Теоретичні відомості. Відомо, що рухомі електричні заряди створюють власне магнітне поле

Відомо, що рухомі електричні заряди створюють власне магнітне поле. Це означає, що на такі заряди можна одночасно діяти електричним і магнітним полем. Цей факт і було покладено в основу досліду Томсона по визначенню питомого заряду електрона.

Відхилення заряджених частинок, що рухаються, електричним полем. Розглянемо вузький пучок однакових заряджених частинок (наприклад, електронів), що попадають під час відсутності полів на перпендикулярний до їхнього напрямку руху екран у точці О (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Схема руху зарядженої частинки в електричному

полі

Визначимо зсув напрямку пучка, що відбувається під впливом перепендикулярного до пучка однорідного електричного поля, що діє на шляху довжиною l ₁. Нехай спочатку швидкість частинок дорівнює v ₀. Потрапивши в область поля, кожна частинка буде рухатися з постійним за величиною і напрямком, перпендикулярним до v ₀ прискоренням ( - питомий заряд частинки). Рух під дією поля продовжується протягом часу . За цей час частинки змістяться на відстань

(8.1)

і придбають перпендикулярну до v ₀ складову швидкості

.

Надалі частинки летять прямолінійно в напрямку, що утворює з вектором v ₀ кут α, обумовлений співвідношенням:

. (8.2)

У результаті на додаток до зсуву (8.1) пучок одержує зсув

,

- де l ₂ – відстань від границі області, у якій діє поле, до

екрана.

Таким чином, зсув траєкторії руху пучка відносно точки О дорівнює

(8.3)

чи з урахуванням (8.2)

.

Звідси випливає, що частинки, залишивши поле, летять так, нібито вони вилетіли з центра конденсатора, який створює поле під кутом α, який визначається формулою (8.2).

Відхилення заряджених частинок, що рухаються, магнітним полем. Припустимо тепер, що на шляху руху частинок довжиною l ₁ включається перпендикулярне до їхньої швидкості v ₀ однорідне магнітне поле (рис. 8.2). Область поля обведена пунктирною окружністю. Під дією поля кожна частинка придбає постійне за величиною прискорення . Розмірковуючи аналогічно, одержимо для зсуву пучка відносно точки О, який тепер позначимо літерою x, наступний вираз:

. (8.4)

Кут, на який відхилиться пучок магнітним полем, визначається співвідношенням

. (8.5)

З урахуванням (8.5) формулу (8.4) можна представити у вигляді

.

Отже, при невеликих відхиленнях частинки, залишивши магнітне поле, летять так, ніби то вони вилетіли з центра області, у якій діє магнітне поле, під кутом β, величина якого визначається виразом (8.5).

Рис. 8.2. Схема руху зарядженої частинки в магнітному полі

З формул (8.3),(8.4) видно, що як відхилення електричним, так і відхилення магнітним полем, пропорційно питомому заряду частинок.

Дослід Томсона. Відкриття електрона. Питомий заряд електрона був вперше визначений Томсоном у 1897 році за допомогою розрядної трубки, зображеної на рис. 8.3. Електронний пучок, що виходить з отвору в аноді А, проходив між пластинами плоского конденсатора і попадав на флуоресцентний екран, створюючи на ньому світлову пляму. Подаючи напругу на пластини конденсатора, можна впливати на пучок практично однорідним електричним полем. Трубка містилася між полюсами електромагніта, за допомогою якого можна було створювати на тій же ділянці шляху пучка перпендикулярне до електричного однорідне магнітне поле (область цього поля обведена на рис. 8.3 пунктирною окружністю). При виключених полях пучок попадав на екран у точці О. Кожне з полів окремо викликало зсув пучка у вертикальному напрямку. Величини зсувів визначаються формулами (8.3), (8.4).

Ввімкнувши магнітне поле і вимірюючи викликаний їм зсув траєкторії руху пучка x Томсон вмикав також електричне поле і підбирав його значення таким чином, щоб пучок знову попадав у точку О. У цьому випадку електричне і магнітне поле діяли на частинки пучка одночасно з однаковими за величиною, але протилежно направленими силами. При цьому виконувалась умова

. (8.6)

Рис. 8.3. Схема досліду Томсона

Вирішуючи спільно рівняння (8.4) і (8.6), Томсон обчислив значення і v ₀ і вперше одержав зовсім несподівані на той час результати. Виявилося, що відношення для негативно заряджених частинок, що вилітають з катода (катодних променів), зовсім не залежить від природи газу в розрядній трубці. Воно не залежить також від матеріалу катода і тиску газу. Але саме дивне полягало в тім, що значення для частинок катодних променів виявилося набагато більше, ніж це відношення для найлегшого іона водню.

Результати Томсона показали, що частинки в катодних променях (природа яких у той час була ще невідома) не можуть бути зарядженими іонами газу чи матеріалу електродів і вперше привели до висновку, що ці частинки є елементарними зарядженими частинками, спільними для всіх речовин, що вільно існують у катодних променях незалежно від атомів і володіють набагато меншою масою, ніж атоми. Ці частинки були названі електронами.