Московський Державний Технічний Університет

цивільної Авіації

Кафедра фізики

Реферат № 1

з дисципліни «Концепції сучасного природознавства»

на тему «Відкриття електрона. Історичні передумови в створенні моделі атома. Модель Томсона »

Виконав студент Алейников Р.А.

перевірив _____________________

Курс 1 № групи ___

ЕКД 101409

Москва - 2010

план

1. Історичні передумови в створенні моделі атома .................. 3

2. Відкриття електрона ............................................................ 5

3. Модель Томсона ... ............................................................ 6

4. Список літератури ............................................................ .9

1. Історичні передумови в створенні моделі атома

Історію виникнення найзагальніших уявлень про атом зазвичай ведуть з часів грецького філософа Демокріта (бл. 460 - бл. 370 до н. Е.), Багато розмірковує про найменших частинках, на які можна було б поділити будь-яка речовина. Групу грецьких філософів, які дотримувалися того погляду, що існують подібні крихітні неподільні частки, називали атомістами. Грецький філософ Епікур (ок. 342-270 до н.е.) прийняв атомну теорію, і в першому столітті до н.е. один з його послідовників, римський поет і філософ Лукрецій Кар, виклав вчення Епікура в поемі «Про природу речей», завдяки якій воно і збереглося для наступних поколінь. Аристотель (384-322 до н.е.), один з найбільших вчених давнини, атомістичну теорію не приймав, і його погляди на філософію і науку переважали згодом в середньовічному мисленні. Атомістичної теорії як би не існувало до самого кінця епохи Відродження, коли на зміну чисто умоглядним філософським міркуванням прийшов експеримент.

Рис.1 Структура атома

В епоху Відродження почалися систематичні дослідження в областях, що іменуються нині хімією і фізикою, що принесли з собою нові здогади про природу «неподільних частинок». Р.Бойль (1627-1691) і І. Ньютон (1643-1727) виходили в своїх міркуваннях з уявлення про існування неподільних частинок речовини. Однак ні Бойлю, ні Ньютону не треба було детальної атомістичної теорії для пояснення цікавили їх явищ, і результати проведених ними експериментів не сказали нічого нового про властивості «атомів». М. В. Ломоносов стверджував, що всі речовини складаються з «корпускул» - «молекул», які є «зборами» «елементів» - «атомів»: «Елемент є частина тіла, яка не перебуває з будь-яких інших менших і відрізняються від нього тел ... Корпускула є збори елементів, який утворює одну малу масу »« Елементу »він надав сучасне йому значення - в сенсі межі подільності тіл - останньої складовою їх частини. Вчений вказував на кулясту його форму. Саме М. В. Ломоносову належить ідея про «внутрішньому обертальному (" коловоротні ") русі частинок» - швидкість обертання позначається підвищенням температури. Попри всі недоліки такої моделі, важливо надання вченим поняття руху більш глибокої фізичної значущості.

У 1749 році Бенджамін Франклін висловив гіпотезу, що електрику являє собою своєрідну матеріальну субстанцію. Центральну роль електричної матерії він відводив поданням про атомістичної будову електричного флюїду. У роботах Франкліна вперше з'являються терміни: заряд, розряд, позитивний заряд, негативний заряд, конденсатор, батарея, частинки електрики. Йоганн Ріттер в 1801 році висловив думку про дискретну, зернистою структурі електрики; Вільгельм Вебер у своїх роботах з 1846 року вводить поняття атома електрики і гіпотезу, що його рухом навколо матеріального ядра можна пояснити теплові та світлові явища; Майкл Фарадей ввів термін «іон» для носіїв електрики в електроліті і припустив, що іон володіє незмінним зарядом. Г. Гельмгольц в 1881 році показав, що концепція Фарадея повинна бути узгоджена з рівняннями Максвелла. Дж. Стогін в 1881 році вперше розрахував заряд одновалентного іона при електролізі, а в 1891 році, в одній з теоретичних робіт стогін запропонував термін «електрон» для позначення електричного заряду одновалентного іона при електролізі. Катодні промені відкриті в 1859 році Юліус Плюккер, назва дано Е. Гольдштейном, який висловив хвильову гіпотезу: катодні промені є процес в ефірі. Англійський фізик В. Крукс висловив ідею, що катодні промені це потоки частинок речовини. У 1895 році французький фізик Жан Перрен експериментально довів, що катодні промені - це потік негативно заряджених частинок, які рухаються прямолінійно, але можуть відхилятися магнітним полем.

2. Відкриття електрона

Експериментальні дані, пов'язані з утворенням хімічних сполук, підтверджували існування «атомних» частинок і дозволили судити про малих розмірах і масі окремих атомів. Однак реальна структура атомів, в тому числі і існування ще менших частинок, складових атоми, залишалася неясною до відкриття Джозефом Джоном Томсоном електрона в 1897. У своєму досвіді Томсон довів, що всі частинки, що утворюють катодні промені, тотожні один одному і входять до складу речовини . Суть дослідів і гіпотезу про існування матерії в стані ще більш тонкого дроблення, ніж атоми, Томсон виклав на вечірньому засіданні Королівського товариства 29 квітня 1897 р Витяг з цього повідомлення було опубліковано в "Electrican" 21 травня 1897 г. За це відкриття Томсон в 1906 році отримав Нобелівську премію з фізики. До того часу атом вважався неподільним і відмінність в хімічних властивостях різних елементів не мало свого пояснення. Ще до відкриття Томсона був виконаний ряд цікавих експериментів, в яких інші дослідники вивчали електричний струм в скляних трубках, наповнених газом при низькому тиску. Такі трубки, названі трубками Гейсслер (рис.2) на ім'я німецького склодува Г.Гейсслера (1815-1879), який першим почав виготовляти їх, випускали яскраве світіння, будучи підключені до високовольтної обмотці індукційної котушки. Цими електричними розрядами зацікавився У.Крукс (1832-1919), який встановив, що характер розряду в трубці змінюється в залежності від тиску, і

Рис.2 Трубка Гейсслер

розряд повністю зникає при високому вакуумі. Пізніші дослідження Ж.Перрен (1870-1942) показали, що викликають світіння «катодні промені» представляють собою негативно заряджені частинки, які рухаються прямолінійно, але можуть відхилятися магнітним полем. Однак заряд і маса частинок залишалися невідомі і було неясно, чи однакові всі негативні частинки.

3. Модель Томсона.

Величезною заслугою Томсона стало доказ того, що всі частинки, що утворюють катодні промені, тотожні один одному і входять до складу речовини. За допомогою розрядної трубки особливого типу (рис.3), Томсон виміряв швидкість і ставлення заряду до маси частинок катодних променів, пізніше названих електронами. Електрони вилітали з катода під дією високовольтного розряду в трубці. Через діафрагми D і E проходили тільки ті з них, що летіли вздовж осі трубки.

Мал. 3. Ставлення заряду до маси. Трубка, використана англійським фізиком Дж.Томсон для визначення ставлення заряду до маси для катодних променів. Ці досліди привели до відкриття електрона.

У нормальному режимі ці електрони потрапляли в центр люмінесцентного екрану. (Трубка Томсона була першою «електронно-променевою трубкою» з екраном, попередницею телевізійного кінескопа.) У трубці перебувала також пара пластин електричного конденсатора, які, якщо на них подавалося напруга, могли відхиляти електрони. Електрична сила FE, діюча на заряд e з боку електричного поля E, дається виразом FE = eE. Крім того, в тій же області трубки за допомогою пари котушок зі струмом могло створюватися магнітне поле, здатне відхиляти електрони в протилежному напрямку. Сила FH, що діє з боку магнітного поля H, пропорційна напруженості поля, швидкості частинки v і її заряду e: FH = Hev. Томсон відрегулював електричне та магнітне поля так, щоб повне відхилення електронів дорівнювало нулю, тобто електронний пучок повернувся в початкове положення. Оскільки в цьому випадку обидві сили FE і FH рівні, швидкість електронів дається виразом v = E / H. Томсон встановив, що ця швидкість залежить від напруги на трубці V і що кінетична енергія електронів mv2 / 2 прямо пропорційна цій напрузі, тобто mv2 / 2 = eV. (Звідси термін «електрон-вольт» для енергії, одержуваної часткою з зарядом, рівним заряду електрона при прискоренні різницею потенціалів 1 В.) Комбінуючи це рівняння з виразом для швидкості електрона, він знайшов відношення заряду до маси:

Експерименти Томсона показали, що електрони в електричних розрядах можуть виникати з будь-якої речовини. Оскільки всі електрони однакові, елементи повинні відрізнятися лише числом електронів. Крім того, мала величина маси електронів вказувала на те, що маса атома зосереджена не в них. Дж. Томсон, який зробив величезний внесок в експериментальне вивчення будови атома, прагнув знайти модель, яка дозволила б пояснити все його відомі властивості. Оскільки переважна частка маси атома зосереджена в його позитивно зарядженої частини, він прийняв, що атом є сферичне розподіл позитивного заряду радіусом приблизно 10-10 м, а на його поверхні знаходяться електрони, утримувані пружними силами, що дозволяють їм коливатися (рис. 4). Сумарний негативний заряд електронів в точності компенсує позитивний заряд, так що атом електрично нейтральний. Електрони знаходяться на сфері, але можуть здійснювати прості гармонійні коливання щодо положення рівноваги.

Рис.4 Атом, згідно моделі Томсона (модель відома як «Пудинг з родзинками»)

Такі коливання можуть відбуватися лише з певними частотами, яким відповідають вузькі спектральні лінії, що спостерігаються в газорозрядних трубках. Електрони можна досить легко вибити з їх позицій, в результаті чого виникають позитивно заряджені «іони», з яких складаються «каналові промені» в дослідах з мас-спектрографом. X-промені відповідають дуже високим обертонам основних коливань електронів. Альфа-частинки, що виникають при радіоактивних перетвореннях, - це частина позитивної сфери, вибита з неї в результаті якогось енергійного розривання атома. Електрони утримуються всередині позитивно зарядженої сфери пружними силами. Ті з них, які знаходяться на поверхні, можуть досить легко «вибиватися», залишаючи іонізований атом. Однак ця модель викликала ряд заперечень.

Відкриття електрона зробило колосальний вплив на розвиток сучасної фізики, призвело до розкриття механізму випромінювання і поглинання електромагнітної енергії, механізму взаємодії електромагнітних хвиль з речовиною.Електрон став в наші дні фундаментом грандіозного будівлі електроніки.

Електрон виявився не тільки об'єктом, а й засобом випромінювання властивостей матерії. Наочним прикладом цього є бурхливий розвиток прискорювальної техніки.

Список літератури / Інтернет-ресурси

1. http://www.kipt.kharkov.ua/conferences/ihepnp/workshop/section1

2. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/fizika/FIZIKA

3. http://ru.wikipedia.org/wiki

4. Кун Т. Структура наукових революцій. М .: Наука, 2001.

5. Гейзенберг В. Фізика і філософія. Частина і ціле. М .: Наука, 2002