Міністерство освіти РФ
Амурський Державний Педагогічний університет
Реферат
Методи визначення елементарного електричного заряду
Виконав студент 151г.
Вензелем А.А
Перевірив: Черанева Т.Г
2007р.
Зміст:
Введення.
1. Передісторія відкриття електрона
2. Історія відкриття електрона
3. Досліди і методи відкриття електрона
3.1.Опит Томсона
3.2.Опит Резерфорда
3.3. Метод Міллікена
3.3.1. Коротка біографія
3.3.2. Опис установки
3.3.3. Обчислення елементарного заряду
3.3.4. Висновки з методу
3.4. Метод візуалізації Комптона
Висновок.
Введення:
ЕЛЕКТРОН - перша за часом відкриття елементарна частинка; матеріальний носій найменшої маси і найменшого електричного заряду в природі; складова частина атома.
Заряд електрона - 1,6021892. 10 -19 Кл
- 4,803242. 10 -10 од. СГСЕ
Маса електрона 9,109534. 10 - 31 кг
Питома заряд e / m e 1,7588047. Жовтні 1911 Кл. Кг -1
Спін електрона дорівнює 1 / 2 (в одиницях h) і має дві проекції ± 1 / 2; електрони підкоряються статистиці Фермі-Дірака, ферміони. На них діє принцип заборони Паулі.
Магнітний момент електрона дорівнює - 1,00116 m б, де m б - магнетон Бора.
Електрон стабільна частинка. Згідно з експериментальними даними, час життя t e> 2. 10 22 років.
Не бере участі в сильній взаємодії, лептон. Сучасна фізика розглядає електрон як істинно елементарну частинку, яка не володіє структурою і розмірами. Якщо останні і відмінні від нуля, то радіус електрона r e <10 -18 М
1.Предисторія відкриття
Відкриття електрона стало результатом численних експериментів. До початку XX ст. існування електрона було встановлено в цілому ряді незалежних експериментів. Але, незважаючи на колосальний експериментальний матеріал, накопичений цілими національними школами, електрон залишався гіпотетичною частинкою, бо досвід ще не відповів на ряд фундаментальних питань. У дійсності "відкриття" електрона розтяглося більш як на півстоліття і не завершилося в 1897 році, в ньому брало участь багато вчених і винахідників.
Перш за все не було жодного досвіду, в якому були б задіяні окремі електрони. Елементарний заряд обчислювався на підставі вимірів мікроскопічного заряду в припущенні справедливості ряду гіпотез.
Невизначеність була в принципово важливому пункті. Спочатку електрон з'явився як результат атомістичного тлумачення законів електролізу, потім він був виявлений в газовому розряді. Було не ясно, чи має фізика насправді справу з одним і тим же об'єктом. Велика група скептично налаштованих натуралістів вважала, що елементарний заряд є статистичне середнє зарядів найрізноманітнішої величини. Тим більше, що ні один з дослідів з вимірювання заряду електрона не давав суворо повторюваних значень.
Були скептики, які взагалі ігнорували відкриття електрона. Академік А.Ф. Іоффе в спогадах про свого вчителя В.К. Рентгені писав: «До 1906 - 1907 рр.. слово електрон не повинно було вимовлятися у фізичному інституті Мюнхенського університету. Рентген вважав його недоведеною гіпотезою, застосовуваної часто без достатніх підстав і без потреби ».
Не було вирішено питання про масу електрона, не доведено, що і на провідниках, і на діелектриках заряди складаються з електронів. Поняття «електрон» не мало однозначного тлумачення, бо експеримент не розкрив ще структури атома (планетарна модель Резерфорда з'явиться в 1911 р ., А теорія Бора - у 1913р.).
Електрон не увійшов ще й в теоретичні побудови. В електронній теорії Лоренца фігурувала безперервно розподілена щільність заряду. У теорії металевої провідності, розвиненою Друде, мова йшла про дискретних зарядах, але це були довільні заряди, на значення яких не накладалося жодних обмежень.
Електрон ще не вийшов з рамок «чистої» науки. Нагадаємо, що перша електронна лампа з'явилася тільки в 1907 р . Для переходу від віри до переконання потрібно було передусім ізолювати електрон, винайти метод безпосереднього і точного вимірювання елементарного заряду.
Вирішення цього завдання не змусило себе чекати. У 1752 р була вперше висловлена думка про дискретність електричного заряду Б. Франкліном. Експериментально дискретність зарядів була обгрунтована законами електролізу, відкритими М. Фарадеєм у 1834 р . Числове значення елементарного заряду (найменшого електричного заряду, що зустрічається в природі) було теоретично обчислено на підставі законів електролізу з використанням числа Авогадро. Пряме експериментальне вимірювання елементарного заряду було виконано Р. Міллікеном у класичних дослідах, виконаних у 1908 - 1916 рр.. Ці досліди дали також неспростовний доказ атомізму електрики. Згідно з основними уявленнями електронної теорії заряд будь-якого тіла виникає в результаті зміни міститься в ньому кількості електронів (або позитивних іонів, величина заряду яких кратна заряду електрона). Тому заряд будь-якого тіла повинен змінюватися стрибкоподібно і такими порціями, які містять ціле число зарядів електрона. Встановивши на досвіді дискретний характер зміни електричного заряду, Р. Міллікен зміг отримати підтвердження існування електронів і визначити величину заряду одного електрона (елементарний заряд) використовуючи метод масляних крапель. В основу методу покладено вивчення руху заряджених крапельок масла в однорідному електричному полі відомої напруженості Е.
2.Откритіе електрона:
Якщо відволіктися від того, що передувало відкриття першої елементарної частки - електрона, і від того, що супроводжувало цієї визначної події, можна сказати коротко: у 1897 році відомий англійський фізик Томсон Джозеф Джон (1856-1940 рр.). Виміряв питомий заряд q / m катодно-променевих частинок - "корпускул", як він їх назвав, по відхиленню катодних променів *) в електричному і магнітному полях [1].
З зіставлення отриманого числа з відомим на той час питомою зарядом одновалентного іона водню, шляхом непрямих міркувань він прийшов до висновку, що маса цих часток, отримали пізніше назву "електрони", значно менше (більш ніж у тисячу разів) маси самого легкого іона водню.
У тому ж, 1897 році він висунув гіпотезу, що електрони є складовою частиною атомів, а катодні промені - не атоми або не електромагнітне випромінювання, як вважали деякі дослідники властивостей променів. Томсон писав: "Таким чином, катодні промені є новий стан речовини, суттєво відмінне від звичайного газоподібного стану ...; в цьому новому стані матерія являє собою речовина, з якої побудовані всі елементи" [2].
З 1897 року корпускулярна модель катодних променів стала завойовувати загальне визнання, хоча про природу електрики були найрізноманітніші судження. Так, німецький фізик Е. Віхерт вважав, що "електрика є щось уявне, існуюче реально тільки в думках", а відомий англійський фізик лорд Кельвін у тому ж, 1897 році писав про електрику як про якусь "безперервної рідини" [1].
Думка Томсона про катодно-променевих корпускули як про основні компоненти атома не була зустрінута з великим ентузіазмом. Деякі його колеги вирішили, що він містифікував їх, коли висловив припущення про те, що частки катодних променів слід розглядати як можливі компоненти атома. Справжня роль Томсонівське корпускул в структурі атома могла бути зрозуміла в поєднанні з результатами інших досліджень, зокрема, з результатами аналізу спектрів та вивчення радіоактивності.
29 квітня 1897 Томсон зробив своє знамените повідомлення на засіданні Лондонського королівського суспільства. Точний час відкриття електрона - день і годину - неможливо назвати на увазі його своєрідності. Ця подія стала підсумком багаторічної роботи Томсона і його співробітників. Ні Томсон, ні будь-хто інший ніколи не спостерігали електрон в буквальному сенсі, нікому не вдалося виділити окрему частку з пучка катодних променів і виміряти її питомий заряд. Автором відкриття є Дж.Дж.Томсона тому, що його уявлення про електрон були близькі до сучасних. У 1903 році він запропонував одну з перших моделей атома - "пудинг з родзинками", а в 1904 припустив, що електрони в атомі поділяються на групи, утворюючи різні конфігурації, що обумовлюють періодичність хімічних елементів.
Місце відкриття точно відомо - Кавендішської лабораторія (Кембридж, Великобританія). Створена в 1870 році Дж.К.Максвелла, в наступні сто років вона стала "колискою" цілого ланцюга блискучих відкриттів у різних галузях фізики, особливо в атомній і ядерній. Директорами її були: Максвелл Дж.К. - З 1871 по 1879 рік, лорд Релей - з 1879 по 1884 рік, Томсон Дж.Дж. - З 1884 по 1919 рік, Резерфорд Е. - з 1919 по 1937 рік, Брегг Л. - з 1938 по 1953; заступником директора в 1923-1935 роках - Чедвік Дж.
Наукові експериментальні дослідження проводилося одним вченим або невеликою групою в атмосфері творчого пошуку. Лоуренс Брегг згадував згодом про свою роботу в 1913 році разом з батьком, Генрі Бреггом: "Це був чудовий час, коли нові захоплюючі результати отримували майже щотижня, подібно відкриттю нових золотоносних районів, де самородки можна підбирати прямо із землі. Це тривало аж до початку війни *), що припинила нашу спільну роботу "[3].
3.Методи відкриття електрона:
3.1.Опит Томсона
Джозеф Джон Томсон Joseph John Thomson, 1856-1940
Англійський фізик, більш відомий просто як Дж. Дж. Томсон. Народився у Чітем (Cheetham Hill), передмісті Манчестера, в сім'ї букініста-антиквара. У 1876 році виграв стипендію на навчання в Кембриджі. У 1884-1919 роках - професор кафедри експериментальної фізики Кембриджського університету і за сумісництвом - керівник Кавендішської лабораторії, яка зусиллями Томсона перетворилася в один з найвідоміших науково-дослідних центрів світу. Одночасно в 1905-1918 роках - професор Королівського інституту в Лондоні. Лауреат Нобелівської премії з фізики 1906 року з формулюванням «за дослідження проходження електрики через гази», яка, природно, включає і відкриття електрона. Син Томсона Джордж Паджет Томсон (George Paget Thomson, 1892-1975) також з часом став Нобелівським лауреатом з фізики - в 1937 році за експериментальне відкриття дифракції електронів на кристалах.
У 1897 році молодий англійський фізик Дж. Дж. Томсон прославився у віках як першовідкривач електрона. У своєму досвіді Томсон використовував вдосконалену катодно-променеву трубку, конструкція якої була доповнена електричними котушками, які створювали (відповідно до закону Ампера) усередині трубки магнітне поле, і набором паралельних електричних конденсаторних пластин, що створювали усередині трубки електричне поле. Завдяки цьому з'явилася можливість дослідити поведінку катодних променів під впливом і магнітного, та електричного поля.
Використовуючи трубку нової конструкції, Томсон послідовно показав, що: (1) катодні промені відхиляються в магнітному полі в відсутність електричного, (2) катодні промені відхиляються в електричному полі під час відсутності магнітного; і (3) при одночасній дії електричного і магнітного полів збалансованої інтенсивності , орієнтованих у напрямках, що викликають окремо відхилення в протилежні сторони, катодні промені поширюються прямолінійно, тобто дію двох полів взаємно врівноважується.
Томсон з'ясував, що співвідношення між електричним і магнітним полями, за якого їх дію врівноважується, залежить від швидкості, з якою рухаються частинки. Провівши ряд вимірювань, Томсон зміг визначити швидкість руху катодних променів. Виявилося, що вони рухаються значно повільніше швидкості світла, з чого випливало, що катодні промені можуть бути тільки частинками, оскільки будь-яке електромагнітне випромінювання, включаючи сам світ, поширюється зі швидкістю світла (див. Спектр електромагнітного випромінювання). Ці невідомі частинки. Томсон назвав «корпускулами», але незабаром вони стали називатися «електронами».
Відразу ж стало ясно, що електрони зобов'язані існувати в складі атомів - інакше, звідки б вони взялися? 30 квітня 1897 - дата доповіді Томсоном отриманих ним результатів на засіданні Лондонського королівського суспільства - вважається днем народження електрона. І в цей день відійшло в минуле уявлення про "неподільності» атомів (див. Атомна теорія будови речовини). Укупі з поданою через десять з гаком років відкриттям атомного ядра (див. Досвід Резерфорда) відкриття електрона заклало основу сучасної моделі атома.
Описані вище «катодні», а точніше, електронно-променеві трубки стали найпростішими попередницями сучасних телевізійних кінескопів і комп'ютерних моніторів, у яких суворо контрольовані кількості електронів вибиваються з поверхні розжареного катода, під впливом змінних магнітних полів відхиляються під строго заданими кутами і бомбардують фосфоресціюючі осередку екранів , утворюючи на них чітке зображення, що виникає в результаті фотоелектричного ефекту, відкриття якого також було б неможливим без нашого знання істинної природи катодних променів.
3.2.Опит Резерфорда
Ернест Резерфорд, Барон Резерфорд Нельсонскій I Ernest Rutherford, First Baron Rutherford of Nelson, 1871-1937
Новозеландський фізик. Народився в Нельсона, в сім'ї фермера-ремісника. Виграв стипендію для здобуття освіти у Кембріджському університеті в Англії. Після його закінчення отримав призначення в канадський університет Мак-Гілл (McGill University), де спільно з Фредеріком Содді (Frederick Soddy, 1877-1966) встановив основні закономірності явища радіоактивності, за що в 1908 році був удостоєний Нобелівської премії з хімії. Незабаром вчений перебрався в Манчестерський університет, де під його керівництвом Ханс Гейгер (Hans Geiger, 1882-1945) винайшов свій знаменитий лічильник Гейгера, зайнявся дослідженнями будови атома і в 1911 році відкрив існування атомного ядра. У роки Першої світової війни займався розробкою сонарів (акустичних радарів) для виявлення підводних човнів супротивника. У 1919 році був призначений професором фізики і директором Кавендішської лабораторії Кембриджського університету і в тому ж році відкрив розпад ядра в результаті бомбардування важкими частинками високих енергій. На цій посаді Резерфорд залишався до кінця життя, одночасно будучи протягом багатьох років президентом Королівського наукового товариства. Похований у Вестмінстерському абатстві поряд з Ньютоном, Дарвіном і Фарадеєм.
Ернест Резерфорд - унікальний учений в тому плані, що свої головні відкриття він зробив вже після отримання Нобелівської премії. У 1911 році йому вдався експеримент, який не тільки дозволив вченим заглянути вглиб атома і отримати уявлення про його будову, а й став зразком витонченості і глибини задуму.
Використовуючи природний джерело радіоактивного випромінювання, Резерфорд побудував гармату, яка давала спрямований і сфокусований потік часток. Гармата представляла собою свинцевий ящик з вузькою прорізом, всередину якого був поміщений радіоактивний матеріал. Завдяки цьому частки (у даному випадку альфа-частинки, що складаються з двох протонів і двох нейтронів), що випускаються радіоактивною речовиною у всіх напрямках, крім одного, поглиналися свинцевим екраном, і лише через проріз вилітав спрямований пучок альфа-часток.
Далі на шляху пучка стояло ще кілька свинцевих екранів з вузькими прорізами, що відсікали частинки, що відхиляються від суворо
заданого напрямку. У результаті до мішені підлітав ідеально сфокусований пучок альфа-часток, а сама мішень представляла собою найтонший лист золотої фольги. У неї-то і бив альфа-промінь. Після зіткнення з атомами фольги альфа-частинки продовжували свій шлях і потрапляли на люмінесцентний екран, встановлений позаду мішені, на якому при попаданні на нього альфа-часток реєструвалися спалахи. За ним експериментатор міг судити, в якій кількості і наскільки альфа-частинки відхиляються від напрямку прямолінійного руху в результаті зіткнень з атомами фольги.
Амурський Державний Педагогічний університет
Реферат
Методи визначення елементарного електричного заряду
Виконав студент 151г.
Вензелем А.А
Перевірив: Черанева Т.Г
2007р.
Зміст:
Введення.
1. Передісторія відкриття електрона
2. Історія відкриття електрона
3. Досліди і методи відкриття електрона
3.1.Опит Томсона
3.2.Опит Резерфорда
3.3. Метод Міллікена
3.3.1. Коротка біографія
3.3.2. Опис установки
3.3.3. Обчислення елементарного заряду
3.3.4. Висновки з методу
3.4. Метод візуалізації Комптона
Висновок.
Введення:
ЕЛЕКТРОН - перша за часом відкриття елементарна частинка; матеріальний носій найменшої маси і найменшого електричного заряду в природі; складова частина атома.
Заряд електрона - 1,6021892. 10 -19 Кл
- 4,803242. 10 -10 од. СГСЕ
Маса електрона 9,109534. 10 -
Питома заряд e / m e 1,7588047. Жовтні 1911 Кл. Кг -1
Спін електрона дорівнює 1 / 2 (в одиницях h) і має дві проекції ± 1 / 2; електрони підкоряються статистиці Фермі-Дірака, ферміони. На них діє принцип заборони Паулі.
Магнітний момент електрона дорівнює - 1,00116 m б, де m б - магнетон Бора.
Електрон стабільна частинка. Згідно з експериментальними даними, час життя t e> 2. 10 22 років.
Не бере участі в сильній взаємодії, лептон. Сучасна фізика розглядає електрон як істинно елементарну частинку, яка не володіє структурою і розмірами. Якщо останні і відмінні від нуля, то радіус електрона r e <10
1.Предисторія відкриття
Відкриття електрона стало результатом численних експериментів. До початку XX ст. існування електрона було встановлено в цілому ряді незалежних експериментів. Але, незважаючи на колосальний експериментальний матеріал, накопичений цілими національними школами, електрон залишався гіпотетичною частинкою, бо досвід ще не відповів на ряд фундаментальних питань. У дійсності "відкриття" електрона розтяглося більш як на півстоліття і не завершилося в 1897 році, в ньому брало участь багато вчених і винахідників.
Перш за все не було жодного досвіду, в якому були б задіяні окремі електрони. Елементарний заряд обчислювався на підставі вимірів мікроскопічного заряду в припущенні справедливості ряду гіпотез.
Невизначеність була в принципово важливому пункті. Спочатку електрон з'явився як результат атомістичного тлумачення законів електролізу, потім він був виявлений в газовому розряді. Було не ясно, чи має фізика насправді справу з одним і тим же об'єктом. Велика група скептично налаштованих натуралістів вважала, що елементарний заряд є статистичне середнє зарядів найрізноманітнішої величини. Тим більше, що ні один з дослідів з вимірювання заряду електрона не давав суворо повторюваних значень.
Були скептики, які взагалі ігнорували відкриття електрона. Академік А.Ф. Іоффе в спогадах про свого вчителя В.К. Рентгені писав: «До 1906 - 1907 рр.. слово електрон не повинно було вимовлятися у фізичному інституті Мюнхенського університету. Рентген вважав його недоведеною гіпотезою, застосовуваної часто без достатніх підстав і без потреби ».
Не було вирішено питання про масу електрона, не доведено, що і на провідниках, і на діелектриках заряди складаються з електронів. Поняття «електрон» не мало однозначного тлумачення, бо експеримент не розкрив ще структури атома (планетарна модель Резерфорда з'явиться в
Електрон не увійшов ще й в теоретичні побудови. В електронній теорії Лоренца фігурувала безперервно розподілена щільність заряду. У теорії металевої провідності, розвиненою Друде, мова йшла про дискретних зарядах, але це були довільні заряди, на значення яких не накладалося жодних обмежень.
Електрон ще не вийшов з рамок «чистої» науки. Нагадаємо, що перша електронна лампа з'явилася тільки в
Вирішення цього завдання не змусило себе чекати. У
2.Откритіе електрона:
Якщо відволіктися від того, що передувало відкриття першої елементарної частки - електрона, і від того, що супроводжувало цієї визначної події, можна сказати коротко: у 1897 році відомий англійський фізик Томсон Джозеф Джон (1856-1940 рр.). Виміряв питомий заряд q / m катодно-променевих частинок - "корпускул", як він їх назвав, по відхиленню катодних променів *) в електричному і магнітному полях [1].
З зіставлення отриманого числа з відомим на той час питомою зарядом одновалентного іона водню, шляхом непрямих міркувань він прийшов до висновку, що маса цих часток, отримали пізніше назву "електрони", значно менше (більш ніж у тисячу разів) маси самого легкого іона водню.
У тому ж, 1897 році він висунув гіпотезу, що електрони є складовою частиною атомів, а катодні промені - не атоми або не електромагнітне випромінювання, як вважали деякі дослідники властивостей променів. Томсон писав: "Таким чином, катодні промені є новий стан речовини, суттєво відмінне від звичайного газоподібного стану ...; в цьому новому стані матерія являє собою речовина, з якої побудовані всі елементи" [2].
З 1897 року корпускулярна модель катодних променів стала завойовувати загальне визнання, хоча про природу електрики були найрізноманітніші судження. Так, німецький фізик Е. Віхерт вважав, що "електрика є щось уявне, існуюче реально тільки в думках", а відомий англійський фізик лорд Кельвін у тому ж, 1897 році писав про електрику як про якусь "безперервної рідини" [1].
Думка Томсона про катодно-променевих корпускули як про основні компоненти атома не була зустрінута з великим ентузіазмом. Деякі його колеги вирішили, що він містифікував їх, коли висловив припущення про те, що частки катодних променів слід розглядати як можливі компоненти атома. Справжня роль Томсонівське корпускул в структурі атома могла бути зрозуміла в поєднанні з результатами інших досліджень, зокрема, з результатами аналізу спектрів та вивчення радіоактивності.
29 квітня 1897 Томсон зробив своє знамените повідомлення на засіданні Лондонського королівського суспільства. Точний час відкриття електрона - день і годину - неможливо назвати на увазі його своєрідності. Ця подія стала підсумком багаторічної роботи Томсона і його співробітників. Ні Томсон, ні будь-хто інший ніколи не спостерігали електрон в буквальному сенсі, нікому не вдалося виділити окрему частку з пучка катодних променів і виміряти її питомий заряд. Автором відкриття є Дж.Дж.Томсона тому, що його уявлення про електрон були близькі до сучасних. У 1903 році він запропонував одну з перших моделей атома - "пудинг з родзинками", а в 1904 припустив, що електрони в атомі поділяються на групи, утворюючи різні конфігурації, що обумовлюють періодичність хімічних елементів.
Місце відкриття точно відомо - Кавендішської лабораторія (Кембридж, Великобританія). Створена в 1870 році Дж.К.Максвелла, в наступні сто років вона стала "колискою" цілого ланцюга блискучих відкриттів у різних галузях фізики, особливо в атомній і ядерній. Директорами її були: Максвелл Дж.К. - З 1871 по 1879 рік, лорд Релей - з 1879 по 1884 рік, Томсон Дж.Дж. - З 1884 по 1919 рік, Резерфорд Е. - з 1919 по 1937 рік, Брегг Л. - з 1938 по 1953; заступником директора в 1923-1935 роках - Чедвік Дж.
Наукові експериментальні дослідження проводилося одним вченим або невеликою групою в атмосфері творчого пошуку. Лоуренс Брегг згадував згодом про свою роботу в 1913 році разом з батьком, Генрі Бреггом: "Це був чудовий час, коли нові захоплюючі результати отримували майже щотижня, подібно відкриттю нових золотоносних районів, де самородки можна підбирати прямо із землі. Це тривало аж до початку війни *), що припинила нашу спільну роботу "[3].
3.Методи відкриття електрона:
3.1.Опит Томсона
Джозеф Джон Томсон Joseph John Thomson, 1856-1940
Англійський фізик, більш відомий просто як Дж. Дж. Томсон. Народився у Чітем (Cheetham Hill), передмісті Манчестера, в сім'ї букініста-антиквара. У 1876 році виграв стипендію на навчання в Кембриджі. У 1884-1919 роках - професор кафедри експериментальної фізики Кембриджського університету і за сумісництвом - керівник Кавендішської лабораторії, яка зусиллями Томсона перетворилася в один з найвідоміших науково-дослідних центрів світу. Одночасно в 1905-1918 роках - професор Королівського інституту в Лондоні. Лауреат Нобелівської премії з фізики 1906 року з формулюванням «за дослідження проходження електрики через гази», яка, природно, включає і відкриття електрона. Син Томсона Джордж Паджет Томсон (George Paget Thomson, 1892-1975) також з часом став Нобелівським лауреатом з фізики - в 1937 році за експериментальне відкриття дифракції електронів на кристалах.
У 1897 році молодий англійський фізик Дж. Дж. Томсон прославився у віках як першовідкривач електрона. У своєму досвіді Томсон використовував вдосконалену катодно-променеву трубку, конструкція якої була доповнена електричними котушками, які створювали (відповідно до закону Ампера) усередині трубки магнітне поле, і набором паралельних електричних конденсаторних пластин, що створювали усередині трубки електричне поле. Завдяки цьому з'явилася можливість дослідити поведінку катодних променів під впливом і магнітного, та електричного поля.
Використовуючи трубку нової конструкції, Томсон послідовно показав, що: (1) катодні промені відхиляються в магнітному полі в відсутність електричного, (2) катодні промені відхиляються в електричному полі під час відсутності магнітного; і (3) при одночасній дії електричного і магнітного полів збалансованої інтенсивності , орієнтованих у напрямках, що викликають окремо відхилення в протилежні сторони, катодні промені поширюються прямолінійно, тобто дію двох полів взаємно врівноважується.
Томсон з'ясував, що співвідношення між електричним і магнітним полями, за якого їх дію врівноважується, залежить від швидкості, з якою рухаються частинки. Провівши ряд вимірювань, Томсон зміг визначити швидкість руху катодних променів. Виявилося, що вони рухаються значно повільніше швидкості світла, з чого випливало, що катодні промені можуть бути тільки частинками, оскільки будь-яке електромагнітне випромінювання, включаючи сам світ, поширюється зі швидкістю світла (див. Спектр електромагнітного випромінювання). Ці невідомі частинки. Томсон назвав «корпускулами», але незабаром вони стали називатися «електронами».
Відразу ж стало ясно, що електрони зобов'язані існувати в складі атомів - інакше, звідки б вони взялися? 30 квітня 1897 - дата доповіді Томсоном отриманих ним результатів на засіданні Лондонського королівського суспільства - вважається днем народження електрона. І в цей день відійшло в минуле уявлення про "неподільності» атомів (див. Атомна теорія будови речовини). Укупі з поданою через десять з гаком років відкриттям атомного ядра (див. Досвід Резерфорда) відкриття електрона заклало основу сучасної моделі атома.
Описані вище «катодні», а точніше, електронно-променеві трубки стали найпростішими попередницями сучасних телевізійних кінескопів і комп'ютерних моніторів, у яких суворо контрольовані кількості електронів вибиваються з поверхні розжареного катода, під впливом змінних магнітних полів відхиляються під строго заданими кутами і бомбардують фосфоресціюючі осередку екранів , утворюючи на них чітке зображення, що виникає в результаті фотоелектричного ефекту, відкриття якого також було б неможливим без нашого знання істинної природи катодних променів.
3.2.Опит Резерфорда
Ернест Резерфорд, Барон Резерфорд Нельсонскій I Ernest Rutherford, First Baron Rutherford of Nelson, 1871-1937
Новозеландський фізик. Народився в Нельсона, в сім'ї фермера-ремісника. Виграв стипендію для здобуття освіти у Кембріджському університеті в Англії. Після його закінчення отримав призначення в канадський університет Мак-Гілл (McGill University), де спільно з Фредеріком Содді (Frederick Soddy, 1877-1966) встановив основні закономірності явища радіоактивності, за що в 1908 році був удостоєний Нобелівської премії з хімії. Незабаром вчений перебрався в Манчестерський університет, де під його керівництвом Ханс Гейгер (Hans Geiger, 1882-1945) винайшов свій знаменитий лічильник Гейгера, зайнявся дослідженнями будови атома і в 1911 році відкрив існування атомного ядра. У роки Першої світової війни займався розробкою сонарів (акустичних радарів) для виявлення підводних човнів супротивника. У 1919 році був призначений професором фізики і директором Кавендішської лабораторії Кембриджського університету і в тому ж році відкрив розпад ядра в результаті бомбардування важкими частинками високих енергій. На цій посаді Резерфорд залишався до кінця життя, одночасно будучи протягом багатьох років президентом Королівського наукового товариства. Похований у Вестмінстерському абатстві поряд з Ньютоном, Дарвіном і Фарадеєм.
|
заданого напрямку. У результаті до мішені підлітав ідеально сфокусований пучок альфа-часток, а сама мішень представляла собою найтонший лист золотої фольги. У неї-то і бив альфа-промінь. Після зіткнення з атомами фольги альфа-частинки продовжували свій шлях і потрапляли на люмінесцентний екран, встановлений позаду мішені, на якому при попаданні на нього альфа-часток реєструвалися спалахи. За ним експериментатор міг судити, в якій кількості і наскільки альфа-частинки відхиляються від напрямку прямолінійного руху в результаті зіткнень з атомами фольги.
Резерфорд, однак, зауважив, що ніхто з його попередників навіть не пробував перевірити експериментально, не відхиляються чи деякі альфа-частинки під дуже великими кутами. Модель сітки з родзинками просто не допускала існування в атомі настільки щільних і важких елементів структури, що вони могли б відхиляти швидкі альфа-частинки на значні кути, тому ніхто й не піклувався тим, щоб перевірити таку можливість. Резерфорд попросив одного зі своїх студентів переобладнати установку таким чином, щоб можна було спостерігати розсіювання альфа-частинок під великими кутами відхилення, - просто для очищення совісті, щоб остаточно виключити таку можливість. В якості детектора використовувався екран з покриттям із сульфіду натрію - матеріалу, який дає флуоресцентну спалах при попаданні в нього альфа-частинки. Яке ж було здивування не лише студента, безпосередньо проводив експеримент, але і самого Резерфорда, коли з'ясувалося, що деякі частинки відхиляються на кути аж до 180 °!
Картина атома, намальована Резерфордом за результатами досвіду, нам сьогодні добре знайома. Атом складається з надщільного, компактного ядра, що несе на собі позитивний заряд, і негативно заряджених електронів легень навколо нього. Пізніше учені підвели під цю картину надійну теоретичну базу (див. Атом Бора), але почалося все з простого експерименту з маленьким зразком радіоактивного матеріалу і шматком золотої фольги.
3.2.Метод Міллікена
3.2.1. Коротка біографія:
Роберт Міллікен народився в 1868 р . в штаті Іллінойс у бідній родині священика. Дитинство його пройшло в провінційному містечку Маквокета, де багато уваги приділяли спорту і погано вчили. Директор середньої школи, викладав фізику, говорив, наприклад, своїм юним слухачам: «Як це можна з хвиль зробити звук? Дурниця, хлопчики, все це нісенітниця! »
У Обердінском коледжі було не краще, але Міллікену, що не мав матеріальної підтримки, довелося самому викладати фізику в середній школі. У Америці тоді було всього два підручники з фізики, перекладені з французької, і талановитому юнакові не представило труднощів вивчити їх і з успіхом вести заняття. У 1893 р . він надходить в Колумбійський університет, потім їде навчатися до Німеччини.
Міллікену було 28 років, коли він отримав пропозицію від А. Майкельсона зайняти місце асистента в Чиказькому університеті. На початку він займався тут майже виключно педагогічною роботою і лише в сорок років почав наукові дослідження, що принесли йому світову славу.
3.2.2. Перші досліди і вирішення проблем:
Перші досліди зводилися до наступного. Між пластинками плоского конденсатора, на які подавалося напруга в 4000 В, створювалося хмара, що складалося з крапельок води, які осіли на іонах. Спочатку спостерігалося падіння вершини хмари в відсутність електричного поля. Потім створювалося хмара при ввімкненій напрузі. Падіння хмари відбувалося під дією сили тяжіння і електричної сили.
Відношення сили, що діє на краплю в хмарі, до швидкості, яку вона здобуває, однаково в першому і в другому випадку. У першому випадку сила дорівнює mg, у другому mg + qE, де q - заряд краплі, Е - напруженість електричного поля. Якщо швидкість в першому випадку дорівнює υ 1 у другому υ 2, то
Знаючи залежність швидкості падіння хмари υ від в'язкості повітря, можна обчислити шуканий заряд q. Однак цей метод не давав бажаної точності, тому що містив гіпотетичні припущення, що не піддаються контролю експериментатора.
Щоб збільшити точність вимірювань, необхідно було перш за все знайти спосіб обліку випаровування хмари, яке неминуче відбувалося в процесі вимірювання.
Розмірковуючи над цією проблемою, Міллікен і прийшов до класичного методу крапель, що відкрив цілий ряд несподіваних можливостей. Історію винаходи надамо розповісти самому автору:
«Усвідомлюючи, що швидкість випаровування крапель залишалася невідомою, я спробував придумати спосіб, який цілком виключив би цю невизначену величину. Мій план полягав в наступному. У попередніх дослідах електричне поле могло тільки трохи збільшити або зменшити швидкість падіння верхівки хмари під дією сили тяжіння. Тепер же я хотів це поле посилити настільки, щоб верхня поверхня хмари залишалася на постійній висоті. У цьому випадку з'явилася можливість з точністю визначити швидкість випаровування хмари і прийняти її до уваги при обчисленнях ».
Для реалізації цієї ідеї Міллікен сконструював невелику за габаритами акумуляторну батарею, яка давала напругу до 10 4 В (для того часу це було видатним досягненням експериментатора). Вона повинна була створювати поле, досить сильний, щоб хмара утримувалося, як «труну Магомета», в підвішеному стані. «Коли у мене все було готове, - розповідає Міллікен, і коли утворилася хмара, я повернув вимикач, і хмара виявилося в електричному полі. І в цю мить воно на моїх очах розтануло, іншими словами, від цілого хмари не залишилося і маленького шматочка, який можна було б спостерігати за допомогою контрольного оптичного приладу, як це робив Вільсон і збирався робити я. Як мені спочатку здалося, безслідне зникнення хмари в електричному полі між верхньою і нижньою пластинками означало, що експеримент закінчився безрезультатно ... »Однак, як це нерідко бувало в історії науки, невдача породила нову ідею. Вона і призвела до знаменитого методу крапель. «Повторні досліди, - пише Міллікен, - показали, що після розсіювання хмари в потужному електричному полі на його місці можна було розрізнити кілька окремих водяних капель» (підкреслено мною .- В. Д.). «Невдалий» досвід привів до відкриття можливості утримувати в рівновазі і спостерігати окремі крапельки протягом досить тривалого часу.
Але за час спостереження маса краплі води істотно змінилася в результаті випаровування, і Міллікен після багатоденних пошуків перейшов до експериментів з краплями олії.
Процедура експерименту виявилася простою. Адіабатичним розширенням між пластинами конденсатора утворюється хмара. Воно складається з крапельок, які мають різні за модулем і знаку заряди. При включенні електричного поля краплі, що мають заряди, однойменні з зарядом верхньої пластини конденсатора, швидко падають, а краплі з протилежним зарядом притягуються верхньої пластиною. Але певна кількість крапель має такий заряд, що сила тяжіння врівноважується електричної силою.
Через 7 або 8 хв. хмара розсіюється, і в полі зору залишається невелика кількість крапель, заряд яких відповідає вказаному рівноваги сил.
Міллікен спостерігав ці краплі у вигляді чітких яскравих точок. «Історія цих крапель протікає звичайно так, - пише він .- У разі невеликого переважання сили тяжіння над силою поля вони починають повільно падати, але, так як вони поступово випаровуються, то їх низхідний рух незабаром припиняється, і вони на досить довгий час стають нерухомими . Потім поле починає переважати, і краплі починають повільно підніматися. Під кінець їхнього життя в просторі між пластинами це висхідний рух стає вельми сильно прискореним, і вони притягуються з великою швидкістю до верхньої пластині ».
3.2.3. Опис установки:
Схема установки Міллікена, за допомогою якої в 1909 р . були отримані вирішальні результати, зображена на малюнку 17.
У камері С був поміщений плоский конденсатор з круглих латунних пластин М і N діаметром 22 см (Відстань між ними було 1,6 см ). У центрі верхньої пластини було зроблено маленький отвір р, крізь яке проходили краплі олії. Останні утворювалися при вдування струменя масла за допомогою розпилювача. Повітря при цьому попередньо очищався від пилу шляхом пропускання через трубу зі скляною ватою. Краплі олії мали діаметр близько 10 - 4 см .
Від акумуляторної батареї В на пластини конденсатора подавалося напругу 10 4 В. За допомогою перемикача можна було закорочуються пластини і цим зруйнують електричне поле.
Краплі олії, які потрапляли між пластинами М і N, висвітлювалися сильним джерелом. Перпендикулярно напрямку променів через зорову трубу спостерігалося поведінку крапель.
Іони, необхідні для конденсації крапель, створювалися випромінюванням шматочка радію масою 200 мг, розташованого на відстані від 3 до 10 см збоку від пластин.
За допомогою спеціального пристрою опусканням поршня вироблялося розширення газу. Через 1 - 2 з після розширення радій чи віддалявся затуляли свинцевим екраном. Потім включалося електричне поле і починалося спостереження крапель в.зрітельную трубу. Труба мала шкалу, по якій можна було відраховувати шлях, пройдений краплею за певний проміжок часу. Час фіксувалося по точним годиннику із аретиром.
У процесі спостережень Міллікен виявив явище, яке послужило ключем до всієї серії наступних точних вимірювань окремих елементарних зарядів.
«Працюючи над зваженими краплями, - пише Міллікен, - я кілька разів забував закривати їх від променів радію. Тоді мені траплялося помічати, що час від часу одна з крапель раптово змінювала свій заряд і починала рухатися вздовж поля або проти нього, очевидно, захопивши в першому випадку позитивний, а в другому випадку від'ємний іон. Це відкривало можливість вимірювати з достовірністю не тільки заряди окремих крапель, як це я робив до тих пір, але і заряд окремого атмосферного іона.
У самому справі, вимірюючи швидкість однієї і тієї ж краплі два рази, один раз до, а другий раз після захоплення іона, я, очевидно, міг цілком виключити властивості краплі і властивості середовища і оперувати з величиною, пропорційною тільки заряду захопленого іона ».
3.2.4. Обчислення елементарного заряду:
Елементарний заряд обчислювався Міллікеном на підставі таких міркувань. Швидкість руху краплі пропорційна діє на неї силі і не залежить від заряду краплі.
Якщо крапля падала між пластинами конденсатора під дією тільки сили ваги зі швидкістю υ, то
υ 1 = kmg (1)
При включенні поля, спрямованого проти сили тяжіння, що діє силою буде різниця qE - mg, де q - заряд краплі, Е - модуль напруженості поля.
Швидкість краплі буде дорівнює:
υ 2 = k (qE-mg) (2)
Якщо розділити рівність (1) на (2), отримаємо
Звідси
(3)
Нехай крапля захопила іон і заряд її став рівний q ', а швидкість руху υ 2. Заряд цього захопленого іона позначимо через e.
Тоді e = q'-q.
Використовуючи (3), отримаємо
(4)
Величина - постійна для даної краплі.
3.2.5. Висновки з методу Міллікена
Отже, кожен захоплений краплею заряд буде пропорційний різниці швидкостей (υ '2 - υ 2), інакше кажучи, пропорційний зміні швидкості краплі внаслідок захоплення іона! Отже, вимірювання елементарного заряду було зведено до вимірювання шляху, пройденого краплею, і часу, за який цей шлях був пройдений. Численні спостереження показали справедливість формули (4). Виявилося, що величина е може змінюватися лише стрибками! Завжди спостерігаються заряди е, 2е, 3e, 4е і т.д.
«У багатьох випадках, - пише Міллікен, - крапля спостерігалася протягом п'яти або шести годин, і за цей час вона захоплювала не вісім чи десять іонів, а сотні їх. У загальній складності я спостерігав таким шляхом захоплення багатьох тисяч іонів, і у всіх випадках захоплений заряд ... був або в точності дорівнює найменшому від усіх захоплених зарядів, або він дорівнював невеликому цілому кратному цієї величини. У цьому полягає пряме і незаперечний доказ того, що електрон не є «статистичне середнє», але що всі електричні заряди на іонах або в точності рівні заряду електрона, або представляють невеликі цілі кратні цього заряду ».
Отже, атомістичні, дискретність або, кажучи сучасною мовою, квантованность електричного заряду стала експериментальним фактом. Тепер важливо було показати, що електрон, так би мовити, всюдисущий. Будь-який електричний заряд в тілі будь-якої природи представляє собою суму одних і тих же елементарних зарядів.
Метод Міллікена дозволив однозначно відповісти на це питання. У перших дослідах заряди створювалися іонізацією нейтральних молекул газу потоком радіоактивного випромінювання. Вимірювався заряд іонів, захоплених краплями.
При розбризкуванні рідини пульверизатором краплі електризуються завдяки тертю. Це було добре відомо ще в XIX ст. Чи є ці заряди також квантованими, як і заряди іонів? Міллікен «зважує» краплі після розбризкування і проводить вимірювання зарядів описаним вище способом. Досвід виявляє ту ж дискретність електричного заряду.
Далі була показана тотожність електричних зарядів на тілах різної фізичної природи.
Вбризгівая краплі олії (діелектрика), гліцерину (напівпровідника), ртуті (провідника), Міллікен доводить, що заряди на тілах будь-якої фізичної природи складаються в усіх без винятку випадках з окремих елементарних порцій строго постійної величини. У 1913 р . Міллікен підсумовує результати численних експериментів і дає для елементарного заряду таке значення: е = 4,774. 10 -10 од. заряду СГСЕ. Так була встановлена одна з найважливіших констант сучасної фізики. Визначення електричного заряду зробилося простої арифметичної завданням.
3.4 Метод візуалізації Комптона:
Велику роль у зміцненні думки про реальність електрона відіграло відкриття Ч.Т.Р. Вільсоном ефекту конденсації водяної пари на іонах, що призвело до можливості фотографування треків частинок.
Розповідають, що А. Комптон на лекції ніяк не міг переконати скептично налаштованого слухача в реальності існування мікрочастинок. Той твердив, що повірить, тільки побачивши їх своїми очима.
Тоді Комптон показав фотографію з треком α-частинки, поряд з яким був відбиток пальця. «Чи знаєте ви, що це таке?» - Запитав Комптон. «Палець», - відповів слухач. «У такому разі, - заявив урочисто Комптон, - ця смуга, що світиться і є частка».
Фотографії треків електронів не тільки свідчили про реальність електронів. Вони підтверджували припущення про малість розмірів електронів і дозволяли порівняти з досвідом результати теоретичних розрахунків, в яких фігурував радіус електрона. Досліди, початок яким було покладено Ленард при дослідженні проникаючої здатності катодних променів, показали, що дуже швидкі електрони, що викидаються радіоактивними речовинами, дають треки в газі у вигляді прямих ліній. Довжина треку пропорційна енергії електрона. Фотографії треків α-частинок великої енергії показують, що треки складаються з великого числа точок. Кожна точка - водяна крапелька, що виникає на іоні, який утворюється в результаті зіткнення електрона з атомом. Знаючи розміри атома та їх концентрацію, ми можемо обчислити число атомів, крізь які повинна пройти α-частинки на даному відстані. Простої розрахунок показує, що α-частинка повинна пройти приблизно 300 атомів, перш ніж вона зустріне на шляху один з електронів, що становлять оболонку атома, і зробить іонізацію.
Цей факт переконливо свідчить про те, що обсяг електронів становить мізерну частку об'єму атома. Трек електрона, що має малу енергію, викривлений, отже, повільний електрон відхиляється внутрішньоатомних полем. Він справляє на своєму шляху більше актів іонізації.
З теорії розсіювання можна отримати дані для оцінки кутів відхилення в залежності, від енергії електронів. Ці дані добре підтверджуються при аналізі реальних треків, Збіг теорії з експериментом зміцнило уявлення про електрон, як найдрібнішої частці речовини.
Висновок:
Вимірювання елементарного електричного заряду відкрило можливість точного визначення ряду найважливіших фізичних констант.
Знання величини е автоматично дає змогу визначити значення фундаментальної константи - постійної Авогадро. До дослідів Міллікена існували лише грубі оцінки постійної Авогадро, які давалися кінетичної теорії газів. Ці оцінки спиралися на обчислення середнього радіусу молекули повітря і коливалися в досить широких межах від 2. 10 23 до 20. Жовтень 1923 1/моль.
Припустимо, що нам відомий заряд Q, що пройшов через розчин електроліту, і кількість речовини М, яке відклалося на електроді. Тоді, якщо заряд іона дорівнює Ze 0 і маса його m 0, виконується рівність
Якщо маса відклався речовини дорівнює одному молю,
то Q = F-постійної Фарадея, причому F = N 0 e, звідки:
Очевидно, що точність визначення постійної Авогадро задається точністю, з якою вимірюється заряд електрона. Практика зажадала збільшення точності визначення фундаментальних констант, і це стало одним із стимулів до продовження вдосконалення методики вимірювань кванта електричного заряду. Робота ця, що носить вже чисто метрологічний характер, триває досі.
Найбільш точними в даний час є значення:
е = (4,8029 ± 0,0005) 10 -10. од. заряду СГСЕ;
N 0 = (6,0230 ± 0,0005) 23 жовтня 1/моль.
Знаючи N o, можна визначити кількість молекул газу в 1 см 3, оскільки обсяг, займаний 1 молем газу, являє собою вже відому постійну величину.
Знання числа молекул газу в 1 см 3 дало в свою чергу можливість визначити середню кінетичну енергію теплового руху молекули. Нарешті, по заряду електрона можна визначити постійну Планка і постійну Стефана-Больцмана в законі теплового випромінювання.
Картина атома, намальована Резерфордом за результатами досвіду, нам сьогодні добре знайома. Атом складається з надщільного, компактного ядра, що несе на собі позитивний заряд, і негативно заряджених електронів легень навколо нього. Пізніше учені підвели під цю картину надійну теоретичну базу (див. Атом Бора), але почалося все з простого експерименту з маленьким зразком радіоактивного матеріалу і шматком золотої фольги.
3.2.Метод Міллікена
3.2.1. Коротка біографія:
Роберт Міллікен народився в
У Обердінском коледжі було не краще, але Міллікену, що не мав матеріальної підтримки, довелося самому викладати фізику в середній школі. У Америці тоді було всього два підручники з фізики, перекладені з французької, і талановитому юнакові не представило труднощів вивчити їх і з успіхом вести заняття. У
Міллікену було 28 років, коли він отримав пропозицію від А. Майкельсона зайняти місце асистента в Чиказькому університеті. На початку він займався тут майже виключно педагогічною роботою і лише в сорок років почав наукові дослідження, що принесли йому світову славу.
3.2.2. Перші досліди і вирішення проблем:
Перші досліди зводилися до наступного. Між пластинками плоского конденсатора, на які подавалося напруга в 4000 В, створювалося хмара, що складалося з крапельок води, які осіли на іонах. Спочатку спостерігалося падіння вершини хмари в відсутність електричного поля. Потім створювалося хмара при ввімкненій напрузі. Падіння хмари відбувалося під дією сили тяжіння і електричної сили.
Відношення сили, що діє на краплю в хмарі, до швидкості, яку вона здобуває, однаково в першому і в другому випадку. У першому випадку сила дорівнює mg, у другому mg + qE, де q - заряд краплі, Е - напруженість електричного поля. Якщо швидкість в першому випадку дорівнює υ 1 у другому υ 2, то
Знаючи залежність швидкості падіння хмари υ від в'язкості повітря, можна обчислити шуканий заряд q. Однак цей метод не давав бажаної точності, тому що містив гіпотетичні припущення, що не піддаються контролю експериментатора.
Щоб збільшити точність вимірювань, необхідно було перш за все знайти спосіб обліку випаровування хмари, яке неминуче відбувалося в процесі вимірювання.
Розмірковуючи над цією проблемою, Міллікен і прийшов до класичного методу крапель, що відкрив цілий ряд несподіваних можливостей. Історію винаходи надамо розповісти самому автору:
«Усвідомлюючи, що швидкість випаровування крапель залишалася невідомою, я спробував придумати спосіб, який цілком виключив би цю невизначену величину. Мій план полягав в наступному. У попередніх дослідах електричне поле могло тільки трохи збільшити або зменшити швидкість падіння верхівки хмари під дією сили тяжіння. Тепер же я хотів це поле посилити настільки, щоб верхня поверхня хмари залишалася на постійній висоті. У цьому випадку з'явилася можливість з точністю визначити швидкість випаровування хмари і прийняти її до уваги при обчисленнях ».
Для реалізації цієї ідеї Міллікен сконструював невелику за габаритами акумуляторну батарею, яка давала напругу до 10 4 В (для того часу це було видатним досягненням експериментатора). Вона повинна була створювати поле, досить сильний, щоб хмара утримувалося, як «труну Магомета», в підвішеному стані. «Коли у мене все було готове, - розповідає Міллікен, і коли утворилася хмара, я повернув вимикач, і хмара виявилося в електричному полі. І в цю мить воно на моїх очах розтануло, іншими словами, від цілого хмари не залишилося і маленького шматочка, який можна було б спостерігати за допомогою контрольного оптичного приладу, як це робив Вільсон і збирався робити я. Як мені спочатку здалося, безслідне зникнення хмари в електричному полі між верхньою і нижньою пластинками означало, що експеримент закінчився безрезультатно ... »Однак, як це нерідко бувало в історії науки, невдача породила нову ідею. Вона і призвела до знаменитого методу крапель. «Повторні досліди, - пише Міллікен, - показали, що після розсіювання хмари в потужному електричному полі на його місці можна було розрізнити кілька окремих водяних капель» (підкреслено мною .- В. Д.). «Невдалий» досвід привів до відкриття можливості утримувати в рівновазі і спостерігати окремі крапельки протягом досить тривалого часу.
Але за час спостереження маса краплі води істотно змінилася в результаті випаровування, і Міллікен після багатоденних пошуків перейшов до експериментів з краплями олії.
Процедура експерименту виявилася простою. Адіабатичним розширенням між пластинами конденсатора утворюється хмара. Воно складається з крапельок, які мають різні за модулем і знаку заряди. При включенні електричного поля краплі, що мають заряди, однойменні з зарядом верхньої пластини конденсатора, швидко падають, а краплі з протилежним зарядом притягуються верхньої пластиною. Але певна кількість крапель має такий заряд, що сила тяжіння врівноважується електричної силою.
Через 7 або 8 хв. хмара розсіюється, і в полі зору залишається невелика кількість крапель, заряд яких відповідає вказаному рівноваги сил.
Міллікен спостерігав ці краплі у вигляді чітких яскравих точок. «Історія цих крапель протікає звичайно так, - пише він .- У разі невеликого переважання сили тяжіння над силою поля вони починають повільно падати, але, так як вони поступово випаровуються, то їх низхідний рух незабаром припиняється, і вони на досить довгий час стають нерухомими . Потім поле починає переважати, і краплі починають повільно підніматися. Під кінець їхнього життя в просторі між пластинами це висхідний рух стає вельми сильно прискореним, і вони притягуються з великою швидкістю до верхньої пластині ».
3.2.3. Опис установки:
Схема установки Міллікена, за допомогою якої в
У камері С був поміщений плоский конденсатор з круглих латунних пластин М і N діаметром
Краплі олії, які потрапляли між пластинами М і N, висвітлювалися сильним джерелом. Перпендикулярно напрямку променів через зорову трубу спостерігалося поведінку крапель.
Іони, необхідні для конденсації крапель, створювалися випромінюванням шматочка радію масою 200 мг, розташованого на відстані від 3 до
За допомогою спеціального пристрою опусканням поршня вироблялося розширення газу. Через 1 - 2 з після розширення радій чи віддалявся затуляли свинцевим екраном. Потім включалося електричне поле і починалося спостереження крапель в.зрітельную трубу. Труба мала шкалу, по якій можна було відраховувати шлях, пройдений краплею за певний проміжок часу. Час фіксувалося по точним годиннику із аретиром.
У процесі спостережень Міллікен виявив явище, яке послужило ключем до всієї серії наступних точних вимірювань окремих елементарних зарядів.
«Працюючи над зваженими краплями, - пише Міллікен, - я кілька разів забував закривати їх від променів радію. Тоді мені траплялося помічати, що час від часу одна з крапель раптово змінювала свій заряд і починала рухатися вздовж поля або проти нього, очевидно, захопивши в першому випадку позитивний, а в другому випадку від'ємний іон. Це відкривало можливість вимірювати з достовірністю не тільки заряди окремих крапель, як це я робив до тих пір, але і заряд окремого атмосферного іона.
У самому справі, вимірюючи швидкість однієї і тієї ж краплі два рази, один раз до, а другий раз після захоплення іона, я, очевидно, міг цілком виключити властивості краплі і властивості середовища і оперувати з величиною, пропорційною тільки заряду захопленого іона ».
3.2.4. Обчислення елементарного заряду:
Елементарний заряд обчислювався Міллікеном на підставі таких міркувань. Швидкість руху краплі пропорційна діє на неї силі і не залежить від заряду краплі.
Якщо крапля падала між пластинами конденсатора під дією тільки сили ваги зі швидкістю υ, то
υ 1 = kmg (1)
При включенні поля, спрямованого проти сили тяжіння, що діє силою буде різниця qE - mg, де q - заряд краплі, Е - модуль напруженості поля.
Швидкість краплі буде дорівнює:
υ 2 = k (qE-mg) (2)
(3)
Нехай крапля захопила іон і заряд її став рівний q ', а швидкість руху υ 2. Заряд цього захопленого іона позначимо через e.
Тоді e = q'-q.
Використовуючи (3), отримаємо
(4)
Величина - постійна для даної краплі.
3.2.5. Висновки з методу Міллікена
Отже, кожен захоплений краплею заряд буде пропорційний різниці швидкостей (υ '2 - υ 2), інакше кажучи, пропорційний зміні швидкості краплі внаслідок захоплення іона! Отже, вимірювання елементарного заряду було зведено до вимірювання шляху, пройденого краплею, і часу, за який цей шлях був пройдений. Численні спостереження показали справедливість формули (4). Виявилося, що величина е може змінюватися лише стрибками! Завжди спостерігаються заряди е, 2е, 3e, 4е і т.д.
«У багатьох випадках, - пише Міллікен, - крапля спостерігалася протягом п'яти або шести годин, і за цей час вона захоплювала не вісім чи десять іонів, а сотні їх. У загальній складності я спостерігав таким шляхом захоплення багатьох тисяч іонів, і у всіх випадках захоплений заряд ... був або в точності дорівнює найменшому від усіх захоплених зарядів, або він дорівнював невеликому цілому кратному цієї величини. У цьому полягає пряме і незаперечний доказ того, що електрон не є «статистичне середнє», але що всі електричні заряди на іонах або в точності рівні заряду електрона, або представляють невеликі цілі кратні цього заряду ».
Отже, атомістичні, дискретність або, кажучи сучасною мовою, квантованность електричного заряду стала експериментальним фактом. Тепер важливо було показати, що електрон, так би мовити, всюдисущий. Будь-який електричний заряд в тілі будь-якої природи представляє собою суму одних і тих же елементарних зарядів.
Метод Міллікена дозволив однозначно відповісти на це питання. У перших дослідах заряди створювалися іонізацією нейтральних молекул газу потоком радіоактивного випромінювання. Вимірювався заряд іонів, захоплених краплями.
При розбризкуванні рідини пульверизатором краплі електризуються завдяки тертю. Це було добре відомо ще в XIX ст. Чи є ці заряди також квантованими, як і заряди іонів? Міллікен «зважує» краплі після розбризкування і проводить вимірювання зарядів описаним вище способом. Досвід виявляє ту ж дискретність електричного заряду.
Далі була показана тотожність електричних зарядів на тілах різної фізичної природи.
Вбризгівая краплі олії (діелектрика), гліцерину (напівпровідника), ртуті (провідника), Міллікен доводить, що заряди на тілах будь-якої фізичної природи складаються в усіх без винятку випадках з окремих елементарних порцій строго постійної величини. У
3.4 Метод візуалізації Комптона:
Велику роль у зміцненні думки про реальність електрона відіграло відкриття Ч.Т.Р. Вільсоном ефекту конденсації водяної пари на іонах, що призвело до можливості фотографування треків частинок.
Розповідають, що А. Комптон на лекції ніяк не міг переконати скептично налаштованого слухача в реальності існування мікрочастинок. Той твердив, що повірить, тільки побачивши їх своїми очима.
Тоді Комптон показав фотографію з треком α-частинки, поряд з яким був відбиток пальця. «Чи знаєте ви, що це таке?» - Запитав Комптон. «Палець», - відповів слухач. «У такому разі, - заявив урочисто Комптон, - ця смуга, що світиться і є частка».
Фотографії треків електронів не тільки свідчили про реальність електронів. Вони підтверджували припущення про малість розмірів електронів і дозволяли порівняти з досвідом результати теоретичних розрахунків, в яких фігурував радіус електрона. Досліди, початок яким було покладено Ленард при дослідженні проникаючої здатності катодних променів, показали, що дуже швидкі електрони, що викидаються радіоактивними речовинами, дають треки в газі у вигляді прямих ліній. Довжина треку пропорційна енергії електрона. Фотографії треків α-частинок великої енергії показують, що треки складаються з великого числа точок. Кожна точка - водяна крапелька, що виникає на іоні, який утворюється в результаті зіткнення електрона з атомом. Знаючи розміри атома та їх концентрацію, ми можемо обчислити число атомів, крізь які повинна пройти α-частинки на даному відстані. Простої розрахунок показує, що α-частинка повинна пройти приблизно 300 атомів, перш ніж вона зустріне на шляху один з електронів, що становлять оболонку атома, і зробить іонізацію.
Цей факт переконливо свідчить про те, що обсяг електронів становить мізерну частку об'єму атома. Трек електрона, що має малу енергію, викривлений, отже, повільний електрон відхиляється внутрішньоатомних полем. Він справляє на своєму шляху більше актів іонізації.
З теорії розсіювання можна отримати дані для оцінки кутів відхилення в залежності, від енергії електронів. Ці дані добре підтверджуються при аналізі реальних треків, Збіг теорії з експериментом зміцнило уявлення про електрон, як найдрібнішої частці речовини.
Висновок:
Вимірювання елементарного електричного заряду відкрило можливість точного визначення ряду найважливіших фізичних констант.
Знання величини е автоматично дає змогу визначити значення фундаментальної константи - постійної Авогадро. До дослідів Міллікена існували лише грубі оцінки постійної Авогадро, які давалися кінетичної теорії газів. Ці оцінки спиралися на обчислення середнього радіусу молекули повітря і коливалися в досить широких межах від 2. 10 23 до 20. Жовтень 1923 1/моль.
Припустимо, що нам відомий заряд Q, що пройшов через розчин електроліту, і кількість речовини М, яке відклалося на електроді. Тоді, якщо заряд іона дорівнює Ze 0 і маса його m 0, виконується рівність
Якщо маса відклався речовини дорівнює одному молю,
то Q = F-постійної Фарадея, причому F = N 0 e, звідки:
Очевидно, що точність визначення постійної Авогадро задається точністю, з якою вимірюється заряд електрона. Практика зажадала збільшення точності визначення фундаментальних констант, і це стало одним із стимулів до продовження вдосконалення методики вимірювань кванта електричного заряду. Робота ця, що носить вже чисто метрологічний характер, триває досі.
Найбільш точними в даний час є значення:
е = (4,8029 ± 0,0005) 10 -10. од. заряду СГСЕ;
N 0 = (6,0230 ± 0,0005) 23 жовтня 1/моль.
Знаючи N o, можна визначити кількість молекул газу в 1 см 3, оскільки обсяг, займаний 1 молем газу, являє собою вже відому постійну величину.
Знання числа молекул газу в 1 см 3 дало в свою чергу можливість визначити середню кінетичну енергію теплового руху молекули. Нарешті, по заряду електрона можна визначити постійну Планка і постійну Стефана-Больцмана в законі теплового випромінювання.