45. Опыты с катодными лучами. Открытие электрона

Определения и обозначения

Катодные лучи — поток частиц, испускаемых катодом в разреженном газе. Их обнаруживают по свечению экрана: при попадании потока экран начинает светиться. Светящееся пятно позволяет увидеть, где лучи достигают экрана, и проследить их путь.

Электрон — отрицательно заряженная частица, входящая в состав атомов. Опыты показали, что катодные лучи состоят именно из электронов, а не являются обычным светом. Это понятие помогает объяснить, почему лучи отклоняются электрическим и магнитным полями.

Удельный заряд электрона — отношение модуля его заряда к массе: |q|/m. В опытах с катодными лучами определяют не заряд или массу по отдельности, а именно это отношение. Оно показывает, насколько сильно частица реагирует на электрическое поле с учётом своей массы.

Как это устроено

Разрядную трубку заполняют газом при низком давлении и помещают в неё два электрода. Между электродами создают высокое напряжение, из-за чего возникает электрический разряд. При этих условиях от отрицательного электрода — катода — распространяются катодные лучи. Разрежение уменьшает число столкновений частиц с газом, поэтому поток может пройти через трубку.

На пути лучей размещают экран из вещества, которое светится при попадании на него частиц. Если лучи достигают экрана, на нём появляется светящееся пятно. Перемещая экран или помещая на пути препятствие, можно установить направление распространения потока. Свечение возникает не потому, что лучи сами являются видимым светом, а из-за воздействия частиц на материал экрана.

Чтобы выяснить, заряжены ли частицы, между пластинами создают электрическое поле. Положительный заряд поле притягивает к отрицательной пластине, а отрицательный — к положительной. Катодные лучи отклоняются к положительно заряженной пластине, следовательно, частицы в них имеют отрицательный заряд. Такое направление отклонения отличает их от потока положительных частиц.

На лучи действует и магнитное поле: при его включении светящееся пятно на экране смещается. Направление смещения зависит от направления магнитного поля и движения частиц. Само отклонение показывает, что лучи состоят из заряженных частиц, а не из нейтральных атомов. Вместе с действием электрического поля оно позволило изучать свойства этих частиц.

Дж. Дж. Томсон исследовал, как электрическое поле отклоняет катодные лучи, и измерял смещение пятна на экране. По известной напряжённости поля, скорости частиц и величине отклонения можно определить ускорение, сообщённое полем. Сравнив это ускорение с электрической силой, Томсон нашёл отношение модуля заряда частицы к её массе. Одинаковость результатов при изменении материала электродов и газа показала, что электроны входят в состав разных веществ.

Опыты с катодными лучами и их выводы

Читайте таблицу по строкам: сначала найдите условие опыта, затем сопоставьте его с наблюдением и выводом. Наблюдение — то, что непосредственно фиксируют, а вывод объясняет его причину. Несколько опытов вместе подтверждают, что катодные лучи представляют собой поток электронов.

Разбор задач

1. Светящееся пятно напротив катода

Условие. В разрядной трубке на экране появляется светящееся пятно напротив катода. Нужно объяснить, что показывает это наблюдение. Следует связать свечение не с самим наличием разряда, а с попаданием частиц на экран.

1. Вспомним, что катодные лучи распространяются от катода по трубке.
2. Экран светится, когда на него попадают частицы лучей и воздействуют на его материал.
3. Значит, пятно показывает место, в которое пришёл поток, и помогает проследить его направление.

Ответ. Светящееся пятно возникает в месте попадания катодных лучей на экран. Оно показывает, что поток распространяется от катода и достигает экрана.

2. Отклонение к положительной пластине

Условие. Катодные лучи отклоняются в электрическом поле к положительно заряженной пластине. Требуется определить знак заряда частиц. Для этого сравним наблюдаемое направление с тем, как поле действует на заряды разных знаков.

1. Положительный заряд притягивается к отрицательной пластине и отталкивается от положительной.
2. Отрицательный заряд, наоборот, притягивается к положительной пластине.
3. Так как луч отклоняется именно к положительной пластине, его частицы имеют отрицательный заряд.

Ответ. Частицы катодных лучей заряжены отрицательно. Эти частицы называются электронами.

3. Удельный заряд по отклонению

Условие. Известны скорость электронов v и напряжённость электрического поля E, а измеренное поперечное отклонение луча равно y. Нужно найти удельный заряд. Предположим, что поле однородно, начальная поперечная скорость равна нулю, а скорость вдоль луча почти не меняется.

1. Пусть электроны пролетают вдоль поля-области длиной l; время пролёта t = l/v. Если задано время, используем его напрямую.
2. Электрическая сила по модулю равна |q|E, поэтому ускорение поперёк поля a = |q|E/m.
3. Для равноускоренного движения y = at²/2. Подставляем ускорение и получаем |q|/m = 2y/(Et²), или |q|/m = 2yv²/(El²).

Ответ. Удельный заряд вычисляют по формуле |q|/m = 2y/(Et²), а при известной длине области поля — по формуле |q|/m = 2yv²/(El²). Нужно подставить значения в единицах СИ; результат выражается в Кл/кг.

Типичные ошибки

Ошибка — считать катодные лучи светом. Так можно подумать, потому что на экране видно свечение, однако свет сам по себе не отклонялся бы электрическим полем так, как это наблюдают в опыте. Проверьте себя: если луч отклоняется электрическим и магнитным полями, речь идёт о движущихся заряженных частицах.

Ошибка — при отклонении к положительной пластине приписывать частицам положительный заряд. Часто путают знак пластины с тем, к какой пластине притягивается заряд. Проверьте направление силы: отрицательная частица притягивается к положительной пластине, а положительная — к отрицательной.

Ошибка — утверждать, что электроны возникают только из газа или материала катода. Такой вывод кажется естественным, если рассматривать лишь одну трубку, но он не объясняет сохранение свойств лучей при замене материалов. Сравните опыты с разными электродами и газами: одинаковые свойства указывают на наличие электронов в разных веществах.

Ошибка — путать заряд электрона с его удельным зарядом. Заряд относится к частице, а удельный заряд — отношение модуля заряда к массе, поэтому в него входят две величины. Проверьте запись: для заряда используют q, а для удельного заряда — |q|/m; единица последнего — Кл/кг.

Связь с другими темами

Для понимания опытов нужно знать, как электрическое поле действует на заряды и чем различаются направления сил для положительных и отрицательных частиц. Также пригодятся понятия электрического заряда, массы и силы: без них нельзя объяснить отклонение потока или рассчитать удельный заряд.

Эти идеи помогают изучать строение атома: электрон оказался частицей, входящей в состав атомов разных веществ. Представление о движении заряженных частиц в электрических и магнитных полях пригодится и в других разделах физики. Например, по отклонению можно судить о свойствах частиц, даже если их нельзя увидеть напрямую.

Что запомнить

• Катодные лучи возникают в разрядной трубке с разреженным газом.
• Катодные лучи вызывают свечение экрана, на который попадают.
• Катодные лучи отклоняются электрическим и магнитным полями.
• Катодные лучи представляют собой поток отрицательно заряженных электронов.
• Электроны входят в состав атомов разных веществ.
• В опытах Томсона было определено отношение модуля заряда электрона к его массе.