МЕНЮ

Миф об открытии электрона

В данной статье даётся тезисное изложение исторического процесса открытия электрона. Акцент делается на ошибки, допущенные в данном процессе, ставшие одной из причин кризиса теоретической физики ХХ века.

Введение.  «День 30 апреля 1897 года официально считается днем рождения первой элементарной частицы — электрона. В этот день глава Кавендишской лаборатории и член Лондонского королевского общества Джозеф Джон Томсон сделал историческое сообщение «Катодные лучи» в Королевском институте Великобритании, в котором объявил, что его многолетние исследования электрического разряда в газе при низком давлении завершилось выяснением природы катодных лучей.» [1]

Важность этого события несомненна для теоретической физики ХХ столетия. Дж. Дж. Томсоном ( 1856 —  1940 г.г.) впервые была дана оценка величины массы и электрического заряда частиц катодных лучей, позднее отождествленных с электроном. В современной физике масса и заряд электрона являются фундаментальными константами [2] и служат основой определения многих других [3]. Фундаментальные константы входят в уравнения из самых различных областей физики, демонстрируя тем самым свою универсальную природу. В силу этого эти константы являются основным инструментом, позволяющим сравнить теорию с экспериментом. Однако, появление все возрастающего количества работ, научных и “дилетанских“, о некорректности интерпретаций различных физических явлений [4], о непостоянстве фундаментальных постоянных [5] и неспособности классических теорий описать физические явления показывает о наличии кризиса современной теоретической физики.

История открытия электрона [6] — это прежде всего история почти трехсотлетней дискуссии о природе электричества. «Скажите мне, что такое электричество, и я объясню Вам все остальное» — эти слова старейшины классической физики Вильяма Томсона не были броской фразой. Электричество было величайшей проблемой физики ХIХ века , а стало еще большей проблемой не только физики ХХ века, но и начала ХХI века.

Открытие электрона стало итогом многолетней работы Томсона и его сотрудников. Ни Томсон, ни кто-либо другой никогда не наблюдали электрон в буквальном смысле, никому не удалось выделить отдельную частицу из пучка катодных лучей и измерить ее удельный заряд. Автором открытия является Дж. Дж. Томсон потому, что его представления об электроне были близки к современным [7].

Согласно современным представлениям традиционной физики элементарных частиц [8]: электрон — стабильная отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Заряд электрона равен −1,602176487(40)×10−19 Кл (или −4,80320427(13)×10−10 ед. СГСЭ в системе СГС); масса примерно в 1836 раз меньше массы протона и равна 9,10938356(11)· 10−31 кг.

Электрон считается неделимым и бесструктурным (как минимум до расстояний 10−17 см), участвует в слабых, электромагнитных и гравитационных взаимодействиях.

Примерами  участия электрона в слабых взаимодействиях являются бета-распад и электронный захват.

Движение свободных электронов обусловливает такие явления, как электрический ток в проводниках и вакууме .

Выше изложенные представления об электроне гипотетичны и противоречивы. Масса электрона определяется как часть массы другой частицы — протона, чья масса, в свою очередь, является функцией структуры ядра атома вещества. Никто еще не привел доказательства, что электрический заряд электрона отрицательный и соответствует выше приведенному значению (1,602176487(40)×10−19 Кл). Если электрон является основным структурным элементом атома вещества, то он не может быть свободным, а значит не может обуславливать электрический ток в проводнике и др. явления.

Данные замечания позволяют говорить о мифичности (система фантастических представлений о мире) открытия электрона, несмотря на то, что определена дата открытия и назначен его первооткрыватель.

 

История открытия электрона. История открытия электрона [1, 8, 9] хорошо изучена, отшлифована и приведена в соответствие с современными представлениями об электроне. Если бы она в действительности была бы такой как есть, то, исходя из значимости электрона для  физики,  не стоял бы сегодня вопрос о кризисе теоретической физики.

Как было изложено выше история открытия электрона — это прежде всего история почти трехсотлетней дискуссии о природе электричества.

Первые представления об электричестве связывают с Древней Грецией, а именно с древне-греческим философом Фалесом Милетским (640 – 550 г.г. до н.э.), которому уже было известно свойство янтаря (др.-греч. ἤλεκτρον: электрон), натертого мехом или шерстью, притягивать легкие предметы [10]. Упадок античной культуры заметно отразился на изучении электрических явлений. Из многочисленных источников следует, что практически до 1600 г. не было сделано ни одного открытия в области электрических явлений [11]. Значительный перелом в представлениях об электрических явлениях наступил в самом начале ХVII в., когда вышел в свет фундаментальный труд видного английского ученого Вильяма Гильберта (1554 – 1603 г.г.)  ”О магните, магнитных телах и большом магните — Земле ” (1600 г.), в котором появился  термин электричество («янтарность»). Пытаясь объяснить способность предметов притягивать другие более лёгкие, Гильберт считал  электрические явления “истечениями” тончайшей жидкости, которая вследствие трения выливается на предметы и непосредственно действует на другой предмет.

Представления о том, что электрические явления обусловлены присутствием особой “электрической жидкости ”, аналогичной  “теплотвору ” и “светотвору ”, были характерны для науки того периода, когда механистические взгляды на многие явления были господствующими.

Важным и вполне закономерным шагом на пути изучения электрических явлений был переход от качественных наблюдений к установлению количественных связей и закономерностей, к разработке основ электричества. Наиболее значительный вклад в решение этих проблем был сделан американским ученым  Б. Франклином (1706 -1790 г.г.) и петербургскими академиками  М. В. Ломоносовым (1711 – 1765 г.г.) и  Г.В. Рихманом (1711 – 1753 г.г.) .

Франклин является автором первой теории об электричестве, так называемой  “унитарной теории ” электричества («Опыты и наблюдения над электричеством», 1747 г.). Он пришел к выводу, что электричество представляет собой жидкость (только одного рода), состоящую из “чрезвычайно неуловимых частиц” [9] . Таким образом, он впервые высказал правильное предположение о материальном характере электричества. Он также вводит понятие положительного и отрицательного заряда. Согласно его представлениям, когда янтарную палочку натирают мехом, часть электричества переносится от палочки к меху, порождая недостаток электричества на янтарной палочке и его избыток на мехе. Недостаток электричества Франклин определил, как отрицательное электричество, а избыток — как положительное. Количество электричества (положительного или отрицательного), заключенного в любом теле, он назвал электрическим зарядом тела. Франклин ввел также фундаментальную гипотезу – закон сохранения электрического заряда. Электрический заряд никогда не возникает (из ничего) и не исчезает – он только передается (от одного тела к другому).

В представлении Франклина понятия отрицательное и положительное электричество понимаются как его недостаток и избыток, что не тождественно математическому понятию меньше нуля или больше нуля. С течением времени представления Франклина о положительном и отрицательном электричестве (заряде) бездоказательно трансформировались в математическое понятия больше или меньше нуля, что в дальнейшем привело к существенной ошибке в представлении электрона, как отрицательно заряженной элементарной частицы. (Курсив — комментарий автора)

Свои воззрения на электричество Ломоносов сформулировал в 1756 г. в неопубликованном и сохранившемся в виде тезисов труде “Теория электричества, разработанная математическим путем”. В отличие от большинства своих современников Ломоносов полностью отрицает существование особой электрической материи и рассматривает электричество как форму движения эфира [9]. “Эфирная” теория электричества, разработанная Ломоносовым, явилась новым шагом к материалистическому объяснению явлений природы. Эфирной теории придерживались многие крупнейшие ученые ХIХ в., в том числе и М. Фарадей (1791 — 1867 г.г.).

После открытия в 1785 году Закона Кулона  изучение электричества окончательно переходит в категорию точной науки .

Таким образом, не раскрыв механизма электризации трением и не получив его полного понимания, внимание физиков конца ХVIII в. — начала ХIХ в. полностью переключилось на исследование других явлений электричества. Хотя  явление электризации известно с древних времен (см. выше), до сих пор нет полной, а иногда и удовлетворительной картины в понимании механизмов электризации . В ХIХ в. непонимание механизмов электризации оказало существенное негативное влияние на процесс открытия электрона.

Далее наиболее важными работами стали эксперименты по электролизу [10]. Открытие было воспринято как одно из доказательств того что движущееся электричество фактически идентично электричеству, обусловленному трением, т. е. статическому электричеству. В 1833 г. Фарадей установил законы электролиза, в основу которых были положены строгие количественные соотношения. Его серия остроумных экспериментов по электролизу послужила убедительным подтверждением идеи, суть которой сводится к следующему: если вещество по своей природе имеет атомную структуру, то в процессе электролиза каждый  атом получает определенное количество электричества.

В 1874 году ирландский физик Дж. Стоней (Стони) (1826—1911 г.г.) выступил в Белфасте с докладом, в котором использовал законы электролиза Фарадея как основу для атомарной теории электричества. По величине полного заряда, прошедшего через электролит, и довольно грубой оценке числа выделившихся на катоде атомов водорода Стоней получил для элементарного заряда число порядка 10-20 Кл (в современных единицах). Этот доклад не был полностью опубликован  вплоть до 1881 года, когда немецкий ученый Г. Гельмгольц в одной из лекций в Лондоне отметил, что если принять гипотезу атомной структуры элементов, нельзя не прийти к выводу, что электричество также разделяется на элементарные порции или «атомы электричества». Этот вывод Гельмгольца, по существу, вытекал из результатов Фарадея по электролизу и напоминал высказывание самого Фарадея.

В 1891 году  Дж. Стоней, который поддерживал идею, что законы электролиза Фарадея означают существование естественной единицы заряда, ввел термин – «электрон» следующим образом [12] : «При  электролизе каждой химической связи, которая разрывается, присуще  определенное количество электричества, одинаковое во всех случаях… Заряд такой величины связан в химическом атоме с каждой связью… Эти заряды, которые будет удобно называть «электронами», не могут быть отделены от атома; они не проявляют себя, если атомы находятся в химическом соединении».

Идеи Дж. Стонея обогнали свое время и оказались не только не востребованными современниками, но и не понятыми ими.

Значимость его результатов в следующем. Дж. Стоней ввел в научный обиход термин – «электрон», под которым понимался носитель электрического заряда неустановленной физической природы эквивалентный электрическому заряду, переносимому одновалентным ионом.

После явления электризации трением Дж. Стоней фактически показал второй способ генерации электрических зарядов через разрыв химической связи.

В процессе генерации электрических зарядов через разрыв химической связи не происходит разрушение атома, т. е. носитель электрического заряда (электрон по Дж. Стонею) не является элементом структуры атома.

В 1892 году Х. А. Лоренц (1853 —  1928 г.г. ) дал первую формулировку своей электронной теории [13] . Электронная теория Лоренца представляет собой максвелловскую теорию электромагнитного поля, дополненную представлением о дискретных электрических зарядах (электронах) как основе строения вещества, под которыми он понимал все заряженные частицы (положительные и отрицательные).

Таким образом, используя термин «электрон» Лоренц вводит новое содержание в его понятие, отличное от понятия, предложенного Стоуни.

В 1896 году А. Бек­ке­рель (1852 —  1908 г.г.) от­крыл ра­дио­ак­тив­ность — самопроизвольные превращения атомных ядер, сопровождающиеся испусканием элементарных частиц или более лёгких ядер.

В 1899 году  Э. Резерфорд (1871— 1937 г.г.) опуб­ли­ко­вал свои ис­сле­до­ва­ния, в ко­то­рых он диф­фе­рен­ци­ро­вал ра­дио­ак­тив­ное из­лу­че­ние на три ком­по­нен­та: α-, β- и γ- лучи. Он об­на­ру­жил, что из­лу­че­ние со­дер­жит один по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ный ком­по­нент – α, от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ный ком­по­нент – β, и ней­траль­ный ком­по­нент – γ.

В 1901 году А. Бек­ке­рель из­ме­рил от­но­ше­ние ве­ли­чи­ны за­ря­да к массе у β-ча­стиц  и установил, что оно такого же порядка, как и для частиц катодных лучей.  Он по­ка­зал, что β-ча­сти­цы – это частицы боль­ших энер­гий, дви­жу­щи­е­ся с очень боль­шой ско­ро­стью.  Беккерель решил, что эти лучи состоят из быстрых электронов [14].

В 1911 году  на основании анализа и статистической обработке результатов экспериментов по рассеиванию α-частиц в тонкой золотой фольге, выполненных Гейгером и Марсденом в 1909 г.,  Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели атом состоит из очень маленького положительно заряженного ядра, содержащего большую часть массы атома, и обращающихся вокруг него лёгких электронов.

Представленная хронология научных открытий конца ХIХ и начала ХХ в. демонстрирует прежде всего трансформацию содержания термина  «электрон» — носителя электрического заряда, неустановленной физической природы, в электрон – структурный элемент атома вещества.  Отождествление  этих двух различных физических сущностей  в  одну и является грубейшей  ошибкой  физики  начала ХХ в.  Существенный  вклад  в  этот  процесс (отождествления)  был  привнесен  работами с катодными лучами, выполненными рядом авторитетных ученых.

В 1838 году Фарадей, пропуская ток от электростатической машины через стеклянную трубку с воздухом при низком давлении, наблюдал фиолетовое свечение, исходящее из положительного электрода (анода).  Это свечение распространялось почти до самого отрицательного электрода (катода) на другом конце трубки. Между светящимся катодом и фиолетовым свечением, исходящим из анода, он обнаружил темное пространство, которое теперь называют «фарадеевым темным пространством».

В 1859 году немецкий физик Ю. Плюккер (1801 — 1868 г.г.) обнаружил, что при понижении давления темное пространство в трубке увеличивается, а стекло вблизи катода начинает фосфоресцировать. Так были открыты катодные лучи (название дано Э. Гольдштейном), сыгравшие одну из важных ролей в последующем представлении физической природы электричества. При дальнейших опытах Плюккера с сотрудниками было установлено, что катодные лучи распространяются прямолинейно, отклоняются магнитным полем, свойства их не зависят от материала катода.

В дальнейшем в исследовании катодных лучей приняло участие множество знаменитых ученых и изобретателей [8]: К. Варли, У. Крукс, А. Шустер, Г. Герц, Ф. Ленард,  Ж. Перрен и др., приведшие к созданию корпускулярной и волновой теорий природы катодных лучей.

Немецкие физики, за редким исключением, были единодушны в утверждении, что катодные лучи представляют собой процесс в эфире — волновая гипотеза Гольдштейна; англичане, начиная с В. Крукса, считают, что они являются потоками частичек вещества. В 1895 г. французский физик Ж. Перрен экспериментально доказал, что катодные лучи — это поток отрицательно заряженных частиц,  которые движутся прямолинейно, но могут отклоняться магнитным полем. Сторонники волновой теории не были обескуражены этим опытом. Они отнюдь не отрицают, говорили они, что катодом могут испускаться отрицательно заряженные частицы. Они отрицают лишь, что именно эти частицы и являются катодными лучами, т.е. теми особыми элементами, которые вызывают флуоресценцию стекла: пуля, вылетающая из винтовки, не имеет ничего общего со вспышкой света.

Факт отклонения в магнитном поле мало влияет на решение вопроса о природе катодных лучей. Согласно фарадей-максвелловским воззрениям, на эфир могут действовать магнитные силы.

В этих условиях в 1894 году к экспериментам с катодными лучами приступил Дж. Дж. Томсон  с  сотрудниками.

Необходимы были строгие количественные эксперименты, которые дали бы возможность определить отношение заряда к массе — е/m для катодных лучей. То, что измерение величины удельного заряда явится решающим фактом, впервые осознал Дж. Дж. Томсон.  С 1895 г. он начинает методическое количественное изучение отклонения катодных лучей в электрических и магнитных полях. Итоги  своей работы Дж. Дж. Томсон резюмировал в большой статье, опубликованной в 1897 г. в октябрьском номере журнала » Philosophical Magazihe» (существо своих опытов и высказывание гипотезы о существовании материи в состоянии еще более тонкого дробления чем атомы Томсон изложил на вечернем заседании Королевского общества 29 апреля 1897 г. Извлечение из этого сообщения было опубликовано в «Electrican» 21 мая 1897 г.). Опыты Томсона дали следующие результаты: скорость частиц, возрастающая по мере увеличения разрежения в трубке, чрезвычайно велика, значительно больше средней скорости, приписываемой, согласно кинетической теории, молекулам остаточного газа в трубке (в одном из первых опытов 1897 г. Томсон нашел скорость равной 1/10 скорости света, но через десять лет он получил для нее значение 1/3 скорости света). Кроме того, эта скорость зависит от разности потенциалов, которую проходит заряд. Значение  е/m оказалось не зависящим ни от состава остаточного газа, ни от формы трубки, ни от материала электродов, ни от скорости лучей, если только она не близка к скорости света, ни от каких-либо иных физических параметров. Другими словами, отношение е/m есть универсальная постоянная. Значение отношения е/m было порядка 107 СГСЭ. Аналогичное отношение е/m было уже подсчитано для иона водорода из данных по электролизу; оно оказалось равным 104 СГС Э. Дж. Дж. Томсон высказывает мнение, что катодные лучи представляют собой поток весьма малых частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света, несущими такой же заряд, как и ионы Фарадея, но обладающими массой, которая в 1000 раз меньше массы самого легкого атома, т.е. атома водорода.

Для достоверного вывода необходимо прямое измерение заряда одновалентных газовых ионов. Важность проблемы заставляет взяться за измерение заряда иона самого Дж. Дж. Томсона . Он впервые использует рентгеновские лучи в качестве орудия физического эксперимента. Интересно отметить, что рентгеновское излучение было результатом исследования свойств катодных лучей. В свою очередь лучи Рентгена сыграли большую роль в изучении частиц, составляющих катодный луч и в открытии спонтанной радиоактивности.

Эксперименты Дж. Дж. Томсона дали среднее значение заряда иона, равное 6,5 x 10-10 СГСЭ. Этот результат и укрепил убеждение Томсона в существовании «материи в состоянии более тонкого дробления».

По существу, единственно, что удалось Томсону добиться – это измерить отношение масса/заряд для каких-то неведомых частиц, составляющих катодные лучи. Тем не менее он решился сделать вывод, что эти частицы являются фундаментальными составными частями обычного вещества.

В действительности эксперименты, проведенные Томсоном в 1897 г. не давали основания утверждать, что внутри атома существуют более мелкие частицы. Впрочем, Томсон и не утверждал, что он доказал это. Однако, в своих результатах Томсон  уловил нечто такое, что подвело его к этим далеко идущим выводам [8].

Ни в одной из своих работ Томсон не применил термин “электрон”.  Разъяснение по поводу применения термина “электрон” для обозначения частиц, составляющих катодные лучи,  дал Ленард ( 1862 —  1947 г.г.) в своей Нобелевской лекции от 28 мая 1908 г. (“О катодных лучах”): “… необходимо перечислить названия, данные этим частичкам электричества, или центрам состояния: я назвал их, элементарными квантами электричества или, короче, квантами, как и Гельмгольц; Дж. Дж. Томсон говорит о корпускулах,  лорд Кельвин об электрионах;  но в обиход вошло название, которое предпочли Лоренц и Зееман, электрон”.

Выводы.  Современной физике известна только одна долгоживущая элементарная частица, которая перемещается в пространстве с около световыми скоростями. Это – фотон [15].

Из экспериментов с катодными лучами следует, что катодные лучи это поток фотонов.

Термин «фотон» введён химиком Гилбертом Льюисом (1875  — 1946 г.г.)  в 1926 году.

Выше изложенная история открытия электрона фактически является историей открытия фотона. И первым, кто заявил об этом, является Дж. Стоней. Потому, что «электрон», под которым понимался носитель электрического заряда неустановленной физической природы эквивалентный электрическому заряду, переносимому одновалентным ионом и есть фотон.

Структурный элемент атома вещества электрон, использованный Резерфордом для модели атома вещества, не имеет той физической сущности, которая была определена Стоуни и даже Лоренцом. Таким образом, все проведенные эксперименты (ранее и позднее опытов группы Резерфорда) по определению, например, величины электрического заряда относятся к экспериментам с фотоном. Величина электрического заряда электрона и протона в настоящее время не определена.

История открытия электрона  это история ряда ошибок и недоработок, которые мифологизировали не только само открытие электрона, но и превратили современную теоретическую физику в сборник легенд и мифов.

Релятивисткая физика конца ХХ в. начала ХХI в. не решив проблемы физики прошлых лет, доведя теоретическую физику до кризиса, оставляет своим наследникам мифы о поисках нейтрино и бозона Хигса, теории Большого Взрыва и пр., при этом  не имея представления об сущности электрона и других основных элементарных частицах (фотоне и протоне) и совершенно не имея представления о таких физических сущностях как электрический заряд. При этом подвергаются абструкции любые альтернативные попытки выявления физической природы различных физических явлений и выхода из сложившейся кризисной ситуации.

Литература:

  1. http://bourabai.kz/tyapkin/electron.htm ТЯПКИН А. А. — ОБ ИСТОРИИ ОТКРЫТИЯ ЭЛЕКТРОНА
  2. http://www.femto.com.ua/articles/part_2/4430.html ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ КОНСТАНТЫ  // Физическая энциклопедия
  3. Каршенбойм С. Г. Фундаментальные физические константы: роль в физике и метрологии и рекомендованные значения  УФН, 2005, том 175, номер 3, страницы 271–298 .
  4. http://n-t.ru/tp/ns/ak.htm Корнева М.В., Кулигин В.А., Кулигина Г.А. Анализ классической электродинамики и теории относительности .
  5. http://modcos.com/articles.php?id=95 НЕПОСТОЯННЫЕ постоянные
  6. http://www.kipt.kharkov.ua/conferences/ihepnp/workshop/section1/al97_101.html Довбня А.Н., Шендрик В.А. К СТОЛЕТИЮ ОТКРЫТИЯ ЭЛЕКТРОНА
  7. http://vestnik.yspu.org/releases/uchenue_praktikam/4_6/ Спиридонова Т.Н. “Быть может, эти электроны…” — к столетию открытия электрона.
  8. Андерсон Д. Открытие электрона. Развитие атомных концепций электричества. Пер. с англ. – М.: Атомиздат, 1968. – 160 с.
  9. Вайнсберг С. Открытие субатомных частиц: Пер. с англ./ Под ред. И с предисл. Е.М.Лейкина. – М.: Мир, 1986. – 285 с., ил.
  10. http://ru.wikipedia.org/ Электричество
  11. Веселовский О.Н., Шнейберг Я.А. Очерки по истории электротехники. – М.: Издательство МЭИ, 1993. – 252 с.
  12. https://ufn.ru/ufn68/ufn68_2/Russian/r682e.pdf. Томсон Г. Н. СЕМИДЕСЯТИЛЕТНИЙ ЭЛЕКТРОН. УФН, 1968, том 94, вып. 2,
  13. Лоренц Г.А. Электронная теория. Лейтрен, 1892.
  14. http://chem21.info/info/5769/ Беккерель.  Справочник химика 21.
  15. https://ru.wikipedia.org/wiki/ Фотон.

Лямин В. С.,  Лямин Д. В.

г. Львов

1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звёзд6 звёзд7 звёзд8 звёзд9 звёзд10 звёзд (Еще не оценили)
Загрузка...


Один Комментарий

  • Ответить Захар |

    Очень интересная статья ! Благодарим Вас за независимый взгляд на сложившуюся ситуацию. Уверен информация, приведенная на сайте АллатРа НАУКА дополнит ваше представление об элементарных частицах и их взаимодействиях.

Вы можете оставить комментарий к записи