Ніколи не задавались питанням “як зважили електрон і протон”? Розповідаємо.
Сьогодні ми знаємо, що електрон і протон мають масу, заряд і чіткі властивості. Але насправді ніхто ніколи не клав електрон на терези й не “зважував” його напряму. Ба більше — ці частинки настільки малі, що їх навіть неможливо побачити у звичайному сенсі слова. І все ж науковці змогли визначити їхню масу та заряд із неймовірною точністю. Як зважили електрон і протон? Через дуже хитрі експерименти, про які буде розказано у цьому відео.
Катодні промені
Наприкінці XIX століття фізики активно досліджували дивне явище у вакуумних трубках. Якщо відкачати майже все повітря і подати високу напругу, усередині з’являлося загадкове світіння. Від катода летів невидимий потік, який назвали катодними променями.
Довгий час ніхто не розумів, що це таке. Одні вважали це особливим видом світла, інші — якоюсь невідомою енергією. Але у 1897 році англійський фізик Джозеф Джон Томсон вирішив перевірити: а що буде, якщо пропустити ці промені через електричне та магнітне поле?
І сталося дещо дуже важливе. Потік почав відхилятися.
Це означало, що всередині рухаються заряджені частинки. Причому негативно заряджені. Але ще цікавішим було інше: вони відхилялися набагато сильніше, ніж будь-які відомі тоді атоми. Наче ці частинки були неймовірно легкими.
Томсон зрозумів: він відкрив щось фундаментально нове. Так людство вперше дізналося про існування електрона.
Щоб оцінити його властивості, Томсон вимірював, наскільки сильно електронний пучок змінює траєкторію під дією полів. Із цього він зміг визначити співвідношення заряду до маси:
Це був величезний прорив. Але проблема залишалася: вчений усе ще не знав окремо ні масу електрона, ні його заряд. Лише співвідношення між ними.
Експеримент Роберта Міллікена
Здавалося б — тупик. Але через кілька років інший фізик, Роберт Міллікен, придумав один із найгеніальніших експериментів в історії науки.
Він узяв крихітні краплини олії й розпилював їх між двома металевими пластинами. Частина крапель отримувала електричний заряд. Змінюючи напругу між пластинами, Міллікен міг зробити так, що окрема крапля буквально зависала у повітрі. Не падала вниз і не летіла вгору.
Сила тяжіння тягнула її вниз, а електричне поле — вгору. Коли ці сили ставали однаковими, крапля зависала:
qE = mg
Знаючи масу краплини та силу електричного поля, можна було обчислити заряд.
І тут Міллікен помітив дивну закономірність: усі заряди виявилися кратними одному й тому самому мінімальному значенню. Наче природа має “найменшу порцію” електрики.
Так уперше визначили елементарний заряд електрона:
Тепер усе стало на свої місця. Якщо відоме співвідношення заряду до маси від Томсона і відомий сам заряд від Міллікена, то можна легко обчислити й масу електрона.
І результат виявився шокуючим.
Електрон — одна з найлегших частинок у Всесвіті:
Це настільки мала величина, що людський мозок її майже не здатен уявити. Навіть порошинка пилу важча за електрон у трильйони трильйонів разів.
Але історія на цьому не закінчилася.
Експеримент Резерфорда
На початку XX століття стало зрозуміло, що всередині атома існує ще щось набагато масивніше й позитивно заряджене. Після знаменитого експерименту із золотою фольгою Ернест Резерфорд зрозумів: майже вся маса атома зосереджена у крихітному ядрі.
Пізніше він почав бомбардувати атоми азоту альфа-частинками. І раптом помітив, що з ядер вилітає одна й та сама позитивна частинка.
Це був протон.
Його заряд виявився точно таким самим за величиною, як у електрона, але протилежним за знаком:
А коли вчені проаналізували рух протонів у магнітних полях, стало зрозуміло, що протон значно важчий за електрон:
Приблизно у 1836 разів.
І найцікавіше тут те, що всі ці відкриття були зроблені ще тоді, коли ніхто не мав сучасних мікроскопів чи комп’ютерів. Люди фактично “бачили” невидимі частинки через їхню поведінку — через те, як вони відхиляються у полях, рухаються, стикаються і взаємодіють.
Тобто масу й заряд електрона або протона вчені визначили не тому, що безпосередньо побачили ці частинки, а тому, що Всесвіт залишав маленькі підказки. І люди навчилися їх читати ⚛️