Metode određivanja elementarnog električnog naboja - sažetak. Određivanje elementarnog naboja elektrolizom Laboratorijski rad iz fizike Mjerenje elementarnog naboja
Ministarstvo obrazovanja Ruske Federacije
Amurski državni pedagoški univerzitet
Metode za određivanje elementarnog električnog naboja
Završio učenik 151g.
Venzelev A.A.
Provjerio: Cheraneva T.G.
Uvod.
1. Prapovijest otkrića elektrona
2. Istorija otkrića elektrona
3. Eksperimenti i metode za otkrivanje elektrona
3.1 Thomson iskustvo
3.2 Rutherfordovo iskustvo
3.3. Millikanova metoda
3.3.1. kratka biografija
3.3.2. Opis instalacije
3.3.3. Proračun elementarnog naboja
3.3.4. Zaključci iz metode
3.4. Compton Imaging Method
Zaključak.
Uvod:
ELEKTRON - prva elementarna čestica u smislu vremena otkrića; materijalni nosilac najmanje mase i najmanjeg električnog naboja u prirodi; sastavni deo atoma.
Naboj elektrona je 1,6021892. 10 -19 C
4.803242. 10 -10 jedinica SGSE
Masa elektrona je 9,109534. 10 -31 kg
Specifično punjenje e/m e 1,7588047 . 10 11 Kl. kg -1
Spin elektrona je 1/2 (u jedinicama h) i ima dvije projekcije ±1/2; elektroni se pokoravaju Fermi-Dirac statistici, fermioni. Oni podliježu Paulijevom principu isključenja.
Magnetski moment elektrona je - 1,00116 m b, gdje je m b Bohrov magneton.
Elektron je stabilna čestica. Prema eksperimentalnim podacima, životni vijek je t e > 2 . 10 22 godine.
Nije uključen u jaku interakciju, leptone. Moderna fizika smatra elektron zaista elementarnom česticom koja nema strukturu i dimenzije. Ako su potonji i različiti od nule, tada je radijus elektrona r e< 10 -18 м
1. Pozadina otkrića
Otkriće elektrona rezultat je brojnih eksperimenata. Do početka XX veka. postojanje elektrona je utvrđeno u nizu nezavisnih eksperimenata. Ali, uprkos kolosalnom eksperimentalnom materijalu koji su akumulirale čitave nacionalne škole, elektron je ostao hipotetička čestica, jer iskustvo još nije dalo odgovor na niz fundamentalnih pitanja. U stvari, „otkriće“ elektrona se oteglo više od pola veka i nije se završilo 1897; u njemu su učestvovali mnogi naučnici i pronalazači.
Prije svega, nije postojao niti jedan eksperiment u kojem bi učestvovali pojedinačni elektroni. Elementarni naboj je izračunat na osnovu mjerenja mikroskopskog naboja pod pretpostavkom da su brojne hipoteze tačne.
Neizvjesnost je bila u fundamentalno važnoj tački. Prvo se elektron pojavio kao rezultat atomističke interpretacije zakona elektrolize, a zatim je otkriven u plinskom pražnjenju. Nije bilo jasno da li se fizika zaista bavi istim objektom. Velika grupa skeptičnih prirodnjaka vjerovala je da je elementarni naboj statistički prosjek naboja najrazličitije veličine. Štaviše, nijedan od eksperimenata na mjerenju naboja elektrona nije dao vrijednosti koje se striktno ponavljaju.
Bilo je skeptika koji su generalno ignorisali otkriće elektrona. Akademik A.F. Ioffe u svojim memoarima o svom učitelju V.K. Roentgene je napisao: „Do 1906 - 1907. riječ elektron nije smjela govoriti na Institutu za fiziku Univerziteta u Minhenu. Rentgen je to smatrao nedokazanom hipotezom, često primenjenom bez dovoljno osnova i bez potrebe.
Pitanje mase elektrona nije riješeno, nije dokazano da se i na provodnicima i na dielektricima naelektrisanja sastoje od elektrona. Koncept "elektrona" nije imao jednoznačno tumačenje, jer eksperiment još nije otkrio strukturu atoma (Rutherfordov planetarni model pojavio se 1911., a Borova teorija - 1913.).
Elektron još nije ušao u teorijske konstrukcije. Lorentzova elektronska teorija je imala kontinuirano raspoređenu gustinu naelektrisanja. U teoriji metalne provodljivosti koju je razvio Drude, radilo se o diskretnim nabojima, ali to su bila proizvoljna naelektrisanja, na čiju vrijednost nisu nametnuta ograničenja.
Elektron još nije izašao iz okvira "čiste" nauke. Podsjetimo da se prva elektronska cijev pojavila tek 1907. Da bi se prešlo od vjere do uvjerenja, bilo je potrebno prije svega izolovati elektron, izmisliti metodu za direktno i precizno mjerenje elementarnog naboja.
Rješenje ovog problema nije dugo čekalo. Godine 1752. ideju o diskretnosti električnog naboja prvi je izrazio B. Franklin. Eksperimentalno je diskretnost naelektrisanja potkrijepljena zakonima elektrolize koje je otkrio M. Faraday 1834. Numerička vrijednost elementarnog naboja (najmanjeg električnog naboja pronađenog u prirodi) teoretski je izračunata na osnovu zakona elektrolize pomoću Avogadro broj. Direktno eksperimentalno mjerenje elementarnog naboja izvršio je R. Millikan u klasičnim eksperimentima izvedenim 1908. - 1916. godine. Ovi eksperimenti su također dali nepobitni dokaz atomizma elektriciteta. Prema osnovnim konceptima elektronske teorije, naboj tijela nastaje kao rezultat promjene broja elektrona sadržanih u njemu (ili pozitivnih iona čiji je naboj višestruki od naboja elektrona). Stoga se naboj bilo kojeg tijela mora naglo promijeniti i to u onim dijelovima koji sadrže cijeli broj naelektrisanja elektrona. Nakon što je iskustvom utvrdio diskretnu prirodu promjene električnog naboja, R. Milliken je uspio potvrditi postojanje elektrona i odrediti veličinu naboja jednog elektrona (elementarnog naboja) metodom kapljica ulja. Metoda se temelji na proučavanju kretanja nabijenih kapljica ulja u jednoličnom električnom polju poznate jačine E.
2. Otkriće elektrona:
Ako zanemarimo ono što je prethodilo otkriću prve elementarne čestice - elektrona, i šta je pratilo ovaj izvanredni događaj, možemo ukratko reći: 1897. godine poznati engleski fizičar Thomson Joseph John (1856-1940) izmjerio je specifični naboj q/m čestice katodnih zraka - "korpuskule", kako ih je nazvao, prema skretanju katodnih zraka *) u električnim i magnetskim poljima.
Iz poređenja dobijenog broja sa tada poznatim specifičnim nabojem jednovalentnog vodikovog jona, posrednim zaključivanjem, došao je do zaključka da je masa ovih čestica, kasnije nazvanih "elektroni", mnogo manja (više od hiljadu puta) od mase najlakšeg vodonikovog jona.
Iste godine, 1897., iznio je hipotezu da su elektroni sastavni dio atoma, a katodne zrake nisu atomi ili elektromagnetno zračenje, kako su vjerovali neki istraživači svojstava zraka. Thomson je napisao: "Dakle, katodne zrake predstavljaju novo stanje materije, bitno drugačije od uobičajenog plinovitog stanja...; u ovom novom stanju, materija je supstanca od koje su izgrađeni svi elementi."
Od 1897. korpuskularni model katodnih zraka počeo je dobivati opće priznanje, iako su postojali različiti sudovi o prirodi elektriciteta. Tako je njemački fizičar E. Wiechert vjerovao da je "elektricitet nešto imaginarno, što postoji stvarno samo u mislima", a poznati engleski fizičar Lord Kelvin je iste 1897. godine pisao o elektricitetu kao vrsti "neprekidne tekućine".
Thomsonova ideja o česticama katodnih zraka kao glavnim komponentama atoma nije naišla na veliki entuzijazam. Neki od njegovih kolega su mislili da ih je zbunio kada je predložio da se čestice katodnih zraka smatraju mogućim komponentama atoma. Prava uloga Thomsonovih tjelešca u strukturi atoma mogla bi se razumjeti u kombinaciji s rezultatima drugih studija, posebno s rezultatima analize spektra i proučavanja radioaktivnosti.
Dana 29. aprila 1897. Thomson je predao svoju čuvenu poruku na sastanku Kraljevskog društva u Londonu. Tačno vrijeme otkrića elektrona - dan i sat - ne može se imenovati s obzirom na njegovu originalnost. Ovaj događaj je rezultat dugogodišnjeg rada Thomsona i njegovog osoblja. Ni Thomson ni bilo ko drugi nikada nije primijetio elektron u doslovnom smislu, niko nije uspio izolirati niti jednu česticu iz snopa katodnih zraka i izmjeriti njen specifični naboj. Autor otkrića je J.J. Thomson jer su njegove ideje o elektronu bile bliske modernim. Godine 1903. predložio je jedan od prvih modela atoma - "puding od grožđica", a 1904. predložio je da se elektroni u atomu dijele u grupe, formirajući različite konfiguracije koje određuju periodičnost kemijskih elemenata.
Mjesto otkrića je tačno poznato - Cavendish Laboratory (Cambridge, UK). Stvoren 1870. od strane J.K. Maxwella, u sljedećih stotinu godina postao je "kolijevka" čitavog lanca briljantnih otkrića u različitim oblastima fizike, posebno u atomskoj i nuklearnoj. Njegovi direktori su bili: Maxwell J.K. - od 1871. do 1879., Lord Rayleigh - od 1879. do 1884., Thomson J.J. - od 1884. do 1919., Rutherford E. - od 1919. do 1937., Bragg L. - od 1938. do 1953.; zamjenik direktora 1923-1935 - Chadwick J.
Naučno-eksperimentalno istraživanje je sproveo jedan naučnik ili mala grupa u atmosferi kreativnog traganja. Lawrence Bragg se kasnije prisjetio svog rada 1913. sa svojim ocem Henryjem Braggom: „Bilo je to divno vrijeme kada su se skoro svake sedmice dobijali novi uzbudljivi rezultati, poput otkrića novih područja koja sadrže zlato gdje se grumen može pokupiti direktno sa zemlje. To se nastavilo do početka rata *), čime je prekinut naš zajednički rad“.
3. Metode otkrivanja elektrona:
3.1 Thomson iskustvo
Joseph John Thomson Joseph John Thomson, 1856–1940
Engleski fizičar, poznatiji jednostavno kao J. J. Thomson. Rođen u Cheetham Hillu, predgrađu Mančestera, u porodici trgovca polovnih antikviteta. Godine 1876. dobio je stipendiju za studiranje na Kembridžu. Godine 1884-1919 bio je profesor na Odsjeku za eksperimentalnu fiziku na Univerzitetu u Kembridžu i honorarno šef Cavendish laboratorije, koja je zahvaljujući Thomsonovim naporima postala jedan od najpoznatijih istraživačkih centara u svijetu. Istovremeno, 1905-1918, bio je profesor na Kraljevskom institutu u Londonu. Dobitnik Nobelove nagrade za fiziku 1906. godine sa formulacijom "za istraživanje prolaska struje kroz gasove", što, naravno, uključuje i otkriće elektrona. Thomsonov sin George Paget Thomson (1892-1975) također je na kraju postao dobitnik Nobelove nagrade za fiziku - 1937. godine za eksperimentalno otkriće difrakcije elektrona na kristalima.
Godine 1897. mladi engleski fizičar J. J. Thomson postao je poznat vekovima kao otkrivač elektrona. U svom eksperimentu, Thomson je koristio poboljšanu katodnu cijev, čiji je dizajn dopunjen električnim zavojnicama koje su stvarale (prema Amperovom zakonu) magnetsko polje unutar cijevi, i skupom paralelnih električnih kondenzatorskih ploča koje su stvarale električno polje unutar cijevi. Tuba. To je omogućilo proučavanje ponašanja katodnih zraka pod utjecajem i magnetskog i električnog polja.
Koristeći novi dizajn cijevi, Thomson je sukcesivno pokazao da: (1) katodne zrake se odbijaju u magnetskom polju u odsustvu električnog; (2) katodne zrake se odbijaju u električnom polju u odsustvu magnetnog; i (3) pod istovremenim djelovanjem električnog i magnetskog polja uravnoteženog intenziteta, usmjerenih u smjerovima, uzrokujući odvojena odstupanja u suprotnim smjerovima, katodni zraci se šire pravolinijski, odnosno djelovanje dvaju polja je međusobno uravnoteženo.
Thomson je otkrio da odnos između električnog i magnetnog polja, pri kojem je njihovo djelovanje uravnoteženo, ovisi o brzini kojom se čestice kreću. Nakon niza mjerenja, Thomson je uspio odrediti brzinu katodnih zraka. Pokazalo se da se kreću mnogo sporije od brzine svjetlosti, iz čega slijedi da katodne zrake mogu biti samo čestice, budući da se svako elektromagnetno zračenje, uključujući i samu svjetlost, širi brzinom svjetlosti (vidi Spektar elektromagnetnog zračenja). Ove nepoznate čestice. Thomson je nazvao "telešce", ali su ih ubrzo nazvali "elektroni".
Odmah je postalo jasno da elektroni moraju postojati u sastavu atoma - inače, odakle bi došli? 30. april 1897. - datum Tomsonovog izvještaja o svojim rezultatima na sastanku Kraljevskog društva u Londonu - smatra se rođendanom elektrona. I na današnji dan ideja o "nedjeljivosti" atoma postala je stvar prošlosti (vidi Atomsku teoriju strukture materije). Zajedno s otkrićem atomskog jezgra, koje je uslijedilo nešto više od deset godina kasnije (vidi Rutherfordov eksperiment), otkriće elektrona je postavilo temelje za moderni model atoma.
„Katoda“, odnosno, gore opisane katodne cijevi, postale su najjednostavniji prethodnici modernih televizijskih kineskopa i kompjuterskih monitora, u kojima se strogo kontrolirane količine elektrona izbacuju s površine vruće katode, pod utjecajem naizmjeničnog magnetska polja odstupaju pod strogo određenim uglovima i bombarduju fosforescentne ćelije ekrana, formirajući na njima jasnu sliku koja nastaje kao rezultat fotoelektričnog efekta, čije bi otkriće takođe bilo nemoguće bez našeg znanja o pravoj prirodi katodnih zraka.
3.2 Rutherfordovo iskustvo
Ernest Rutherford, prvi baron Rutherford od Nelsona I Ernest Rutherford, prvi baron Rutherford od Nelsona, 1871–1937
Novozelandski fizičar. Rođen u Nelsonu, sin zanatskog farmera. Dobio je stipendiju za studiranje na Univerzitetu Kembridž u Engleskoj. Nakon diplomiranja imenovan je na Kanadski univerzitet McGill (McGill University), gdje je zajedno sa Frederickom Soddyjem (Frederick Soddy, 1877–1966) uspostavio osnovne zakonitosti fenomena radioaktivnosti, za što je 1908. godine nagrađen. Nobelovu nagradu za hemiju. Ubrzo se naučnik preselio na Univerzitet u Mančesteru, gde je, pod njegovim vođstvom, Hans Geiger (Hans Geiger, 1882–1945) izumeo svoj čuveni Gajgerov brojač, počeo da proučava strukturu atoma, a 1911. otkrio postojanje atoma. jezgro. Tokom Prvog svjetskog rata bavio se razvojem sonara (akustičnih radara) za otkrivanje neprijateljskih podmornica. Godine 1919. imenovan je za profesora fizike i direktora Cavendish laboratorije na Univerzitetu u Kembridžu i iste godine otkrio je raspad jezgra kao rezultat bombardovanja teškim česticama visoke energije. Rutherford je na ovoj funkciji ostao do kraja svog života, a istovremeno je dugi niz godina bio predsjednik Kraljevskog naučnog društva. Sahranjen je u Vestminsterskoj opatiji pored Njutna, Darvina i Faradaja.
Ernest Rutherford je jedinstven naučnik u smislu da je svoja glavna otkrića napravio nakon što je dobio Nobelovu nagradu. Godine 1911. uspio je u eksperimentu koji ne samo da je omogućio naučnicima da pogledaju duboko u atom i steknu predstavu o njegovoj strukturi, već je postao i model elegancije i dubine dizajna.
Koristeći prirodni izvor radioaktivnog zračenja, Rutherford je napravio top koji je davao usmjeren i fokusiran tok čestica. Pištolj je bio olovna kutija s uskim prorezom, unutar kojeg je bio smješten radioaktivni materijal. Zbog toga su čestice (u ovom slučaju alfa čestice koje se sastoje od dva protona i dva neutrona), koje radioaktivna tvar emituje u svim smjerovima osim u jednom, apsorbirao olovni ekran, a iz njega je izletio samo usmjereni snop alfa čestica. kroz prorez.
|
datom pravcu. Kao rezultat toga, savršeno fokusiran snop alfa čestica doletio je do mete, a sama meta je bila vrlo tanak list zlatne folije. Bio je to alfa zrak koji ju je pogodio. Nakon sudara sa atomima folije, alfa čestice su nastavile svoj put i udarile u luminiscentni ekran postavljen iza mete, na kojem su zabilježeni bljeskovi kada su alfa čestice udarile u nju. Po njima je eksperimentator mogao prosuditi koliko i koliko alfa čestica odstupa od pravca pravolinijskog kretanja kao rezultat sudara s atomima folije.
Rutherford je, međutim, primijetio da nijedan od njegovih prethodnika nije ni pokušao eksperimentalno testirati da li su neke alfa čestice odbijene pod vrlo velikim uglovima. Model rešetke grožđa jednostavno nije dozvoljavao postojanje strukturnih elemenata u atomu koji su toliko gusti i teški da bi mogli skrenuti brze alfa čestice pod značajnim uglovima, tako da se niko nije potrudio da testira ovu mogućnost. Rutherford je zamolio jednog od svojih učenika da preopremi aparat na način da je moguće promatrati raspršivanje alfa čestica pod velikim uglovima otklona - samo da bi očistio svoju savjest, kako bi potpuno eliminirao tu mogućnost. Detektor je bio ekran obložen natrijum sulfidom, materijalom koji daje fluorescentni bljesak kada ga alfa čestica udari. Kakvo je bilo iznenađenje ne samo učenika koji je direktno vodio eksperiment, već i samog Rutherforda, kada se pokazalo da neke čestice odstupaju za uglove do 180°!
Slika atoma koju je nacrtao Rutherford na osnovu rezultata eksperimenta danas nam je dobro poznata. Atom se sastoji od supergustog, kompaktnog jezgra koje nosi pozitivan naboj i negativno nabijenih svjetlosnih elektrona oko sebe. Kasnije su naučnici postavili ovu sliku na čvrstu teorijsku osnovu (vidi Bohrov atom), ali je sve počelo jednostavnim eksperimentom sa malim uzorkom radioaktivnog materijala i komadom zlatne folije.
3.2 Metoda Millikan
3.2.1. Kratka biografija:
Robert Milliken rođen je 1868. godine u Ilinoisu u siromašnoj porodici sveštenika. Detinjstvo je proveo u provincijskom gradu Makvoketu, gde se velika pažnja poklanjala sportu i gde su ga loše podučavali. Direktor srednje škole koji je predavao fiziku rekao je, na primjer, svojim mladim učenicima: „Kako možete napraviti zvuk od valova? Sranje, momci, sve je to sranje!"
Oberdeen College nije bio ništa bolji, ali Millikan, koji nije imao materijalnu podršku, morao je sam predavati fiziku u srednjoj školi. U Americi su tada postojala samo dva udžbenika iz fizike prevedena sa francuskog, a talentovanom mladiću nije bilo teško da ih proučava i uspešno podučava. Godine 1893. upisao je Kolumbijski univerzitet, a zatim otišao na studije u Njemačku.
Millikan je imao 28 godina kada je dobio ponudu od A. Michelsona da preuzme poziciju asistenta na Univerzitetu u Čikagu. U početku se ovdje bavio gotovo isključivo pedagoškim radom, a tek u četrdesetoj godini započeo je naučno-istraživački rad, koji mu je donio svjetsku slavu.
3.2.2. Prva iskustva i rješavanje problema:
Prvi eksperimenti su bili sledeći. Između ploča ravnog kondenzatora, na koji je primijenjen napon od 4000 V, stvoren je oblak koji se sastoji od kapljica vode koje su se taložile na jone. Prvo, uočen je pad vrha oblaka u odsustvu električnog polja. Tada je stvoren oblak sa uključenim naponom. Pad oblaka nastao je pod dejstvom gravitacije i električne sile.
Omjer sile koja djeluje na kap u oblaku i brzine koju postiže isti je u prvom i drugom slučaju. U prvom slučaju, sila je jednaka mg, u drugom, mg + qE, gdje je q naboj kapljice, E je jačina električnog polja. Ako je brzina u prvom slučaju υ 1 u drugom υ 2, onda
Znajući zavisnost brzine pada oblaka υ od viskoznosti vazduha, možemo izračunati željeni naboj q. Međutim, ova metoda nije dala željenu točnost jer je sadržavala hipotetičke pretpostavke koje su bile izvan kontrole eksperimentatora.
Da bi se povećala tačnost mjerenja, prije svega je bilo potrebno pronaći način da se uzme u obzir isparavanje oblaka, koje je neizbježno nastalo tokom procesa mjerenja.
Razmišljajući o ovom problemu, Millikan je došao do klasične metode ispuštanja, koja je otvorila niz neočekivanih mogućnosti. Ostavimo autora da ispriča priču o izumu:
“Shvativši da je brzina isparavanja kapljica ostala nepoznata, pokušao sam smisliti metodu koja bi u potpunosti eliminisala ovu neodređenu vrijednost. Moj plan je bio sljedeći. U prethodnim eksperimentima, električno polje je moglo samo neznatno povećati ili smanjiti brzinu pada vrha oblaka pod utjecajem gravitacije. Sada sam htio ojačati ovo polje tako da gornja površina oblaka ostane na konstantnoj visini. U ovom slučaju postalo je moguće precizno odrediti brzinu isparavanja oblaka i uzeti je u obzir u proračunima.
Da bi implementirao ovu ideju, Milliken je dizajnirao punjivu bateriju male veličine koja je davala napon do 10 4 V (za to vrijeme ovo je bilo izvanredno postignuće eksperimentatora). Morala je da stvori dovoljno jako polje da oblak, poput "Muhamedovog kovčega", zadrži u suspendovanom stanju. „Kad sam bio spreman“, kaže Milliken, i kada se oblak formirao, okrenuo sam prekidač i oblak je bio u električnom polju. I u tom trenutku se otopilo pred mojim očima, drugim riječima, nije ostao ni komadić cijelog oblaka koji bi se mogao promatrati pomoću kontrolne optičke naprave, kao što je to činio i ja namjeravao učiniti Wilson. U početku mi se činilo da je nestanak oblaka bez traga u električnom polju između gornje i donje ploče značio da je eksperiment završio bez rezultata... ”Međutim, kao što se često dešavalo u istoriji nauke, neuspjeh je doveo do na novu ideju. Ona je dovela do čuvene metode kapi. „Ponovljeni eksperimenti“, piše Milliken, „pokazali su da nakon što se oblak raspršio u snažnom električnom polju na svom mjestu može se razlikovati nekoliko pojedinačnih kapljica vode”(naglasio sam. - V.D.). "Nesretno" iskustvo dovelo je do otkrića mogućnosti održavanja u ravnoteži i posmatranja pojedinačnih kapljica dovoljno dugo.
No, tokom perioda promatranja, masa vodene kapi značajno se promijenila kao rezultat isparavanja, a Millikan je nakon višednevne potrage prešao na eksperimente s kapljicama ulja.
Pokazalo se da je eksperimentalna procedura jednostavna. Adijabatsko širenje između ploča kondenzatora stvara oblak. Sastoji se od kapljica naelektrisanja različitog modula i predznaka. Kada je električno polje uključeno, kapi sa istim nabojem kao naelektrisanje gornje ploče kondenzatora brzo padaju, a kapi sa suprotnim nabojem privlače se gornjom pločom. Ali određeni broj kapi ima takav naboj da je sila gravitacije uravnotežena električnom silom.
Nakon 7 ili 8 min. oblak se raspršuje, a u vidnom polju ostaje mali broj kapljica čiji naboj odgovara naznačenom balansu sila.
Millikan je uočio ove kapi kao različite svijetle tačke. „Istorija ovih kapi obično teče na sledeći način“, piše on. „U slučaju blage prevlasti gravitacije nad silom polja, one počinju polako da padaju, ali pošto postepeno isparavaju, njihovo kretanje nadole ubrzo prestaje , i oni prilično dugo ostaju nepomični . Tada polje počinje da dominira i kapi počinju polako da se dižu. Pred kraj njihovog života u prostoru između ploča, ovo kretanje prema gore postaje vrlo snažno ubrzano i oni se velikom brzinom privlače prema gornjoj ploči.
3.2.3. Opis instalacije:
Shema Millikan instalacije, uz pomoć koje su 1909. godine dobiveni odlučujući rezultati, prikazana je na slici 17.
U komoru C postavljen je ravni kondenzator od okruglih mesinganih ploča M i N prečnika 22 cm (razmak između njih je 1,6 cm). U sredini gornje ploče napravljena je mala rupa p kroz koju su prolazile kapi ulja. Potonji su nastali puhanjem mlaza ulja raspršivačem. Vazduh je prethodno očišćen od prašine prolaskom kroz cev sa staklenom vunom. Kapljice ulja imale su prečnik od oko 10-4 cm.
Iz akumulatorske baterije B na ploče kondenzatora je doveden napon od 10 4 V. Korištenjem prekidača bilo je moguće kratko spojiti ploče i time uništiti električno polje.
Kapljice ulja koje su padale između ploča M i N bile su osvijetljene snažnim izvorom. Ponašanje kapi posmatrano je okomito na smjer zraka kroz teleskop.
Ioni neophodni za kondenzaciju kapljica stvoreni su zračenjem iz komada radijuma težine 200 mg, koji se nalazi na udaljenosti od 3 do 10 cm od strane ploča.
Uz pomoć posebnog uređaja, plin je proširen spuštanjem klipa. Nakon 1 - 2 s nakon ekspanzije, radij je uklonjen ili prekriven olovnim ekranom. Zatim se uključilo električno polje i počelo je posmatranje kapi u teleskop. Cijev je imala skalu po kojoj je bilo moguće izbrojati put prijeđenu kapom u određenom vremenskom periodu. Vrijeme je određivao tačan sat sa kavezom.
U procesu posmatranja, Millikan je otkrio fenomen koji je poslužio kao ključ za čitav niz kasnijih preciznih mjerenja pojedinačnih elementarnih naelektrisanja.
„Dok sam radio na suspendovanim kapljicama“, piše Millikan, „nekoliko sam puta zaboravio da ih zaštitim od zraka radijuma. Tada sam slučajno primijetio da s vremena na vrijeme jedna od kapljica naglo mijenja svoj naboj i počinje se kretati duž polja ili protiv njega, očito hvatajući u prvom slučaju pozitivan, a u drugom negativan ion. To je otvorilo mogućnost da se sa sigurnošću izmjere ne samo naboji pojedinačnih kapi, kao što sam do tada radio, već i naboj pojedinačnog atmosferskog jona.
Zaista, mjerenjem brzine iste kapi dvaput, jednom prije i drugi put nakon hvatanja jona, očito bih mogao potpuno isključiti svojstva kapi i svojstva medija i raditi s vrijednošću proporcionalnom samo naboj uhvaćenog jona.
3.2.4. Proračun elementarnog naboja:
Elementarni naboj je izračunao Millikan na osnovu sljedećih razmatranja. Brzina kapi je proporcionalna sili koja na nju djeluje i ne ovisi o naboju kapi.
Ako padne kapljica između ploča kondenzatora pod djelovanjem samo gravitacije brzinom v, tada
Kada se uključi polje usmjereno protiv gravitacije, sila djelovanja bit će razlika qE - mg, gdje je q naboj kapljice, E je modul jačine polja.
Brzina pada će biti:
υ 2 \u003d k (qE-mg) (2)
Ako jednakost (1) podijelimo sa (2), dobićemo
Odavde
Neka je kap uhvatila ion i njegov naboj je postao jednak q", a brzina kretanja υ 2. Naboj ovog zarobljenog jona označićemo sa e.
Tada je e = q "- q.
Koristeći (3), dobijamo
Vrijednost je konstantna za dati pad.
3.2.5. Zaključci iz Millikanove metode
Posljedično, svaki naboj zahvaćen kap će biti proporcionalan razlici u brzinama (υ " 2 - υ 2), drugim riječima, proporcionalan promjeni brzine kapi zbog hvatanja jona! Dakle, mjerenje elementarnog naboja se svelo na mjerenje putanje koju je prešla kap i vremena za koje je ta staza prešla.Mnoga zapažanja su pokazala valjanost formule (4).Ispostavilo se da se vrijednost e može mijenjati samo u skokovima!Naboji e, 2e, 3e, 4e itd. se uvijek posmatraju.
„U mnogim slučajevima“, piše Millikan, „pad je primećen pet ili šest sati, a za to vreme nije uhvatio osam ili deset jona, već stotine njih. Sve u svemu, posmatrao sam hvatanje mnogo hiljada jona na ovaj način, i u svim slučajevima zarobljeni naboj... bio je ili tačno jednak najmanjem od svih zarobljenih naelektrisanja, ili je bio jednak malom celobrojnom višekratniku ovog vrijednost. Ovo je direktan i neoboriv dokaz da elektron nije 'statistički prosjek', već da su svi električni naboji na jonima ili potpuno jednaki naboju elektrona ili su mali cjelobrojni višekratnici ovog naboja.
Dakle, atomizam, diskretnost ili, modernim terminima, kvantizacija električnog naboja postala je eksperimentalna činjenica. Sada je bilo važno pokazati da je elektron, da tako kažem, sveprisutan. Svaki električni naboj u tijelu bilo koje prirode je zbir istih elementarnih naboja.
Millikanov metod omogućio je nedvosmislen odgovor na ovo pitanje. U prvim eksperimentima, naboji su stvoreni jonizacijom neutralnih molekula plina strujom radioaktivnog zračenja. Izmjeren je naboj jona zarobljenih kapima.
Kada se tečnost raspršuje raspršivačem, kapljice se naelektriziraju zbog trenja. Ovo je bilo dobro poznato u 19. veku. Da li su ova naelektrisanja kvantizovana kao naelektrisanja jona? Millikan "važe" kapljice nakon prskanja i vrši mjerenja punjenja na gore opisani način. Iskustvo otkriva istu diskretnost električnog naboja.
Prskajući kapljice ulja (dielektrik), glicerin (poluprovodnik), živa (provodnik), Millikan dokazuje da se naelektrisanja na tijelima bilo koje fizičke prirode u svim slučajevima bez izuzetka sastoje od zasebnih elementarnih dijelova striktno konstantne vrijednosti. Godine 1913. Millikan je sumirao rezultate brojnih eksperimenata i dao sljedeću vrijednost za elementarni naboj: e = 4,774. 10 -10 jedinica naplatite SGSE. Tako je uspostavljena jedna od najvažnijih konstanti moderne fizike. Određivanje električnog naboja postalo je jednostavan aritmetički problem.
3.4 Comptonova metoda snimanja:
Veliku ulogu u jačanju ideje o stvarnosti elektrona odigralo je otkriće C.T.R. Wilson o efektu kondenzacije vodene pare na ione, što je dovelo do mogućnosti fotografiranja tragova čestica.
Kažu da A. Compton na predavanju nije mogao uvjeriti skeptičnog slušaoca u realnost postojanja mikročestica. Insistirao je da će povjerovati tek kada ih vidi svojim očima.
Zatim je Compton pokazao fotografiju sa tragom α-čestice, pored koje je bio otisak prsta. "Znaš li šta je to?" upitao je Compton. "Prst", odgovorio je slušalac. "U tom slučaju", svečano je izjavio Compton, "ova svjetleća traka je čestica."
Fotografije tragova elektrona nisu samo svjedočile o stvarnosti elektrona. Oni su potvrdili pretpostavku o maloj veličini elektrona i omogućili da se s eksperimentom uporede rezultati teorijskih proračuna, u kojima se pojavio radijus elektrona. Eksperimenti koje je pokrenuo Lenard u proučavanju prodorne moći katodnih zraka pokazali su da vrlo brzi elektroni koje emituju radioaktivne supstance daju tragove u gasu u obliku pravih linija. Dužina staze je proporcionalna energiji elektrona. Fotografije tragova visokoenergetskih α-čestica pokazuju da se tragovi sastoje od velikog broja tačaka. Svaka tačka je kapljica vode koja se pojavljuje na jonu, koji nastaje kao rezultat sudara elektrona s atomom. Poznavajući veličinu atoma i njihovu koncentraciju, možemo izračunati broj atoma kroz koje alfa čestica mora proći na datoj udaljenosti. Jednostavna kalkulacija pokazuje da α-čestica mora putovati oko 300 atoma prije nego što na putu sretne jedan od elektrona koji čine ljusku atoma i proizvede ionizaciju.
Ova činjenica uvjerljivo ukazuje da je volumen elektrona zanemarljiv dio zapremine atoma. Staza elektrona sa malom energijom je zakrivljena, pa se spori elektron odbija od unutaratomskog polja. Na svom putu proizvodi više događaja jonizacije.
Iz teorije rasejanja mogu se dobiti podaci za procenu uglova otklona u zavisnosti od energije elektrona. Ovi podaci su dobro potvrđeni u analizi stvarnih tragova.Podudarnost teorije i eksperimenta ojačala je ideju o elektronu kao najmanjoj čestici materije.
zaključak:
Mjerenje elementarnog električnog naboja otvorilo je mogućnost preciznog određivanja niza važnih fizičkih konstanti.
Poznavanje vrijednosti e automatski omogućava određivanje vrijednosti osnovne konstante - Avogadrove konstante. Prije Millikanovih eksperimenata, postojale su samo grube procjene Avogadro konstante, koje je dala kinetička teorija plinova. Ove procjene su zasnovane na proračunima prosječnog radijusa molekula zraka i varirale su u prilično širokom rasponu od 2 . 10 23 do 20 . 10 23 1/mol.
Pretpostavimo da znamo naboj Q koji je prošao kroz otopinu elektrolita i količinu tvari M koja se taložila na elektrodu. Zatim, ako je naboj jona jednak Ze 0, a njegova masa m 0, onda je jednakost
Ako je masa deponovane supstance jednaka jednom molu,
zatim Q = F- Faradayeva konstanta, i F = N 0 e, odakle:
Očigledno, tačnost određivanja Avogadro konstante je data preciznošću kojom se mjeri naboj elektrona. Praksa je zahtijevala povećanje tačnosti određivanja osnovnih konstanti, a to je bio jedan od poticaja da se nastavi sa usavršavanjem tehnike mjerenja kvanta električnog naboja. Ovaj rad, koji je već čisto metrološke prirode, traje do danas.
Trenutno najpreciznije vrijednosti su:
e \u003d (4,8029 ± 0,0005) 10 -10. jedinice naplatiti SGSE;
N 0 \u003d (6,0230 ± 0,0005) 10 23 1 / mol.
Znajući N o , moguće je odrediti broj molekula gasa u 1 cm 3, jer je zapremina koju zauzima 1 mol gasa poznata konstanta.
Poznavanje broja molekula plina u 1 cm 3 omogućilo je zauzvrat određivanje prosječne kinetičke energije toplinskog kretanja molekula. Konačno, naelektrisanje elektrona se može koristiti za određivanje Plankove konstante i Stefan-Boltzmannove konstante u zakonu toplotnog zračenja.
Jedna od osnovnih konstanti u fizici je elementarni električni naboj. Ovo je skalarna veličina koja karakteriše sposobnost fizičkih tijela da učestvuju u elektromagnetnoj interakciji.
Elementarni električni naboj smatra se najmanjim pozitivnim ili negativnim nabojem koji se ne može podijeliti. Njegova vrijednost je jednaka vrijednosti naboja elektrona.
Činjenicu da je svaki prirodni električni naboj uvijek jednak cijelom broju elementarnih naboja sugerirao je 1752. poznati političar Benjamin Franklin, političar i diplomata koji se također bavio naučnim i inventivnim aktivnostima, prvi Amerikanac koji je postao član Ruske akademije nauka.
Benjamin Franklin
Ako je Franklinova pretpostavka tačna, a električni naboj bilo kojeg nabijenog tijela ili sistema tijela sastoji se od cijelog broja elementarnih naboja, onda se ovaj naboj može naglo promijeniti za vrijednost koja sadrži cijeli broj naelektrisanja elektrona.
Po prvi put je to potvrdio i prilično precizno utvrdio američki naučnik, profesor na Univerzitetu u Čikagu, Robert Milliken.
Milikan iskustvo
Shema Millikanovog eksperimenta
Millikan je napravio svoj prvi poznati eksperiment s kapljicama ulja 1909. godine sa svojim pomoćnikom Harveyjem Fletcherom. Kažu da su isprva planirali eksperiment napraviti uz pomoć kapi vode, ali su one isparile za nekoliko sekundi, što očito nije bilo dovoljno da se dobije rezultat. Tada je Milliken poslao Fletchera u apoteku, gdje je kupio bočicu s raspršivačem i bočicu ulja za sat. Ovo je bilo dovoljno da iskustvo bude uspješno. Nakon toga, Milliken je za to dobio Nobelovu nagradu, a Fletcher doktorirao.
Robert Milliken
Harvey Fletcher
Šta je bio Milikanov eksperiment?
Naelektrisana kapljica ulja pada pod uticajem gravitacije između dve metalne ploče. Ali ako se između njih stvori električno polje, spriječit će kapljicu da padne. Mjerenjem jakosti električnog polja može se odrediti naboj kapi.
Eksperimentatori su postavili dvije metalne ploče kondenzatora unutar posude. Tu su se uz pomoć pištolja za prskanje unosile najmanje kapljice ulja koje su se prilikom prskanja negativno naelektrisale zbog trenja o zrak.
U nedostatku električnog polja, kapljica pada
Pod dejstvom gravitacije F w = mg, kapljice su počele da padaju. Ali pošto nisu bili u vakuumu, već u mediju, onda ih je sila otpora zraka spriječila da slobodno padaju Fres = 6πη rv 0 , gdje η je viskozitet vazduha. Kada Fw i F res uravnotežen, pad je postao jednoličan brzinom v0 . Mjereći ovu brzinu, naučnik je odredio radijus kapi.
Kapljica "pluta" pod uticajem električnog polja
Ako je u trenutku pada kapljice na ploče doveden napon na način da je gornja ploča dobila pozitivan naboj, a donja negativan, pad je stao. Spriječilo ga je novo električno polje. Kapljice kao da lebde. Ovo se desilo kada je vlast F r uravnotežena silom koja djeluje iz električnog polja F r = eE ,
gdje F r- rezultujuća sila gravitacije i Arhimedova sila.
F r = 4/3 pr 3 ( ρ – ρ 0) g
ρ je gustina kapi ulja;
ρ 0 – gustina vazduha.
r je poluprečnik kapi.
Znajući F r i E , moguće je odrediti vrijednost e .
Pošto je bilo vrlo teško osigurati da kapljica ostane nepomična dugo vremena, Milliken i Fletcher su stvorili polje u kojem se kapljica, nakon zaustavljanja, počela kretati prema gore vrlo malom brzinom. v . U ovom slučaju
Eksperimenti su ponovljeni mnogo puta. Naboji su preneseni na kapljice zračenjem rendgenskim ili ultraljubičastim uređajem. Ali svaki put je ukupni naboj kapljice uvijek bio jednak nekoliko elementarnih naboja.
Godine 1911, Milliken je otkrio da je naboj elektrona 1,5924(17) x 10 -19 C. Naučnik je pogrešio samo 1%. Njegova moderna vrijednost je 1,602176487 (10) x 10 -19 C.
Ioffe iskustvo
Abram Fedorovič Ioffe
Mora se reći da je gotovo istovremeno sa Millikanom, ali nezavisno od njega, takve eksperimente izveo ruski fizičar Abram Fedorovič Ioffe. I njegova eksperimentalna postavka bila je slična Millikanovoj. Ali vazduh je ispumpan iz posude i u njoj je stvoren vakuum. I umjesto kapljica ulja, Ioffe je koristio male nabijene čestice cinka. Njihovo kretanje je posmatrano pod mikroskopom.
Ioffe instalacija
1- cijev
2-kamera
3 - metalne ploče
4 - mikroskop
5 - ultraljubičasti emiter
Pod dejstvom elektrostatičkog polja, zrno cinka je palo. Čim je gravitacija zrna prašine postala jednaka sili koja na njega djeluje iz električnog polja, pad je prestao. Sve dok se naboj čestice prašine nije promijenio, ona je nastavila da visi nepomično. Ali ako je bio izložen ultraljubičastom svjetlu, tada se njegov naboj smanjio i ravnoteža je bila poremećena. Ponovo je počela da pada. Tada je količina naboja na pločama povećana. Shodno tome, električno polje se povećalo, a pad je ponovo prestao. To je učinjeno nekoliko puta. Kao rezultat toga, utvrđeno je da se svaki put naboj čestice prašine mijenja za višestruki naboj elementarne čestice.
Ioffe nije izračunao veličinu naboja ove čestice. Ali, nakon što je izveo sličan eksperiment 1925. godine, zajedno sa fizičarem N.I. Dobronravov je, nakon što je malo modificirao pilot postrojenje i koristio čestice bizmutove prašine umjesto cinka, potvrdio teoriju
DEFINICIJA ELEMENTARNE
ELEKTRIČNO PUNJENJE METODOM ELEKTROLIZE
Oprema: izvor jednosmerne struje, kiveta sa elektrodama iz seta „Elektrolit“, laboratorijski voltmetar, otpornik, vaga sa tegovima ili elektronika, ključ, spojne žice, rastvor bakar sulfata, štoperica (ili sat sa sekundarnom kazaljkom).
OBJAŠNJENJE RADA. Da bi se odredio naboj elektrona, može se koristiti Faradayev zakon elektrolize, gdje je m masa tvari oslobođene na katodi; M je molarna masa supstance; n je valencija supstance; e je naelektrisanje elektrona; Na je Avogadrova konstanta; I - jačina struje u elektrolitu; ∆t je vrijeme prolaska struje kroz elektrolit.
Iz ove formule se vidi da je za postizanje cilja rada potrebno poznavati molarnu masu tvari oslobođene na katodi, njenu valenciju i Avogadrovu konstantu. Osim toga, tokom eksperimenta potrebno je izmjeriti jačinu struje i vrijeme njenog protoka, a nakon završetka elektrolize i masu tvari koja se oslobađa na katodi.
Za eksperiment se koristi zasićena vodena otopina bakar sulfata, koja se sipa u kivetu s dvije bakrene elektrode. Jedna elektroda je čvrsto fiksirana u sredini kivete, a druga (uklonjiva) - na njen zid.
U vodenom rastvoru ne disociraju samo molekuli bakar sulfata (CuSO4 = Cu2+ + ), već i molekuli vode (H20 = H+ + OH -), iako u slabom stepenu. Dakle, vodeni rastvor CuSO4 sadrži i pozitivne Cu2+ i H+ ione i negativne SO2- i OH- ione. Ako se između elektroda stvori električno polje, tada će se pozitivni ioni početi kretati prema katodi, a negativni ioni - prema anodi. Cu2+ i H+ joni se približavaju katodi, ali nisu svi ispražnjeni. To se objašnjava činjenicom da se atomi bakra i vodika lako pretvaraju u pozitivno nabijene ione, gubeći svoje vanjske elektrone. Ali ion bakra može lakše spojiti elektron nego ion vodonika. Zbog toga se ioni bakra ispuštaju na katodi.
Negativni ioni i OH- će se kretati prema anodi, ali nijedan od njih se neće isprazniti. U tom slučaju, bakar će se početi otapati. To se objašnjava činjenicom da atomi bakra lakše daju elektrone vanjskom dijelu električnog kruga nego ioni i OH - i, postavši pozitivni ioni, preći će u otopinu: Cu \u003d Cu2 + + 2e-.
Dakle, kada se elektrode spoje na izvor jednosmjerne struje u otopini bakar sulfata, doći će do usmjerenog kretanja iona, što će rezultirati oslobađanjem čistog bakra na katodi.
Kako bi sloj oslobođenog bakra bio gust i dobro zadržan na katodi, preporučuje se elektroliza provoditi pri niskoj jakosti struje u otopini. A budući da će to dovesti do velike greške mjerenja, umjesto laboratorijskog ampermetra, u radu se koriste otpornik i voltmetar. Prema očitanju voltmetra U i otporu otpornika R (označen na njegovom kućištu) određuje se jačina struje I. Šematski dijagram eksperimentalne postavke prikazan je na slici 12.
Snaga struje u elektrolitu tokom eksperimenta može se promijeniti, pa se njena prosječna vrijednost 1sr zamjenjuje u formulu za određivanje naboja. Prosječna vrijednost jačine struje određuje se snimanjem svakih 30 s očitanja voltmetra tokom cijelog vremena posmatranja, zatim se oni zbrajaju i rezultujuća vrijednost se dijeli sa brojem mjerenja. Ovako se pronalazi Ucp. Tada se, prema Ohmovom zakonu, nalazi Icp za dio kola. Pogodnije je zabilježiti rezultate mjerenja napona u pomoćnu tabelu.
Trenutno vrijeme protoka mjeri se štopericom.
POSTUPAK PRIPREME ZA RAD
1. Navedite koje fizičke veličine podliježu direktnom mjerenju da bi se odredio naboj elektrona metodom korištenom u ovom radu. Koji će se mjerni instrumenti koristiti za mjerenje? Odredite i zapišite granice apsolutnih grešaka ovih uređaja.
2. Odredite i zapišite granice apsolutnih grešaka očitavanja kada koristite mehaničku štopericu, voltmetar i vage.
3. Zapišite formulu za određivanje granice apsolutne greške ∆e.
4. Pripremite tabelu za beleženje rezultata merenja, grešaka i proračuna.
Pripremite pomoćnu tabelu za snimanje očitanja voltmetra.
ODGOVORI NA PITANJA
Zašto vrijeme protoka struje u elektrolitu utiče na grešku u rezultatu mjerenja naboja elektrona?
Kako koncentracija otopine utječe na rezultat mjerenja naboja elektrona?
Koja je valencija bakra?
Kolika je molarna masa bakra?
Šta je Avogadrova konstanta?
POSTUPAK RADA
1. Odredite masu uklonjive elektrode m1 na vagi.
2. Pričvrstite elektrodu na kivetu i sastavite električno kolo prikazano na slici 12. Uvjerite se da je elektroda koja se može ukloniti povezana na negativni pol izvora napona.
3. Napunite kivetu rastvorom bakar-sulfata, zatvorite ključ i beležite očitanja voltmetra svakih 30 s tokom 15 minuta.
4. Nakon 15 minuta otvorite ključ, rastavite strujno kolo, uklonite elektrodu, osušite je i odredite njenu masu m2 zajedno sa bakrom koji je na njemu nataložen.
5. Izračunajte masu oslobođenog bakra: m- i granicu apsolutne greške njegovog mjerenja ∆m.
6. Izračunajte prosječnu vrijednost napona na otporniku Uav i prosječnu vrijednost struje u elektrolitu I cf.
7. Izračunajte naboj elektrona e.
8. Izračunajte granicu apsolutne greške u određivanju naboja elektrona ∆e.
9. Zapišite rezultat određivanja naboja, uzimajući u obzir granicu apsolutne greške.
10. Uporedite naelektrisanje elektrona, određeno iz rezultata eksperimenta, sa tabelarnom vrednošću.
Metodička napomena. Elektron je već poznat učenicima iz predmeta hemija i odgovarajućeg dijela programa VII razreda. Sada morate produbiti svoje razumijevanje prve elementarne čestice materije, prisjetiti se onoga što je proučavano, povezati to s prvom temom odjeljka "Elektrostatika" i prijeći na viši nivo tumačenja elementarnog naboja. Treba imati na umu složenost koncepta električnog naboja. Predložena digresija može pomoći da se otkrije ovaj koncept i dođe do srži stvari.
Elektron ima komplikovanu istoriju. Da biste na najkraći način došli do cilja, preporučljivo je voditi priču na sljedeći način.
Otkriće elektrona rezultat je brojnih eksperimenata. Do početka XX veka. postojanje elektrona je utvrđeno u nizu nezavisnih eksperimenata. Ali, uprkos kolosalnom eksperimentalnom materijalu koji su akumulirale čitave nacionalne škole, elektron je ostao hipotetička čestica, jer iskustvo još nije dalo odgovor na niz fundamentalnih pitanja.
Prije svega, nije postojao niti jedan eksperiment u kojem bi učestvovali pojedinačni elektroni. Elementarni naboj je izračunat na osnovu mjerenja mikroskopskog naboja pod pretpostavkom da su brojne hipoteze tačne.
Neizvjesnost je bila u fundamentalno važnoj tački. Prvo se elektron pojavio kao rezultat atomističke interpretacije zakona elektrolize, a zatim je otkriven u plinskom pražnjenju. Nije bilo jasno da li se fizika zaista bavi istim objektom. Velika grupa skeptičnih prirodnjaka vjerovala je da je elementarni naboj statistički prosjek naboja najrazličitije veličine. Štaviše, nijedan od eksperimenata na mjerenju naboja elektrona nije dao vrijednosti koje se striktno ponavljaju.
Bilo je skeptika koji su generalno ignorisali otkriće elektrona. Akademik A.F. Ioffe je u svojim memoarima pisao o potrebama svog učitelja V.K.
Pitanje mase elektrona nije riješeno, nije dokazano da se i na provodnicima i na dielektricima naelektrisanja sastoje od elektrona. Koncept "elektrona" nije imao jednoznačno tumačenje, jer eksperiment još nije otkrio strukturu atoma (Rutherfordov planetarni model pojavio se 1911., a Borova teorija 1913.).
Elektron još nije ušao u teorijske konstrukcije. Lorentzova elektronska teorija je imala kontinuirano raspoređenu gustinu naelektrisanja. U teoriji metalne provodljivosti koju je razvio Drude, radilo se o diskretnim nabojima, ali to su bila proizvoljna naelektrisanja, na čiju vrijednost nisu nametnuta ograničenja.
Elektron još nije izašao iz okvira "čiste" nauke. Podsjetimo da se prva elektronska lampa pojavila tek 1907. godine.
Da bi se prešlo od vjere do uvjerenja, bilo je potrebno prije svega izolirati elektron, izmisliti metodu za direktno i precizno mjerenje elementarnog naboja.
Takav problem riješio je američki fizičar Robert Millikan (1868-1953) u nizu suptilnih eksperimenata koji su započeli 1906. godine.
Robert Milliken rođen je 1868. godine u Ilinoisu u siromašnoj porodici sveštenika. Detinjstvo je proveo u provincijskom gradu Makvoketu, gde se velika pažnja poklanjala sportu i gde su ga loše podučavali. Direktor srednje škole koji je predavao fiziku, na primjer, rekao je svojim mladim učenicima: "Kako možete napraviti zvuk od talasa? Gluposti, momci, sve su to gluposti!"
Oberdeen College nije bio ništa bolji, ali Millikan, koji nije imao materijalnu podršku, morao je sam predavati fiziku u srednjoj školi. U Americi su tada postojala samo dva udžbenika iz fizike prevedena sa francuskog, a talentovanom mladiću nije bilo teško da ih proučava i uspešno podučava. Godine 1893. upisao je Kolumbijski univerzitet, a zatim otišao na studije u Njemačku.
Millikan je imao 28 godina kada je dobio ponudu od A. Michelsona da preuzme poziciju asistenta na Univerzitetu u Čikagu. U početku se ovdje bavio gotovo isključivo pedagoškim radom, a tek u četrdesetoj godini započeo je naučno-istraživački rad, koji mu je donio svjetsku slavu.
Prvi eksperimenti su bili sledeći. Između ploča ravnog kondenzatora, na koji je primijenjen napon od 4000 V, stvoren je oblak koji se sastoji od kapljica vode koje su se taložile na jone. Prvo, uočen je pad vrha oblaka u odsustvu električnog polja. Tada je stvoren oblak sa uključenim naponom. Pad oblaka nastao je pod dejstvom gravitacije i električne sile.
Omjer sile koja djeluje na kap u oblaku i brzine koju postiže isti je u prvom i drugom slučaju. U prvom slučaju, sila je jednaka mg, u drugom, mg + qE, gdje je q naboj kapljice, E je jačina električnog polja. Ako je brzina u prvom slučaju jednaka v 1 u drugom v 2, onda
Poznavajući ovisnost brzine pada oblaka v od viskoznosti zraka, možemo izračunati traženi naboj q. Međutim, ova metoda nije dala željenu točnost jer je sadržavala hipotetičke pretpostavke koje su bile izvan kontrole eksperimentatora.
Da bi se povećala tačnost mjerenja, prije svega je bilo potrebno pronaći način da se uzme u obzir isparavanje oblaka, koje je neizbježno nastalo tokom procesa mjerenja.
Razmišljajući o ovom problemu, Millikan je došao do klasične metode ispuštanja, koja je otvorila niz neočekivanih mogućnosti. Ostavimo autora da ispriča priču o izumu:
"Shvativši da je brzina isparavanja kapi ostala nepoznata, pokušao sam smisliti metodu koja bi u potpunosti eliminisala ovu neizvjesnu vrijednost. Moj plan je bio sljedeći. U prethodnim eksperimentima, električno polje je moglo samo malo povećati ili smanjiti brzinu pad vrha oblaka pod uticajem gravitacije.Sada sam hteo da ojačam to polje tako da gornja površina oblaka ostane na konstantnoj visini.U ovom slučaju je bilo moguće precizno odrediti brzinu isparavanja oblak i uzmite to u obzir u proračunima." Da bi implementirao ovu ideju, Milliken je dizajnirao malu bateriju koja je davala napon do 104 V (za to vrijeme to je bilo izvanredno postignuće eksperimentatora). Morala je da stvori dovoljno jako polje da oblak, poput "Muhamedovog kovčega", zadrži u suspendovanom stanju.
"Kada je sve bilo spremno za mene", kaže Milliken, "i kada se oblak stvorio, okrenuo sam prekidač, i oblak je bio u električnom polju. I u tom trenutku se otopio pred mojim očima, drugim riječima, čak ni jedan od celog oblaka je ostao mali komadić koji se mogao posmatrati uz pomoć kontrolnog optičkog uređaja, kao što je to uradio i nameravao da uradim Wilson.Kako mi se u početku činilo, nestanak oblaka bez traga u električno polje između gornje i donje ploče značilo je da je eksperiment završio bez rezultata..."
Međutim, kao i često u istoriji nauke, neuspeh je rodio novu ideju. Ona je dovela do čuvene metode kapi. "Ponovljeni eksperimenti", piše Millikan, "pokazali su da se nakon što se oblak rasprši u snažnom električnom polju, na njegovom mjestu može razlikovati nekoliko odvojenih kapljica vode" (naglasio sam. - V.D.).
"Nesretno" iskustvo dovelo je do otkrića mogućnosti održavanja u ravnoteži i posmatranja pojedinačnih kapljica dovoljno dugo.
No, tokom perioda promatranja, masa vodene kapi značajno se promijenila kao rezultat isparavanja, a Millikan je nakon višednevne potrage prešao na eksperimente s kapljicama ulja.
Pokazalo se da je eksperimentalna procedura jednostavna. Adijabatsko širenje između ploča kondenzatora stvara oblak. Sastoji se od kapljica naelektrisanja različitog modula i predznaka. Kada je električno polje uključeno, kapi sa istim nabojem kao naelektrisanje gornje ploče kondenzatora brzo padaju, a kapi sa suprotnim nabojem privlače se gornjom pločom. Ali određeni broj kapi ima takav naboj da je sila gravitacije uravnotežena električnom silom.
Nakon 7 ili 8 minuta oblak se rasprši, a u vidnom polju ostaje mali broj kapljica čiji naboj odgovara navedenom odnosu sila.
Millikan je uočio ove kapi kao različite svijetle tačke. „Istorija ovih kapi obično teče na sledeći način“, piše on. „U slučaju blage prevlasti gravitacije nad silom polja, one počinju polako da padaju, ali kako postepeno isparavaju, njihovo kretanje nadole ubrzo prestaje, i one dosta dugo postanu nepomične. Tada polje počinje da prevladava, a kapi počinju polako da se dižu. Pred kraj svog života u prostoru između ploča, ovo kretanje naviše postaje vrlo snažno ubrzano i oni se privlače velikom brzinom do gornje ploče."
Shema Millikan instalacije, uz pomoć koje su 1909. godine dobiveni odlučujući rezultati, prikazana je na slici 17.
U komoru C postavljen je ravni kondenzator od okruglih mesinganih ploča M i N prečnika 22 cm (razmak između njih je 1,6 cm). U sredini gornje ploče napravljena je mala rupa p kroz koju su prolazile kapi ulja. Potonji su nastali puhanjem mlaza ulja raspršivačem. Vazduh je prethodno očišćen od prašine prolaskom kroz cev sa staklenom vunom. Kapljice ulja imale su prečnik od oko 10-4 cm.
Iz baterije B na ploče kondenzatora je doveden napon od 104 V. Korištenjem prekidača bilo je moguće kratko spojiti ploče i time uništiti električno polje.
Kapljice ulja koje su padale između ploča M i N bile su osvijetljene snažnim izvorom. Ponašanje kapi posmatrano je okomito na smjer zraka kroz teleskop.
Ioni neophodni za kondenzaciju kapljica stvoreni su zračenjem iz komada radijuma težine 200 mg, koji se nalazi na udaljenosti od 3 do 10 cm od strane ploča.
Uz pomoć posebnog uređaja, plin je proširen spuštanjem klipa. Za 1–2 s nakon ekspanzije, radij je uklonjen ili prekriven olovnim ekranom. Zatim se uključilo električno polje i počelo je posmatranje kapi u teleskop.
Cijev je imala skalu po kojoj je bilo moguće izbrojati put prijeđenu kapom u određenom vremenskom periodu. Vrijeme je određivao tačan sat sa kavezom.
U procesu posmatranja, Millikan je otkrio fenomen koji je poslužio kao ključ za čitav niz kasnijih preciznih mjerenja pojedinačnih elementarnih naelektrisanja.
"Radeći na visećim kapima", piše Milliken, "nekoliko puta sam zaboravio da ih zatvorim od radijumskih zraka. Tada sam primetio da s vremena na vreme jedna od kapi naglo menja naboj i počinje da se kreće duž polja ili protiv to je, očigledno, hvatanje u prvom slučaju pozitivnog, au drugom slučaju negativnog jona. To je otvorilo mogućnost da se sa sigurnošću izmjere ne samo naboji pojedinačnih kapi, kao što sam do tada radio, već i naboj pojedinačnog atmosferskog jona.
Zaista, mjerenjem brzine iste kapi dva puta, jednom prije i drugi put nakon hvatanja jona, očito bih mogao potpuno isključiti svojstva kapi i svojstva medija i raditi s veličinom proporcionalnom samo naboj uhvaćenog jona.
Elementarni naboj je izračunao Millikan na osnovu sljedećih razmatranja. Brzina kapi je proporcionalna sili koja na nju djeluje i ne ovisi o naboju kapi.
Ako je kapljica pala između ploča kondenzatora pod djelovanjem samo gravitacije brzinom v 1, tada
Kada je polje usmjereno protiv gravitacije uključeno, djelujuća sila će biti razlika qE = mg, gdje je q naboj kapljice, E je modul jačine polja.
Brzina pada će biti:
v 2 \u003d k (qE - mg) (2)
Ako jednakost (1) podijelimo sa (2), dobićemo
Neka je kap uhvatila ion i njegov naboj je postao jednak q′ i brzini kretanja v 2 ′. Označimo naboj ovog zarobljenog jona sa e. Tada je e = q′ - q.
Koristeći (3), dobijamo
Vrijednost je konstantna za dati pad.
Stoga će svaki naboj zarobljen kapljicom biti proporcionalan razlici u brzinama (v′ 2 -v 2), drugim riječima, proporcionalan promjeni brzine kapi zbog hvatanja jona!
Dakle, mjerenje elementarnog naboja svedeno je na mjerenje putanje koju je prešla kap i vremena za koje je taj put prešao.
Brojna zapažanja su pokazala valjanost formule (4). Ispostavilo se da se vrijednost e može mijenjati samo u skokovima! Naelektrisanja e, 2e, 3e, 4e, itd. se uvek posmatraju.
"U mnogim slučajevima", piše Millikan, "pad je primećen pet ili šest sati, a za to vreme nije zahvatio osam ili deset jona, već stotine njih. Ukupno sam posmatrao hvatanje mnogo hiljada jona u na ovaj način, iu svim slučajevima, zarobljeni naboj ... bio je ili tačno jednak najmanjem od svih zarobljenih naboja, ili je bio jednak malom cijelom višekratniku ove vrijednosti. Ovo je direktan i nepobitni dokaz da je elektron nije "statistički prosjek", već da su svi električni naboji na jonima ili potpuno jednaki naboju elektrona, ili su mali cjelobrojni višekratnici ovog naboja.
Dakle, atomizam, diskretnost ili, modernim terminima, kvantizacija električnog naboja postala je eksperimentalna činjenica. Sada je bilo važno pokazati da je elektron, da tako kažem, sveprisutan. Svaki električni naboj u tijelu bilo koje prirode je zbir istih elementarnih naboja.
Millikanov metod omogućio je nedvosmislen odgovor na ovo pitanje.
U prvim eksperimentima, naboji su stvoreni jonizacijom neutralnih molekula plina strujom radioaktivnog zračenja. Izmjeren je naboj jona zarobljenih kapima.
Kada se tečnost raspršuje raspršivačem, kapljice se naelektriziraju zbog trenja. Ovo je bilo dobro poznato u 19. veku. Da li su ova naelektrisanja kvantizovana kao naelektrisanja jona?
Millikan "važe" kapljice nakon prskanja i vrši mjerenja punjenja na gore opisani način. Iskustvo otkriva istu diskretnost električnog naboja.
Prskajući kapljice ulja (dielektrik), glicerin (poluprovodnik), živa (provodnik), Millikan dokazuje da se naelektrisanja na tijelima bilo koje fizičke prirode u svim slučajevima bez izuzetka sastoje od zasebnih elementarnih dijelova striktno konstantne vrijednosti.
Godine 1913. Milliken je sumirao rezultate brojnih eksperimenata i dao sljedeću vrijednost za elementarni naboj: e=4,774·10 -10 jedinica. naplatite SGSE.
Tako je uspostavljena jedna od najvažnijih konstanti moderne fizike. Određivanje električnog naboja postalo je jednostavan aritmetički problem.
Elektronska vizualizacija. Veliku ulogu u jačanju ideje o stvarnosti elektrona odigralo je otkriće G. A. Wilsona o efektu kondenzacije vodene pare na ione, što je dovelo do mogućnosti fotografiranja tragova čestica.
Kažu da A. Compton na predavanju nije mogao uvjeriti skeptičnog slušaoca u realnost postojanja mikročestica. Insistirao je da će povjerovati tek kada ih vidi svojim očima.
Zatim je Compton pokazao fotografiju sa tragom α-čestice, pored koje je bio otisak prsta. "Znaš li šta je to?" upitao je Compton. "Prst", odgovorio je slušalac. "U tom slučaju", svečano je izjavio Compton, "ova svjetleća traka je čestica."
Fotografije tragova elektrona nisu samo svjedočile o stvarnosti elektrona. Oni su potvrdili pretpostavku o maloj veličini elektrona i omogućili da se s eksperimentom uporede rezultati teorijskih proračuna, u kojima se pojavio radijus elektrona. Eksperimenti koje je pokrenuo Lenard u proučavanju prodorne moći katodnih zraka pokazali su da vrlo brzi elektroni koje emituju radioaktivne supstance daju tragove u gasu u obliku pravih linija. Dužina staze je proporcionalna energiji elektrona. Fotografije tragova visokoenergetskih α-čestica pokazuju da se tragovi sastoje od velikog broja tačaka. Svaka tačka je kapljica vode koja se pojavljuje na jonu, koji nastaje kao rezultat sudara elektrona s atomom. Poznavajući veličinu atoma i njihovu koncentraciju, možemo izračunati broj atoma kroz koje alfa čestica mora proći na datoj udaljenosti. Jednostavna kalkulacija pokazuje da α-čestica mora proći oko 300 atoma prije nego što na putu sretne jedan od elektrona koji čine ljusku atoma i proizvede ionizaciju.
Ova činjenica uvjerljivo ukazuje da je volumen elektrona zanemarljiv dio zapremine atoma. Staza elektrona sa malom energijom je zakrivljena, pa se spori elektron odbija od unutaratomskog polja. Na svom putu proizvodi više događaja jonizacije.
Iz teorije raspršenja mogu se dobiti podaci za procjenu uglova otklona kao funkcije energije elektrona. Ovi podaci su dobro potvrđeni analizom stvarnih tragova. Podudarnost teorije i eksperimenta ojačala je ideju o elektronu kao najmanjoj čestici materije.
Mjerenje elementarnog električnog naboja otvorilo je mogućnost preciznog određivanja niza važnih fizičkih konstanti.
Poznavanje vrijednosti e automatski omogućava određivanje vrijednosti osnovne konstante - Avogadrove konstante. Prije Millikanovih eksperimenata, postojale su samo grube procjene Avogadro konstante, koje je dala kinetička teorija plinova. Ove procjene su zasnovane na proračunima prosječnog radijusa molekula zraka i varirale su u prilično širokom rasponu od 2·10 23 do 20·10 23 1/mol.
Pretpostavimo da znamo naboj Q koji je prošao kroz otopinu elektrolita i količinu tvari M koja se taložila na elektrodu. Zatim, ako je naboj jona jednak Ze 0, a njegova masa m 0, onda je jednakost
Ako je masa deponovane supstance jednaka jednom molu, onda je Q = F Faradejeva konstanta, a F = N 0 e, odakle je N 0 = F / e. Očigledno, tačnost određivanja Avogadro konstante je data preciznošću kojom se mjeri naboj elektrona.
Praksa je zahtijevala povećanje tačnosti određivanja osnovnih konstanti, a to je bio jedan od poticaja da se nastavi sa usavršavanjem tehnike mjerenja kvanta električnog naboja. Ovaj rad, koji je već čisto metrološke prirode, traje do danas.
Trenutno najpreciznije vrijednosti su:
e \u003d (4,8029 ± 0,0005) 10 -10 jedinica. naplatiti SGSE;
N 0 \u003d (6,0230 ± 0,0005) 10 23 1 / mol.
Znajući N 0, moguće je odrediti broj molekula gasa u 1 cm 3, jer je zapremina koju zauzima 1 mol gasa poznata konstanta.
Poznavanje broja molekula plina u 1 cm 3 omogućilo je zauzvrat određivanje prosječne kinetičke energije toplinskog kretanja molekula.
Konačno, naelektrisanje elektrona se može koristiti za određivanje Plankove konstante i Stefan-Boltzmannove konstante u zakonu toplotnog zračenja.
Paršina Ana, Sevalnikov Aleksej, Luzjanin Roman.
Cilj: naučiti odrediti vrijednost elementarnog naboja elektrolizom; istražiti metode određivanja punjenja elektron.
Oprema: cilindrična posuda sa rastvorom bakar-sulfata, lampa, elektrode, vaga, ampermetar, izvor konstantnog napona, reostat, sat, ključ, spojne žice.
Skinuti:
Pregled:
Za korištenje pregleda prezentacija, kreirajte Google račun (nalog) i prijavite se: https://accounts.google.com
Naslovi slajdova:
Laboratorijski rad Određivanje elementarnog naelektrisanja metodom elektrolize Izvodili učenici 10. razreda srednje škole Čučkovska: Ana Paršina, Aleksej Sevalnikov, Roman Luzjanin. Rukovodilac: nastavnica fizike Chekalina O.Yu.
Svrha rada: naučiti kako se elektrolizom određuje vrijednost elementarnog naboja; metode proučavanja za određivanje naboja elektrona. Oprema: cilindrična posuda sa rastvorom bakar-sulfata, lampa, elektrode, vaga, ampermetar, izvor konstantnog napona, reostat, sat, ključ, spojne žice.
Sastavili smo lanac: Napredak rada:
Rezultat našeg rada
Naučili smo kako se elektrolizom odredi vrijednost elementarnog naboja, proučavali metode za određivanje naboja elektrona. zaključak:
V. Ya. Bryusov "Svijet elektrona" Možda su ovi elektroni svjetovi u kojima postoji pet kontinenata, umjetnosti, znanja, ratova, prijestolja I sjećanja na četrdeset vjekova! Takođe, možda, svaki atom je Univerzum, gde postoji stotinu planeta; Ima svega što je ovdje, u komprimiranom volumenu, Ali i onoga što ovdje nema. Njihove mjere su male, ali njihova beskonačnost je ista kao ovdje; Tu je tuga i strast, kao ovde, a i tamo ista svetska oholost. Njihovi mudraci, koji svoj bezgranični svijet stavljaju u središte bića, Požure da proniknu u iskre misterije I misle, kao što ja sada činim; I u trenutku kada se od uništenja stvaraju struje novih, Viču, u snovima samohipnoze, Da je Bog svoju baklju ugasio!
