Методи за определяне на елементарен електричен заряд – реферат. Определяне на елементарен заряд чрез електролиза Лабораторна работа по физика, измерване на елементарен заряд

Министерство на образованието на Руската федерация

Амурски държавен педагогически университет

Методи за определяне на елементарен електрически заряд

Изпълнено от ученик 151г.

Вензелев А.А.

Проверено от: Черанева Т.Г.

Въведение.

1. Предистория на откриването на електрона

2. История на откриването на електрона

3. Експерименти и методи за откриване на електрона

3.1.Опит на Томсън

3.2.Опитът на Ръдърфорд

3.3. Метод на Миликан

3.3.1. кратка биография

3.3.2. Описание на монтажа

3.3.3. Елементарно изчисляване на таксата

3.3.4. Изводи от метода

3.4. Комптън образен метод

Заключение.

Въведение:

ЕЛЕКТРОН – първата открита елементарна частица; материалният носител на най-малка маса и най-малък електрически заряд в природата; компонент на атом.

Зарядът на електрона е 1,6021892. 10 -19 Cl

4,803242. 10-10 единици SSSE

Масата на електрона е 9,109534. 10 -31 кг

Специфичен заряд e/m e 1.7588047. 10 11 кл. кг -1

Спинът на електрона е равен на 1/2 (в единици h) и има две проекции ±1/2; електроните се подчиняват на статистиката на Ферми-Дирак, фермиони. Те са обект на принципа на изключване на Паули.

Магнитният момент на електрона е равен на - 1,00116 m b, където m b е магнетонът на Бор.

Електронът е стабилна частица. Според експериментални данни продължителността на живота t e > 2. 10 22 години.

Не участва в силното взаимодействие, лептон. Съвременната физика разглежда електрона като наистина елементарна частица, която няма структура или размер. Ако последните са различни от нула, тогава радиусът на електрона r e< 10 -18 м

1. Фон на отварянето

Откриването на електрона е резултат от множество експерименти. До началото на 20в. съществуването на електрона е установено в редица независими експерименти. Но въпреки колосалния експериментален материал, натрупан от цели национални школи, електронът остава хипотетична частица, тъй като опитът все още не е отговорил на редица фундаментални въпроси. В действителност „откриването“ на електрона отне повече от половин век и не приключи през 1897 г.; В него взеха участие много учени и изобретатели.

Първо, не е имало нито един експеримент, включващ отделни електрони. Елементарният заряд е изчислен въз основа на измервания на микроскопичния заряд, като се приема валидността на редица хипотези.

Имаше несигурност в един фундаментално важен момент. Електронът се появява за първи път в резултат на атомна интерпретация на законите на електролизата, след което е открит в газовия разряд. Не беше ясно дали физиката действително се занимава със същия обект. Голяма група скептично настроени естествени учени вярваха, че елементарният заряд е статистическа средна стойност на заряди с най-различни размери. Освен това, нито един от експериментите за измерване на заряда на електрона не даде строго повтарящи се стойности.
Имаше скептици, които като цяло пренебрегнаха откриването на електрона. Академик А.Ф. Йофе в спомените си за своя учител В.К. Рентген пише: „До 1906 - 1907 г. думата електрон не трябваше да се произнася във Физическия институт на Мюнхенския университет. Рьонтген го смяташе за недоказана хипотеза, често използвана без достатъчно основания и ненужно.

Въпросът за масата на електрона не е решен и не е доказано, че зарядите както на проводниците, така и на диелектриците се състоят от електрони. Концепцията за „електрон“ нямаше недвусмислена интерпретация, тъй като експериментът все още не беше разкрил структурата на атома (планетарният модел на Ръдърфорд се появи през 1911 г., а теорията на Бор през 1913 г.).

Електронът все още не е влязъл в теоретичните конструкции. Електронната теория на Лоренц включва непрекъснато разпределена плътност на заряда. Теорията за металната проводимост, разработена от Друде, се занимава с дискретни заряди, но това са произволни заряди, върху чиято стойност не са наложени ограничения.

Електронът все още не е напуснал рамката на „чистата“ наука. Нека припомним, че първата електронна тръба се появява едва през 1907 г. За да се премине от вяра към убеждение, е необходимо преди всичко да се изолира електронът и да се изобрети метод за директно и точно измерване на елементарния заряд.

Решението на този проблем не закъсня. През 1752 г. идеята за дискретност на електрическия заряд е изразена за първи път от Б. Франклин. Експериментално, дискретността на зарядите е оправдана от законите на електролизата, открити от М. Фарадей през 1834 г. Числената стойност на елементарния заряд (най-малкият електрически заряд, открит в природата) е теоретично изчислена въз основа на законите на електролизата, като се използва числото на Авогадро . Пряко експериментално измерване на елементарния заряд е извършено от R. Millikan в класически експерименти, проведени през 1908 - 1916 г. Тези експерименти също предоставиха неопровержимо доказателство за атомизма на електричеството. Според основните понятия на електронната теория, зарядът на тялото възниква в резултат на промяна в броя на съдържащите се в него електрони (или положителни йони, чиято стойност на заряда е кратна на заряда на електрона). Следователно зарядът на всяко тяло трябва да се промени рязко и в такива части, които съдържат цяло число заряди на електрони. След като експериментално установи дискретния характер на промяната на електрическия заряд, Р. Миликан успя да получи потвърждение за съществуването на електрони и да определи стойността на заряда на един електрон (елементарен заряд), използвайки метода на маслената капка. Методът се основава на изследване на движението на заредени маслени капки в еднородно електрическо поле с известна сила E.

2. Откриване на електрона:

Ако пренебрегнем онова, което предшества откриването на първата елементарна частица – електрона, и съпътстващото това изключително събитие, можем да кажем накратко: през 1897 г. известният английски физик ТОМСЪН Джоузеф Джон (1856-1940) измерва специфичния заряд q/m частици катодни лъчи - „корпускули“, както ги нарича той, въз основа на отклонението на катодните лъчи *) в електрически и магнитни полета.

Сравнявайки полученото число със специфичния заряд на известния тогава едновалентен водороден йон, чрез косвени разсъждения той стига до извода, че масата на тези частици, които по-късно получават името „електрони“, е значително по-малка (повече от хиляда пъти) от масата на най-лекия водороден йон.

През същата 1897 г. той изказва хипотезата, че електроните са неразделна част от атомите, а катодните лъчи не са атоми или електромагнитно излъчване, както смятат някои изследователи на свойствата на лъчите. Томсън пише: „По този начин катодните лъчи представляват ново състояние на материята, съществено различно от обикновеното газообразно състояние...; в това ново състояние материята е веществото, от което са изградени всички елементи.“

От 1897 г. корпускулярният модел на катодните лъчи започва да получава всеобщо признание, въпреки че има голямо разнообразие от мнения относно природата на електричеството. Така немският физик Е. Вихерт вярва, че „електричеството е нещо въображаемо, съществуващо наистина само в мислите“, а известният английски физик лорд Келвин през същата 1897 г. пише за електричеството като вид „непрекъсната течност“.

Идеята на Томсън за корпускулите катодни лъчи като основни компоненти на атома не беше посрещната с голям ентусиазъм. Някои от колегите му смятат, че той ги е озадачил, когато е предложил частиците на катодните лъчи да се разглеждат като възможни компоненти на атома. Истинската роля на корпускулите на Томсън в структурата на атома може да бъде разбрана в комбинация с резултатите от други изследвания, по-специално с резултатите от анализа на спектрите и изследването на радиоактивността.

На 29 април 1897 г. Томсън прави известното си послание на среща на Лондонското кралско общество. Точното време на откриване на електрона - ден и час - не може да бъде назовано поради неговата уникалност. Това събитие е резултат от дългогодишната работа на Thomson и неговите служители. Нито Томсън, нито някой друг някога е наблюдавал електрон, нито някой е успял да изолира една частица от сноп катодни лъчи и да измери нейния специфичен заряд. Автор на откритието е Дж. Дж. Томсън, защото неговите представи за електрона са били близки до съвременните. През 1903 г. той предлага един от първите модели на атома - "пудинг със стафиди", а през 1904 г. предлага електроните в атома да бъдат разделени на групи, образувайки различни конфигурации, които определят периодичността на химичните елементи.

Местоположението на откритието е точно известно - лабораторията Кавендиш (Кеймбридж, Великобритания). Създаден през 1870 г. от J.C. Maxwell, през следващите сто години той се превръща в „люлка“ на цяла верига от брилянтни открития в различни области на физиката, особено в атомната и ядрената физика. Негови директори са били: Maxwell J.K. - от 1871 до 1879 г., лорд Рейли - от 1879 до 1884 г., Томсън Дж. - от 1884 до 1919 г., Ръдърфорд Е. - от 1919 до 1937 г., Браг Л. - от 1938 до 1953 г.; Заместник-директор 1923-1935 - Чадуик Дж.

Научните експериментални изследвания са извършени от един учен или малка група в атмосфера на творческо изследване. Лорънс Брег по-късно си спомня работата си през 1913 г. с баща си, Хенри Брег: „Беше прекрасно време, когато почти всяка седмица се получаваха нови вълнуващи резултати, като откриването на нови златоносни зони, където самородните късове могат да бъдат взети директно от земята. .Това продължи до началото на войната *), която спря съвместната ни работа."

3. Методи за отваряне на електрон:

3.1.Опит на Томсън

Джоузеф Джон Томсън Джоузеф Джон Томсън, 1856–1940

Английски физик, по-известен просто като J. J. Thomson. Роден в Cheetham Hill, предградие на Манчестър, в семейството на търговец на антики втора употреба. През 1876 г. той печели стипендия в Кеймбридж. През 1884-1919 г. той е професор в катедрата по експериментална физика в университета в Кеймбридж и едновременно с това ръководител на лабораторията Кавендиш, която с усилията на Томсън се превръща в един от най-известните изследователски центрове в света. Същевременно през 1905-1918 г. е професор в Кралския институт в Лондон. Носител на Нобелова награда за физика през 1906 г. с формулировката „за изследванията си върху преминаването на електричество през газове“, което, естествено, включва откриването на електрона. Синът на Томсън Джордж Паджет Томсън (1892-1975) също в крайна сметка става Нобелов лауреат по физика - през 1937 г. за експерименталното откритие на електронна дифракция от кристали.

През 1897 г. младият английски физик Дж. Дж. Томсън става известен през вековете като откривателят на електрона. В своя експеримент Томсън използва подобрена електронно-лъчева тръба, чийто дизайн е допълнен от електрически намотки, които създават (според закона на Ампер) магнитно поле вътре в тръбата, и набор от паралелни електрически кондензаторни пластини, които създават електрическо поле вътре тръбата. Благодарение на това стана възможно да се изследва поведението на катодните лъчи под въздействието както на магнитни, така и на електрически полета.

Използвайки нов дизайн на тръбата, Томсън показа последователно, че: (1) катодните лъчи се отклоняват в магнитно поле при липса на електрическо; (2) катодните лъчи се отклоняват в електрическо поле при липса на магнитно поле; и (3) при едновременното действие на електрически и магнитни полета с балансиран интензитет, ориентирани в посоки, които поотделно предизвикват отклонения в противоположни посоки, катодните лъчи се разпространяват праволинейно, т.е. действието на двете полета е взаимно балансирано.

Томсън установи, че връзката между електрическите и магнитните полета, при която техните ефекти са балансирани, зависи от скоростта, с която се движат частиците. След провеждане на поредица от измервания Томсън успява да определи скоростта на движение на катодните лъчи. Оказа се, че те се движат много по-бавно от скоростта на светлината, което означава, че катодните лъчи могат да бъдат само частици, тъй като всяко електромагнитно излъчване, включително самата светлина, се движи със скоростта на светлината (вижте Спектър на електромагнитното излъчване). Тези непознати частици. Томсън ги нарече „корпускули“, но скоро те станаха известни като „електрони“.

Веднага стана ясно, че електроните трябва да съществуват като част от атомите - в противен случай откъде биха дошли? 30 април 1897 г. - датата на доклада на Томсън за неговите резултати на среща на Кралското общество в Лондон - се счита за рожден ден на електрона. И на този ден идеята за „неделимостта“ на атомите стана нещо от миналото (вижте Атомна теория за структурата на материята). Заедно с откриването на атомното ядро, което последва малко повече от десет години по-късно (вижте експеримента на Ръдърфорд), откриването на електрона постави основата на съвременния модел на атома.

Описаните по-горе „катодни“ тръби, или по-точно катодните тръби, станаха най-простите предшественици на съвременните телевизионни тръби и компютърни монитори, в които строго контролирани количества електрони се избиват от повърхността на горещ катод под въздействието на на променливи магнитни полета те се отклоняват под строго определени ъгли и бомбардират фосфоресциращите клетки на екраните, образувайки върху тях ясен образ в резултат на фотоелектричния ефект, чието откриване също би било невъзможно без познанието ни за истинската природа на катода. лъчи.

3.2.Опитът на Ръдърфорд

Ърнест Ръдърфорд, първи барон Ръдърфорд от Нелсън, 1871–1937 г.

новозеландски физик. Роден в Нелсън, син на занаятчия фермер. Печели стипендия за обучение в университета Кеймбридж в Англия. След дипломирането си е назначен в канадския университет Макгил, където заедно с Фредерик Соди (1877–1966) установява основните закономерности на явлението радиоактивност, за което през 1908 г. получава Нобелова награда за химия. Скоро ученият се премества в университета в Манчестър, където под негово ръководство Ханс Гайгер (1882–1945) изобретява известния си брояч на Гайгер, започва да изследва структурата на атома и през 1911 г. открива съществуването на атомното ядро. По време на Първата световна война той участва в разработването на сонари (акустични радари) за откриване на вражески подводници. През 1919 г. той е назначен за професор по физика и директор на Кавендишката лаборатория в университета в Кеймбридж и през същата година открива ядрен разпад в резултат на бомбардиране от високоенергийни тежки частици. Ръдърфорд остава на тази позиция до края на живота си, като в същото време е дълги години президент на Кралското научно общество. Погребан е в Уестминстърското абатство до Нютон, Дарвин и Фарадей.

Ърнест Ръдърфорд е уникален учен в смисъл, че прави основните си открития след получаването на Нобеловата награда. През 1911 г. той успява в експеримент, който не само позволява на учените да надникнат дълбоко в атома и да получат представа за структурата му, но също така се превръща в модел на изящество и дълбочина на дизайна.

Използвайки естествен източник на радиоактивно лъчение, Ръдърфорд построява оръдие, което произвежда насочен и фокусиран поток от частици. Пистолетът представляваше оловна кутия с тесен процеп, вътре в който беше поставен радиоактивен материал. Поради това частиците (в този случай алфа частици, състоящи се от два протона и два неутрона), излъчени от радиоактивното вещество във всички посоки с изключение на една, се абсорбират от оловния екран и само насочен лъч от алфа частици се освобождава през процепа .

Схема за опит

По-нататък по пътя на лъча имаше още няколко оловни решетки с тесни прорези, които отрязваха частици, отклоняващи се строго от

дадено направление. В резултат на това идеално фокусиран лъч от алфа частици полетя към целта, а самата цел беше тънък лист златно фолио. Това беше алфа лъчът, който я удари. След като се сблъскат с атомите на фолиото, алфа частиците продължават пътя си и удрят луминисцентен екран, монтиран зад мишената, на който се записват проблясъци, когато алфа частици го ударят. По тях експериментаторът би могъл да прецени в какво количество и колко алфа частиците се отклоняват от посоката на праволинейно движение в резултат на сблъсъци с атоми на фолиото.

Ръдърфорд обаче отбеляза, че никой от неговите предшественици дори не се е опитал да тества експериментално дали някои алфа частици се отклоняват под много големи ъгли. Моделът на решетката със стафиди просто не позволяваше съществуването на структурни елементи в атома, толкова плътни и тежки, че да могат да отклоняват бързите алфа частици под значителни ъгли, така че никой не си направи труда да тества тази възможност. Ръдърфорд помоли един от своите ученици да преоборудва инсталацията по такъв начин, че да е възможно да се наблюдава разсейването на алфа частици при големи ъгли на отклонение - само за да изчисти съвестта си, за да изключи най-накрая тази възможност. Детекторът беше екран, покрит с натриев сулфид, материал, който произвежда флуоресцентна светкавица, когато алфа частица го удари. Представете си изненадата не само на студента, който директно е извършил експеримента, но и на самия Ръдърфорд, когато се оказа, че някои частици се отклоняват под ъгъл до 180°!

Картината на атома, начертана от Ръдърфорд въз основа на резултатите от неговия експеримент, ни е добре известна днес. Атомът се състои от свръхплътно, компактно ядро, което носи положителен заряд, и отрицателно заредени леки електрони около него. По-късно учените предоставиха надеждна теоретична основа за тази картина (вижте Атома на Бор), но всичко започна с прост експеримент с малка проба радиоактивен материал и парче златно фолио.

3.2.Метод Миликен

3.2.1. Кратка биография:

Робърт Миликен е роден през 1868 г. в Илинойс в семейство на беден свещеник. Детството си прекарва в провинциалния град Макуокета, където се обръща много внимание на спорта и лошото преподаване. Директор на гимназия, който преподаваше физика, каза например на своите млади ученици: „Как е възможно да се направи звук от вълни? Глупости, момчета, всичко това са глупости!“

Колежът Обердийн не беше по-добър, но Миликен, който нямаше финансова подкрепа, трябваше сам да преподава физика в гимназията. В Америка по това време има само два учебника по физика, преведени от френски, и талантливият младеж не се затруднява да ги изучава и успешно да ги преподава. През 1893 г. постъпва в Колумбийския университет, след което заминава да учи в Германия.

Миликен е на 28 години, когато получава предложение от А. Майкелсън да заеме асистентска позиция в Чикагския университет. Отначало той се занимава тук почти изключително с педагогическа работа и едва на четиридесет години започва научни изследвания, които му донасят световна слава.

3.2.2. Първи опит и решения на проблеми:

Първите експерименти се свеждат до следното. Между плочите на плосък кондензатор, към който е приложено напрежение от 4000 V, се създава облак, състоящ се от капчици вода, отложени върху йоните. Първо, беше наблюдавано падане на върха на облака в отсъствието на електрическо поле. След това се създаде облак, докато напрежението беше включено. Падането на облака е станало под въздействието на гравитацията и електрическата сила.
Съотношението на силата, действаща върху капка в облак, към скоростта, която тя придобива, е еднакво в първия и втория случай. В първия случай силата е равна на mg, във втория mg + qE, където q е зарядът на капката, E е силата на електрическото поле. Ако скоростта в първия случай е равна на υ 1 във втория υ 2, тогава

Познавайки зависимостта на скоростта на падане на облака υ от вискозитета на въздуха, можем да изчислим необходимия заряд q. Този метод обаче не осигурява желаната точност, тъй като съдържа хипотетични предположения извън контрола на експериментатора.

За да се повиши точността на измерванията, беше необходимо преди всичко да се намери начин да се вземе предвид изпарението на облака, което неизбежно се случи по време на процеса на измерване.

Размишлявайки върху този проблем, Миликан излезе с класическия метод на пускане, който отвори редица неочаквани възможности. Ще оставим самия автор да разкаже историята на изобретението:
„Осъзнавайки, че скоростта на изпаряване на капките остава неизвестна, се опитах да измисля метод, който напълно да елиминира тази несигурна стойност. Планът ми беше следният. В предишни експерименти електрическото поле може само леко да увеличи или намали скоростта на падането на върха на облака под въздействието на гравитацията. Сега исках да укрепя това поле толкова много, че горната повърхност на облака да остане на постоянна височина. В този случай стана възможно да се определи точно скоростта на изпаряване на облака и да се вземе предвид в изчисленията.

За да реализира тази идея, Миликан проектира акумулаторна батерия с малък размер, която произвежда напрежение до 10 4 V (за това време това е изключително постижение на експериментатор). Трябваше да създаде достатъчно силно поле, за да поддържа облака висящ като „ковчега на Мохамед“. „Когато имах всичко готово“, казва Миликен, и когато облакът се образува, обърнах ключа и облакът беше в електрическо поле. И в този момент той се стопи пред очите ми, с други думи, от целия облак не остана дори малко парченце, което можеше да се наблюдава с помощта на контролен оптичен инструмент, както направи Уилсън и аз щях да направя. Както ми се стори отначало, безследното изчезване на облака в електрическото поле между горната и долната плоча означаваше, че експериментът приключи без резултат...” Въпреки това, както често се случва в историята на науката, провалът даде издигнете се до нова идея. Това доведе до известния метод на падане. „Повтарящите се експерименти“, пише Миликан, „показаха, че след като облакът се разпръсне в мощно електрическо поле, на негово място могат да се различат няколко отделни водни капки“ (курсив добавен от мен – V.D.). „Неуспешният“ експеримент доведе до откриването на възможността отделните капчици да се поддържат в равновесие и да се наблюдават доста дълго време.

Но по време на наблюдението масата на капка вода се промени значително в резултат на изпарението и Миликан след много дни търсене премина към експерименти с капки масло.

Експерименталната процедура се оказа проста. Адиабатното разширение образува облак между плочите на кондензатора. Състои се от капчици с различен по големина и знак заряд. Когато електрическото поле е включено, капки със заряди, идентични на заряда на горната плоча на кондензатора, бързо падат, а капки с противоположен заряд се привличат от горната плоча. Но определен брой капки имат такъв заряд, че силата на гравитацията се балансира от електрическата сила.

След 7 или 8 минути. облакът се разсейва и в зрителното поле остава малък брой капки, чийто заряд съответства на посочения баланс на силите.

Миликан наблюдаваше тези капки като отделни ярки точки. „Историята на тези капки обикновено върви по следния начин – пише той. – В случай на леко преобладаване на гравитацията над силата на полето, те започват да падат бавно, но тъй като постепенно се изпаряват, движението им надолу скоро спира и те останете неподвижни за доста дълго време.” . Тогава полето започва да доминира и капките започват бавно да се издигат. В края на техния живот в пространството между плочите това движение нагоре става много силно ускорено и те се привличат с голяма скорост към горната плоча.

3.2.3. Описание на инсталацията:

Диаграма на инсталацията на Millikan, с която бяха получени решаващи резултати през 1909 г., е показана на фигура 17.

В камера С е поставен плосък кондензатор от кръгли месингови пластини M и N с диаметър 22 cm (разстоянието между тях е 1,6 cm). В центъра на горната плоча беше направен малък отвор p, през който минаваха капки масло. Последните се образуват чрез инжектиране на поток от масло с помощта на пулверизатор. Въздухът предварително се почиства от прах, като се прекарва през тръба със стъклена вата. Маслените капки са с диаметър около 10 -4 cm.

От батерия B към кондензаторните плочи се подава напрежение от 10 4 V. С помощта на превключвател е възможно да се съединят накъсо плочите и това ще унищожи електрическото поле.

Капки масло, падащи между плочите M и N, бяха осветени от силен източник. Поведението на капчиците се наблюдава перпендикулярно на посоката на лъчите през телескопа.

Необходимите за кондензация на капки йони са създадени чрез излъчване от парче радий с тегло 200 mg, разположено на разстояние от 3 до 10 cm отстрани на плочите.

С помощта на специално устройство, спускането на буталото разшири газа. 1 - 2 s след разширяването, радият се отстранява или закрива от оловен екран. След това електрическото поле беше включено и започна наблюдението на капки в телескопа. Тръбата имаше скала, по която беше възможно да се преброи пътят, изминат от капката за определен период от време. Времето се записва с помощта на точен часовник с ключалка.

По време на своите наблюдения Миликан открива феномен, който служи като ключ към цялата поредица от последващи прецизни измервания на отделните елементарни заряди.

„Докато работех върху висящи капки“, пише Миликан, „няколко пъти забравих да ги предпазя от радиевите лъчи. Тогава случайно забелязах, че от време на време някоя от капките внезапно променя заряда си и започва да се движи по полето или срещу него, като очевидно улавя в първия случай положителен, а във втория случай отрицателен йон. Това отвори възможността за надеждно измерване не само на зарядите на отделните капки, както правех дотогава, но и на заряда на отделен атмосферен йон.

Наистина, чрез измерване на скоростта на една и съща капка два пъти, веднъж преди и веднъж след улавянето на йона, аз очевидно бих могъл напълно да изключа свойствата на капката и свойствата на средата и да работя със стойност, пропорционална само на заряда на уловения йон.”

3.2.4. Елементарно изчисляване на таксата:

Елементарният заряд беше изчислен от Millikan въз основа на следните съображения. Скоростта на движение на капка е пропорционална на действащата върху нея сила и не зависи от заряда на капката.
Ако капка падне между плочите на кондензатор само под въздействието на гравитацията със скорост v, тогава

Когато е включено поле, насочено срещу гравитацията, действащата сила ще бъде разликата qE - mg, където q е зарядът на капката, E е модулът на силата на полето.

Скоростта на падане ще бъде равна на:

υ 2 =k(qE-mg) (2)

Ако разделим равенството (1) на (2), получаваме

Оттук

Нека капката улови йон и нейният заряд стане равен на q", а скоростта на движение υ 2. Нека означим заряда на този уловен йон с e.

Тогава e= q"- q.

Използвайки (3), получаваме

Стойността е постоянна за дадена капка.

3.2.5. Изводи от метода Миликан

Следователно всеки заряд, уловен от капка, ще бъде пропорционален на разликата в скоростта (υ " 2 - υ 2), с други думи, пропорционален на промяната в скоростта на капката, дължаща се на улавянето на йон! Така че, измерването на елементарния заряд се свежда до измерване на пътя, изминат от капката и времето, за което този път е изминат.Множество наблюдения показаха валидността на формула (4).Оказа се, че стойността на e може да се променя само рязко! Винаги се спазват заряди e, 2e, 3e, 4e и т.н.

„В много случаи“, пише Миликан, „капката е наблюдавана в продължение на пет или шест часа и през това време е уловила не осем или десет йона, а стотици от тях. Като цяло съм наблюдавал улавянето на много хиляди йони по този начин и във всички случаи уловеният заряд... беше или точно равен на най-малкия от всички уловени заряди, или беше равен на малко цяло число, кратно на това стойност. Това е пряко и неопровержимо доказателство, че електронът не е „статистическа средна стойност“, а че всички електрически заряди на йоните са или точно равни на заряда на електрона, или представляват малки цели кратни на този заряд.

И така, атомарността, дискретността или, на съвременен език, квантуването на електрическия заряд се превърна в експериментален факт. Сега беше важно да се покаже, че електронът е, така да се каже, вездесъщ. Всеки електрически заряд в тяло от всякакво естество е сбор от едни и същи елементарни заряди.

Методът на Миликан даде възможност да се отговори недвусмислено на този въпрос. В първите експерименти зарядите се създават чрез йонизация на неутрални газови молекули от поток от радиоактивно лъчение. Беше измерен зарядът на йоните, уловени от капчиците.

Когато течност се пръска със спрей бутилка, капките се наелектризират поради триене. Това е било добре известно още през 19 век. Тези заряди също ли са квантувани, като зарядите на йони? Millikan "претегля" капките след пръскане и измерва зарядите по описания по-горе начин. Опитът разкрива същата дискретност на електрическия заряд.

Разпръсквайки капки масло (диелектрик), глицерин (полупроводник), живак (проводник), Миликан доказва, че зарядите върху тела от всякаква физическа природа се състоят във всички случаи, без изключение, от отделни елементарни порции със строго постоянна величина. През 1913 г. Миликан обобщава резултатите от многобройни експерименти и дава следната стойност за елементарния заряд: e = 4,774. 10-10 единици SGSE такса. Така се установява една от най-важните константи на съвременната физика. Определянето на електрическия заряд се превърна в проста аритметична задача.

3.4 Метод за изобразяване на Compton:

Откритието на C.T.R. изигра основна роля в укрепването на идеята за реалността на електрона. Уилсън, ефектът от кондензацията на водна пара върху йони, което доведе до възможността за фотографиране на следи от частици.

Казват, че А. Комптън по време на лекция не успя да убеди скептично настроен слушател в реалността на съществуването на микрочастици. Той настоя, че ще повярва едва след като ги види с очите си.
Тогава Комптън показа снимка със следа от алфа частици, до която имаше пръстов отпечатък. „Знаете ли какво е това?“ - попита Комптън. „Пръст“, отговори слушателят. „В такъв случай“, каза Комптън тържествено, „тази светеща ивица е частицата.“
Снимките на електронни следи не само свидетелстваха за реалността на електроните. Те потвърдиха предположението за малкия размер на електроните и направиха възможно сравнението на резултатите от теоретичните изчисления, включващи радиуса на електрона, с експеримента. Експериментите, които започнаха с изследването на Ленард за проникващата способност на катодните лъчи, показаха, че много бързи електрони, излъчени от радиоактивни вещества, създават следи в газа под формата на прави линии. Дължината на пистата е пропорционална на енергията на електрона. Снимки на следи от високоенергийни α-частици показват, че следите се състоят от голям брой точки. Всяка точка е водна капка, която се появява върху йон, който се образува в резултат на сблъсък на електрон с атом. Като знаем размера на атома и неговата концентрация, можем да изчислим броя на атомите, през които една α частица трябва да премине на дадено разстояние. Едно просто изчисление показва, че една алфа частица трябва да измине приблизително 300 атома, преди да срещне един от електроните, които изграждат обвивката на атома по пътя си и да предизвика йонизация.

Този факт убедително показва, че обемът на електроните е незначителна част от обема на атома. Следата на електрон с ниска енергия е извита, следователно бавният електрон се отклонява от вътрешноатомното поле. Той произвежда повече йонизационни събития по пътя си.

От теорията на разсейването могат да се получат данни за оценка на ъглите на отклонение в зависимост от енергията на електрона. Тези данни са добре потвърдени от анализа на реални следи.Съвпадението на теорията с експеримента затвърди идеята за електрона като най-малката частица материя.

Заключение:

Измерването на елементарния електрически заряд отвори възможността за точно определяне на редица важни физически константи.
Познаването на стойността на e автоматично прави възможно определянето на стойността на фундаменталната константа - константата на Авогадро. Преди експериментите на Миликан имаше само груби оценки на константата на Авогадро, които бяха дадени от кинетичната теория на газовете. Тези оценки се основават на изчисления на средния радиус на една въздушна молекула и варират в доста широк диапазон от 2. 10 23 до 20 . 10 23 1/mol.

Нека приемем, че знаем заряда Q, преминал през разтвора на електролита, и количеството вещество М, което е отложено върху електрода. Тогава, ако зарядът на йона е Ze 0 и неговата маса m 0, равенството е в сила

Ако масата на отложеното вещество е равна на един мол,

тогава Q = F- константа на Фарадей и F = N 0 e, от което:

Очевидно точността на определяне на константата на Авогадро се определя от точността, с която се измерва зарядът на електрона. Практиката налага повишаване на точността на определяне на фундаменталните константи и това е един от стимулите за продължаване на усъвършенстването на методологията за измерване на кванта на електрическия заряд. Тази работа, която сега има чисто метрологичен характер, продължава и до днес.

Най-точните стойности в момента са:

e = (4,8029±0,0005) 10 -10. единици SGSE такса;

N 0 = (6,0230±0,0005) 10 23 1/mol.

Познавайки N o, е възможно да се определи броят на газовите молекули в 1 cm 3, тъй като обемът, зает от 1 мол газ, е вече известна постоянна стойност.

Познаването на броя на газовите молекули в 1 cm 3 направи възможно от своя страна да се определи средната кинетична енергия на топлинното движение на молекулата. И накрая, от заряда на електрона може да се определи константата на Планк и константата на Стефан-Болцман в закона за топлинното излъчване.

Подробности Категория: Електричество и магнетизъм Публикувано на 08.06.2015 г. 05:51 ч. Преглеждания: 6694

Една от основните константи във физиката е елементарният електрически заряд. Това е скаларна величина, която характеризира способността на физическите тела да участват в електромагнитно взаимодействие.

Елементарният електрически заряд се счита за най-малкият положителен или отрицателен заряд, който не може да бъде разделен. Стойността му е равна на заряда на електрона.

Фактът, че всеки електрически заряд, открит в природата, винаги е равен на цяло число елементарни заряди, беше предложен през 1752 г. от известната политическа фигура Бенджамин Франклин, политик и дипломат, който също се занимаваше с научна и изобретателска дейност, първият американец, станал член на Руската академия на науките.

Бенджамин Франклин

Ако предположението на Франклин е правилно и електрическият заряд на всяко заредено тяло или система от тела се състои от цяло число елементарни заряди, тогава този заряд може да се промени внезапно с количество, съдържащо цял брой електронни заряди.

За първи път това беше потвърдено и доста точно определено експериментално от американския учен, професор в Чикагския университет Робърт Миликан.

Опитът на Millikan

Диаграма на експеримента на Millikan

Миликан провежда първия си известен експеримент с маслени капки през 1909 г. заедно със своя асистент Харви Флетчър. Те казват, че първоначално са планирали да направят експеримента с помощта на капки вода, но те са се изпарили за няколко секунди, което очевидно не е било достатъчно, за да се получи резултатът. Тогава Миликен изпрати Флетчър до аптеката, откъдето купи спрей и бутилка часовниково масло. Това беше достатъчно за успеха на експеримента. Впоследствие Миликан получава Нобелова награда за него, а Флетчър получава докторска степен.

Робърт Миликен

Харви Флетчър

Какъв беше експериментът на Миликан?

Наелектризирана капка масло пада под въздействието на гравитацията между две метални пластини. Но ако между тях се създаде електрическо поле, то ще попречи на капката да падне. Чрез измерване на силата на електрическото поле може да се определи зарядът на капката.

Експериментаторите поставиха две метални кондензаторни плочи вътре в съда. Там с помощта на спрей бутилка се въвеждат малки капчици масло, които се зареждат отрицателно по време на пръскането в резултат на триенето им с въздуха.

При липса на електрическо поле капката пада

Под въздействието на гравитацията F w = mg капките започват да падат надолу. Но тъй като не бяха във вакуум, а в среда, силата на съпротивлението на въздуха им попречи да паднат свободно Fras = 6πη rv 0 , Където η – вискозитет на въздуха. Кога Fw И Фрас балансиран, падането стана равномерно със скорост v 0 . Измервайки тази скорост, ученият определи радиуса на падането.

Капчица „плува“ под въздействието на електрическо поле

Ако в момента на падане на капката се приложи напрежение към плочите по такъв начин, че горната плоча да получи положителен заряд, а долната - отрицателен, падането спира. Той беше възпрепятстван от възникващото електрическо поле. Капките сякаш кръжаха. Това се случи, когато силата о балансиран от силата, действаща от електрическото поле F r = eE ,

Където П р – резултантната на гравитацията и силата на Архимед.

F r = 4/3 πr 3 ( ρ – ρ 0) ж

ρ - плътност на маслена капка;

ρ 0 – плътност на въздуха.

r е радиусът на капката.

знаейки о И д , можем да определим стойността д .

Тъй като беше много трудно да се гарантира, че капката остава неподвижна за дълго време, Миликан и Флетчър създадоха поле, в което капката, след като спре, започва да се движи нагоре с много ниска скорост v . В такъв случай

Експериментите бяха повторени многократно. Капките бяха заредени чрез облъчването им с рентгенова или ултравиолетова инсталация. Но всеки път общият заряд на капката винаги е бил равен на няколко елементарни заряда.

През 1911 г. Миликан установява, че зарядът на един електрон е 1,5924(17) x 10 -19 C. Ученият е грешал само с 1%. Съвременната му стойност е 1.602176487(10) x 10 -19 C.

Опитът на Йофе

Абрам Федорович Йофе

Трябва да се каже, че почти едновременно с Миликан, но независимо от него, подобни експерименти са проведени от руския физик Абрам Федорович Йофе. И неговата експериментална настройка беше подобна на тази на Миликан. Но въздухът беше изпомпван от съда и в него се създаде вакуум. И вместо капчици масло Йофе използва малки заредени частици цинк. Движението им е наблюдавано през микроскоп.

Инсталация на Ioffe

1- тръба

2-камера

3 - метални пластини

4 - микроскоп

5 - ултравиолетов излъчвател

Под въздействието на електростатично поле падна прашинка цинк. Веднага щом гравитацията на прашинката се изравни със силата, действаща върху нея от електрическото поле, падането спря. Докато зарядът на прашинката не се променяше, тя продължаваше да виси неподвижно. Но ако беше изложен на ултравиолетова светлина, тогава зарядът му намаляваше и балансът се нарушаваше. Тя отново започна да пада. След това количеството заряд на плочите беше увеличено. Съответно електрическото поле се увеличи и падането отново спря. Това беше направено няколко пъти. В резултат на това беше установено, че всеки път зарядът на прашинката се променя с количество, кратно на заряда на елементарната частица.

Йофе не е изчислил големината на заряда на тази частица. Но след като провежда подобен експеримент през 1925 г. заедно с физика Н.И. Добронравов, леко модифицирайки експерименталната постановка и използвайки бисмутови прахови частици вместо цинк, той потвърди теорията

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗА ЕЛЕМЕНТАРНО

ЕЛЕКТРИЧЕСКИ ЗАРЯД ПО МЕТОД НА ЕЛЕКТРОЛИЗА

Оборудване:Източник на постоянен ток, кювета с електроди от комплекта Електролити, лабораторен волтметър, резистор, кантар с теглилки или електронен, ключ, свързващи проводници, разтвор на меден сулфат, хронометър (или часовник със секундарник).

ПОЯСНЕНИЯ КЪМ РАБОТАТА. За да определите заряда на електрона, можете да използвате закона за електролизата на Фарадей, където m е масата на веществото, освободено на катода; M е моларната маса на веществото; n е валентността на веществото; e - заряд на електрона; Na е константата на Авогадро; I е силата на тока в електролита; ∆t е времето, необходимо на тока да премине през електролита.

От тази формула става ясно, че за да се постигне целта на работата, е необходимо да се знае моларната маса на веществото, освободено на катода, неговата валентност и константата на Авогадро. Освен това по време на експеримента е необходимо да се измери силата на тока и времето, през което тече, а след края на електролизата - масата на веществото, освободено на катода.

За провеждане на експеримента се използва наситен воден разтвор на меден сулфат, който се излива в кювета с два медни електрода. Единият електрод е здраво закрепен в центъра на кюветата, а другият (подвижен) е на нейната стена.

Във воден разтвор се получава дисоциация на молекули не само на меден сулфат (CuS04 = Cu2+ +), но и на вода (H20 = H+ + OH -), макар и в слаба степен. По този начин, воден разтвор на CuS04 съдържа както положителни Cu2+ и H+ йони, така и отрицателни SO2- и OH- йони. Ако се създаде електрическо поле между електродите, тогава положителните йони ще започнат да се движат към катода, а отрицателните йони към анода. Cu2+ и H+ йони се приближават до катода, но не всички от тях се разреждат. Това се обяснява с факта, че медните и водородните атоми лесно се трансформират в положително заредени йони, губейки своите външни електрони. Но медният йон свързва електрон по-лесно от водородния йон. Поради това медните йони се разреждат на катода.

Отрицателните йони и OH- ще се придвижат към анода, но нито един от тях няма да се разреди. В този случай медта ще започне да се разтваря. Това се обяснява с факта, че атомите на медта по-лесно предават електрони към външната част на електрическата верига, отколкото йони и OH - и, след като станат положителни йони, ще преминат в разтвор: Cu = Cu2+ + 2e-.

По този начин, когато електродите са свързани към източник на постоянен ток, ще възникне насочено движение на йони в разтвора на меден сулфат, което ще доведе до освобождаване на чиста мед на катода.

За да бъде слоят от освободената мед плътен и добре задържан върху катода, се препоръчва електролизата да се извършва при слаб ток в разтвора. И тъй като това ще доведе до голяма грешка при измерване, вместо лабораторен амперметър в работата се използват резистор и волтметър. Въз основа на показанията на волтметъра U и съпротивлението на резистора R (то е посочено върху тялото му) се определя силата на тока I. Принципната схема на експерименталната постановка е показана на фигура 12.

Силата на тока в електролита може да се промени по време на експеримента, така че неговата средна стойност 1sr се замества във формулата за определяне на заряда. Средната стойност на тока се определя чрез записване на показанията на волтметъра на всеки 30 s през цялото време на наблюдение, след което те се сумират и получената стойност се разделя на броя на измерванията. Ето как се намира Ucp. След това, използвайки закона на Ом, се намира Icp за част от веригата. По-удобно е резултатите от измерванията на напрежението да се записват в спомагателна таблица.

Времето на протичане на тока се измерва с хронометър.

ПОДГОТОВИТЕЛНА ПРОЦЕДУРА ЗА РАБОТА

1. Посочете кои физически величини подлежат на директно измерване, за да се определи зарядът на електрона по метода, използван в тази работа. Какви измервателни уреди ще се използват за извършване на измервания? Определете и запишете границите на абсолютните грешки на тези инструменти.

2. Определете и запишете границите на абсолютните грешки при отчитане при използване на механичен хронометър, волтметър и везни.

3. Запишете формулата за определяне на границата на абсолютна грешка ∆е.

4. Подгответе таблица, за да запишете вашите измервания, грешки и изчисления.

Подгответе помощна таблица за записване на показанията на волтметъра.

ОТГОВОРИ НА ВЪПРОСИТЕ

Защо времето на протичане на ток в електролита влияе върху грешката в резултата от измерването на заряда на електрона?

Как концентрацията на разтвор влияе върху резултата от измерването на заряда на електрона?

Каква е валентността на медта?

Каква е моларната маса на медта?

Каква е константата на Авогадро?

РЕД ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА РАБОТАТА

1. Определете масата на подвижния електрод t1 върху скалата.

2. Прикрепете електрода към кюветата и сглобете електрическата верига, показана на Фигура 12. Уверете се, че подвижният електрод е свързан към отрицателния полюс на източника на напрежение.

3. Напълнете кюветата с разтвор на меден сулфат, затворете ключа и записвайте показанията на волтметъра на всеки 30 секунди в продължение на 15 минути.

4. След 15 минути отворете ключа, разглобете веригата, отстранете електрода, изсушете го и определете неговата маса m2 заедно с отложената върху него мед.

5. Изчислете масата на освободената мед: t- и границата на абсолютната грешка на нейното измерване ∆t.

6. Изчислете средното напрежение на резистора Uav и средния ток в електролита азср

7. Изчислете заряда на електрона e.

8. Изчислете границата на абсолютната грешка за определяне на заряда на електрона ∆e.

9. Запишете резултата от определянето на заряда, като вземете предвид границата на абсолютната грешка.

10. Сравнете заряда на електрона, определен от резултатите от експеримента, с табличната стойност.

Методическа бележка. Учениците вече знаят за електрона от курса по химия и съответния раздел от учебната програма за VII клас. Сега трябва да задълбочим разбирането си за първата елементарна частица на материята, да си припомним наученото, да го свържем с първата тема от раздела „Електростатика“ и да преминем към по-високо ниво на интерпретация на елементарния заряд. Трябва да се има предвид сложността на понятието електрически заряд. Предложената екскурзия може да помогне да се разкрие тази концепция и да се стигне до същината на въпроса.

Електронът има сложна история. За да постигнете целта по възможно най-краткия път, препоръчително е да проведете историята, както следва.

Имаше скептици, които като цяло пренебрегнаха откриването на електрона. Академик А. Ф. Йофе в мемоарите си за своя учител В. К. Рентген пише: "До 1906-1907 г. думата електрон не трябваше да се произнася във Физическия институт на Мюнхенския университет. Рентген го смяташе за недоказана хипотеза, често използвана без достатъчно основание и без нужди“.

Електронът все още не е напуснал рамката на „чистата“ наука. Нека припомним, че първата вакуумна тръба се появява едва през 1907 г.

За да се премине от вяра към убеждение, беше необходимо преди всичко да се изолира електрона, да се изобрети метод за директно и точно измерване на елементарния заряд.

Този проблем е решен от американския физик Робърт Миликан (1868-1953) в поредица от фини експерименти, започнали през 1906 г.

Робърт Миликен е роден през 1868 г. в Илинойс в семейство на беден свещеник. Детството си прекарва в провинциалния град Макуокета, където се обръща много внимание на спорта и лошото преподаване. Директор на гимназия, който преподаваше физика, каза например на своите млади слушатели: "Как можете да направите звук от вълни? Глупости, момчета, всичко това са глупости!"

Съотношението на силата, действаща върху капка в облак, към скоростта, която тя придобива, е еднакво в първия и втория случай. В първия случай силата е равна на mg, във втория mg + qE, където q е зарядът на капката, E е силата на електрическото поле. Ако скоростта в първия случай е v 1 във втория случай v 2, тогава

Познавайки зависимостта на скоростта на падане на облака v от вискозитета на въздуха, можем да изчислим необходимия заряд q. Този метод обаче не осигурява желаната точност, тъй като съдържа хипотетични предположения извън контрола на експериментатора.

"Осъзнавайки, че скоростта на изпаряване на капчиците остава неизвестна, се опитах да измисля метод, който напълно да елиминира тази несигурна стойност. Планът ми беше следният. В предишни експерименти електрическото поле можеше само леко да увеличи или намали скоростта на падането на върха на облака под въздействието на гравитацията. Сега "Исках да укрепя това поле толкова много, че горната повърхност на облака да остане на постоянна височина. В този случай стана възможно да се определи точно скоростта на изпаряване на облака и го вземете предвид при изчисленията." За да осъществи тази идея, Миликан проектира акумулаторна батерия с малък размер, която произвежда напрежение до 104 V (за това време това е изключително постижение на експериментатор). Трябваше да създаде достатъчно силно поле, за да поддържа облака висящ като „ковчега на Мохамед“.

"Когато имах всичко готово", казва Миликан, "и когато облакът се образува, обърнах ключа и облакът беше в електрическо поле. И в този момент се стопи пред очите ми, с други думи, не малко парче остана от целия облак, което можеше да се наблюдава с помощта на контролен оптичен инструмент, както направи Уилсън и аз щях да направя.Както ми се стори в началото, изчезването на облака без следа в електрическото поле между горната и по-ниските плочи означаваха, че експериментът завърши напразно..."

Но както често се е случвало в историята на науката, неуспехът породи нова идея. Това доведе до известния метод на падане. „Повтарящите се експерименти“, пише Миликан, „показаха, че след като облакът се разсее в мощно електрическо поле, на негово място могат да се разграничат няколко отделни водни капки“ (курсив добавен – V.D.).

„Неуспешният“ експеримент доведе до откриването на възможността отделните капчици да се поддържат в равновесие и да се наблюдават доста дълго време.

След 7-8 минути облакът се разсейва и в зрителното поле остава малък брой капки, чийто заряд съответства на посочения баланс на силите.

Миликан наблюдаваше тези капки като отделни ярки точки. „Историята на тези капки обикновено върви по следния начин – пише той. – В случай на леко преобладаване на гравитацията над силата на полето, те започват да падат бавно, но тъй като постепенно се изпаряват, движението им надолу скоро спира и те стават неподвижни за доста дълго време. "Тогава полето започва да доминира и капките започват бавно да се издигат. Към края на техния живот в пространството между плочите това движение нагоре става много ускорено и те се привличат с висока скорост към горната плоча."

Диаграма на инсталацията на Millikan, с която бяха получени решаващи резултати през 1909 г., е показана на фигура 17.

От батерия B към кондензаторните плочи се подава напрежение от 104 V. С помощта на превключвател е възможно да се съединят накъсо плочите и по този начин да се унищожи електрическото поле.

С помощта на специално устройство, спускането на буталото разшири газа. 1-2 s след разширяването, радият се отстранява или закрива от оловен екран. След това се включва електрическото поле и започва наблюдението на капки през телескопа.

Тръбата имаше скала, по която беше възможно да се преброи пътят, изминат от капката за определен период от време. Времето се записва с помощта на точен часовник с ключалка.

"Докато работех върху висящи капки", пише Миликан, "няколко пъти забравих да ги предпазя от радиевите лъчи. Тогава случайно забелязах, че от време на време една от капките внезапно променя заряда си и започва да се движи по полето или срещу него, очевидно улавяйки в първия случай положителен йон, а във втория случай отрицателен йон.Това отвори възможността за измерване със сигурност не само на зарядите на отделните капки, както правех дотогава, но и на заряда на отделен атмосферен йон.

Всъщност, чрез измерване на скоростта на една и съща капка два пъти, веднъж преди и веднъж след улавянето на йона, очевидно бих могъл напълно да изключа свойствата на капката и свойствата на средата и да работя със стойност, пропорционална само на заряда на уловения йон."

Ако капка падне между плочите на кондензатор под въздействието на гравитацията само със скорост v 1, тогава

Когато е включено поле, насочено срещу гравитацията, действащата сила ще бъде разликата qE = mg, където q е зарядът на капката, E е модулът на силата на полето.

Скоростта на падане ще бъде равна на:

v 2 = k (qE - mg) (2)

Ако разделим равенството (1) на (2), получаваме

Нека капката улови йон и зарядът му стане равен на q′, а скоростта на движение v 2′. Означаваме заряда на този уловен йон с e. Тогава e = q′ - q.

Използвайки (3), получаваме

Стойността е постоянна за дадена капка.

Следователно всеки заряд, уловен от капката, ще бъде пропорционален на разликата в скоростта (v′ 2 -v 2), с други думи, пропорционален на промяната в скоростта на капката поради улавянето на йона!

И така, измерването на елементарния заряд се сведе до измерване на пътя, изминат от капката, и времето, през което този път е изминат.

Многобройни наблюдения показват валидността на формула (4). Оказа се, че стойността на e може да се променя само скокообразно! Винаги се спазват заряди e, 2e, 3e, 4e и т.н.

"В много случаи", пише Millikan, "капката беше наблюдавана в продължение на пет или шест часа и през това време тя улови не осем или десет йона, а стотици от тях. Общо наблюдавах улавянето на много хиляди йони в по този начин и във всички случаи уловеният заряд... е или точно равен на най-малкия от всички уловени заряди, или е равен на малко цяло число, кратно на тази стойност. Това е пряко и неопровержимо доказателство, че електронът не е „статистическа средна стойност“, а че всички електрически заряди на йони са или точно равни на заряда на електрона, или представляват малки цели кратни на този заряд.

Методът на Миликан даде възможност да се отговори недвусмислено на този въпрос.

В първите експерименти зарядите се създават чрез йонизация на неутрални газови молекули от поток от радиоактивно лъчение. Беше измерен зарядът на йоните, уловени от капчиците.

Millikan "претегля" капките след пръскане и измерва зарядите по описания по-горе начин. Опитът разкрива същата дискретност на електрическия заряд.

През 1913 г. Миликан обобщава резултатите от многобройни експерименти и дава следната стойност за елементарния заряд: e = 4,774·10 -10 единици. SGSE такса.

Така се установява една от най-важните константи на съвременната физика. Определянето на електрическия заряд се превърна в проста аритметична задача.

Електронна визуализация. Основна роля в укрепването на идеята за реалността на електрона изигра откритието на Г. А. Уилсън за ефекта на кондензация на водни пари върху йони, което доведе до възможността за фотографиране на следи от частици.

Тогава Комптън показа снимка на следата от α-частици, до която имаше пръстов отпечатък. — Знаете ли какво е това? - попита Комптън. "Пръст", отговори слушателят. „В такъв случай“, каза Комптън тържествено, „тази светеща ивица е частицата.“

Снимките на електронни следи не само свидетелстваха за реалността на електроните. Те потвърдиха предположението за малкия размер на електроните и направиха възможно сравнението на резултатите от теоретичните изчисления, включващи радиуса на електрона, с експеримента. Експериментите, които започнаха с изследването на Ленард за проникващата способност на катодните лъчи, показаха, че много бързи електрони, излъчени от радиоактивни вещества, създават следи в газа под формата на прави линии. Дължината на пистата е пропорционална на енергията на електрона. Снимки на следи от високоенергийни α-частици показват, че следите се състоят от голям брой точки. Всяка точка е водна капка, която се появява върху йон, който се образува в резултат на сблъсък на електрон с атом. Като знаем размера на атома и неговата концентрация, можем да изчислим броя на атомите, през които една α частица трябва да премине на дадено разстояние. Едно просто изчисление показва, че една алфа частица трябва да измине приблизително 300 атома, преди да срещне един от електроните, които изграждат обвивката на атома по пътя си и да предизвика йонизация.

От теорията на разсейването могат да се получат данни за оценка на ъглите на отклонение като функция на енергията на електрона. Тези данни са добре потвърдени от анализ на реални следи. Съгласието между теорията и експеримента засили идеята за електрона като най-малката частица материя.

Измерването на елементарния електрически заряд отвори възможността за точно определяне на редица важни физически константи.

Познаването на стойността на e автоматично прави възможно определянето на стойността на фундаменталната константа - константата на Авогадро. Преди експериментите на Миликан имаше само груби оценки на константата на Авогадро, които бяха дадени от кинетичната теория на газовете. Тези оценки се основават на изчисления на средния радиус на една въздушна молекула и варират в доста широк диапазон от 2·10 23 до 20·10 23 1/mol.

Ако масата на отложеното вещество е равна на един мол, тогава Q = F е константата на Фарадей и F = N 0 e, откъдето N 0 = F/e. Очевидно точността на определяне на константата на Авогадро се определя от точността, с която се измерва зарядът на електрона.

Практиката изисква повишаване на точността на определяне на основните константи и това е един от стимулите за продължаване на усъвършенстването на техниката за измерване на кванта на електрическия заряд. Тази работа, която сега има чисто метрологичен характер, продължава и до днес.

Най-точните стойности в момента са:

e = (4,8029±0,0005) 10 -10 единици. SGSE такса;

N 0 = (6,0230±0,0005) 10 23 1/mol.

Познавайки N 0, е възможно да се определи броят на газовите молекули в 1 cm 3, тъй като обемът, зает от 1 мол газ, е вече известна постоянна стойност.

Познаването на броя на газовите молекули в 1 cm 3 направи възможно от своя страна да се определи средната кинетична енергия на топлинното движение на молекулата.

И накрая, от заряда на електрона може да се определи константата на Планк и константата на Стефан-Болцман в закона за топлинното излъчване.

Паршина Анна, Севалников Алексей, Лузянин Роман.

Цел на работата: научат се да определят стойността на елементарния заряд чрез електролиза;проучване методи за определяне на зарядаелектрон.

Оборудване: цилиндричен съд с разтвор на меден сулфат, лампа, електроди, везни, амперметър, източник на постоянно напрежение, реостат, часовник, ключ, свързващи проводници.

Изтегли:

Преглед:

За да използвате визуализации на презентации, създайте акаунт в Google и влезте в него: https://accounts.google.com

Надписи на слайдове:

Лабораторна работа Определяне на елементарния заряд чрез електролиза Извършва се от ученици от Чучковската гимназия от 10 клас: Анна Паршина, Алексей Севалников, Роман Лузянин. Ръководител: учител по физика Чекалина О.Ю.

Цел на работата: научете се да определяте стойността на елементарния заряд чрез електролиза; методи за изследване за определяне на заряда на електрона. Оборудване: цилиндричен съд с разтвор на меден сулфат, лампа, електроди, везни, амперметър, източник на постоянно напрежение, реостат, часовник, ключ, свързващи проводници.

Сглобихме веригата: Напредък на работата:

Резултатът от нашата работа

Научихме се да определяме стойността на елементарния заряд чрез електролиза и изучавахме методите за определяне на заряда на електрона. Заключение:

В. Я. Брюсов „Светът на електрона“ Може би тези електрони са светове, където има пет континента, Изкуства, знания, войни, тронове И паметта на четиридесет века! Освен това може би всеки атом е Вселена със сто планети; Всичко, което е тук, е там, в компресиран обем, но също и това, което го няма тук. Малки са мерките им, но безкрайността им е все същата, както тук; Има мъка и страст, също като тук, и дори там има същата светска арогантност. Техните мъдреци, поставили безбрежния си свят в центъра на битието, Бързат да проникнат в искрите на мистерията И мислят, както аз правя сега; И в мига, когато от гибелта се създават течения от нови сили, Те крещят, в сънищата на самохипнозата, Че Бог е угасил факлата си!