45. Опыты с катодными лучами. Открытие электрона

Определения и обозначения

Катодные лучи — поток частиц, вылетающих из катода в разреженном газе. Сами частицы не видны, но их можно обнаружить, если направить поток на флуоресцирующий экран: место попадания начинает светиться. Это помогает проследить путь лучей и понять, откуда они распространяются.

Электрон — отрицательно заряженная частица, входящая в состав атома. Опыты с катодными лучами позволили установить, что такие частицы существуют и встречаются в атомах разных веществ. Это открытие изменило представление об атоме как о неделимой частице.

Электронный пучок — направленный поток электронов. В электронной трубке его получают, создавая условия для вылета частиц из катода и их движения к экрану. Свечение экрана показывает, где проходит пучок, поэтому с его помощью удобно исследовать движение электронов.

Удельный заряд электрона — отношение модуля его заряда к массе, то есть |q|/m. Отклонение лучей в электрическом и магнитном полях позволяет судить о свойствах составляющих их частиц. Измеряя это отношение, можно сравнивать частицы с атомами и выяснять, насколько мала их масса.

Как это устроено

Для опытов используют трубку с электродами, внутри которой находится разреженный газ. Разрежение нужно, чтобы частицы газа реже сталкивались друг с другом и поток мог пройти заметное расстояние. Когда между электродами прикладывают напряжение, в газе возникают условия для появления катодных лучей, направленных от катода. Так можно исследовать поток внутри трубки, не мешая ему частыми столкновениями.

Чтобы увидеть лучи, напротив катода помещают экран с флуоресцирующим веществом — покрытием, которое светится при попадании частиц. Сам пучок не обязательно виден в пространстве, но его попадание на экран оставляет светящееся пятно. Если экран переместить или изменить направление пучка, меняется и место свечения. Поэтому экран служит своеобразным указателем пути катодных лучей.

Электрическое поле действует на заряженные частицы: положительные притягиваются к отрицательной пластине, а отрицательные — к положительной. Если катодный пучок отклоняется, значит, он состоит из частиц с электрическим зарядом, а не из обычного света. Направление отклонения позволяет определить знак заряда: нужно посмотреть, к какой пластине движется пучок. В магнитном поле лучи тоже отклоняются, потому что движущиеся заряженные частицы взаимодействуют с магнитным полем.

Дж. Томсон исследовал отклонение катодных лучей в электрическом и магнитном полях и установил, что частицы лучей заряжены отрицательно. Затем он сравнивал результаты опытов, меняя материал катода и газ в трубке. Свойства частиц оставались одинаковыми, хотя вещества были разными. Это наблюдение показало, что частицы не являются особенностью конкретного газа или металла.

По отклонению пучка Томсон смог определить удельный заряд частиц — отношение модуля заряда к массе. Полученное значение указывало, что частицы катодных лучей намного легче атомов. Такой вывод стал особенно убедительным вместе с независимостью свойств частиц от материала катода и газа. Так опыты дали свидетельство существования общей для разных веществ составляющей атомов — электрона.

Опыты с катодными лучами и выводы из них

Читайте таблицу как цепочку рассуждений: сначала фиксируйте наблюдение, а затем проверяйте, какой вывод оно позволяет сделать. Одно лишь свечение показывает попадание лучей на экран, но не раскрывает знак заряда. Для этого нужно учитывать направление отклонения в электрическом поле.

Разбор задач

Задача 1. В трубке между электродами возникает свечение на экране, расположенном напротив катода. Объясните, что позволяет заключить это наблюдение. Здесь нужно связать светящееся пятно не с самостоятельным свечением всего газа, а с попаданием потока на экран. Затем определяем, что можно узнать по месту свечения.

1. Экран начинает светиться там, куда попадают катодные лучи.
2. Поскольку экран находится напротив катода, наблюдение показывает, что лучи распространяются от катода к экрану.
3. Свечение позволяет обнаружить поток и проследить его путь, но само по себе не определяет знак заряда частиц.

Ответ: катодные лучи распространяются от катода и, попадая на экран, вызывают его свечение. По светящемуся участку можно проследить направление их движения.

Задача 2. Катодный пучок отклоняется в электрическом поле к положительно заряженной пластине. Каков знак заряда частиц пучка? Важно учесть не только сам факт отклонения, но и то, к какой пластине движется пучок. Используем правило взаимодействия зарядов разных знаков.

1. Положительно заряженная пластина притягивает отрицательные заряды и отталкивает положительные.
2. Пучок отклоняется к положительной пластине, значит, его частицы притягиваются к ней.
3. Следовательно, заряд частиц пучка отрицательный.

Ответ: частицы катодного пучка заряжены отрицательно. Это соответствует свойству электронов.

Задача 3. При изменении материала катода и газа в трубке свойства катодных лучей остаются одинаковыми. Почему это поддерживает вывод об открытии электрона? Сравним объяснения: если бы лучи были особенностью одного газа или металла, при замене вещества их свойства должны были бы измениться. Но наблюдения этого не показывают.

1. Меняют материал катода и газ, то есть проверяют разные вещества.
2. Свойства частиц катодных лучей при этом остаются сходными, поэтому они не принадлежат только одному выбранному веществу.
3. Разумный вывод: частицы входят в состав атомов разных веществ; ими оказались электроны.

Ответ: неизменность свойств при смене веществ указывает, что частицы катодных лучей — общая составляющая атомов, а не частицы конкретного газа или катода.

Типичные ошибки

Ошибка — считать катодные лучи светом. Такое предположение возникает потому, что лучи обнаруживают по светящемуся пятну на экране. Но светящееся пятно — результат попадания частиц, а отклонение в электрическом и магнитном полях указывает на заряженный поток. Проверяйте объяснение вопросом: может ли обычный свет отклоняться электрическим полем так же, как заряженные частицы?

Ошибка — путать направление движения электронов с направлением электрического тока. Их допускают, когда переносят на электронный пучок привычное направление тока без учёта знака заряда. В катодных лучах движутся отрицательные электроны, поэтому их движение не следует называть направлением движения положительного заряда. Для проверки сначала укажите, какие именно частицы перемещаются.

Ошибка — определять знак заряда только по тому, что пучок отклонился. Отклонение доказывает действие поля, но знак становится понятен лишь с учётом направления смещения. Сравните, к какой пластине направлен пучок, и примените правило притяжения разноимённых зарядов. Если забыть эту проверку, знак можно определить наоборот.

Ошибка — считать электроны частицами, существующими только в разреженном газе. Такое представление может возникнуть, потому что катодные лучи получают в трубке с разреженным газом. Однако опыты с разными газами и материалами катода показали одинаковые свойства частиц. Проверяйте себя: электрон — составляющая атомов разных веществ, а трубка лишь помогает получить и исследовать электронный пучок.

Связь с другими темами

Для понимания опытов нужно знать, как взаимодействуют разноимённые и одноимённые заряды: это позволяет определить знак частиц по отклонению в электрическом поле. Понадобятся также представления о магнитном поле и его действии на движущиеся заряды, поскольку катодный пучок отклоняется и в нём. Открытие электрона связано с дальнейшим изучением строения атома: атом оказался сложным, а не неделимым объектом. Электронные пучки и свойства электронов важны также для понимания электрического тока и работы электронных приборов.

Что запомнить

• Катодные лучи распространяются от катода и вызывают свечение экрана.
• Катодные лучи отклоняются электрическим и магнитным полями.
• Отклонение к положительно заряженной пластине показывает, что частицы лучей заряжены отрицательно.
• Катодные лучи представляют собой поток электронов.
• Электроны входят в состав атомов разных веществ.
• Опыты Томсона дали возможность определить удельный заряд электрона.