Исследование свойcтв электрона
Открытие и изучение радиоактивного излучения сыграло важную роль и для исследования свойств электрона. Во-первых, оказалось, что бета-лучи – это поток тех же самых заряженных частиц, что и катодные лучи и фоточастицы.
В 1900 году Беккерель, пытаясь выяснить природу бета-лучей, исследовал для них отношение заряда к массе, используя их свойство отклоняться в электрическом и магнитном полях. Он определил, что величина e/m для бета-лучей примерно равна 10^11 Кл/кг, т. е. очень близка к величине, полученной для катодных лучей и для фотоэлектронов. Исследования Беккереля подтверждали существование электрона как некоторой универсальной частицы, входящей в состав вещества.
Вскоре было сделано новое очень важное открытие – обнаружено, что отношение заряда к массе для электрона не является постоянной величиной, а зависит от скорости. Это открытие было сделано при изучении бета-лучей, представлявших собой поток электронов с большими скоростями. Впервые этот факт обнаружил Кауфман уже в 1901 году Пучок бета-лучей от радиоактивного элемента Кауфман подвергал действию магнитного и электрического полей, имеющих одно и то же направление, перпендикулярное лучу. При таком расположении, как показывают расчеты, отклонением x частиц магнитным полем, во-первых, перпендикулярно отклонению y этих частиц электрическим полем, и, во-вторых, между х и y должно существовать определенное соотношение для всех частиц, летящих с любой скоростью. Из расчета следовало, что бета-частицы, имеющие различные скорости должны на экране расположиться в виде отрезка параболы. Эксперимент, однако, показал, что полученная кривая не является точной параболой, и для ее интерпретации нужно было признать, что e/m уменьшается с увеличением скорости частиц. Из этого результата следовало, что либо заряд должен уменьшаться при увеличении скорости, либо увеличиваться масса электрона. Естественно принять, что изменяется масса, тогда как заряд остается неизменным, тем более что из теории уже было известно, что движущийся электрический заряд должен обладать «электрической инерцией», которая зависит от скорости.
Томсон еще в 1881 году теоретически рассмотрел задачу о движении заряженного шара, обладающего обычной массой и несущего электрический заряд, для случая, когда его скорость мала по сравнению со скоростью света. Очевидно, что энергия такого шара состоит из кинетической энергии его движения и энергии электрических и магнитных полей в пространстве, окружающем этот шар. Если положить, что электрическое поле движущегося шара в каждый момент времени для каждого положения шара равно полю покоящегося заряда, т. е. электрическое поле, не деформируясь, как бы переносится вместе с зарядом (что можно принять для данного случая), то можно подсчитать и магнитное поле заряда, следовательно, и общую энергию поля, которое создается таким шаром. Расчеты показали, что движущийся заряженный шар как бы увеличивает свою массу.
В 1888—1889 годах Хевисайд рассмотрел вопрос об электрическом и магнитном поле точечного заряда, движущегося уже с любой скоростью. В 1893 году Дж. Дж. Томсон опубликовал расчеты электрического и магнитного полей движущегося с любой скоростью, меньшей скорости света, заряженного шара. Оказалось, что электрическое поле заряженного шара зависит от скорости его движения. Не касаясь количественных результатов, полученных Хевисайдом, Томсоном, а также другими учеными, работавшими над этой же задачей, отметим только то общее, что было получено в результате их исследований. Величина e/m оказалась переменной, зависящей от скорости движения.
Таким образом, вопрос об увеличении инерции движущегося заряда и необходимости приписывать ему дополнительно электромагнитную массу уже был теоретически рассмотрен. Поэтому и результаты опытов Кауфмана нельзя было считать неожиданными. Естественно было положить, что зависимость величины e/m от скорости определяется только изменением массы электрона.
Теперь задача заключалась в том, чтобы построить более точную теорию движения электрона с учетом того, что масса его зависит от скорости. Построение такой теории требовало предположений о структуре электрона, его форме, распределении в нем электрического заряда и т. д.
Впервые такую теорию разработал немецкий физик Макс Абрагам (1875-1922) в 1902 году. В основу ее он положил гипотезу, что электрон – это твердый недеформируемый шарик, по поверхности которого равномерно распределен заряд. Для такой модели Абрагам рассчитал величину электромагнитной массы электрона.
Другая модель – модель деформированного электрона – принадлежала Лоренцу. Еще в 1895 году Лоренц принял, что размеры всякого тела при движении его в эфире сокращаются в направлении этого движения. Развитием этой гипотезы при построении электродинамики движущихся тел явилось положение о том, что электрон при своем движении относительно эфира превращается в сплюснутый эллипсоид вращения, так что его поперечные размеры не изменяются, а размеры в направлении движения сокращаются. При этом изменяется и его масса.
Еще следует упомянуть теорию Альфреда Генриха Бухерера (1863-1927). Согласно этой теории, электрон при движении также принимает форму эллипсоида вращения. Но в отличие от теории Лоренца Бухерер предполагает, что объем электрона при этом не изменяется. Решить вопрос о правильности той или иной теории должен был эксперимент. Однако провести его было нелегко, так как результаты, даваемые этими теориями для скоростей, которые были доступны в то время, очень мало отличались друг от друга.
Кауфман в 1906 году вновь провел измерение отношения e/m для бета-лучей в электрическом и магнитном полях и пришел к заключению, что его измерения подтверждают теорию Абрагама и противоречат теориям Лоренца и Бухерера, а также появившейся теории относительности Альберта Эйнштейна (1879-1955), которая, как известно, давала для зависимости массы от скорости тот же результат, что и теория Лоренца. Однако результаты, полученные им, вскоре были опровергнуты. В 1908 г. Бухерер, проделал более точные измерения зависимости e/m от скорости, используя при этом частицы, имеющие скорости порядка 0,7 скорости света, и показал, что правильное значение зависимости от скорости e/m дает теория Лоренца.