Az elemi elektromos töltés meghatározásának módszerei - absztrakt. Elemi töltés meghatározása elektrolízissel Fizikai laboratóriumi munka Elemi töltés mérése

Az Orosz Föderáció Oktatási Minisztériuma

Amuri Állami Pedagógiai Egyetem

Az elemi elektromos töltés meghatározásának módszerei

151g diák töltötte ki.

Venzelev A.A.

Ellenőrizte: Cheraneva T.G.

Bevezetés.

1. Az elektron felfedezésének előtörténete

2. Az elektron felfedezésének története

3. Kísérletek és módszerek az elektron felfedezésére

3.1 Thomson tapasztalat

3.2 Rutherford tapasztalatai

3.3. Millikan módszer

3.3.1. rövid életrajz

3.3.2. Telepítési leírás

3.3.3. Az elemi töltés számítása

3.3.4. Következtetések a módszerből

3.4. Compton képalkotó módszer

Következtetés.

Bevezetés:

ELEKTRON - az első elemi részecske a felfedezési idő szempontjából; a természetben a legkisebb tömegű és legkisebb elektromos töltésű anyaghordozó; az atom alkotó része.

Egy elektron töltése 1,6021892. 10-19 C

4.803242. 10-10 egység SGSE

Az elektron tömege 9,109534. 10-31 kg

Fajlagos töltés e/m e 1,7588047 . 10 11 Cl. kg -1

Az elektron spin 1/2 (h egységekben), és két vetülete van ±1/2; az elektronok engedelmeskednek a Fermi-Dirac statisztikának, a fermionok. Rájuk a Pauli-féle kizárási elv vonatkozik.

Az elektron mágneses momentuma - 1,00116 m b, ahol m b a Bohr-magneton.

Az elektron egy stabil részecske. A kísérleti adatok szerint az élettartam t e > 2 . 10 22 éves.

Nem vesz részt az erős kölcsönhatásban, lepton. A modern fizika az elektront valóban elemi részecskének tekinti, amelynek nincs szerkezete és méretei. Ha az utóbbi és nem nulla, akkor az elektron sugara r e< 10 -18 м

1. A felfedezés háttere

Az elektron felfedezése számos kísérlet eredménye volt. A XX. század elejére. az elektron létezését számos független kísérletben megállapították. De az egész nemzeti iskolák által felhalmozott kolosszális kísérleti anyag ellenére az elektron hipotetikus részecske maradt, mert a tapasztalat még nem adott választ számos alapvető kérdésre. Valójában az elektron „felfedezése” több mint fél évszázadig elhúzódott, és 1897-ben sem ért véget; sok tudós és feltaláló vett részt benne.

Először is, nem volt egyetlen olyan kísérlet sem, amelyben egyes elektronok vettek volna részt. Az elemi töltést a mikroszkopikus töltés mérése alapján számítottuk ki, feltételezve, hogy számos hipotézis helyes.

A bizonytalanság alapvetően fontos ponton volt. Először az elektrolízis törvényeinek atomisztikus értelmezése eredményeként jelent meg az elektron, majd egy gázkisülésben fedezték fel. Nem volt világos, hogy a fizika valóban ugyanazzal a tárggyal foglalkozik-e. A szkeptikus természettudósok nagy csoportja úgy vélte, hogy az elemi töltés a legkülönbözőbb nagyságrendű töltések statisztikai átlaga. Ráadásul az elektron töltésének mérésére irányuló kísérletek egyike sem adott szigorúan ismétlődő értékeket.
Voltak szkeptikusok, akik általában figyelmen kívül hagyták az elektron felfedezését. akadémikus A.F. Ioff tanáráról szóló emlékirataiban, V.K. Röntgene ezt írta: „1906-1907-ig. az elektron szót nem szabad kimondani a müncheni egyetem fizikai intézetében. Roentgen nem bizonyított hipotézisnek tartotta, amelyet gyakran kellő indok nélkül és szükségtelenül alkalmaztak.

Az elektron tömegének kérdése nem megoldott, nem bizonyított, hogy mind a vezetőkön, mind a dielektrikumon a töltések elektronokból állnak. Az "elektron" fogalmának nem volt egyértelmű értelmezése, mert a kísérlet még nem tárta fel az atom szerkezetét (Rutherford bolygómodellje 1911-ben, Bohr elmélete pedig 1913-ban jelent meg).

Az elektron még nem lépett be az elméleti konstrukciókba. Lorentz elektronelmélete egy folytonos eloszlású töltéssűrűséget jellemez. A Drude által kidolgozott fémes vezetőképesség elméletben diszkrét töltésekről volt szó, de ezek önkényes töltések voltak, amelyek értékére nem szabtak korlátozást.

Az elektron még nem hagyta el a "tiszta" tudomány kereteit. Emlékezzünk vissza, hogy az első elektroncső csak 1907-ben jelent meg. A hitből a meggyőződés felé való elmozduláshoz mindenekelőtt az elektron elkülönítésére volt szükség, és ki kellett találni egy módszert az elemi töltés közvetlen és pontos mérésére.

A probléma megoldása nem sokáig váratott magára. 1752-ben B. Franklin fogalmazta meg először az elektromos töltés diszkrétségének gondolatát. Kísérletileg a töltések diszkrétségét M. Faraday által 1834-ben felfedezett elektrolízis törvényei támasztották alá. Az elemi töltés (a természetben előforduló legkisebb elektromos töltés) számértékét elméletileg az elektrolízis törvényei alapján számították ki az elektrolízis törvényei alapján. Avogadro szám. Az elemi töltés közvetlen kísérleti mérését R. Millikan végezte 1908-1916 között végzett klasszikus kísérletekben. Ezek a kísérletek is cáfolhatatlan bizonyítékot adtak az elektromosság atomizmusára. Az elektronelmélet alapfogalmai szerint egy test töltése a benne lévő elektronok számának (vagy pozitív ionoknak, amelyek töltése többszöröse az elektron töltésének) változása következtében keletkezik. Ezért bármely test töltésének hirtelen és olyan részekben kell változnia, amelyek egész számú elektrontöltést tartalmaznak. Miután a tapasztalatok alapján megállapította az elektromos töltés változásának diszkrét jellegét, R. Milliken meg tudta igazolni az elektronok létezését, és olajcsepp módszerrel meghatározta egy elektron töltésének (elemi töltés) nagyságát. A módszer a töltött olajcseppek ismert E erősségű egyenletes elektromos térben történő mozgásának vizsgálatán alapul.

2. Az elektron felfedezése:

Ha figyelmen kívül hagyjuk, hogy mi előzte meg az első elemi részecske - az elektron - felfedezését, és mi kísérte ezt a kiemelkedő eseményt, akkor röviden elmondhatjuk: 1897-ben a híres angol fizikus, Thomson Joseph John (1856-1940) megmérte a q / m fajlagos töltést. katódsugár részecskék - "testek", ahogy ő nevezte őket, a katódsugarak elhajlása szerint *) elektromos és mágneses mezőben.

A kapott számot az akkor ismert egyértékű hidrogénion fajlagos töltésével összehasonlítva közvetett érveléssel arra a következtetésre jutott, hogy ezeknek a részecskéknek a tömege, amelyeket később "elektronoknak" neveztek el, sokkal kisebb (több mint egy ezerszerese), mint a legkönnyebb hidrogénion tömege.

Ugyanebben az évben, 1897-ben azt a hipotézist terjesztette elő, hogy az elektronok az atomok szerves részét képezik, és a katódsugarak nem atomok vagy elektromágneses sugárzások, ahogyan azt a sugarak tulajdonságainak egyes kutatói hitték. Thomson ezt írta: "Így a katódsugarak az anyag új halmazállapotát képviselik, amely lényegében különbözik a szokásos gázhalmazállapottól...; ebben az új állapotban az anyag az az anyag, amelyből minden elem felépül."

1897 óta a katódsugarak korpuszkuláris modellje általános elismertségre tett szert, bár az elektromosság természetéről sokféle ítélet született. Tehát E. Wiechert német fizikus úgy vélte, hogy "az elektromosság valami képzelet, valójában csak gondolatokban létezik", és a híres angol fizikus, Lord Kelvin ugyanebben az évben, 1897-ben, az elektromosságról, mint egyfajta "folyamatos folyadékról" írt.

Thomson elképzelését, amely szerint a katódsugártestek az atom fő alkotóelemei, nem fogadták nagy lelkesedéssel. Egyes kollégái úgy gondolták, hogy rejtélyesnek tartotta őket, amikor azt javasolta, hogy a katódsugár-részecskéket az atom lehetséges alkotóelemeiként kell tekinteni. A Thomson-testek valódi szerepe az atom felépítésében más vizsgálatok eredményeivel, különösen a spektrumelemzés és a radioaktivitás vizsgálatának eredményeivel kombinálva érthető meg.

1897. április 29-én Thomson a Londoni Királyi Társaság ülésén elmondta híres üzenetét. Az elektron felfedezésének pontos időpontja - nap és óra - eredetisége miatt nem nevezhető meg. Ez az esemény Thomson és munkatársai sokéves munkájának eredménye. Sem Thomson, sem senki más nem figyelt meg soha szó szerinti értelemben vett elektront, senkinek sem sikerült egyetlen részecskét sem elkülönítenie a katódsugárnyalábból, és megmérni a fajlagos töltését. A felfedezés szerzője J. J. Thomson, mert az elektronról alkotott elképzelései közel álltak a modernekhez. 1903-ban javasolta az atom egyik első modelljét - a "mazsola pudingot", 1904-ben pedig azt javasolta, hogy az atomban lévő elektronok csoportokra oszlanak, különféle konfigurációkat képezve, amelyek meghatározzák a kémiai elemek periodicitását.

A felfedezés helye pontosan ismert - a Cavendish Laboratory (Cambridge, Egyesült Királyság). J. K. Maxwell 1870-ben hozta létre, és a következő száz évben a fizika különböző területein, különösen az atom- és a nukleáris területen ragyogó felfedezések egész láncolatának "bölcsőjévé" vált. Rendezői: Maxwell J.K. - 1871-től 1879-ig, Lord Rayleigh - 1879-től 1884-ig, Thomson J.J. - 1884-től 1919-ig, Rutherford E. - 1919-től 1937-ig, Bragg L. - 1938-tól 1953-ig; igazgatóhelyettes 1923-1935 között – Chadwick J.

A tudományos kísérleti kutatást egy tudós vagy egy kis csoport végezte a kreatív keresés légkörében. Lawrence Bragg később így emlékezett vissza apjával, Henry Bragggel végzett 1913-as munkájára: „Csodálatos idő volt, amikor szinte minden héten új, izgalmas eredmények születtek, mint például új aranytartalmú területek felfedezése, ahol a rögöket közvetlenül a földről lehet felszedni. . Ez a háború kezdetéig folytatódott *), amely véget vetett közös munkánknak".

3. Elektronfelderítési módszerek:

3.1 Thomson tapasztalat

Joseph John Thomson Joseph John Thomson, 1856–1940

Angol fizikus, ismertebb nevén J. J. Thomson. Cheetham Hillben, Manchester külvárosában született egy használt régiségkereskedő családjában. 1876-ban ösztöndíjat nyert, hogy Cambridge-ben tanuljon. 1884-1919-ben a Cambridge-i Egyetem Kísérleti Fizikai Tanszékének professzora és részmunkaidőben a Cavendish Laboratórium vezetője volt, amely Thomson erőfeszítéseinek köszönhetően a világ egyik leghíresebb kutatóközpontjává vált. Ugyanakkor 1905-1918-ban a londoni Royal Institute professzora volt. 1906-ban fizikai Nobel-díjat kapott "az elektromosság gázokon való áthaladásának kutatásáért" szöveggel, amely természetesen magában foglalja az elektron felfedezését is. Thomson fia, George Paget Thomson (1892-1975) szintén fizikai Nobel-díjas lett – 1937-ben a kristályok elektrondiffrakciójának kísérleti felfedezéséért.

1897-ben a fiatal angol fizikus, J. J. Thomson évszázadokon át az elektron felfedezőjeként vált híressé. Thomson kísérletében egy továbbfejlesztett katódsugárcsövet használt, amelynek kialakítását elektromos tekercsekkel egészítették ki, amelyek (Ampère törvénye szerint) mágneses teret hoztak létre a cső belsejében, és párhuzamos elektromos kondenzátorlemezekkel, amelyek elektromos teret hoztak létre a cső belsejében. a cső. Ez lehetővé tette a katódsugarak viselkedésének tanulmányozását mágneses és elektromos mezők hatására egyaránt.

Thomson egy új csőkialakítással egymás után megmutatta, hogy: (1) a katódsugarak eltérnek egy mágneses térben elektromos tér hiányában; (2) a katódsugarak elektromos térben eltérnek mágneses térben; és (3) kiegyensúlyozott intenzitású, irányban elhelyezkedő, külön-külön ellentétes irányú eltéréseket okozó elektromos és mágneses mezők egyidejű hatására a katódsugarak egyenes vonalban terjednek, azaz a két mező hatása kölcsönösen kiegyensúlyozott.

Thomson megállapította, hogy az elektromos és a mágneses mezők közötti kapcsolat, amelynél hatásuk kiegyensúlyozott, a részecskék mozgási sebességétől függ. Egy sor mérés után Thomsonnak sikerült meghatároznia a katódsugarak sebességét. Kiderült, hogy a fénysebességnél jóval lassabban mozognak, amiből az következett, hogy a katódsugarak csak részecskék lehetnek, hiszen bármilyen elektromágneses sugárzás, így maga a fény is, fénysebességgel terjed (lásd Elektromágneses sugárzási spektrum). Ezek az ismeretlen részecskék. Thomson "testtesteknek" nevezte őket, de hamarosan "elektronoknak" is nevezték őket.

Azonnal világossá vált, hogy az elektronoknak létezniük kell az atomok összetételében – különben honnan származnának? 1897. április 30-át – Thomsonnak a Londoni Királyi Társaság ülésén elért eredményeiről szóló jelentésének dátumát – tartják az elektron születésnapjának. És ezen a napon az atomok "oszthatatlanságának" gondolata a múlté vált (lásd: Az anyag szerkezetének atomelmélete). Az atommag felfedezésével együtt, amely valamivel több mint tíz évvel később következett (lásd Rutherford kísérletét), az elektron felfedezése megalapozta az atom modern modelljét.

A fentebb leírt „katód”, pontosabban a katódsugárcsövek a modern televíziós kineszkópok és számítógép-monitorok legegyszerűbb elődjei lettek, amelyekben szigorúan ellenőrzött mennyiségű elektront ütnek ki a forró katód felületéről váltakozó áram hatására. A mágneses mezők szigorúan meghatározott szögekben térnek el, és bombázzák a képernyők foszforeszkáló celláit, és a fotoelektromos hatás eredményeként tiszta képet alkotnak rajtuk, amelynek felfedezése szintén lehetetlen lenne a katódsugarak valódi természetének ismerete nélkül.

3.2 Rutherford tapasztalatai

Ernest Rutherford, Nelson első Rutherford bárója I Ernest Rutherford, Nelson első Rutherford bárója, 1871–1937

új-zélandi fizikus. Nelsonban született, kézműves gazda fiaként. Ösztöndíjat nyert, hogy a Cambridge-i Egyetemen tanulhasson Angliában. Érettségi után a kanadai McGill Egyetemre (McGill University) nevezték ki, ahol Frederick Soddyval (Frederick Soddy, 1877–1966) együtt meghatározta a radioaktivitás jelenségének alaptörvényeit, amiért 1908-ban kitüntetést kapott. a kémiai Nobel-díjat. A tudós hamarosan a Manchesteri Egyetemre költözött, ahol vezetése alatt Hans Geiger (Hans Geiger, 1882–1945) feltalálta híres Geiger-számlálóját, elkezdte tanulmányozni az atom szerkezetét, és 1911-ben felfedezte az atom létezését. atommag. Az első világháború alatt szonárok (akusztikus radarok) fejlesztésével foglalkozott az ellenséges tengeralattjárók észlelésére. 1919-ben kinevezték a fizika professzorává és a Cambridge-i Egyetem Cavendish Laboratóriumának igazgatójává, és még ugyanebben az évben felfedezte az atommag bomlását a nagy energiájú nehéz részecskék bombázása következtében. Rutherford élete végéig ezen a poszton maradt, ugyanakkor évekig a Royal Scientific Society elnöke volt. A Westminster Abbeyben temették el Newton, Darwin és Faraday mellett.

Ernest Rutherford egyedülálló tudós abban az értelemben, hogy fő felfedezéseit a Nobel-díj átvétele után tette. 1911-ben sikerült neki egy kísérlet, amely nemcsak lehetővé tette a tudósok számára, hogy mélyen belenézzenek az atomba, és képet kapjanak annak szerkezetéről, hanem az elegancia és a tervezés mélysége modelljévé is vált.

Természetes radioaktív sugárforrás felhasználásával Rutherford ágyút épített, amely irányított és fókuszált részecskeáramot adott. A fegyver egy ólomdoboz volt, keskeny résszel, amelybe radioaktív anyagot helyeztek. Emiatt a radioaktív anyag által egy kivételével minden irányban kibocsátott részecskéket (jelen esetben két protonból és két neutronból álló alfa részecskéket) elnyelte az ólomszűrő, és csak egy irányított alfa-részecske sugár repült ki. a résen keresztül.

Tapasztalati rendszer

A sugár útjában még több ólomszita állt keskeny hasításokkal, amelyek levágták a szigorúan eltérõ részecskéket.

adott irányt. Ennek eredményeként egy tökéletesen fókuszált alfa-részecskék nyalábja repült fel a célpontra, maga a cél pedig egy nagyon vékony aranyfólialap volt. Az alfa-sugár érte el. A fóliaatomokkal való ütközés után az alfa-részecskék folytatták útjukat és eltalálták a célpont mögé telepített lumineszcens képernyőt, amelyen felvillanásokat rögzítettek, amikor az alfa-részecskék eltalálták. Ezek alapján a kísérletvezető meg tudta ítélni, hogy fóliaatomokkal való ütközés következtében hány és mennyi alfa-részecske tér el az egyenes vonalú mozgás irányától.

Rutherford azonban észrevette, hogy egyik elődje sem próbálta kísérletileg tesztelni, hogy egyes alfa-részecskék nagyon nagy szögben elhajlottak-e. A mazsola rácsmodell egyszerűen nem tette lehetővé, hogy az atomban olyan sűrű és nehéz szerkezeti elemek létezzenek, hogy jelentős szögben eltéríthessék a gyors alfa-részecskéket, ezért senki sem vette a fáradságot ennek a lehetőségnek a tesztelésére. Rutherford arra kérte egyik tanítványát, hogy szerelje fel újra a készüléket úgy, hogy az alfa-részecskék nagy elhajlási szögben történő szóródását is megfigyelhesse - csak a lelkiismerete megtisztítására, hogy teljesen kiküszöbölje ezt a lehetőséget. A detektor egy nátrium-szulfiddal bevont képernyő volt, amely anyag fluoreszkáló villanást bocsát ki, amikor egy alfa-részecske eltalálja. Nemcsak a kísérletet közvetlenül végző hallgató, hanem maga Rutherford is meglepődött, amikor kiderült, hogy egyes részecskék akár 180°-os szögben is eltérnek!

A Rutherford által a kísérlet eredményei alapján megrajzolt atomképet ma már jól ismerjük. Az atom egy szupersűrű, kompakt magból áll, amely pozitív töltést hordoz, és negatív töltésű könnyű elektronokból áll. Később a tudósok szilárd elméleti alapokra helyezték ezt a képet (lásd a Bohr atomot), de az egész egy egyszerű kísérlettel kezdődött egy kis radioaktív anyagmintával és egy darab aranyfóliával.

3.2 Módszer Millikan

3.2.1. Rövid életrajz:

Robert Milliken 1868-ban született Illinois államban, szegény papi családban. Gyermekkorát Makvoket tartományi városában töltötte, ahol nagy figyelmet fordítottak a sportra és rosszul tanítottak. Egy fizikát tanító középiskola igazgatója például így szólt kisdiákjaihoz: „Hogyan lehet hangot kelteni a hullámokból? Baromság, fiúk, ez az egész baromság!"

Az Oberdeen College sem volt jobb, de Millikannak, akinek nem volt anyagi támogatása, magának kellett fizikát tanítania a középiskolában. Amerikában akkoriban mindössze két fizikatankönyvet fordítottak le franciából, és a tehetséges fiatalembernek nem okozott nehézséget ezek tanulmányozása és sikeres tanítása. 1893-ban beiratkozott a Columbia Egyetemre, majd Németországba ment tanulni.

Millikan 28 éves volt, amikor ajánlatot kapott A. Michelsontól, hogy a Chicagói Egyetemen vállaljon asszisztensi állást. Kezdetben szinte kizárólag pedagógiai munkával foglalkozott itt, s csak negyvenévesen kezdett tudományos kutatásba, amely világhírnevet hozott számára.

3.2.2. Első tapasztalatok és problémamegoldás:

Az első kísérletek a következők voltak. Egy lapos kondenzátor lemezei között, amelyre 4000 V-os feszültséget kapcsoltak, felhő jött létre, amely az ionokon megtelepedett vízcseppekből állt. Először a felhő tetejének esését figyelték meg elektromos tér hiányában. Ezután egy felhő jött létre bekapcsolt feszültség mellett. A felhő esése a gravitáció és az elektromos erő hatására következett be.
A felhőben lévő cseppre ható erő és az általa elért sebesség aránya az első és a második esetben azonos. Az első esetben az erő egyenlő mg, a másodikban mg + qE, ahol q a csepp töltése, E az elektromos térerősség. Ha a sebesség az első esetben υ 1 a másodikban υ 2, akkor

Ismerve a felhő esési sebességének υ függését a levegő viszkozitásától, kiszámíthatjuk a kívánt q töltést. Ez a módszer azonban nem adta meg a kívánt pontosságot, mert olyan hipotetikus feltevéseket tartalmazott, amelyek a kísérletvezető befolyásán kívül esnek.

A mérési pontosság növelése érdekében mindenekelőtt módot kellett találni a felhőpárolgás figyelembevételére, amely a mérési folyamat során elkerülhetetlenül bekövetkezett.

Millikan erre a problémára reflektálva előállt a klasszikus csepp módszerrel, amely számos váratlan lehetőséget nyitott meg. Hagyjuk a szerzőt, hogy mesélje el a találmány történetét:
– Felismerve, hogy a cseppek párolgási sebessége ismeretlen maradt, megpróbáltam olyan módszert kitalálni, amivel teljesen kiküszöbölhető ez a meghatározatlan érték. A tervem a következő volt. A korábbi kísérletekben az elektromos tér csak kis mértékben tudta növelni vagy csökkenteni a felhő tetejének esési sebességét a gravitáció hatására. Most ezt a mezőt szerettem volna erősíteni, hogy a felhő felső felülete állandó magasságban maradjon. Ebben az esetben lehetővé vált a felhő párolgási sebességének pontos meghatározása és figyelembe vétele a számításoknál.

Ennek az ötletnek a megvalósítására Milliken egy kis méretű újratölthető akkumulátort tervezett, amely akár 10 4 V feszültséget is adott (ez akkoriban a kísérletező kiemelkedő teljesítménye volt). Elég erős mezőt kellett létrehoznia ahhoz, hogy a felhőt, akárcsak Mohamed koporsóját, felfüggesztett állapotban tartsa. „Amikor készen álltam” – mondja Milliken, és amikor a felhő kialakult, elfordítottam a kapcsolót, és a felhő elektromos mezőben volt. És abban a pillanatban elolvadt a szemem előtt, vagyis az egész felhőből nem maradt egy kis darabka sem, amit egy vezérlő optikai eszközzel lehetett megfigyelni, ahogy Wilson tette és én is fogom. Először úgy tűnt számomra, hogy a felhő nyomtalan eltűnése a felső és alsó lemezek közötti elektromos térben azt jelenti, hogy a kísérlet eredménytelenül végződött ... "Amint azonban a tudomány történetében gyakran előfordult, a kudarc okot okozott egy új ötlethez. Elvezetett a híres cseppek módszeréhez. „Ismételt kísérletek – írja Milliken – kimutatták, hogy miután a felhő erős elektromos térben szétoszlott a helyén több egyedi vízcseppet lehetett megkülönböztetni”(hangsúlyozom én. - V.D.). A „sajnálatos” tapasztalat az egyensúlyban tartás és az egyes cseppek kellően hosszú ideig tartó megfigyelésének lehetőségének felfedezéséhez vezetett.

Ám a megfigyelési időszak alatt a vízcsepp tömege jelentősen megváltozott a párolgás következtében, és Millikan sok napos keresés után áttért az olajcseppekkel végzett kísérletekre.

A kísérleti eljárás egyszerűnek bizonyult. A kondenzátor lemezei közötti adiabatikus tágulás felhőt képez. Különböző modulusú és előjelű töltésekkel rendelkező cseppekből áll. Az elektromos tér bekapcsolásakor a kondenzátor felső lemezének töltésével azonos töltésű cseppek gyorsan esnek, az ellentétes töltésű cseppeket pedig a felső lemez vonzza. De bizonyos számú cseppnek olyan töltése van, hogy a gravitációs erőt kiegyenlíti az elektromos erő.

7 vagy 8 perc elteltével. a felhő feloszlik, és a látómezőben kis számú csepp marad, amelyek töltése megfelel a jelzett erőegyensúlynak.

Millikan ezeket a cseppeket különálló fényes pontokként figyelte meg. „Ezeknek a cseppeknek a története általában a következőképpen zajlik – írja: „Ha a gravitáció enyhe túlsúlya van a térerő felett, lassan esni kezdenek, de mivel fokozatosan elpárolognak, lefelé irányuló mozgásuk hamarosan leáll. , és elég hosszú időre mozdulatlanná válnak . Ezután a mezőny kezd dominálni, és a cseppek lassan emelkedni kezdenek. Életük vége felé a lemezek közötti térben ez a felfelé irányuló mozgás nagyon erősen felgyorsul, és nagy sebességgel vonzódnak a felső lemezhez.

3.2.3. Telepítési leírás:

A Millikan installáció sémáját, amelynek segítségével 1909-ben döntő eredmények születtek, a 17. ábra mutatja.

A C kamrában egy 22 cm átmérőjű M és N kerek sárgaréz lemezekből készült lapos kondenzátort helyeztek el (a köztük lévő távolság 1,6 cm volt). A felső lemez közepén egy kis p lyuk készült, amelyen olajcseppek haladtak át. Utóbbiakat olajsugár permetezővel való fújásával alakították ki. A levegőt előzőleg megtisztították a portól üveggyapotú csövön keresztül. Az olajcseppek átmérője körülbelül 10-4 cm volt.

A B tároló akkumulátorról a kondenzátorlapokra 10 4 V feszültséget vezettünk, kapcsoló segítségével lehetőség nyílt a lemezek rövidre zárására és ezáltal az elektromos mező tönkretételére.

Az M és N lemezek közé eső olajcseppeket erős forrás világította meg. A cseppek viselkedését a távcsövön keresztül a sugarak irányára merőlegesen figyelték meg.

A cseppek kondenzációjához szükséges ionokat a lemezek oldalától 3-10 cm távolságra elhelyezkedő, 200 mg tömegű rádiumdarab besugárzásával hoztuk létre.

Egy speciális eszköz segítségével a gázt a dugattyú leengedésével bővítették. A kitágítás után 1-2 másodperccel a rádiumot eltávolítottuk, vagy ólomszitával lefedtük. Ezután bekapcsolták az elektromos mezőt, és megkezdődött a távcsőbe eső cseppek megfigyelése. A csőnek volt egy skálája, amellyel meg lehetett számolni egy csepp által megtett utat egy bizonyos időtartam alatt. Az időt egy kalitkás pontos óra rögzítette.

A megfigyelések során Millikan felfedezett egy jelenséget, amely kulcsa volt az egyes elemi töltések későbbi pontos méréseinek teljes sorozatának.

„Miközben a lebegő cseppeken dolgoztam – írja Millikan –, többször elfelejtettem levédeni őket a rádium sugaraitól. Aztán véletlenül észrevettem, hogy időről időre az egyik csepp hirtelen megváltoztatta a töltését, és elkezdett mozogni a mező mentén vagy ellene, nyilvánvalóan az első esetben egy pozitív, a második esetben egy negatív iont. Ezzel megnyílt a lehetőség, hogy ne csak az egyes cseppek töltéseit, ahogyan azt eddig tettem, biztosan mérjük, hanem egy egyedi légköri ion töltését is.

Ugyanannak a cseppnek a sebességét kétszer megmérve, egyszer az ion befogása előtt, másodszor pedig az ion befogása után, nyilvánvalóan teljesen kizárhatnám a csepp tulajdonságait és a közeg tulajdonságait, és csak az ion befogásával arányos értékkel operálhatnék. a befogott ion töltése.

3.2.4. Az elemi töltés kiszámítása:

Az elemi töltést Millikan az alábbi szempontok alapján számította ki. Az ejtés sebessége arányos a rá ható erővel, és nem függ a csepp töltésétől.
Ha csak a gravitáció hatására v sebességgel csepp esik egy kondenzátor lapjai közé, akkor

A gravitáció ellen irányuló mező bekapcsolásakor a ható erő a qE - mg különbség lesz, ahol q a csepp töltése, E a térerősség modulusa.

Az esési sebesség a következő lesz:

υ 2 \u003d k (qE-mg) (2)

Ha az (1) egyenlőséget elosztjuk (2)-vel, akkor azt kapjuk

Innen

Legyen a csepp befogja az iont és töltése egyenlő legyen q"-val, a mozgási sebesség pedig υ 2. Ennek a befogott ionnak a töltését e-vel jelöljük.

Ekkor e = q "- q.

A (3) segítségével azt kapjuk, hogy

Az érték egy adott cseppnél állandó.

3.2.5. Következtetések a Millikan-módszerből

Következésképpen bármely csepp által felfogott töltés arányos lesz a sebességek különbségével (υ " 2 - υ 2), más szóval, arányos a csepp sebességének egy ion befogása miatti változásával! az elemi töltés mérését a csepp által megtett út és az út megtételének időtartamának mérésére redukálták. Számos megfigyelés igazolta a (4) képlet érvényességét Kiderült, hogy az e értéke csak változhat ugrásban!Mindig megfigyelik az e, 2e, 3e, 4e stb.

„Sok esetben – írja Millikan – a cseppet öt-hat órán keresztül figyelték meg, és ezalatt nem nyolc vagy tíz iont fogott be, hanem több száz iont. Összességében sok ezer ion befogását figyeltem meg ilyen módon, és minden esetben a befogott töltés... vagy pontosan egyenlő volt az összes befogott töltés közül a legkisebbvel, vagy ennek kicsi, egész számú többszörösével. érték. Ez közvetlen és cáfolhatatlan bizonyítéka annak, hogy az elektron nem „statisztikai átlag”, hanem az ionokon lévő összes elektromos töltés vagy pontosan megegyezik az elektron töltésével, vagy ennek a töltésnek kicsi, egész számú többszöröse.

Tehát az atomizmus, a diszkrétség, vagy modern szóhasználattal az elektromos töltés kvantálása kísérleti ténnyé vált. Most fontos volt megmutatni, hogy az elektron úgyszólván mindenütt jelen van. Bármilyen természetű testben bármely elektromos töltés ugyanazon elemi töltések összege.

Millikan módszere lehetővé tette a kérdés egyértelmű megválaszolását. Az első kísérletekben a töltéseket semleges gázmolekulák radioaktív sugárzásárammal történő ionizálásával hozták létre. Megmértük a cseppek által felfogott ionok töltését.

Amikor egy folyadékot porlasztóval permeteznek, a cseppek a súrlódás miatt felvillanyozódnak. Ezt jól ismerték a 19. században. Ezek a töltések olyan kvantáltak, mint az ionok töltései? A Millikan a permetezés után "leméri" a cseppeket, és a fent leírt módon töltésmérést végez. A tapasztalat ugyanazt az elektromos töltés diszkrétségét mutatja.

Olaj (dielektrikum), glicerin (félvezető), higany (vezető) cseppek permetezése bizonyítja, hogy bármilyen fizikai természetű test töltése kivétel nélkül minden esetben szigorúan állandó értékű különálló elemi részekből áll. Millikan 1913-ban számos kísérlet eredményeit összegezte, és az elemi töltésre a következő értéket adta: e = 4,774. 10-10 egység töltse fel az SGSE-t. Így létrejött a modern fizika egyik legfontosabb állandója. Az elektromos töltés meghatározása egyszerű számtani feladattá vált.

3.4 Compton képalkotó módszer:

Az elektron valóságának gondolatának megerősítésében nagy szerepet játszott a C.T.R. felfedezése. Wilson a vízgőz kondenzációjának ionokra gyakorolt hatását, ami lehetővé tette a részecskenyomok fényképezését.

Azt mondják, hogy A. Compton az előadáson nem tudta meggyőzni a szkeptikus hallgatót a mikrorészecskék létezésének valóságáról. Ragaszkodott hozzá, hogy csak akkor fog hinni, ha a saját szemével látja őket.
Aztán Compton megmutatott egy fényképet egy α-részecske nyomvonallal, amely mellett egy ujjlenyomat volt. "Tudod mi ez?" – kérdezte Compton. – Ujj – válaszolta a hallgató. – Ebben az esetben – jelentette ki ünnepélyesen Compton –, ez a világító sáv a részecske.
Az elektronnyomok fényképei nemcsak az elektronok valóságáról tanúskodtak. Megerősítették az elektronok kis méretére vonatkozó feltevést, és lehetővé tették az elméleti számítások eredményeinek kísérleti összehasonlítását, amelyekben az elektronsugár megjelent. A Lenard által kezdeményezett kísérletek a katódsugarak áthatoló erejének tanulmányozására azt mutatták, hogy a radioaktív anyagok által kibocsátott nagyon gyors elektronok egyenes vonalak formájában nyomokat adnak egy gázban. A pálya hossza arányos az elektron energiájával. A nagy energiájú α-részecske pályákról készült fényképek azt mutatják, hogy a pályák nagyszámú pontból állnak. Minden pont egy ionon megjelenő vízcsepp, amely egy elektron atommal való ütközése következtében jön létre. Egy atom méretének és koncentrációjuk ismeretében kiszámolhatjuk, hogy adott távolságban hány atomon kell áthaladnia egy alfa-részecskének. Egy egyszerű számítás azt mutatja, hogy egy α-részecskének körülbelül 300 atomot kell megtennie, mielőtt útközben találkozna az atom héját alkotó elektronok egyikével, és ionizációt váltana ki.

Ez a tény meggyőzően jelzi, hogy az elektronok térfogata az atom térfogatának elenyésző töredéke. Az alacsony energiájú elektron nyomvonala görbült, ezért a lassú elektront az atomon belüli tér eltéríti. Útközben több ionizációs eseményt produkál.

A szóráselméletből az elektronok energiájától függő elhajlási szögek becslésére kaphatunk adatokat. Ezeket az adatokat a valós nyomvonalak elemzése jól megerősíti, az elmélet és a kísérlet egybeesése megerősítette az elektron, mint az anyag legkisebb részecskéjének elképzelését.

Következtetés:

Az elemi elektromos töltés mérése számos fontos fizikai állandó pontos meghatározására nyitott lehetőséget.
Az e értékének ismerete automatikusan lehetővé teszi az alapállandó – az Avogadro-állandó – értékének meghatározását. Millikan kísérletei előtt csak durva becslések voltak az Avogadro-állandóról, amelyeket a gázok kinetikai elmélete adott. Ezek a becslések egy levegőmolekula átlagos sugarának számításán alapultak, és meglehetősen széles tartományban változtak, 2-től. 10 23-tól 20-ig. 10 23 1/mol.

Tegyük fel, hogy ismerjük az elektrolit oldaton áthaladó Q töltést és az elektródán lerakódott M anyag mennyiségét. Ekkor ha az ion töltése egyenlő Ze 0-val és tömege m 0, akkor az egyenlőség

Ha a lerakott anyag tömege egy mól,

akkor Q \u003d F- Faraday állandó, és F \u003d N 0 e, ahonnan:

Nyilvánvalóan az Avogadro-állandó meghatározásának pontosságát az a pontosság adja, amellyel az elektrontöltést mérik. A gyakorlat megkövetelte az alapállandók meghatározásának pontosságának növelését, és ez volt az egyik ösztönző az elektromos töltéskvantum mérési technikájának továbbfejlesztésére. Ez a már tisztán metrológiai jellegű munka a mai napig tart.

A legpontosabb értékek jelenleg:

e \u003d (4,8029 ± 0,0005) 10 -10. egységek töltés SGSE;

N 0 \u003d (6,0230 ± 0,0005) 10 23 1 / mol.

N o ismeretében meg lehet határozni a gázmolekulák számát 1 cm 3 -ben, mivel az 1 mol gáz által elfoglalt térfogat ismert állandó.

Az 1 cm 3 -ben lévő gázmolekulák számának ismerete lehetővé tette a molekula hőmozgásának átlagos kinetikus energiájának meghatározását. Végül az elektron töltése felhasználható a Planck-állandó és a Stefan-Boltzmann-állandó meghatározására a hősugárzás törvényében.

Részletek Kategória: Villamos energia és mágnesesség Feladás dátuma: 2015.08.06. 05:51 Megtekintések: 6694

A fizika egyik alapvető állandója az elemi elektromos töltés. Ez egy skaláris mennyiség, amely a fizikai testek elektromágneses kölcsönhatásban való részvételi képességét jellemzi.

Az elemi elektromos töltés a legkisebb pozitív vagy negatív töltés, amely nem osztható. Értéke megegyezik az elektrontöltés értékével.

Azt a tényt, hogy a természetben előforduló elektromos töltés mindig egyenlő az elemi töltések egész számával, 1752-ben javasolta a híres politikus, Benjamin Franklin, a tudományos és feltalálói tevékenységet is folytató politikus és diplomata, az első amerikai, aki tagja lett. az Orosz Tudományos Akadémia.

Benjamin Franklin

Ha Franklin feltevése helyes, és bármely töltött test vagy testrendszer elektromos töltése egész számú elemi töltésből áll, akkor ez a töltés hirtelen megváltozhat egy egész számú elektrontöltést tartalmazó értékkel.

Ezt először egy amerikai tudós, a Chicagói Egyetem professzora, Robert Milliken erősítette meg és határozta meg meglehetősen pontosan.

Millikan tapasztalat

A Millikan-kísérlet vázlata

Millikan 1909-ben végezte el első híres olajcsepp-kísérletét asszisztensével, Harvey Fletcherrel. Azt mondják, eleinte vízcseppek segítségével tervezték a kísérletet, de néhány másodperc alatt elpárologtak, ami nyilvánvalóan nem volt elég az eredményhez. Aztán Milliken elküldte Fletchert a gyógyszertárba, ahol vett egy spray-palackot és egy fiola óraolajat. Ez elég volt ahhoz, hogy az élmény sikeres legyen. Ezt követően Milliken Nobel-díjat kapott érte, Fletcher pedig doktori címet kapott.

Robert Milliken

Harvey Fletcher

Mi volt a Millikan-kísérlet?

Egy villamosított olajcsepp esik le a gravitáció hatására két fémlemez közé. De ha elektromos mező jön létre közöttük, az megakadályozza, hogy a csepp leessen. Az elektromos tér erősségének mérésével meg lehet határozni a csepp töltését.

A kísérletezők a kondenzátor két fémlemezét helyezték el az edényben. Oda szórópisztoly segítségével juttatták be a legkisebb olajcseppeket, amelyek a levegővel szembeni súrlódásuk következtében permetezés közben negatív töltést kaptak.

Elektromos tér hiányában a csepp leesik

Az F w = mg gravitáció hatására a cseppek hullani kezdtek. De mivel nem vákuumban voltak, hanem közegben, ezért a légellenállás ereje megakadályozta, hogy szabadon zuhanjanak Fres = 6πη rv 0 , hol η a levegő viszkozitása. Amikor Fw és F res kiegyensúlyozott, gyorsasággal egységessé vált az esés v0 . Ennek a sebességnek a mérésével a tudós meghatározta a csepp sugarát.

Egy csepp "lebeg" elektromos tér hatására

Ha abban a pillanatban, amikor a csepp leesett, a lemezekre olyan feszültséget kapcsoltak, hogy a felső lemez pozitív, az alsó pedig negatív töltést kapott, a csepp leállt. A kialakuló elektromos tér megakadályozta. A cseppek lebegni látszottak. Ez akkor történt, amikor a hatalom F r kiegyenlítve az elektromos térből ható erővel F r = eE ,

hol F r- az eredő gravitációs erő és Arkhimédész ereje.

F r = 4/3 pr 3 ( ρ – ρ 0) g

ρ az olajcsepp sűrűsége;

ρ 0 – légsűrűség.

r az esés sugara.

Tudva F r és E , meg lehet határozni az értéket e .

Mivel nagyon nehéz volt biztosítani, hogy a csepp hosszú ideig mozdulatlan maradjon, Milliken és Fletcher olyan mezőt hoztak létre, amelyben a csepp, miután megállt, nagyon kis sebességgel elkezdett felfelé mozogni. v . Ebben az esetben

A kísérleteket sokszor megismételték. A töltéseket röntgen- vagy ultraibolya készülékkel történő besugárzással juttatták a cseppekre. De minden alkalommal a csepp teljes töltése mindig egyenlő volt több elemi töltéssel.

1911-ben Milliken megállapította, hogy egy elektron töltése 1,5924(17) x 10 -19 C. A tudós mindössze 1%-ot tévedett. Modern értéke 1,602176487 (10) x 10 -19 C.

Van tapasztalat

Abram Fedorovich Ioffe

El kell mondanunk, hogy Millikannel szinte egyidőben, de tőle függetlenül végzett ilyen kísérleteket Abram Fedorovich Ioffe orosz fizikus. A kísérleti elrendezése pedig hasonló volt Millikanéhez. De a levegőt kiszivattyúzták az edényből, és vákuum keletkezett benne. Az Ioffe olajcseppek helyett kis töltött cinkrészecskéket használt. Mozgásukat mikroszkóp alatt figyelték meg.

Ioff telepítés

1- egy cső

2 kamera

3 - fémlemezek

4 - mikroszkóp

5 - ultraibolya sugárzó

Elektrosztatikus mező hatására egy cinkszemcse leesett. Amint a porszemcsék gravitációja egyenlővé vált az elektromos térből rá ható erővel, a zuhanás megállt. Amíg a porrészecske töltése nem változott, mozdulatlanul lógott. De ha ultraibolya fénynek volt kitéve, akkor a töltése csökkent, és az egyensúly megbomlott. Újra zuhanni kezdett. Ezután a tányérokon lévő töltés mennyiségét megnöveltük. Ennek megfelelően az elektromos tér megnőtt, és az esés ismét megállt. Ezt többször megtették. Ennek eredményeként azt találták, hogy minden alkalommal, amikor egy porrészecske töltése egy elemi részecske töltésének többszörösével változik.

Ioff nem számította ki a részecske töltésének nagyságát. De miután 1925-ben egy hasonló kísérletet végeztek, N.I. fizikussal együtt. Dobronravov, miután kissé módosította a kísérleti üzemet, és cink helyett bizmutporszemcséket használt, megerősítette az elméletet

AZ ELEMMI MEGHATÁROZÁSA

ELEKTROMOS TÖLTÉS ELEKTROLIZIS MÓDSZERVEL

Felszerelés: egyenáramú forrás, küvetta elektródákkal az „Electrolyte” készletből, laboratóriumi voltmérő, ellenállás, mérleg súlyokkal vagy elektronikus, kulcs, csatlakozó vezetékek, réz-szulfát oldat, stopper (vagy óra másodpercmutatóval).

MAGYARÁZAT A MUNKÁHOZ. Az elektron töltésének meghatározásához használhatjuk az elektrolízis Faraday-törvényét, ahol m a katódon felszabaduló anyag tömege; M az anyag moláris tömege; n az anyag vegyértéke; e az elektrontöltés; Na az Avogadro állandója; I - áramerősség az elektrolitban; ∆t az áram elektroliton való áthaladásának ideje.

Ebből a képletből látható, hogy a munka céljának eléréséhez ismerni kell a katódon felszabaduló anyag moláris tömegét, vegyértékét és az Avogadro állandót. Ezenkívül a kísérlet során meg kell mérni az áramerősséget és az áramlási idejét, valamint az elektrolízis befejezése után a katódon felszabaduló anyag tömegét.

A kísérlethez réz-szulfát telített vizes oldatát használjuk, amelyet két rézelektródával ellátott küvettába öntünk. Az egyik elektróda mereven van rögzítve a küvetta közepén, a másik (eltávolítható) pedig a falán.

Vizes oldatban nem csak a réz-szulfát molekulák (CuSO4 = Cu2+ + ), hanem a víz (H20 = H+ + OH -) molekulák is disszociálnak, bár gyenge mértékben. Így a CuSO4 vizes oldata pozitív Cu2+ és H+ ionokat és negatív SO2- és OH- ionokat is tartalmaz. Ha elektromos mező jön létre az elektródák között, akkor a pozitív ionok a katód felé, a negatív ionok pedig az anód felé mozognak. Cu2+ és H+ ionok közelednek a katódhoz, de nem mindegyik kisül. Ez azzal magyarázható, hogy a réz- és hidrogénatomok könnyen átalakulnak pozitív töltésű ionokká, elveszítve külső elektronjaikat. De egy rézion könnyebben tud elektront kötni, mint egy hidrogénion. Ezért a rézionok a katódon kisülnek.

A negatív ionok és az OH- az anód felé mozognak, de egyikük sem kisüt. Ebben az esetben a réz elkezd feloldódni. Ez azzal magyarázható, hogy a rézatomok könnyebben adnak elektronokat az elektromos áramkör külső szakaszához, mint az ionok és az OH -, és pozitív ionokká válva oldatba kerülnek: Cu \u003d Cu2 + + 2e-.

Így, ha az elektródákat réz-szulfát oldatban lévő egyenáramú forráshoz csatlakoztatják, az ionok irányított mozgása következik be, ami tiszta réz felszabadulását eredményezi a katódon.

Annak érdekében, hogy a felszabaduló rézréteg sűrű legyen és jól megmaradjon a katódon, ajánlott az elektrolízist alacsony áramerősség mellett elvégezni az oldatban. És mivel ez nagy mérési hibához vezet, a laboratóriumi ampermérő helyett ellenállást és voltmérőt használnak a munkában. Az U voltmérő leolvasása és az R ellenállás ellenállása (a tokján van feltüntetve) alapján kerül meghatározásra az I áramerősség A kísérleti elrendezés sematikus diagramja a 12. ábrán látható.

Az elektrolitban lévő áram erőssége a kísérlet során változhat, ezért az átlagos 1sr értékét behelyettesítjük a töltés meghatározására szolgáló képletbe. Az áramerősség átlagos értékét úgy határozzuk meg, hogy 30 másodpercenként rögzítjük a voltmérő leolvasásait a teljes megfigyelési idő alatt, majd összegezzük és a kapott értéket elosztjuk a mérések számával. Így található az Ucp. Ekkor az Ohm-törvény szerint az Icp-t megtaláljuk az áramköri szakaszra. Kényelmesebb a feszültségmérés eredményeit egy segédtáblázatban rögzíteni.

Az aktuális áramlási időt stopperrel mérjük.

A MUNKA ELŐKÉSZÜLÉSÉNEK ELJÁRÁSA

1. Jelölje meg, milyen fizikai mennyiségeket kell közvetlenül mérni az elektrontöltés meghatározásához a jelen munkában alkalmazott módszerrel! Milyen mérőeszközöket fognak használni a méréshez? Határozza meg és írja le ezen eszközök abszolút hibáinak határait!

2. Határozza meg és írja le az abszolút leolvasási hibák határait mechanikus stopper, voltmérő és mérleg használatakor!

3. Írja fel a ∆е abszolút hibahatár meghatározásának képletét!

4. Készítsen táblázatot a mérési eredmények, hibák és számítások rögzítésére.

Készítsen egy segédtáblázatot a voltmérő leolvasásának rögzítéséhez.

VÁLASZOLJ A KÉRDÉSEKRE

Miért befolyásolja az elektrolitban az áram áramlásának ideje az elektrontöltés mérési eredményének hibáját?

Hogyan befolyásolja az oldat koncentrációja az elektrontöltés mérésének eredményét?

Mi a réz vegyértéke?

Mekkora a réz moláris tömege?

Mi az Avogadro állandó?

MUNKA ELJÁRÁS

1. Határozza meg a mérlegen lévő kivehető elektróda m1 tömegét!

2. Csatlakoztassa az elektródát a küvettához, és szerelje össze a 12. ábrán látható elektromos áramkört. Győződjön meg arról, hogy a kivehető elektróda a feszültségforrás negatív pólusához van csatlakoztatva.

3. Töltse meg a küvettát réz-szulfát oldattal, zárja le a kulcsot, és 15 percig 30 másodpercenként rögzítse a voltmérő állását.

4. 15 perc elteltével nyissa ki a kulcsot, szerelje szét az áramkört, távolítsa el az elektródát, szárítsa meg és határozza meg m2 tömegét a rárakódott rézzel együtt.

5. Számítsa ki a felszabaduló réz tömegét: m- és mérésének abszolút hibájának ∆m határát!

6. Számítsa ki az Uav ellenálláson lévő feszültség átlagos értékét és az elektrolit áramának átlagos értékét én vö.

7. Számítsa ki az elektrontöltést e!

8. Számítsa ki az elektrontöltés ∆е meghatározásánál az abszolút hiba határát!

9. Írja le a töltés meghatározásának eredményét, figyelembe véve az abszolút hibahatárt!

10. Hasonlítsa össze a kísérlet eredményeiből meghatározott elektrontöltést a táblázat értékével!

Módszeres megjegyzés. Az elektront már a kémia tantárgyból és a VII. évfolyam megfelelő részéből ismerik a tanulók. Most elmélyítenie kell az anyag első elemi részecskéjének megértését, felidéznie kell a tanulmányozottakat, össze kell kapcsolnia az „Elektrosztatika” szakasz első témájával, és tovább kell lépnie az elemi töltés magasabb értelmezésének szintjére. Szem előtt kell tartani az elektromos töltés fogalmának összetettségét. A javasolt kitérő segíthet ennek a koncepciónak a feltárásában és a dolog lényegéhez való eljutásban.

Az elektronnak bonyolult története van. A cél eléréséhez a legrövidebb úton célszerű a történetet a következőképpen vezetni.

Voltak szkeptikusok, akik általában figyelmen kívül hagyták az elektron felfedezését. A. F. Ioffe akadémikus emlékirataiban arról írt, hogy tanára, V. K. szüksége van."

Az elektron tömegének kérdése nem megoldott, nem bizonyított, hogy mind a vezetőkön, mind a dielektrikumon a töltések elektronokból állnak. Az "elektron" fogalmának nem volt egyértelmű értelmezése, mert a kísérlet még nem tárta fel az atom szerkezetét (1911-ben jelent meg Rutherford bolygómodellje, 1913-ban Bohr elmélete).

Az elektron még nem hagyta el a "tiszta" tudomány kereteit. Emlékezzünk vissza, hogy az első elektronikus lámpa csak 1907-ben jelent meg.

A hitből a meggyőződés felé való elmozduláshoz mindenekelőtt az elektron elkülönítésére volt szükség, egy módszert kellett kitalálni az elemi töltés közvetlen és pontos mérésére.

Ezt a problémát Robert Millikan (1868-1953) amerikai fizikus egy sor finom kísérlettel oldotta meg, amelyek 1906-ban indultak.

Robert Milliken 1868-ban született Illinois államban, szegény papi családban. Gyermekkorát Makvoket tartományi városában töltötte, ahol nagy figyelmet fordítottak a sportra és rosszul tanítottak. Egy fizikát oktató gimnázium igazgatója például így szólt kisdiákjaihoz: "Hogy tudsz hangot csinálni a hullámokból? Hülyeség, fiúk, ez hülyeség!"

A felhőben lévő cseppre ható erő és az általa elért sebesség aránya az első és a második esetben azonos. Az első esetben az erő egyenlő mg, a másodikban mg + qE, ahol q a csepp töltése, E az elektromos térerősség. Ha a sebesség az első esetben v 1 a második v 2, akkor

Ismerve a felhő esési sebességének v levegőviszkozitástól való függését, kiszámíthatjuk a kívánt q töltést. Ez a módszer azonban nem adta meg a kívánt pontosságot, mert olyan hipotetikus feltevéseket tartalmazott, amelyek a kísérletvezető befolyásán kívül esnek.

A mérési pontosság növelése érdekében mindenekelőtt módot kellett találni a felhőpárolgás figyelembevételére, amely a mérési folyamat során elkerülhetetlenül bekövetkezett.

„Felismertem, hogy a cseppek párolgási sebessége ismeretlen maradt, olyan módszert próbáltam kigondolni, amely ezt a bizonytalan értéket teljesen kiküszöböli. A tervem a következő volt. A korábbi kísérletek során az elektromos tér csak kismértékben tudta növelni vagy csökkenteni a sebességet. a felhő tetejének esése a gravitáció hatására.Most de azt a mezőt akartam erősíteni, hogy a felhő felső felülete állandó magasságban maradjon.Ebben az esetben pontosan meg lehetett határozni a párolgási sebességet a felhőt, és vegye figyelembe a számításoknál." Ennek az ötletnek a megvalósítására Milliken egy kis akkumulátort tervezett, amely akár 104 V-os feszültséget is adott (akkor ez a kísérletező kiemelkedő teljesítménye volt). Elég erős mezőt kellett létrehoznia ahhoz, hogy a felhőt, akárcsak Mohamed koporsóját, felfüggesztett állapotban tartsa.

„Amikor minden készen állt a számomra – mondja Milliken –, és amikor a felhő kialakult, elfordítottam a kapcsolót, és a felhő elektromos térben volt. És abban a pillanatban elolvadt a szemem előtt, vagyis még egy kis darab maradt a teljes felhőből, amit egy vezérlő optikai eszköz segítségével lehetett megfigyelni, ahogy Wilson tette és én is fogom. Ahogy elsőre úgy tűnt, a felhő nyomtalanul eltűnt a A felső és az alsó lemezek közötti elektromos mező azt jelentette, hogy a kísérlet eredmény nélkül ért véget ... "

Azonban, mint a tudomány történetében oly gyakran, a kudarc új ötletet szült. Elvezetett a híres cseppek módszeréhez. „Ismételt kísérletek – írja Millikan – azt mutatták, hogy miután a felhő erős elektromos térben szétoszlott, több különálló vízcsepp is megkülönböztethető a helyén” (hangsúlyozom. – V.D.).

A „sajnálatos” tapasztalat az egyensúlyban tartás és az egyes cseppek kellően hosszú ideig tartó megfigyelésének lehetőségének felfedezéséhez vezetett.

Ám a megfigyelési időszak alatt a vízcsepp tömege jelentősen megváltozott a párolgás következtében, és Millikan sok napos keresés után áttért az olajcseppekkel végzett kísérletekre.

7-8 perc elteltével a felhő feloszlik, és kis számú csepp marad a látómezőben, amelyek töltése megfelel az említett erőviszonyoknak.

Millikan ezeket a cseppeket különálló fényes pontokként figyelte meg. „Ezeknek a cseppeknek a története általában a következőképpen zajlik – írja: „Ha a gravitáció enyhe túlsúlya van a mező erejével szemben, lassan zuhanni kezdenek, de ahogy fokozatosan elpárolognak, lefelé irányuló mozgásuk hamarosan leáll. és elég hosszú időre mozdulatlanná válnak.Aztán a mező kezd túlsúlyba kerülni,és a cseppek lassan emelkedni kezdenek.Életük vége felé a lemezek közötti térben ez a felfelé mozgás nagyon erősen felgyorsul,és vonzza őket nagy sebességgel a felső lemezhez."

A Millikan installáció sémáját, amelynek segítségével 1909-ben döntő eredmények születtek, a 17. ábra mutatja.

A B akkumulátorról 104 V feszültséget kapcsoltunk a kondenzátorlapokra, egy kapcsoló segítségével a lemezeket rövidre lehetett zárni és ezzel az elektromos mezőt tönkretenni.

Az M és N lemezek közé eső olajcseppeket erős forrás világította meg. A cseppek viselkedését a távcsövön keresztül a sugarak irányára merőlegesen figyelték meg.

A cseppek kondenzációjához szükséges ionokat a lemezek oldalától 3-10 cm távolságra elhelyezkedő, 200 mg tömegű rádiumdarab besugárzásával hoztuk létre.

Egy speciális eszköz segítségével a gázt a dugattyú leengedésével bővítették. A tágulás után 1-2 mp-en belül a rádiumot eltávolították, vagy ólomszitával lefedték. Ezután bekapcsolták az elektromos mezőt, és megkezdődött a távcsőbe eső cseppek megfigyelése.

A csőnek volt egy skálája, amellyel meg lehetett számolni egy csepp által megtett utat egy bizonyos időtartam alatt. Az időt egy kalitkás pontos óra rögzítette.

A megfigyelések során Millikan felfedezett egy jelenséget, amely kulcsa volt az egyes elemi töltések későbbi pontos méréseinek teljes sorozatának.

"Miközben a felfüggesztett cseppeken dolgoztam" - írja Milliken - "többször elfelejtettem lezárni őket a rádium sugarai elől. Aztán véletlenül észrevettem, hogy időről időre az egyik csepp hirtelen megváltoztatta a töltését, és elkezdett mozogni a mező mentén vagy ellene. nyilvánvalóan az első esetben egy pozitív, a második esetben egy negatív iont rögzít. Ezzel megnyílt a lehetőség, hogy nemcsak az egyes cseppek töltéseit, mint eddig tettem, biztosan mérjük, hanem a egy egyedi légköri ion töltése.

Ugyanannak a cseppnek a sebességét kétszer megmérve, egyszer az ion befogása előtt, másodszor pedig az ion befogása után, nyilvánvalóan teljesen kizárhatnám a csepp tulajdonságait és a közeg tulajdonságait, és csak az ion befogásával arányos mennyiséggel működhetnék. a befogott ion töltése.

Az elemi töltést Millikan az alábbi szempontok alapján számította ki. Az ejtés sebessége arányos a rá ható erővel, és nem függ a csepp töltésétől.

Ha a csepp a kondenzátor lapjai közé esett csak gravitáció hatására v 1 sebességgel, akkor

A gravitáció ellen irányuló mező bekapcsolásakor a ható erő a qE = mg különbség lesz, ahol q a csepp töltése, E a térerősség modulusa.

Az esési sebesség a következő lesz:

v 2 \u003d k (qE - mg) (2)

Ha az (1) egyenlőséget elosztjuk (2)-vel, akkor azt kapjuk

Hagyja, hogy a csepp befogja az iont, és a töltése egyenlő legyen q′-val, a mozgási sebesség pedig v 2′. Jelöljük ennek a befogott ionnak a töltését e-vel, ekkor e = q′ - q.

A (3) segítségével azt kapjuk, hogy

Az érték egy adott cseppnél állandó.

Ezért a csepp által felfogott bármely töltés arányos lesz a sebességek különbségével (v′ 2 -v 2), más szóval, arányos a csepp sebességének ionbefogás miatti változásával!

Tehát az elemi töltés mérését a csepp által megtett út és az út megtételének időtartamának mérésére redukáltuk.

Számos megfigyelés igazolta a (4) képlet érvényességét. Kiderült, hogy az e értéke csak ugrásban változhat! Az e, 2e, 3e, 4e stb. töltéseket mindig megfigyeljük.

„Sok esetben – írja Millikan – „egy cseppet öt-hat órán keresztül figyeltek meg, és ez idő alatt nem nyolc-tíz iont fogott be, hanem több százat. Összességében sok ezer ion befogását figyeltem meg így és minden esetben a befogott töltés... vagy pontosan egyenlő volt az összes befogott töltés közül a legkisebbvel, vagy ennek az értéknek egy kis egész számú többszörösével. Ez közvetlen és cáfolhatatlan bizonyítéka annak, hogy az elektron nem "statisztikai átlag", hanem az, hogy az ionokon lévő összes elektromos töltés vagy pontosan egyenlő az elektron töltésével, vagy ennek a töltésnek kicsi, egész számú többszöröse.

Millikan módszere lehetővé tette a kérdés egyértelmű megválaszolását.

Az első kísérletekben a töltéseket semleges gázmolekulák radioaktív sugárzásárammal történő ionizálásával hozták létre. Megmértük a cseppek által felfogott ionok töltését.

Amikor egy folyadékot porlasztóval permeteznek, a cseppek a súrlódás miatt felvillanyozódnak. Ezt jól ismerték a 19. században. Ezek a töltések olyan kvantáltak, mint az ionok töltései?

A Millikan a permetezés után "leméri" a cseppeket, és a fent leírt módon töltésmérést végez. A tapasztalat ugyanazt az elektromos töltés diszkrétségét mutatja.

1913-ban Milliken számos kísérlet eredményeit összegezve a következő értéket adta az elemi töltésre: e=4,774·10 -10 egység. töltse fel az SGSE-t.

Így létrejött a modern fizika egyik legfontosabb állandója. Az elektromos töltés meghatározása egyszerű számtani feladattá vált.

Elektron vizualizáció. Az elektron valóságának gondolatának erősítésében nagy szerepet játszott G. A. Wilson felfedezése a vízgőz ionokra gyakorolt kondenzációjának hatására, ami lehetővé tette a részecskenyomok fényképezését.

Aztán Compton megmutatott egy fényképet egy α-részecske nyomvonallal, amely mellett egy ujjlenyomat volt. "Tudod mi ez?" – kérdezte Compton. – Ujj – válaszolta a hallgató. – Ebben az esetben – jelentette ki ünnepélyesen Compton –, ez a világító sáv a részecske.

Az elektronnyomok fényképei nemcsak az elektronok valóságáról tanúskodtak. Megerősítették az elektronok kis méretére vonatkozó feltevést, és lehetővé tették az elméleti számítások eredményeinek kísérleti összehasonlítását, amelyekben az elektronsugár megjelent. A Lenard által kezdeményezett kísérletek a katódsugarak áthatoló erejének tanulmányozására azt mutatták, hogy a radioaktív anyagok által kibocsátott nagyon gyors elektronok egyenes vonalak formájában nyomokat adnak egy gázban. A pálya hossza arányos az elektron energiájával. A nagy energiájú α-részecskenyomokról készült fényképek azt mutatják, hogy a pályák nagyszámú pontból állnak. Minden pont egy ionon megjelenő vízcsepp, amely egy elektron atommal való ütközése következtében jön létre. Egy atom méretének és koncentrációjuk ismeretében kiszámolhatjuk, hogy adott távolságban hány atomon kell áthaladnia egy alfa-részecskének. Egy egyszerű számítás azt mutatja, hogy egy α-részecskének körülbelül 300 atomon kell áthaladnia, mielőtt útközben találkozna az atom héját alkotó elektronok egyikével, és ionizációt váltana ki.

A szóráselméletből adatok nyerhetők az elhajlási szögek becslésére az elektronenergia függvényében. Ezeket az adatokat a valós pályák elemzése jól megerősíti. Az elmélet és a kísérlet egybeesése megerősítette azt az elképzelést, hogy az elektron az anyag legkisebb részecskéje.

Az elemi elektromos töltés mérése számos fontos fizikai állandó pontos meghatározására nyitott lehetőséget.

Az e értékének ismerete automatikusan lehetővé teszi az alapállandó – az Avogadro-állandó – értékének meghatározását. Millikan kísérletei előtt csak durva becslések voltak az Avogadro-állandóról, amelyeket a gázok kinetikai elmélete adott. Ezek a becslések egy levegőmolekula átlagos sugarának számításán alapultak, és meglehetősen széles tartományban változtak, 2,10 23 és 20,10 23 1/mol között.

Ha a lerakódott anyag tömege egy mól, akkor Q = F Faraday állandója, és F = N 0 e, innen N 0 = F / e. Nyilvánvalóan az Avogadro-állandó meghatározásának pontosságát az a pontosság adja, amellyel az elektrontöltést mérik.

A gyakorlat megkövetelte az alapállandók meghatározásának pontosságának növelését, és ez volt az egyik ösztönző az elektromos töltéskvantum mérési technikájának továbbfejlesztésére. Ez a már tisztán metrológiai jellegű munka a mai napig tart.

A legpontosabb értékek jelenleg:

e \u003d (4,8029 ± 0,0005) 10 -10 egység. töltés SGSE;

N 0 \u003d (6,0230 ± 0,0005) 10 23 1 / mol.

N 0 ismeretében meg lehet határozni a gázmolekulák számát 1 cm 3 -ben, mivel az 1 mol gáz által elfoglalt térfogat ismert állandó.

Az 1 cm 3 -ben lévő gázmolekulák számának ismerete lehetővé tette a molekula hőmozgásának átlagos kinetikus energiájának meghatározását.

Végül az elektron töltése felhasználható a Planck-állandó és a Stefan-Boltzmann-állandó meghatározására a hősugárzás törvényében.

Parshina Anna, Sevalnikov Alexey, Luzyanin Roman.

Célkitűzés: megtanulják elektrolízissel meghatározni az elemi töltés értékét; Fedezd fel töltésmeghatározási módszerek elektron.

Felszerelés: hengeres edény réz-szulfát oldattal, lámpa, elektródák, mérlegek, ampermérő, állandó feszültségforrás, reosztát, óra, kulcs, összekötő vezetékek.

Letöltés:

Előnézet:

A prezentációk előnézetének használatához hozzon létre egy Google-fiókot (fiókot), és jelentkezzen be: https://accounts.google.com

Diák feliratai:

Laboratóriumi munka Elemi töltés meghatározása elektrolízis módszerrel A Chuchkovskaya középiskola 10. osztályos tanulói: Anna Parshina, Alexey Sevalnikov, Roman Luzyanin. Témavezető: fizikatanár Chekalina O.Yu.

A munka célja: az elemi töltés értékének elektrolízissel történő meghatározásának megtanulása; az elektron töltésének meghatározására szolgáló vizsgálati módszerek. Felszerelés: hengeres edény réz-szulfát oldattal, lámpa, elektródák, mérlegek, ampermérő, állandó feszültségforrás, reosztát, óra, kulcs, összekötő vezetékek.

Összeállítottuk a láncot: A munka előrehaladása:

Munkánk eredménye

Megtanultuk az elemi töltés értékének elektrolízissel történő meghatározását, tanulmányoztuk az elektron töltésmeghatározási módszereit. Következtetés:

V. Ya. Bryusov "Az elektron világa" Talán ezek az elektronok olyan világok, ahol öt kontinens van, művészetek, tudás, háborúk, trónok és negyven évszázad emléke! Valószínűleg minden atom az Univerzum, ahol száz bolygó van; Van minden, ami itt van, tömörített kötetben, de az is, ami itt nincs. Mértékeik kicsik, de végtelenségük ugyanaz, mint itt; Van bánat és szenvedély, mint itt, és ott is ugyanaz a világi arrogancia. Bölcseik, határtalan világukat a lét középpontjába helyezve, Sietve behatolnak a titokzatosság szikráiba S gondolkodjanak, mint én most; És abban a pillanatban, amikor a pusztulásból új erők áramlatai keletkeznek, Önhipnózis álmaiban azt kiáltják, hogy Isten eloltotta fáklyáját!