particulelor care formează raze catodice. De aici Thomson a concluzionat că în ambele cazuri ar trebui să vorbim despre particule de aceeași natură, adică. despre electroni.

atomul lui Thomson. Problema „legăturii” electronilor deschisi cu structura materiei a fost pusă de Thomson deja în lucrarea sa privind determinarea sarcinii specifice a electronilor. Primul model al atomului, propus de Thomson, s-a bazat pe experimentele lui A. Mayer (SUA) cu magneți plutitori, care au fost efectuate la sfârșitul anilor '70. al XIX-lea Aceste experimente au constat în următoarele. Într-un vas cu apă pluteau dopuri, în care erau introduse ace magnetizate, ușor ieșind din ele. Polaritatea capetelor vizibile ale acelor a fost aceeași pe toate dopurile. Deasupra acestor dopuri, la o înălțime de aproximativ 60 cm, era amplasat un magnet cilindric cu polul opus, iar acele erau atrase de magnet, în timp ce se respingeau unul pe altul. Ca rezultat, aceste dopuri au format în mod spontan diverse configurații geometrice de echilibru. Dacă erau 3 sau 4 ambuteiaje, atunci acestea erau situate la vârfurile unui poligon obișnuit. Dacă erau 6, atunci 5 dopuri pluteau la vârfurile poligonului, iar al șaselea era în centru. Dacă erau, de exemplu, 29, atunci un dop era din nou în centrul figurii, iar restul erau aranjați în inele în jurul lui: 6 pluteau în inelul cel mai aproape de centru, 10 și, respectiv, 12 pluteau în inelele următoare, pe măsură ce s-au îndepărtat de centru, Thomson a transferat designul mecanic către structura atomului, văzând în el posibilitatea de a explica modelele inerente în Tabelul periodic al lui D.I în atom). Cu toate acestea, în acest caz, problema numărului specific de electroni din atom a rămas deschisă. Și dacă presupunem că există, de exemplu, câteva sute de electroni (în special ținând cont de faptul că masa unui electron este neglijabilă în comparație cu masa unui ion de hidrogen), atunci studierea comportamentului electronilor într-o astfel de structură este practic imposibil. Prin urmare, deja în 1899, Thomson și-a modificat modelul, sugerând că atomul neutru conține un număr mare de electroni, a căror sarcină negativă este compensată de „ceva care face ca spațiul în care sunt împrăștiați electronii să poată acționa ca și cum ar fi avut. o sarcină electrică pozitivă egală cu suma sarcinilor negative ale electronilor.”

Câțiva ani mai târziu, în revista " Revista Filosofică„ (Nr. 2, 1902) a apărut lucrarea unui alt Thomson – William, cunoscut sub numele de Lord Kelvin – care a luat în considerare interacțiunea unui electron cu un atom. Kelvin a susținut că un electron exterior este atras de un atom cu o forță invers proporțională cu pătratul distanței de la centrul electronului la centrul atomului; un electron care face parte dintr-un atom este atras de acesta din urmă cu o forță direct proporțională cu distanța de la centrul electronului la centrul atomului. Acest lucru arată, în special, că Kelvin consideră electronii nu numai ca particule independente, ci și ca parte integrantă a atomului. Această concluzie „echivalează cu presupunerea unei distribuții uniforme a electricității pozitive în spațiul ocupat de un atom de materie obișnuită. De aici rezultă că există două tipuri de electricitate: negativă, granulară și pozitivă, sub forma unui nor continuu, așa cum erau de obicei imaginate „fluide” și, în special, eterul. În general, putem spune că, conform lui Kelvin, un atom are o distribuție sferică uniformă a sarcinii electrice pozitive și un anumit număr de electroni. Dacă vorbim despre un atom cu un electron, atunci electronul trebuie să fie în centrul atomului, înconjurat de un nor de sarcină pozitivă. Dacă există doi sau mai mulți electroni într-un atom, atunci se pune întrebarea despre stabilitatea unui astfel de atom. Kelvin a sugerat că electronii păreau să se învârtească în jurul centrului atomului, fiind situați pe suprafețe sferice concentrice la limita atomului, iar aceste suprafețe erau de asemenea localizate în interiorul atomului. Dar în acest caz, apar probleme: atunci când o particulă încărcată se mișcă, trebuie să apară un câmp magnetic, iar când se mișcă cu accelerație (și un electron care se rotește are inevitabil accelerație centripetă), trebuie să apară radiația electromagnetică. Thomson a cercetat aceste probleme, rămânând un susținător al ideilor lui Kelvin timp de aproximativ cincisprezece ani.

Deja în 1903, Thomson a stabilit că electronii în rotație ar trebui să genereze unde de lumină polarizate eliptic. În ceea ce privește câmpul magnetic al sarcinilor rotative, atunci, după cum arată teoria, atunci când electronii se rotesc sub influența unei forțe proporționale cu distanța de la sarcină la centrul de rotație, proprietățile magnetice ale materiei pot fi explicate numai în condiția de disipare a energiei. La întrebarea dacă o astfel de împrăștiere există cu adevărat, Thomson nu a dat un răspuns clar (aparent realizând că prezența unei astfel de împrăștieri ar ridica problema stabilității structurii atomului).

În 1904, Thomson a luat în considerare problema stabilității mecanice a structurii atomice. În ciuda faptului că acum această abordare este percepută ca un anacronism (comportamentul particulelor care formează un atom ar trebui considerat mai degrabă din punctul de vedere al mecanicii cuantice decât al mecanicii clasice, despre care nu se știa absolut nimic la acea vreme), rezultatele obținute de Thomson încă mai are rost să se oprească.

În primul rând, Thomson a stabilit că electronii dintr-un atom trebuie să se rotească rapid și viteza acestei rotații nu poate fi mai mică de o anumită limită. În al doilea rând, dacă numărul de electroni dintr-un atom este mai mare de opt, atunci electronii ar trebui aranjați în mai multe inele, iar numărul de electroni din fiecare inel ar trebui să crească odată cu creșterea razei inelului. În al treilea rând, pentru atomii radioactivi, viteza electronilor datorată radiațiilor radioactive ar trebui să scadă treptat, iar la o anumită limită a scăderii ar trebui să apară „explozii”, ducând la formarea unei noi structuri atomice.

În zilele noastre, modelul planetar al lui Rutherford, care a apărut în 1910 și a fost ulterior îmbunătățit din perspectivă cuantică de către N. Bohr, este în general acceptat. Cu toate acestea, modelul lui Thomson este valoros în ceea ce privește formularea: 1) problema conexiunii numărului de electroni și distribuției acestora cu masa atomului; 2) probleme ale naturii și distribuției sarcinii pozitive în atom, compensând sarcina electronică negativă totală; 3) probleme de distribuție a masei atomice. Aceste probleme au fost rezolvate în cursul dezvoltării ulterioare a fizicii din secolul al XX-lea, iar rezolvarea lor a condus în cele din urmă la idei moderne despre structura atomului.

Dovada experimentală a existenței izotopilor.Însăși ideea că atomii aceluiași element chimic pot avea mase atomice diferite a apărut cu mult înainte ca Thomson să înceapă să studieze „problema izotopilor”. Această idee în secolul al XIX-lea. a fost exprimată de fondatorul chimiei organice A.M Butlerov (1882) și ceva mai târziu de W. Crookes (1886). Primii izotopi radioactivi au fost obținuți în 1906 de chimistul american și în același timp fizicianul B. Boltwood (1870–1927) - doi izotopi de toriu cu timpi de înjumătățire diferit. Termenul „izotop” în sine a fost introdus ceva mai târziu de F. Soddy (1877–1956) după ce a formulat regulile de deplasare pentru dezintegrarea radioactivă. Cât despre Thomson, în 1912 a studiat experimental proprietățile și trăsăturile așa-numitului razele canalului, și ar trebui spuse câteva cuvinte despre ce este.

Vorbim despre un flux de ioni pozitivi care se deplasează într-un gaz rarefiat sub influența unui câmp electric. Când electronii se ciocnesc cu moleculele de gaz la catod în regiunea descărcării strălucitoare și scăderea potențialului catodic, moleculele sunt împărțite în electroni și ioni pozitivi. Acești ioni, accelerați de câmpul electric, vin la catod cu viteză mare. Dacă catodul are găuri în direcția mișcării ionilor sau dacă catodul însuși are forma unei rețele, atunci unii dintre ioni, trecând prin aceste canale, vor ajunge în spațiul post-catodic. El a început să studieze comportamentul unor astfel de ioni încă din anii 80. al XIX-lea menționat anterior E. Goldstein. Thomson, în 1912, a studiat efectul asupra razelor canalului (în special pentru ionii de neon) al câmpurilor electrice și magnetice simultane folosind tehnica deja menționată (adică „metoda parabolelor”) a lui Thomson. Fasciculul de ioni de neon din experimentele sale a fost împărțit în două fluxuri parabolice: unul luminos, corespunzător masei atomice 20, și unul mai slab, corespunzător masei atomice 22. Din aceasta, Thomson a concluzionat că neonul conținut în atmosfera Pământului este un amestec de două gaze diferite. F. Soddy a evaluat rezultatele cercetării lui Thomson după cum urmează: „Această descoperire reprezintă cea mai neașteptată aplicare a ceea ce s-a găsit pentru un capăt al tabelului periodic la un element de la celălalt capăt al sistemului; confirmă presupunerea că structura materiei în general este mult mai complexă decât se reflectă doar în legea periodică.” Rezultatul a fost de mare importanță nu numai pentru fizica atomică, ci și pentru dezvoltarea ulterioară a fizicii experimentale, deoarece indica metode de măsurare a maselor diverșilor izotopi.

În 1919, studentul și asistentul lui Thomson Francis William Aston (1877–1945) a construit primul spectrograf de masă, cu ajutorul căruia a demonstrat experimental prezența izotopilor în clor și mercur. Spectrograful de masă folosește tocmai metoda Thomson de a devia particulele încărcate sub influența a două câmpuri, electric și magnetic, dar dispozitivul lui Aston a folosit fotografia de fluxuri de ioni separate cu diferite mase atomice, și în plus, a fost folosită deviația unei particule încărcate în câmpuri electrice și magnetice - în același plan, dar în direcții opuse. Fizica spectrografului de masă este în principal după cum urmează. „Ionii substanței studiate, trecând mai întâi printr-un câmp electric și apoi printr-un câmp magnetic, cad pe o placă fotografică și lasă un semn pe ea. Respingerea ionilor depinde de raport e/m, la fel pentru toți ionii (sau, mai bine spus, din ne/m, deoarece un ion poate transporta mai mult de o sarcină elementară). Prin urmare, toți ionii de aceeași masă sunt concentrați în același punct de pe placa fotografică, iar ionii cu o masă diferită sunt concentrați în alte puncte, astfel încât până la punctul în care ionul lovește placa, masa acesteia poate fi determinată. ”

În concluzie, câteva cuvinte despre școala științifică creată de Thomson. Studenții săi sunt fizicieni proeminenți ai secolului al XX-lea precum P. Langevin, E. Rutherford, F. Aston, Charles Wilson. Ultimii trei, la fel ca însuși Thomson, au primit premii Nobel pentru fizică în diferiți ani. Să menționăm în mod special fiul său. Părintele Thomson a dovedit experimental chiar existența electronului, iar fiul său, George Paget Thomson, a fost distins cu Premiul Nobel în 1937 pentru demonstrarea experimentală a naturii ondulatorii a electronilor (1927; în același an, independent de Thomson Jr. ., cercetări similare au fost efectuate de K. Davisson împreună cu colaboratorul său L. Germer Ambii erau fizicieni din SUA. Iată cum a evaluat Erwin Schrödinger aceste studii în 1928: „Unii cercetători (Davisson și Germer și tânărul J.P. Thomson) au început să efectueze un experiment pentru care în urmă cu câțiva ani ar fi fost internați într-un spital de psihiatrie pentru a-și monitoriza starea de mintea . Dar au avut un succes total.”

După 1912, marcat de dovezi experimentale ale existenței izotopilor, Thomson a mai trăit încă douăzeci și opt de ani. În 1918, a părăsit postul de director al Laboratorului Cavendish (locul său a fost luat de Rutherford) și apoi, până la sfârșitul zilelor sale, a condus chiar Trinity College de unde a început drumul său către știință. Joseph John Thomson a murit la vârsta de 84 de ani pe 30 august 1940 și a fost înmormântat în West Minster Abbey - același loc în care Isaac Newton, Ernest Rutherford și printre figurile literaturii engleze - Charles Dickens și-au găsit odihna veșnică.

Literatură

1. Viața științei. Ed. Kapitsa S.P. – M.: Nauka, 1973.

2. Kapitsa P.L. Experiment. Teorie. Practica. – M.: Nauka, 1981.

3. Dorfman Ya.G. Istoria mondială a fizicii cu începutul XIX până la mijlocul secolului al XX-lea. – M.: Nauka, 1979.

4. Liozzi M. Istoria fizicii. – M.: Mir, 1970.

Premise pentru descoperire, ipoteze

Experiența lui Thomson a fost aceea de a studia fasciculele de raze catodice care trec printr-un sistem de plăci metalice paralele care au creat un câmp electric și sisteme de bobine care au creat un câmp magnetic. S-a descoperit că fasciculele au fost deviate atunci când ambele câmpuri au fost aplicate separat, iar la un anumit raport între ele, fasciculele nu și-au schimbat traiectoria dreaptă. Acest raport de câmp depinde de viteza particulelor. După ce a efectuat o serie de măsurători, Thomson a descoperit că viteza de mișcare a particulelor este mult mai mică decât viteza luminii - astfel s-a demonstrat că particulele trebuie să aibă masă. Mai mult, s-a emis ipoteza despre prezența acestor particule în atomi și un model al atomului, dezvoltat ulterior în experimentele lui Rutherford.

Note

Surse

Fundația Wikimedia.

2010.

Vedeți ce este „Descoperirea electronului” în alte dicționare: Ramura a studiilor fizicii structura internă atomi. Atomii, considerati inițial a fi indivizibili, sunt sisteme complexe. Au un nucleu masiv format din protoni și neutroni, în jurul căruia se mișcă în spațiul gol... ...

Enciclopedia lui Collier

Acest termen are alte semnificații, vezi Electron (sensuri). Simbol electron Masa 9,10938291(40) 10−31 kg, 0,510998928(11) MeV ... Wikipedia - (din latină materialis material) o idee polisemantică, căreia i se acordă cel mai adesea unul sau unele dintre următoarele semnificații. 1. Afirmație referitoare la existență sau realitate: Numai materia există sau este reală; problema este...

Enciclopedie filosofică

Istoria științei... Wikipedia - (din latină materialis material) o idee polisemantică, căreia i se acordă cel mai adesea unul sau unele dintre următoarele semnificații. 1. Afirmație referitoare la existență sau realitate: Numai materia există sau este reală; problema este...

Un tip special de activitate cognitivă care vizează dezvoltarea cunoştinţelor obiective, sistematic organizate şi fundamentate despre lume. Interacționează cu alte tipuri de activitate cognitivă: cotidiană, artistică, religioasă, mitologică...

Un tip special de activitate cognitivă care vizează dezvoltarea cunoştinţelor obiective, sistematic organizate şi fundamentate despre lume. Interacționează cu alte tipuri de activitate cognitivă: cotidiană, artistică, religioasă, mitologică...

Simbol electron Masa 9,10938215(45)×10−31kg, 0,510998910(13) MeV/c2 Clase de pozitroni antiparticule fermion, lepton ... Wikipedia

Un electron este o particulă subatomică care răspunde atât la câmpurile electrice, cât și la câmpurile magnetice. Pe tot parcursul celui de-al doilea jumătate a secolului al XIX-lea de secole, fizicienii au studiat activ fenomenul razelor catodice. Cel mai simplu aparat , în care au fost observați, era un tub de sticlă etanș umplut cu gaz rarefiat, în care era lipit un electrod pe ambele părți: pe o parte catod , conectat la polul negativ al bateriei electrice; pe de altă parte -, conectat la polul pozitiv. Când s-a aplicat tensiune înaltă perechii catod-anod, gazul rarefiat din tub a început să strălucească, iar la tensiuni joase strălucirea a fost observată numai în regiunea catodului, iar cu tensiunea în creștere - în interiorul întregului tub; totuși, când gazul a fost pompat din tub, începând de la un moment dat, strălucirea a dispărut în regiunea catodului, rămânând în apropierea anodului. Oamenii de știință au atribuit această strălucire raze catodice.

Până la sfârșitul anilor 1880, discuția despre natura razelor catodice a căpătat un caracter polemic ascuțit. Majoritatea covârșitoare a oamenilor de știință proeminenți ai școlii germane au fost de părere că razele catodice sunt, ca și lumina, perturbări ale undelor eterului invizibil. În Anglia, ei erau de părere că razele catodice constau din molecule ionizate sau atomi ai gazului însuși. Fiecare parte avea dovezi puternice pentru a-și susține ipoteza. Susținătorii ipotezei moleculare au subliniat pe bună dreptate faptul că razele catodice sunt deviate sub influența unui câmp magnetic, în timp ce razele luminoase nu sunt afectate de câmpul magnetic. Prin urmare, ele constau din particule încărcate. Pe de altă parte, susținătorii ipotezei corpusculare nu au putut explica o serie de fenomene, în special efectul trecerii aproape nestingherite a razelor catodice prin folie subțire de aluminiu descoperită în 1892.

În cele din urmă, în 1897, tânărul fizician englez J. J. Thomson a pus capăt odată pentru totdeauna acestor dispute și, în același timp, a devenit faimos de-a lungul secolelor ca descoperitorul electronului. În experimentul său, Thomson a folosit un tub catodic îmbunătățit, al cărui design a fost completat de bobine electrice care creau (conform legii lui Ampere) un câmp magnetic în interiorul tubului și un set de plăci de condensatoare electrice paralele care creau un câmp electric în interior. tubul. Datorită acestui fapt, a devenit posibil să se studieze comportamentul razelor catodice sub influența câmpurilor magnetice și electrice.

Folosind un nou design de tub, Thomson a arătat constant că:

• razele catodice sunt deviate într-un câmp magnetic în absența unuia electric;
• razele catodice sunt deviate câmp electricîn absența magneticului;
• cu acţiunea simultană a câmpurilor electrice şi magnetice de intensitate echilibrată, orientate în direcţii care provoacă separat abateri în direcţii opuse, razele catodice se propagă rectiliniu, adică acţiunea celor două câmpuri se echilibrează reciproc.

Thomson a descoperit că relația dintre câmpurile electrice și magnetice la care efectele lor sunt echilibrate depinde de viteza cu care se mișcă particulele. După efectuarea unei serii de măsurători, Thomson a reușit să determine viteza de mișcare a razelor catodice. S-a dovedit că se mișcă mult mai lent decât viteza luminii, ceea ce însemna că razele catodice ar putea fi doar particule, deoarece orice radiație electromagnetică, inclusiv lumina însăși, călătorește cu viteza luminii (vezi Spectrul radiației electromagnetice). Aceste particule necunoscute. Thomson i-a numit „corpusculi”, dar în curând au devenit cunoscuți ca „electroni”.

A devenit imediat clar că electronii trebuie să existe ca parte a atomilor - altfel, de unde ar proveni? 30 aprilie 1897 - data raportului lui Thomson cu privire la rezultatele sale la o reuniune a Societății Regale din Londra - este considerată ziua de naștere a electronului. Și în această zi ideea „indivizibilității” atomilor a devenit un lucru din trecut (vezi Teoria atomică a structurii materiei). Odată cu descoperirea nucleului atomic care a urmat puțin peste zece ani mai târziu (vezi experimentul lui Rutherford), descoperirea electronului a pus bazele modelului modern al atomului.

Tuburile „catodice” descrise mai sus, sau mai precis, tuburile cu raze catodice, au devenit cei mai simpli predecesori ai tuburilor moderne de televiziune și ai monitoarelor de calculator, în care cantități strict controlate de electroni sunt eliminate de pe suprafața unui catod fierbinte, sub influența de câmpuri magnetice alternative sunt deviate la unghiuri strict specificate și bombardează celulele fosforescente ale ecranelor, formând asupra lor o imagine clară rezultată din efectul fotoelectric, a cărui descoperire ar fi fost imposibilă fără cunoștințele noastre despre adevărata natură a catodului. razele.