1913
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТОДНЫХ ЛУЧЕЙ
Общие положения
Вопрос о существовании магнитного поля катодных лучей был поднят ещё Герцем и решен им в отрицательном смысле в связи с отрицанием их электрического характера вообще.Однако ,с тех пор ,как Перрену удалось с несомненностью показать, что катодные лучи несут с собой отрицательный заряд, а Д.Д. Томсону определить скорость их движения,существование магнитного поля не вызывало больше сомнений. Увереность в этом основана прежде всего на результатах опытов Г. Роуланда, В. Рентгена, и А.А. Эйхенвальда, установивших существование магнитного поля конвекционного тока, его эквивалентность току проводимости в полном согласии с теорией Г. А. Лоренца. Совершенно естественно и катодные лучи рассматривать, как частный случай конвекционного тока не связанного с материей. С точки зрения электронной теории , ток проводимости в металлах ничем,по существу, не отличается от катодного потока. Можно также рассматривать опыты ,доказывающие зависимость инертной массы электронов от скорости,как косвенное доказательство существования магнитного поля при их движении,так как кажущаяся масса есть проявление электромагнитного поля движущегося электрона.Наконец можно было вывести неизбежность существования магнитного поля катодных лучей из отрицания не замкнутых токов.Всякий прибор ,измеряющий заряд катодных лучей представляет собой замкнутый контур тока, обладающий общим магнитным полем, из которого нельзя выделить часть,соответствующую катодным лучам.
Этих соображений совершенно достаточно,чтобы убедиться, что не нарушая самым решительным образом основных положений электромагнитной теории, нельзя отрицать действия катодного пучка, составляющего часть замкнутого контура, на помещенную внутри него магнитную стрелку.
Однако, непосредственного опытного доказательства магнитного действия катодных лучей не имеется.Наоборот, все попытки в этом направлении имели отрицательный или не определённый ,результат,который можно было толковать,как проявление особых свойств свободного электричества Г.Герц в своем исследовании пытался доказать ,что представление о катодном пучке как о электрическом потоке неверно. Из ряда опытов он заключил,что катодные лучи:
1)хотя и отклоняются в магнитном поле сами магнит не отклоняют;
2)не обладают электрическим зарядом;
3)не отклоняются в электрическом поле
Причина отрицательных результатов двух последних опытов-электропроводность газа,через который проходят катодные лучи,-была впоследствии выяснена.
Устранив влияние ионизированного газа,можно было действительно обнаружить заряд и вызвать отклонение лучей в электрическом поле.
Относительно же первого Гейтлером были указаны причины неудачи Герца.
В опытах Герца поток электричества,который был гораздо слабее,чем принимал Герц,попадая в противоположную стенку трубки,которую применял Герц,возвращается по ней или через газ обратно к электродам ,впаянным в переднюю часть трубки.При полноой симметрии ,которой добивался Герц,такая система из центрального катодного потока и цилиндрического возвратного тока,и не может оказывать магнитного действия на подвешенный вне трубки магнит.Поэтому Гейтлер поместил магнит внутри трубки в латунной коробке и получил отклонение в ожидаемом направлении .Оказалось, однако, что отклонение вызвано термотоком в коробке, влияние же катодного пучка осталось не доказанным
В 1908 году этим вопросом занялся Е. Клюпати,который считал свои опыты частичным доказательством влияния катодных лучей на магнит.
Однако, опыты Клюпати носят качественный характер и лишь в некоторых случаях дают определённый положительный результат; в других же случаях,особенно, когда катодный поток был особенно велик,влияние его отсутствовало.Причины этого остались не выясненными.Поэтому опыты Клюпати не кажутся мне достаточно убедительными, а результат их для электронной теории, - скорее отрицательным. Несмотря на неоднократное упоминание критических замечаний Гейтлера, Клюпати построил свою разрядную трубку по образцу Герца: в передней части оба электрода, катодные же лучи проходя, в длинный отросток трубки ,встречают стенку и ей передают свой заряд.Очевидно,что должен появиться и возвратный ток, который в стационарном состоянии равен катодному и компенсирует его действие на магнит.
Только в период установления стационарного состояния можно ожидать его действия на магнит.Период же этот будет тем продолжительнее, чем жёстче трубка.Поэтому ,очевидно, Клюпати удалось наблюдать магнитное поле лишь в наиболее жёстких трубках и не удалось заметить действие катодного пучка на магнит венельтовой трубке.
Необходимо,следовательно устранить указанный Гейтлером недостатки и создать достаточно чувствительную магнитную систему-и магнитное действие катодного пучка должно стать таким же несомненным, как и действие тока.Катод Венельта даёт возможность получать чрезвычайно интенсивные катодные лучи,так что задача не должна представлять непреодолимых трудностей.
ПРИБОР
Прибор для измерения действия катодных лучей на магнит должен удовлетворять следующим условиям:
1.Катодные лучи не должны вызывать обратного компенсирующего тока, чего можно достичь отводя заряды при помощи особого электрода.В тоже время разрядный ток в газе между анодом и катодом не должен влиять на стрелку.
2.Катодный поток должен быть возможно интенсивнее и количество переносимого им электричества должно измеряться во время опыта.
3.Магнитная система-возможно чувствительная и защищённая от внешних влияний.
Сообразно с этим, прибор состоял из разрядной трубки Е с венельтовым катодом К и латунной анодной пластинки А.
Через диафрагму L катодный поток поступал во вторую трубку W,покрытую изнутри толстым слоем серебра, соединённым металлически с анодом,а снаружи обёрнутую станиолем.
В конце трубки находился полый шар F ,соединённый через гальванометр G с анодом.
Слой серебра на охватывающей шар части трубки играл роль внешнего защитного цилиндра Перрена.
При помощи шлифа S катод можно было вращать вокруг вертикальной оси, а стеклянная пробка H , снабжённая вилкой, несколько вращала катод и вокруг горизонтальной оси.Оба приспособления позволяли направить катодный пучок по оси трубки W .
Трубка откачивалась при помощи насоса Геде, который находился в действии в течение времени наблюдения.
Разрядный ток получался от аккумуляторной батареи высокого напряжения B (две парралельно включённые батареи по 600в) и измерялся гальванометром M.
В место трубки W использовалась и другая трубка без сужения, покрытая полупрозрачным слоем серебра и снабжённая двойным цилиндром по Перрену,вместо электрода F.Результаты наблюдения с этой трубкой качественно совпадали с изложенными, количественно же были менее точны.
Магнитная система,изображённая на рисунке, состояла из подвешенных на кварцевой нити магнитов NS , защищённых железными панцирями PP от колебаний внешнего магнитного поля, электрических влияний и потоков воздуха.Соединённая с панцирями обкладка из станиоля ,охватывающая трубку ,защищала систему от электрического поля, создаваемого катодным пучком и от случайных зарядов на стенках трубки.
Астазия и магнитная защита были настолько хороши,что положение магнитов определялось исключительно кручением кварцевой нити.Период колебаний составлял около 10сек ,причём
апериодичность достигалась крылышком ,погружённым в вазелиновое масло.
Было исследовано 6 различных типов магнитов: сложных (до 40 отдельных стальных пружин,от 4 до 8 иголок различной длины) и простых различного сечения.Наиболее чувствительными к прямолинейному току оказались пластинки, изрезанные наподобие пальцев руки.Чувствительность достигала 1,7 *10 -6 а на одно деление шкалы при периоде колебаний в 10 секунд.Магниты были соединены изогнутой алюминевой проволкой с противовесами.
МЕТОД И ВОЗМОЖНЫЕ ОШИБКИ
Катодный пучок,пройдя через отверстие L попадает в пространство,в котором отсутствует всякое электрическое поле и встречает частью посеребрянные стенки трубки, частью же электрод F , наибольший потенциал котoрого (при 15 делениях по гальванометру) не превосходит 1.5*10 -2 в( разрядный потенциал 600в). Часть заряда, попавшего на электрод F, также перейдёт на стенки трубки, благодаря вторичным лучам и электропроводности воздуха (хотя вблизи самого электрода он не подвергается действию катодных лучей). Остальная часть,наконец вызовет отклонение гальванометра.Было нетрудно убедиться,что гальванометр,действительно ,измеряет катодные лучи: в трубке,покрытой полупрозрачным слоем серебра,катодный пучок был ясно виден.Стоило вращением шлифа или приближением магнита отклонить катодный пучок,как в тот момент когда пучок покидал электрод,ток в гальванометре прекращался.Если вся система вполне симметрична,то только та часть, которая измеряется гальванометром, может вызвать отклонение магнитов,так как магнитное поле остальной части будет компенсировано обратным током в серебрянном слое.Компенсация эта не будет,однако,полной,если катодный пучок не вполне централен; и в этом один из источников ошибок.Однако,это можно контролировать вращением катода,тогда ошибка достигает минимума при наибольшем отклонении гальванометра и не превышает 5% от измеряемой величины.
Разрядный ток в трубке Е при полной симметрии не должен влиять на магнит,так как обратные провода совершенно симметрично охватывают трубку,а в остальной части цепи систематически проведён принцип обратных токов.Кроме того, магнитного влияния разрядного тока магнитная система защищена панцирями PP. Асимметрия тока в Е может вызвать отклонение магнитов. Величину этого отклонения можно контролировать, если, повысив давление газа в трубке или отклонив катодный поток, уничтожить отклонение гальванометра G и, следовательно, устранить влияние катодного пучка на магнит. При разрядном токе в 0.1 а рассматриваемое отклонение никогда не превышало 20 делений; измерения же производились при токе в 10-3 а, так что эта ошибка меньше точности отсчета (0,2 деления шкалы).
Наконец, ток, нагревающий катод, несмотря на последовательно проведенную систему параллельных проводов, вызывал некоторое отклонение — от 2 до 5 делений при 3 а. Так как этот ток при включении разряда изменялся не более, чем на 0.05 а, то и его влияние не превышало 0.1 деления.
Таким образом, можно было ожидать, что в пределах точности отсчета отклонение магнитов должно соответствовать току, указываемому гальванометром G. Для градуировки на место трубы W вставлялась прямолинейная проволока, по которой проходил ток от аккумулятора, измеряемый тем же гальванометром G. Устанавливалась как величина отклонения, соответствующего 1 делению гальванометра 6*10-6 а), так и направление, соответствующее потоку отрицательного электричества.
Градуировка была бы точной только в том случае, если бы проволока воспроизводила катодный пучок. В действительности могли иметь место погрешности:
1) вследствие того, что проволока обладает другим сечением и иным распределением плотности тока,чем катодный пучок;
2) в результате смещения проволоки из того положения, которое занимал пучок.
Величину возможной погрешности можно было оценить, передвигая проволоку между
магнитами в тех пределах, которые могли иметь место. Разница не превышала 2%.
Если присоединить сюда еще непостоянство положения нуля в магнитной системе, которое не превышало 1 деления, то можно утверждать, что при отклонении магнитов на 50 делений шкалы ошибка не должна превышать 5%, на 20 делений — 10%.
НАБЛЮДЕНИЯ
В трубке наблюдались две различные формы разряда в зависимости от накаливания катода: тлеющий и дуговой разряд. При первом сила тока была меньше 10-3 а; при втором — около 0.1 а.
1. Тлеющий разряд. Вращая катод, изменяя его температуру или разрежение газа, можно получать отклонения гальванометра G от 0 до 15 делений A(1 дел. соответствует 6*10-6 а).
Отклонение магнитной системы остается в пределах 1 деления, если отклонения гальванометра не наблюдается, хотя разрядный ток и проходил.
Одновременно с появлением отклонения гальванометра наблюдается и вращение магнитной стрелки, доходящее до 50 делений. Оба отклонения при всех условиях остаются пропорциональными в пределах 10%. Так, например, был получен следующий ряд цифр (таблица).
Колебания эти вполне объясняются как случайными ошибками: непостоянством катодного тока и механическими сотрясениями, так и систематическими: асимметрией катодного пучка. Однако, они не превышают 10%.При использовании вместо батареи высокого напряжения индукционной катушки можно было получать отклонения гораздо большие, однако не достаточно постоянные для количественных измерений: катодный поток достигал 170 делений гальванометра G (10-3а), а вызванное им отклонение превышало 500 мм шкалы.
2. Дуговой разряд. Несколько повышая температуру катода, можно было перейти к сильно светящемуся разряду. Сила тока его определяется добавочным сопротивлением. Она подбиралась так, чтобы не перегорал катод, и составляла около 0.1 а. При этом разряде насос поддерживал разрежение, недостаточное для того, чтобы катодные лучи достигали электрода F. Отклонение магнитов в сторону, противоположную влиянию катодного пучка, достигало 10—20 делений
При опытах со второй из описанных трубок удавалось и при этой форме получать достаточную пустоту, а указанное выше отклонение свести до 0.5 деления. В этих условиях при появлении отклонения в гальванометре и магнитная стрелка отклонялась на величину, соответствующую по градуировке току.Однако опасность сильного нагрева трубки не позволяла производить точные опыты. Точность не превышала 20%.
3. Градуировка шкалы. На место разрядной трубки помещалась стеклянная трубка,сквозь которую проходила проволока. Сила тока в ней измерялась тем же гальванометром G. Небольшое передвижение проволоки из центрального положения весьма слабо сказывалось на отклонении магнитов. Отклонение гальванометра и вращение магнитов оставались почти пропорциональными.
ВЫВОДЫ
Изложенные наблюдения устанавливают существование магнитного поля катодных лучей. Количественно это поле совпадает в пределах достигнутой точности( 5%) с полем эквивалентного тока, несущего то же количество электричества. Таким образом, между потоком свободного электричества и токами в металлах нет никакой разницы по отношению к вызываемому ими магнитному полю. Отрицательные же результаты всех предыдущих работ вполне объясняются постановкой опытов.
Литература
1. Hertz H. Wied. Ann., 19, 78, 1883.
2. Rowland H. A. Amer. J. Sci., 7, 30, 1878.
3. Rontgen W. K. Wied. Ann., 35, 264, 1888; 40, 93, 1890.
4. Эйхенвальд А. Дисс. М., 1904.
5. Lorentz H. A. Enz. d. Math. Wiss., v. 5, Teil 2, № 13, 67, 1904.
6. Hertz H. Wied. Ann., 19, 782, 1883.
7. Geitler J. Ann. Phys., 5, 924, 1901; Sitz.-Вег. d. Wien. Akad., 110,
I 358, 1901.
8. Geitler I. Ann. Phys., 7, 935, 1902
9. Klupathy E. Ann. Phys., 25, 31, 1908.
Данная работа представляет собой вторую часть магистерской диссертации А. Ф. Иоффе. Вместе с первой частью (см. стр. 26 наст, тома) она была опубликована в виде отдельной брошюры. Кроме того, статья была также напечатана в ЖРФХО, ч. физ., 43, 7, 1911 ив Ann. Phys., 34,1026,1911.Эта работа А. Ф. Иоффе завершила дискуссии о природе катодных лучей: измерения магнитного поля, осуществленные автором, окончательно доказали, что катодные лучи являются потоком электронов.