Эксперименты с целью поиска ответа на вопрос, обладают ли электроны инертной массой, проводились учеными в самом в начале 20 века. Данные опыты помогли научному сообществу того времени утвердиться в принятии факта, что электрический ток в металлах формируется именно отрицательно заряженными частицами - электронами, а не положительно заряженными ионами, как можно было бы предполагать.
Первый качественный эксперимент, проиллюстрировавший, что, формирующие электрический ток в металлах, заряженные частицы массой точно обладают, провели ученые (тогда еще Российской империи) Леонид Исаакович Мандельштам и Николай Дмитриевич Папалекси, это состоялось в 1913 году.
Три года спустя, в 1916 году, более точный эксперимент провели американские физики Ричард Толмен и Томас Стюарт, которые в своей работе не только показали, что масса у электрона в металле есть, но и достаточно точно измерили ее косвенным методом при помощи гальванометра.
Чтобы понять принцип этих ранних экспериментов, представьте себе трамвай, на котором с утра пораньше на работу едут пассажиры. Вот разогнался трамвай как следует, а перед ним прямо на пути выбегает рассеянный пешеход.
Водитель трамвая, желая спасти бедолаге жизнь, резко жмет на тормоза — пассажиров в салоне мгновенно всей толпой сносит вперед. А сносит их силой инерции, потому что каждый пассажир обладает массой. И тех пассажиров, кто стоял ближе всех к кабине трамвая, больно ударит о стенку.
Приблизительно аналогичным образом мыслили и Мандельштам с Папалекси. Они взяли катушку из проволоки, оснастили скользящими контактами ее изолированные от корпуса выводы, а к скользящим контактам подключили динамик (наушник). Раскрутили катушку вправо — резко остановили — в динамике раздался щелчок.
Раскрутили влево — резко затормозили — в динамике снова щелчок. Вывод: в момент остановки катушки - по ее проводу проходит импульс тока, появляющийся из-за того, что электроны в момент торможения катушки оказываются отброшены к краю провода, как пассажиры в трамвае.
А сила инерции здесь играет роль сторонней силы, которая и создает то, что может быть измерено как ЭДС. Это заключение, конечно, не дало исследователям возможности узнать знак носителей заряда и как-то однозначно идентифицировать их, однако эксперимент Мандельштама и Папалекси отчетливо показал, что ток в металлах держит свой путь через кристаллическую решетку, а значит он связан с реально существующими внутри него свободными носителями заряда.
Толмен и Стюарт решили пойти немного дальше. Они тоже намотали катушку, только длину провода отмерили точно равной 500 метров, и стали ее раскручивать. Раскручивали до достижения линейной скорости точно 500 м/с, чтобы знать соотношение между полученной ЭДС и ускорением.
К скользящим выводам катушки был присоединен уже не динамик, а более информативный прибор - гальванометр. По завершении эксперимента исследователи проинтегрировали стороннюю силу по всей длине проводника катушки, и получили выражение для ЭДС, создаваемой сторонней силой инерции при изменении скорости до нуля.
Величину полного заряда, который пробежал по проводнику, можно было вычислить по закону Ома, приняв в расчет сопротивление провода катушки. Итак, зная скорость движения провода до торможения, длину провода, его сопротивление, направление вращения, время торможения, величину и знак ЭДС, можно найти знак и величину удельного заряда, что и сделали Стюарт и Толмен.
Сегодня уже никому не покажется странным, что измеренное Стюартом и Толменом отношение заряда электрона к его массе совпало с полученным почти 20 лет назад, в 1897 году Дж.Дж. Томсоном, удельным зарядом частиц, из которых состояли катодные лучи. Мы то теперь наверняка знаем, что и катодные лучи, и ток в металлах, образованы из одних и тех же отрицательно заряженных элементарных частиц — электронов.
Андрей Повный
