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LE PRINCIPALI SCOPERTE SCIENTIFICHE
Elettrone. Storia ed essenza della scoperta scientifica
Elenco / Le scoperte scientifiche più importanti Sono apparse idee chiare e precise sulla struttura atomica dell'elettricità W. Weber, che li sviluppò in una serie di opere, a partire dal 1862: "Con la distribuzione generale dell'elettricità, si può presumere che un atomo elettrico sia associato a ogni atomo pesante". In relazione a ciò, sviluppa opinioni sulla conduttività della corrente nei metalli, che differiscono da quelle elettroniche solo per il fatto che considera mobili gli atomi di elettricità positiva. Ha anche espresso l'idea di un'interpretazione molecolare del calore di Joule-Lenz: "La forza viva di tutte le correnti molecolari contenute nel conduttore aumenta con il passaggio della corrente in proporzione alla resistenza e in proporzione al quadrato della forza della corrente." Queste e simili affermazioni di Weber hanno dato origine a A.I. Bachinsky per chiamare Weber uno dei creatori della teoria elettronica, e O.D. Khvol'son a mettere il suo nome nel paragrafo di apertura del capitolo sulla teoria elettronica della conduzione dei metalli. Ma va notato che Weber non collega ancora il suo "atomo elettrico" con i fatti specifici dell'elettrolisi. Questa connessione è stata stabilita per la prima volta Maxwell nel primo volume del suo Trattato. Ma Maxwell non ha sviluppato questa idea importante. Al contrario, ha sostenuto che l'idea di una carica molecolare non sarebbe sopravvissuta nella scienza. Nel 1874 il fisico irlandese Stoney, in una riunione della British Association, richiamò l'attenzione sull'esistenza in natura di tre "unità naturali": la velocità della luce, la costante gravitazionale e la carica dell'"atomo elettrico". Riguardo a quest'ultima unità, ha detto: "Infine, la natura ci ha dotato nei fenomeni di elettrolisi di una quantità di elettricità ben definita, indipendente dai corpi con cui è collegata". Stoney ha stimato questa carica dividendo la quantità di elettricità rilasciata durante la decomposizione di un centimetro cubo di idrogeno per il numero dei suoi atomi secondo i dati allora e ha ricevuto un valore dell'ordine di 10 per la meno ventesima potenza delle unità elettromagnetiche. Stoney propose di chiamare questo atomo elettrico "elettrone". anni aprile 5 1881 Helmholtz Nel suo famoso discorso dichiarò: "Se ammettiamo l'esistenza di atomi chimici, allora siamo costretti a concludere ulteriormente che l'elettricità, sia positiva che negativa, è anche divisa in certe quantità elementari, che svolgono il ruolo di atomi di elettricità». Nel 1869, Gittorff, dopo aver ottenuto un vuoto con un grado di rarefazione inferiore a un millimetro in un tubo di scarica, notò che lo spazio catodico scuro si diffonde rapidamente in tutto il tubo, per cui le pareti del tubo iniziano a diventare fortemente fluorescenti. Ha notato che il bagliore del tubo viene spostato sotto l'influenza di un magnete. Dieci anni dopo le osservazioni di Hittorf apparvero le opere di V. Crookes. Secondo le ipotesi di Crookes, una particella di materia radiante viene espulsa dagli elettrodi a velocità enorme. Lo spazio catodico oscuro è uno spazio in cui le molecole di gas negative si muovono liberamente, volando dal catodo e trattenute al suo confine dalle molecole positive in arrivo. Tuttavia, i fisici tedeschi non accettarono il punto di vista di Crookes. E. Goldstein dimostrò nel 1880 che identificare le dimensioni dello spazio catodico scuro con il cammino libero medio non è corretto. Egli dimostrò che i raggi catodici non finiscono al confine dello strato scuro; ad alta rarefazione penetrano anche nello spazio luminoso dell'anodo. Lo scienziato austriaco V.F. Gintl nello stesso anno ipotizzò che i raggi catodici fossero un flusso di particelle metalliche estratte dal catodo da una corrente elettrica, che si muove in linea retta. Questo punto di vista è stato sostenuto e sviluppato ulteriormente da Pulua. Nello stesso 1880, E. Wiedemann identificò raggi catodici con vibrazioni eteree di una lunghezza d'onda così breve. A suo avviso, non producono un effetto luminoso; tuttavia, cadendo su materia pesante, rallentano e si trasformano in luce visibile. Gli esperimenti di Lenard hanno giocato un ruolo decisivo nel rafforzare la teoria delle onde eteree dei raggi catodici. Ha dimostrato in modo convincente che i raggi catodici possono uscire all'esterno mantenendo il vuoto nel tubo, cioè questi raggi non possono essere particelle di gas, come suggerito da Crookes. Ma questo non basta. I raggi catodici nell'aria producono un effetto luminoso e fotografico. Lenard è riuscito a entrare nel ruscello ha rilasciato la fotografia di un oggetto sigillato in una scatola di alluminio sigillata ermeticamente con pareti sottili. Osservando la deflessione del raggio emesso dal magnete, ha scoperto che questa deflessione non dipende dal tipo di gas e, soprattutto, che rimane una parte dei raggi che non viene deviata dal magnete. Lenard è stato il primo fisico a osservare l'azione dei raggi X e ha persino ricevuto i primi raggi X. Ma non riuscì a comprendere appieno la sua scoperta e la caratterizzò come una prova della natura ondulatoria dei raggi catodici. Il suo esperimento è stato irto di grandi opportunità che lo scienziato non ha sfruttato. La teoria di Wiedemann-Hertz-Lenard fu fortemente scossa nel 1895 dall'esperienza di Perrin (1870–1942), che tentò di rilevare la carica dei raggi catodici. A tal fine, ha posizionato un cilindro di Faraday nel tubo di scarica contro il catodo, collegato a un elettrometro. Durante il passaggio dello scarico, la bombola si è caricata negativamente. Da ciò, Perrin ha concluso che "il trasferimento di cariche negative è inseparabile dai raggi catodici". Perrin ha stabilito con certezza il trasferimento di carica dai raggi catodici e ha ritenuto che questo fatto sia difficile da conciliare con la teoria delle vibrazioni, mentre concorda molto bene con la teoria dell'esaurimento. Pertanto, riteneva che "se la teoria dell'espirazione può confutare tutte le obiezioni che ha sollevato, deve essere riconosciuta come davvero idonea". Tuttavia, per confutare tutte le obiezioni, era necessario cambiare radicalmente le opinioni sulla struttura della materia e consentire l'esistenza in natura di particelle di atomi più piccoli. Il fisico inglese Joseph Thomson (1856–1940) è entrato nella storia della scienza come l'uomo che ha scoperto l'elettrone. Una volta disse: "Le scoperte sono dovute all'acutezza e alla capacità di osservazione, all'intuizione, all'entusiasmo incrollabile fino alla risoluzione finale di tutte le contraddizioni che accompagnano il lavoro pionieristico". Joseph John Thomson è nato a Manchester. Qui, a Manchester, si laureò all'Owens College, e nel 1876-1880 studiò all'Università di Cambridge presso il famoso Trinity College (Trinity College). Nel gennaio 1880, Thomson superò con successo gli esami finali e iniziò a lavorare presso il Cavendish Laboratory. Il suo primo articolo, pubblicato nel 1880, era dedicato alla teoria elettromagnetica della luce. L'anno successivo apparvero due articoli, uno dei quali pose le basi per la teoria elettromagnetica della massa. Thomson era ossessionato dalla fisica sperimentale. Ossessionato nel miglior senso della parola. I risultati scientifici di Thomson furono molto apprezzati da Rayleigh, direttore del Cavendish Laboratory. Lasciato nel 1884 come direttore, non esitò a raccomandare Thomson come suo successore. Dal 1884 al 1919 Thomson diresse il laboratorio Cavendish. Durante questo periodo è diventato un importante centro di fisica mondiale, una scuola internazionale di fisici. Qui hanno iniziato il loro percorso scientifico Rutherford, Bohr, Langevin e molti altri, inclusi scienziati russi. Il programma di ricerca di Thomson era ampio: questioni sul passaggio della corrente elettrica attraverso i gas, teoria elettronica dei metalli, ricerche sulla natura dei vari tipi di raggi... Riprendendo lo studio dei raggi catodici, Thomson decise anzitutto di verificare se i suoi predecessori, che avevano ottenuto la deflessione dei raggi mediante campi elettrici, avessero condotto gli esperimenti con sufficiente attenzione. Concepisce un esperimento ripetuto, progetta attrezzature speciali per esso, controlla personalmente l'accuratezza dell'esecuzione dell'ordine e il risultato atteso è ovvio. Nel tubo progettato da Thomson, i raggi catodici sono stati obbedientemente attratti dalla piastra caricata positivamente e chiaramente respinti da quella negativa. Cioè, si sono comportati come avrebbe dovuto essere per un flusso di minuscoli corpuscoli in rapido movimento carichi di elettricità negativa. Ottimo risultato! Poteva certamente porre fine a tutte le controversie sulla natura dei raggi catodici. Ma Thomson non considerava la sua ricerca completa. Determinata qualitativamente la natura dei raggi, ha voluto dare un'esatta definizione quantitativa dei corpuscoli che li compongono. Ispirato dal primo successo, progettò un nuovo tubo: un catodo, elettrodi acceleratori a forma di anelli e piastre, a cui poteva essere applicata una tensione di deflessione. Sulla parete di fronte al catodo, ha depositato un sottile strato di una sostanza in grado di brillare sotto l'impatto delle particelle incidenti. Si è rivelato essere l'antenato dei tubi a raggi catodici, a noi così familiari nell'era dei televisori e dei radar. Lo scopo dell'esperimento di Thomson era di deviare un gruppo di corpuscoli con un campo elettrico e compensare questa deflessione con un campo magnetico. Le conclusioni a cui è giunto a seguito dell'esperimento sono state sorprendenti. In primo luogo, si è scoperto che le particelle volano nel tubo con velocità enormi vicine alla velocità della luce. E in secondo luogo, la carica elettrica per unità di massa di corpuscoli era straordinariamente grande. Che tipo di particelle erano queste: atomi sconosciuti che trasportavano enormi cariche elettriche o minuscole particelle di massa trascurabile, ma con una carica più piccola? Scoprì inoltre che il rapporto tra carica specifica e massa unitaria è un valore costante, indipendente dalla velocità delle particelle, o dal materiale catodico, o dalla natura del gas in cui avviene la scarica. Tale indipendenza era allarmante. Sembra che i corpuscoli fossero una specie di particelle universali di materia, parti costituenti degli atomi. "Dopo una lunga discussione sugli esperimenti", scrive Thompson nelle sue memorie, "si è scoperto che non potevo evitare le seguenti conclusioni: 1. Che gli atomi non siano indivisibili, poiché le particelle con carica negativa possono essere strappate da essi sotto l'influenza di forze elettriche, l'impatto di particelle in rapido movimento, luce ultravioletta o calore. 2. Che queste particelle abbiano tutte la stessa massa, portino la stessa carica di elettricità negativa, da qualunque tipo di atomi provengano, e siano componenti di tutti gli atomi. 3. La massa di queste particelle è inferiore a un millesimo della massa di un atomo di idrogeno. Inizialmente ho chiamato queste particelle corpuscoli, ma ora sono chiamate con il nome più appropriato "elettrone". Thomson cominciò a fare i calcoli. Prima di tutto era necessario determinare i parametri dei misteriosi corpuscoli e poi, forse, sarebbe stato possibile decidere cosa fossero. I risultati dei calcoli hanno mostrato: non c'è dubbio, le particelle sconosciute non sono altro che le più piccole cariche elettriche: atomi indivisibili di elettricità o elettroni. Il 29 aprile 1897, nella sala dove per più di duecento anni si erano svolte le riunioni della Royal Society di Londra, ebbe luogo la sua relazione. Gli ascoltatori erano felicissimi. La gioia dei presenti non era affatto spiegata dal fatto che il collega J. J. Thomson avesse rivelato in modo così convincente la vera natura dei raggi catodici. La situazione era molto più grave. Gli atomi, i mattoni primari della materia, cessarono di essere grani elementari rotondi, impenetrabili e indivisibili, particelle senza alcuna struttura interna... Se da essi potessero volare corpuscoli caricati negativamente, allora gli atomi dovevano essere una sorta di sistema complesso, un sistema costituito da qualcosa carico di elettricità positiva e da corpuscoli caricati negativamente: gli elettroni. Ora sono diventate visibili le ulteriori, più necessarie direzioni delle ricerche future. Prima di tutto, ovviamente, era necessario determinare esattamente la carica e la massa di un elettrone. Ciò consentirebbe di chiarire le masse degli atomi di tutti gli elementi, calcolare le masse delle molecole e fornire raccomandazioni per la corretta preparazione delle reazioni. Nel 1903, nello stesso laboratorio Cavendish di Thomson, G. Wilson apportò un'importante modifica al metodo di Thomson. In un vaso in cui si effettua una rapida espansione adiabatica dell'aria ionizzata vengono poste delle piastre di condensatori tra le quali si può creare un campo elettrico e si può osservare la caduta della nuvola, sia in presenza di campo che in sua assenza . Le misurazioni di Wilson hanno fornito un valore per la carica di un elettrone pari a 3,1 volte 10 alla meno decima potenza di abs. e-mail unità Il metodo di Wilson è stato utilizzato da molti ricercatori, inclusi gli studenti dell'Università di San Pietroburgo Malikov e Alekseev, che hanno trovato la carica pari a 4,5 volte 10 alla meno decima potenza degli addominali. e-mail unità Questo era il risultato più vicino al valore reale ottenuto prima che Millikan iniziasse a misurare con singole gocce nel 1909. Così fu scoperto e misurato l'elettrone, una particella universale di atomi, la prima delle cosiddette "particelle elementari" scoperte dai fisici. Questa scoperta ha permesso ai fisici, in primo luogo, di sollevare la questione dello studio delle proprietà elettriche, magnetiche e ottiche della materia in un modo nuovo. Autore: Samin D.K.
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