Metodi per determinare la carica elettrica elementare - astratto. Determinazione della carica elementare mediante elettrolisi Lavoro di laboratorio in fisica, misurazione della carica elementare

Ministero dell'Istruzione della Federazione Russa

Università pedagogica statale dell'Amur

Metodi per la determinazione della carica elettrica elementare

Completato dallo studente 151g.

Venzelev A.A.

Controllato da: Cheraneva T.G.

Introduzione.

1. Contesto della scoperta dell'elettrone

2. Storia della scoperta dell'elettrone

3. Esperimenti e metodi per la scoperta dell'elettrone

3.1.Esperimento di Thomson

3.2.L'esperienza di Rutherford

3.3. Metodo Millikan

3.3.1. breve biografia

3.3.2. Descrizione dell'installazione

3.3.3. Calcolo della tariffa elementare

3.3.4. Conclusioni dal metodo

3.4. Metodo di imaging Compton

Conclusione.

Introduzione:

ELETTRONE - la prima particella elementare ad essere scoperta; il portatore materiale della più piccola massa e della più piccola carica elettrica esistente in natura; componente di un atomo.

La carica dell'elettrone è 1,6021892. 10-19cl

4.803242. 10 -10 unità SSSE

La massa dell'elettrone è 9,109534. 10-31 kg

Corrispettivo specifico e/m e 1.7588047. 10 11 Cl. kg-1

Lo spin dell'elettrone è pari a 1/2 (in unità di h) e ha due proiezioni ±1/2; gli elettroni obbediscono alla statistica di Fermi-Dirac, i fermioni. Sono soggetti al principio di esclusione di Pauli.

Il momento magnetico di un elettrone è pari a - 1.00116 m b, dove m b è il magnetone di Bohr.

L'elettrone è una particella stabile. Secondo i dati sperimentali, la durata t e > 2. 10 22 anni.

Non partecipa all'interazione forte, il leptone. La fisica moderna considera l'elettrone come una particella veramente elementare che non ha struttura né dimensione. Se questi ultimi sono diversi da zero, allora il raggio dell'elettrone è r e< 10 -18 м

1.Sfondo dell'apertura

La scoperta dell'elettrone fu il risultato di numerosi esperimenti. Entro l'inizio del 20 ° secolo. l'esistenza dell'elettrone è stata stabilita in una serie di esperimenti indipendenti. Ma, nonostante il colossale materiale sperimentale accumulato da intere scuole nazionali, l’elettrone rimase una particella ipotetica, perché l’esperienza non aveva ancora risposto a una serie di domande fondamentali. In realtà la “scoperta” dell’elettrone durò più di mezzo secolo e non terminò nel 1897; Vi hanno preso parte molti scienziati e inventori.

Innanzitutto non c’è stato un solo esperimento che abbia coinvolto singoli elettroni. La carica elementare è stata calcolata sulla base delle misurazioni della carica microscopica, assumendo la validità di una serie di ipotesi.

C’era incertezza in un punto di fondamentale importanza. L'elettrone è apparso per la prima volta come risultato di un'interpretazione atomica delle leggi dell'elettrolisi, poi è stato scoperto in una scarica di gas. Non era chiaro se la fisica avesse effettivamente a che fare con lo stesso oggetto. Un folto gruppo di scienziati naturali scettici credeva che la carica elementare fosse una media statistica di cariche delle dimensioni più diverse. Inoltre, nessuno degli esperimenti che misuravano la carica dell’elettrone ha fornito valori strettamente ripetibili.
C'erano degli scettici che generalmente ignoravano la scoperta dell'elettrone. L'accademico A.F. Ioffe nei suoi ricordi del suo insegnante V.K. Roentgene scrisse: “Fino al 1906-1907. la parola elettrone non avrebbe dovuto essere pronunciata all'Istituto di fisica dell'Università di Monaco. Roentgen la considerava un’ipotesi non dimostrata, spesso utilizzata senza sufficienti motivazioni e inutilmente”.

La questione della massa dell'elettrone non è stata risolta e non è stato dimostrato che le cariche sia sui conduttori che sui dielettrici siano costituite da elettroni. Il concetto di “elettrone” non aveva un’interpretazione univoca, perché l’esperimento non aveva ancora rivelato la struttura dell’atomo (il modello planetario di Rutherford apparve nel 1911 e la teoria di Bohr nel 1913).

L'elettrone non è ancora entrato nelle costruzioni teoriche. La teoria elettronica di Lorentz prevedeva una densità di carica distribuita in modo continuo. La teoria della conduttività metallica, sviluppata da Drude, trattava di cariche discrete, ma si trattava di cariche arbitrarie, sul cui valore non veniva imposta alcuna restrizione.

L’elettrone non è ancora uscito dal quadro della scienza “pura”. Ricordiamo che il primo tubo elettronico apparve solo nel 1907. Per passare dalla fede alla convinzione fu necessario innanzitutto isolare l'elettrone e inventare un metodo per la misurazione diretta e accurata della carica elementare.

La soluzione a questo problema non si è fatta attendere. Nel 1752, l'idea della discrezione della carica elettrica fu espressa per la prima volta da B. Franklin. Sperimentalmente, la discrezionalità delle cariche era giustificata dalle leggi dell'elettrolisi, scoperte da M. Faraday nel 1834. Il valore numerico della carica elementare (la più piccola carica elettrica trovata in natura) è stato teoricamente calcolato in base alle leggi dell'elettrolisi utilizzando il numero di Avogadro . La misurazione sperimentale diretta della carica elementare fu effettuata da R. Millikan in esperimenti classici eseguiti nel 1908-1916. Questi esperimenti fornirono anche prove inconfutabili dell'atomismo dell'elettricità. Secondo i concetti di base della teoria elettronica, la carica di un corpo deriva da una variazione del numero di elettroni in esso contenuti (o di ioni positivi, il cui valore di carica è multiplo della carica dell'elettrone). Pertanto, la carica di qualsiasi corpo deve cambiare bruscamente e in porzioni che contengono un numero intero di cariche elettroniche. Avendo stabilito sperimentalmente la natura discreta del cambiamento della carica elettrica, R. Millikan è riuscito a ottenere la conferma dell'esistenza degli elettroni e determinare il valore della carica di un elettrone (carica elementare) utilizzando il metodo della goccia d'olio. Il metodo si basa sullo studio del movimento di goccioline d'olio cariche in un campo elettrico uniforme di intensità nota E.

2.Scoperta dell'elettrone:

Se ignoriamo ciò che ha preceduto la scoperta della prima particella elementare, l'elettrone, e ciò che ha accompagnato questo eccezionale evento, possiamo dire brevemente: nel 1897, il famoso fisico inglese THOMSON Joseph John (1856-1940) misurò la carica specifica q/m particelle di raggi catodici - "corpuscoli", come li chiamava lui, in base alla deflessione dei raggi catodici *) nei campi elettrici e magnetici.

Confrontando il numero ottenuto con la carica specifica dello ione idrogeno monovalente noto a quel tempo, attraverso un ragionamento indiretto, giunse alla conclusione che la massa di queste particelle, che in seguito ricevettero il nome di "elettroni", è significativamente inferiore (più di mille volte) rispetto alla massa dello ione idrogeno più leggero.

Nello stesso anno, 1897, ipotizzò che gli elettroni siano parte integrante degli atomi e che i raggi catodici non siano atomi o radiazioni elettromagnetiche, come credevano alcuni ricercatori sulle proprietà dei raggi. Thomson scrisse: "Così i raggi catodici rappresentano un nuovo stato della materia, essenzialmente diverso dall'ordinario stato gassoso...; in questo nuovo stato la materia è la sostanza di cui sono costruiti tutti gli elementi".

Dal 1897, il modello corpuscolare dei raggi catodici cominciò a guadagnare un consenso generale, sebbene esistesse un'ampia varietà di opinioni sulla natura dell'elettricità. Pertanto, il fisico tedesco E. Wichert credeva che "l'elettricità è qualcosa di immaginario, che esiste davvero solo nei pensieri", e il famoso fisico inglese Lord Kelvin nello stesso anno, 1897, scrisse dell'elettricità come una sorta di "fluido continuo".

L'idea di Thomson dei corpuscoli dei raggi catodici come componenti di base dell'atomo non fu accolta con molto entusiasmo. Alcuni dei suoi colleghi pensarono che li avesse confusi quando suggerì che le particelle dei raggi catodici dovessero essere considerate come possibili componenti dell'atomo. Il vero ruolo dei corpuscoli di Thomson nella struttura dell'atomo potrebbe essere compreso in combinazione con i risultati di altri studi, in particolare con i risultati dell'analisi degli spettri e dello studio della radioattività.

Il 29 aprile 1897 Thomson pronunciò il suo famoso messaggio durante una riunione della Royal Society di Londra. L'ora esatta della scoperta dell'elettrone - giorno e ora - non può essere nominata a causa della sua unicità. Questo evento è stato il risultato di molti anni di lavoro di Thomson e dei suoi dipendenti. Né Thomson né nessun altro avevano mai effettivamente osservato un elettrone, né qualcuno era stato in grado di isolare una singola particella da un fascio di raggi catodici e misurarne la carica specifica. L'autore della scoperta è J.J. Thomson perché le sue idee sull'elettrone erano vicine a quelle moderne. Nel 1903 propose uno dei primi modelli di atomo: il "budino all'uvetta", e nel 1904 propose che gli elettroni in un atomo siano divisi in gruppi, formando diverse configurazioni che determinano la periodicità degli elementi chimici.

Il luogo della scoperta è noto con precisione: il Cavendish Laboratory (Cambridge, Regno Unito). Creata nel 1870 da J.C. Maxwell, nel corso dei successivi cento anni divenne la “culla” di un'intera catena di brillanti scoperte in vari campi della fisica, soprattutto in quella atomica e nucleare. I suoi direttori erano: Maxwell J.K. - dal 1871 al 1879, Lord Rayleigh - dal 1879 al 1884, Thomson J.J. - dal 1884 al 1919, Rutherford E. - dal 1919 al 1937, Bragg L. - dal 1938 al 1953; Vicedirettore 1923-1935 - Chadwick J.

La ricerca scientifica sperimentale è stata condotta da uno scienziato o da un piccolo gruppo in un'atmosfera di esplorazione creativa. Lawrence Bragg ricordò in seguito il suo lavoro nel 1913 con suo padre, Henry Bragg: “Fu un periodo meraviglioso quando quasi ogni settimana si ottenevano nuovi risultati entusiasmanti, come la scoperta di nuove aree aurifere dove le pepite potevano essere raccolte direttamente da terra. . Ciò continuò fino all'inizio della guerra *), che interruppe il nostro lavoro comune."

3.Metodi per aprire un elettrone:

3.1.Esperimento di Thomson

Joseph John Thomson Joseph John Thomson, 1856–1940

Fisico inglese, meglio conosciuto semplicemente come J. J. Thomson. Nato a Cheetham Hill, sobborgo di Manchester, nella famiglia di un antiquario di seconda mano. Nel 1876 vinse una borsa di studio a Cambridge. Dal 1884 al 1919 fu professore presso il Dipartimento di fisica sperimentale dell'Università di Cambridge e, contemporaneamente, capo del Laboratorio Cavendish, che, grazie agli sforzi di Thomson, divenne uno dei centri di ricerca più famosi al mondo. Allo stesso tempo, nel 1905-1918, fu professore alla Royal Institution di Londra. Vincitore del Premio Nobel per la fisica nel 1906 con la dicitura “per i suoi studi sul passaggio dell'elettricità attraverso i gas”, che, naturalmente, include la scoperta dell'elettrone. Anche il figlio di Thomson, George Paget Thomson (1892-1975), divenne infine premio Nobel per la fisica, nel 1937 per la scoperta sperimentale della diffrazione degli elettroni da parte dei cristalli.

Nel 1897, il giovane fisico inglese J. J. Thomson divenne famoso nei secoli come lo scopritore dell'elettrone. Nel suo esperimento, Thomson utilizzò un tubo a raggi catodici migliorato, il cui design fu integrato da bobine elettriche che creavano (secondo la legge di Ampere) un campo magnetico all'interno del tubo e da una serie di piastre elettriche parallele del condensatore che creavano un campo elettrico all'interno il tubo. Grazie a ciò è diventato possibile studiare il comportamento dei raggi catodici sotto l'influenza sia di campi magnetici che elettrici.

Utilizzando un nuovo disegno del tubo, Thomson dimostrò successivamente che: (1) i raggi catodici vengono deflessi in un campo magnetico in assenza di uno elettrico; (2) i raggi catodici vengono deviati in un campo elettrico in assenza di un campo magnetico; e (3) sotto l'azione simultanea di campi elettrici e magnetici di intensità equilibrata, orientati in direzioni che separatamente provocano deviazioni in direzioni opposte, i raggi catodici si propagano rettilineamente, cioè l'azione dei due campi è reciprocamente equilibrata.

Thomson scoprì che la relazione tra i campi elettrici e magnetici in cui i loro effetti sono bilanciati dipende dalla velocità con cui si muovono le particelle. Dopo aver effettuato una serie di misurazioni, Thomson è riuscito a determinare la velocità di movimento dei raggi catodici. Si è scoperto che si muovono molto più lentamente della velocità della luce, il che significa che i raggi catodici potrebbero essere solo particelle, poiché qualsiasi radiazione elettromagnetica, inclusa la luce stessa, viaggia alla velocità della luce (vedi Spettro della radiazione elettromagnetica). Queste particelle sconosciute. Thomson li chiamò “corpuscoli”, ma presto divennero noti come “elettroni”.

Divenne subito chiaro che gli elettroni devono esistere come parte degli atomi, altrimenti da dove verrebbero? Il 30 aprile 1897 - la data della relazione di Thomson sui suoi risultati in una riunione della Royal Society di Londra - è considerata la data di nascita dell'elettrone. E da oggi l'idea della “indivisibilità” degli atomi è diventata un ricordo del passato (vedi Teoria atomica della struttura della materia). Insieme alla scoperta del nucleo atomico avvenuta poco più di dieci anni dopo (vedi esperimento di Rutherford), la scoperta dell'elettrone gettò le basi per il modello moderno dell'atomo.

I tubi “catodici” sopra descritti, o più precisamente i tubi a raggi catodici, sono diventati i più semplici predecessori dei moderni tubi catodici televisivi e dei monitor dei computer, nei quali quantità strettamente controllate di elettroni vengono espulse dalla superficie di un catodo caldo, sotto l'influenza di campi magnetici alternati vengono deviati ad angoli rigorosamente specificati e bombardano le celle fosforescenti degli schermi, formando su di essi un'immagine nitida risultante dall'effetto fotoelettrico, la cui scoperta sarebbe impossibile anche senza la nostra conoscenza della vera natura del catodo raggi.

3.2.L'esperienza di Rutherford

Ernest Rutherford, primo barone Rutherford di Nelson, 1871–1937

Fisico neozelandese. Nato a Nelson, figlio di un artigiano contadino. Ha vinto una borsa di studio per studiare presso l'Università di Cambridge in Inghilterra. Dopo la laurea, fu assegnato alla McGill University canadese, dove, insieme a Frederick Soddy (1877–1966), stabilì le leggi fondamentali del fenomeno della radioattività, per le quali gli venne assegnato il Premio Nobel per la Chimica nel 1908. Ben presto lo scienziato si trasferì all'Università di Manchester, dove, sotto la sua guida, Hans Geiger (1882-1945) inventò il suo famoso contatore Geiger, iniziò a studiare la struttura dell'atomo e nel 1911 scoprì l'esistenza del nucleo atomico. Durante la prima guerra mondiale fu coinvolto nello sviluppo di sonar (radar acustici) per rilevare i sottomarini nemici. Nel 1919 fu nominato professore di fisica e direttore del Laboratorio Cavendish dell'Università di Cambridge e nello stesso anno scoprì il decadimento nucleare a seguito del bombardamento di particelle pesanti ad alta energia. Rutherford rimase in questa posizione fino alla fine della sua vita, essendo allo stesso tempo per molti anni presidente della Royal Scientific Society. Fu sepolto nell'Abbazia di Westminster accanto a Newton, Darwin e Faraday.

Ernest Rutherford è uno scienziato unico nel senso che ha fatto le sue principali scoperte dopo aver ricevuto il Premio Nobel. Nel 1911 riuscì in un esperimento che non solo permise agli scienziati di scrutare in profondità l'atomo e ottenere informazioni sulla sua struttura, ma divenne anche un modello di grazia e profondità di progettazione.

Utilizzando una fonte naturale di radiazioni radioattive, Rutherford costruì un cannone che produceva un flusso di particelle diretto e focalizzato. La pistola era una scatola di piombo con una stretta fessura, all'interno della quale veniva posto il materiale radioattivo. Per questo motivo, le particelle (in questo caso particelle alfa, costituite da due protoni e due neutroni) emesse dalla sostanza radioattiva in tutte le direzioni tranne una venivano assorbite dallo schermo di piombo e solo un fascio diretto di particelle alfa veniva rilasciato attraverso la fessura .

Schema di esperienza

Più avanti lungo il percorso del raggio c'erano molti altri schermi di piombo con fessure strette che tagliavano rigorosamente le particelle che deviavano

data direzione. Di conseguenza, un raggio di particelle alfa perfettamente focalizzato volò verso il bersaglio e il bersaglio stesso era un sottile foglio di lamina d'oro. È stato il raggio alfa a colpirla. Dopo la collisione con gli atomi della lamina, le particelle alfa hanno continuato il loro percorso e hanno colpito uno schermo luminescente installato dietro il bersaglio, sul quale sono stati registrati dei lampi quando le particelle alfa lo hanno colpito. Da essi, lo sperimentatore potrebbe giudicare in quale quantità e quanto le particelle alfa deviano dalla direzione del movimento rettilineo a seguito delle collisioni con gli atomi della lamina.

Rutherford, tuttavia, notò che nessuno dei suoi predecessori aveva nemmeno provato a verificare sperimentalmente se alcune particelle alfa venivano deviate ad angoli molto ampi. Il modello della griglia a uva passa semplicemente non consentiva l’esistenza di elementi strutturali nell’atomo così densi e pesanti da poter deviare le particelle alfa veloci ad angoli significativi, quindi nessuno si è preso la briga di testare questa possibilità. Rutherford ha chiesto a uno dei suoi studenti di riattrezzare l'installazione in modo tale che fosse possibile osservare la dispersione delle particelle alfa ad ampi angoli di deflessione - solo per schiarirsi la coscienza, per escludere finalmente questa possibilità. Il rilevatore era uno schermo rivestito di solfuro di sodio, un materiale che produce un lampo fluorescente quando viene colpito da una particella alfa. Immaginate la sorpresa non solo dello studente che effettuò direttamente l'esperimento, ma anche dello stesso Rutherford quando si scoprì che alcune particelle venivano deviate con angoli fino a 180°!

L'immagine dell'atomo disegnata da Rutherford sulla base dei risultati del suo esperimento ci è ben nota oggi. Un atomo è costituito da un nucleo compatto e super denso che trasporta una carica positiva e attorno ad esso elettroni leggeri caricati negativamente. Successivamente gli scienziati fornirono una base teorica affidabile per questa immagine (vedi Atomo di Bohr), ma tutto iniziò con un semplice esperimento con un piccolo campione di materiale radioattivo e un pezzo di lamina d'oro.

3.2.Metodo Millimetri

3.2.1. Breve biografia:

Robert Milliken nacque nel 1868 nell'Illinois da una famiglia di preti poveri. Ha trascorso la sua infanzia nella città di provincia di Maquoketa, dove veniva prestata molta attenzione allo sport e allo scarso insegnamento. Un preside di un liceo che insegnava fisica ha detto, ad esempio, ai suoi giovani studenti: “Come è possibile ricavare il suono dalle onde? Sciocchezze, ragazzi, sono tutte sciocchezze!”

L'Oberdeen College non era migliore, ma Milliken, che non aveva sostegno finanziario, dovette insegnare lui stesso fisica al liceo. In America a quel tempo c'erano solo due libri di testo di fisica, tradotti dal francese, e il giovane talentuoso non ebbe difficoltà a studiarli e ad insegnarli con successo. Nel 1893 entrò alla Columbia University, poi andò a studiare in Germania.

Milliken aveva 28 anni quando ricevette un'offerta da A. Michelson per assumere una posizione di assistente presso l'Università di Chicago. All'inizio fu impegnato qui quasi esclusivamente nel lavoro pedagogico e solo all'età di quarant'anni iniziò la ricerca scientifica, che gli portò fama mondiale.

3.2.2. Prime esperienze e soluzioni ai problemi:

I primi esperimenti si sono ridotti a quanto segue. Tra le armature di un condensatore piatto, al quale era applicata una tensione di 4000 V, si creava una nuvola costituita da goccioline d'acqua depositate sugli ioni. Innanzitutto, è stato osservato che la parte superiore delle nuvole cade in assenza di un campo elettrico. Quindi è stata creata una nuvola mentre la tensione era accesa. La caduta della nuvola è avvenuta sotto l'influenza della gravità e della forza elettrica.
Il rapporto tra la forza che agisce su una goccia in una nuvola e la velocità che acquisisce è lo stesso nel primo e nel secondo caso. Nel primo caso la forza è pari a mg, nel secondo mg + qE, dove q è la carica della goccia, E è l'intensità del campo elettrico. Se la velocità nel primo caso è pari a υ 1 nel secondo υ 2, allora

Conoscendo la dipendenza della velocità di caduta della nube υ dalla viscosità dell'aria, possiamo calcolare la carica necessaria q. Tuttavia, questo metodo non ha fornito la precisione desiderata perché conteneva ipotesi ipotetiche al di fuori del controllo dello sperimentatore.

Per aumentare la precisione delle misurazioni è stato necessario innanzitutto trovare un modo per tenere conto dell'evaporazione della nube, che inevitabilmente si verificava durante il processo di misurazione.

Riflettendo su questo problema, Millikan ha ideato il classico metodo drop, che ha aperto una serie di possibilità inaspettate. Lasciamo che sia l'autore stesso a raccontare la storia dell'invenzione:
“Rendendomi conto che la velocità di evaporazione delle goccioline rimaneva sconosciuta, ho cercato di trovare un metodo che eliminasse completamente questo valore incerto. Il mio piano era il seguente. Negli esperimenti precedenti, il campo elettrico poteva aumentare o diminuire solo leggermente la velocità della caduta della parte superiore della nuvola sotto l’influenza della gravità. Ora volevo rafforzare così tanto questo campo che la superficie superiore della nuvola rimanesse ad un'altezza costante. In questo caso è stato possibile determinare con precisione il tasso di evaporazione delle nuvole e tenerne conto nei calcoli”.

Per realizzare questa idea, Millikan progettò una batteria ricaricabile di piccole dimensioni che produceva una tensione fino a 10 4 V (per quel tempo questo era un risultato eccezionale per uno sperimentatore). Doveva creare un campo abbastanza forte da mantenere sospesa la nuvola, come la “bara di Maometto”. "Quando avevo tutto pronto", dice Milliken, e quando si è formata la nuvola, ho girato l'interruttore e la nuvola si trovava in un campo elettrico. E in quel momento si sciolse davanti ai miei occhi, cioè non rimase nemmeno un piccolo pezzo dell'intera nuvola che potesse essere osservata con l'aiuto di uno strumento ottico di controllo, come fece Wilson e come avrei fatto io. Come mi sembrò inizialmente, la scomparsa della nuvola senza lasciare traccia nel campo elettrico tra la piastra superiore e quella inferiore significava che l'esperimento si concludeva senza risultati...” Tuttavia, come spesso è accaduto nella storia della scienza, il fallimento ha dato nascere una nuova idea. Ha portato al famoso metodo del drop. “Esperimenti ripetuti”, scrive Millikan, “hanno dimostrato che dopo che una nuvola si è dissipata in un potente campo elettrico, al suo posto si potevano distinguere diverse singole gocce d'acqua"(grassetto aggiunto da me - V.D.). L'esperimento “fallito” ha portato alla scoperta della possibilità di mantenere in equilibrio le singole goccioline e di osservarle per un periodo piuttosto lungo.

Ma durante l'osservazione, la massa di una goccia d'acqua è cambiata in modo significativo a causa dell'evaporazione e Millikan, dopo molti giorni di ricerca, è passato agli esperimenti con gocce d'olio.

La procedura sperimentale si è rivelata semplice. L'espansione adiabatica forma una nuvola tra le armature del condensatore. È costituito da goccioline con cariche di diversa grandezza e segno. Quando il campo elettrico è attivato, le gocce con cariche identiche alla carica della piastra superiore del condensatore cadono rapidamente e le gocce con carica opposta vengono attratte dalla piastra superiore. Ma un certo numero di gocce hanno una carica tale che la forza di gravità è bilanciata dalla forza elettrica.

Dopo 7 o 8 minuti. la nuvola si dissipa e nel campo visivo rimane un piccolo numero di gocce, la cui carica corrisponde all'equilibrio di forze indicato.

Millikan osservò queste gocce come punti luminosi distinti. "La storia di queste gocce di solito è questa", scrive: "Nel caso di una leggera predominanza della gravità sulla forza del campo, iniziano a cadere lentamente, ma poiché evaporano gradualmente, il loro movimento verso il basso si ferma presto e si rimanere immobile per un periodo piuttosto lungo”. Poi il campo comincia a dominare e le gocce cominciano lentamente a salire. Alla fine della loro vita nello spazio tra le piastre, questo movimento verso l’alto diventa fortemente accelerato, e vengono attratti con grande velocità verso la piastra superiore”.

3.2.3. Descrizione dell'installazione:

Uno schema dell'impianto di Millikan, con il quale si ottennero risultati decisivi nel 1909, è mostrato nella Figura 17.

Nella camera C è stato posto un condensatore piatto costituito da piastre rotonde di ottone M e N con un diametro di 22 cm (la distanza tra loro era di 1,6 cm). Al centro della piastra superiore è stato praticato un piccolo foro p attraverso il quale passavano gocce d'olio. Questi ultimi venivano formati iniettando un flusso di olio mediante uno spruzzatore. L'aria è stata precedentemente depurata dalla polvere facendola passare attraverso un tubo con lana di vetro. Le goccioline d'olio avevano un diametro di circa 10 -4 cm.

Alle piastre del condensatore veniva fornita una tensione di 10 4 V dalla batteria B. Utilizzando un interruttore era possibile cortocircuitare le piastre e ciò avrebbe distrutto il campo elettrico.

Le gocce d'olio che cadevano tra le piastre M e N venivano illuminate da una forte fonte. Il comportamento delle goccioline è stato osservato perpendicolarmente alla direzione dei raggi attraverso il telescopio.

Gli ioni necessari per la condensazione delle goccioline sono stati creati per irraggiamento da un pezzo di radio del peso di 200 mg, situato a una distanza compresa tra 3 e 10 cm dal lato delle piastre.

Utilizzando un dispositivo speciale, l'abbassamento del pistone ha espanso il gas. 1 - 2 s dopo l'espansione, il radio veniva rimosso o oscurato da uno schermo di piombo. Quindi il campo elettrico è stato acceso ed è iniziata l'osservazione delle gocce nel telescopio. Il tubo aveva una scala sulla quale era possibile contare il percorso percorso dalla goccia in un certo periodo di tempo. Il tempo è stato registrato utilizzando un orologio preciso con un lucchetto.

Durante le sue osservazioni, Millikan scoprì un fenomeno che servì da chiave per l'intera serie di successive misurazioni precise delle singole cariche elementari.

“Lavorando sulle gocce sospese”, scrive Millikan, “ho dimenticato più volte di schermarle dai raggi del radio. Poi mi è capitato di notare che di tanto in tanto una delle gocce cambiava improvvisamente la sua carica e cominciava a muoversi lungo il campo o contro di esso, apparentemente catturando nel primo caso uno ione positivo e nel secondo uno negativo. Ciò ha aperto la possibilità di misurare in modo affidabile non solo le cariche delle singole gocce, come avevo fatto fino ad allora, ma anche la carica di un singolo ione atmosferico.

Infatti, misurando due volte la velocità della stessa goccia, una prima e una dopo la cattura dello ione, potrei ovviamente escludere completamente le proprietà della goccia e le proprietà del mezzo e operare con un valore proporzionale solo alla carica di lo ione catturato”.

3.2.4. Calcolo della tariffa elementare:

La tariffa elementare è stata calcolata da Millikan sulla base delle seguenti considerazioni. La velocità di movimento di una goccia è proporzionale alla forza che agisce su di essa e non dipende dalla carica della goccia.
Se una goccia cadesse tra le armature di un condensatore sotto l'influenza della sola gravità con una velocità v, allora

Quando viene attivato un campo diretto contro la gravità, la forza agente sarà la differenza qE - mg, dove q è la carica della goccia, E è il modulo dell'intensità del campo.

La velocità di caduta sarà pari a:

υ2 =k(qE-mg) (2)

Se dividiamo l'uguaglianza (1) per (2), otteniamo

Da qui

Lascia che la goccia catturi uno ione e la sua carica diventi uguale a q", e la velocità di movimento υ 2. Indichiamo la carica di questo ione catturato con e.

Allora e= q"-q.

Usando (3), otteniamo

Il valore è costante per una determinata caduta.

3.2.5. Conclusioni dal metodo Millikan

Di conseguenza, qualsiasi carica catturata da una goccia sarà proporzionale alla differenza di velocità (υ " 2 - υ 2), in altre parole, proporzionale alla variazione di velocità della goccia dovuta alla cattura di uno ione! Quindi, la la misura della carica elementare si è ridotta alla misurazione del percorso percorso dalla goccia e del tempo durante il quale questo percorso è stato percorso.Numerose osservazioni hanno dimostrato la validità della formula (4).Si è scoperto che il valore di e può cambiare solo bruscamente! Si osservano sempre le tariffe e, 2e, 3e, 4e, ecc.

“In molti casi”, scrive Millikan, “la goccia è stata osservata per cinque o sei ore, e durante questo periodo ha catturato non otto o dieci ioni, ma centinaia di essi. In totale ho osservato la cattura di molte migliaia di ioni in questo modo, e in tutti i casi la carica catturata... era esattamente uguale alla più piccola di tutte le cariche catturate, oppure era uguale a un piccolo multiplo intero di questa valore. Questa è una prova diretta e inconfutabile che l’elettrone non è una “media statistica”, ma che tutte le cariche elettriche sugli ioni sono esattamente uguali alla carica dell’elettrone o rappresentano piccoli multipli interi di quella carica”.

Quindi l'atomicità, la discrezionalità o, nel linguaggio moderno, la quantizzazione della carica elettrica è diventata un fatto sperimentale. Ora era importante dimostrare che l'elettrone è, per così dire, onnipresente. Qualsiasi carica elettrica in un corpo di qualsiasi natura è la somma delle stesse cariche elementari.

Il metodo di Millikan ha permesso di rispondere in modo inequivocabile a questa domanda. Nei primi esperimenti, le cariche venivano create mediante ionizzazione di molecole di gas neutro da parte di un flusso di radiazioni radioattive. È stata misurata la carica degli ioni catturati dalle goccioline.

Quando un liquido viene spruzzato con un flacone spray, le goccioline si elettrizzano a causa dell'attrito. Questo era ben noto nel 19° secolo. Anche queste cariche sono quantizzate, come le cariche ioniche? Millikan "pesa" le goccioline dopo la spruzzatura e misura le cariche nel modo sopra descritto. L'esperienza rivela la stessa discrezione della carica elettrica.

Spruzzando gocce di olio (dielettrico), glicerina (semiconduttore), mercurio (conduttore), Millikan dimostra che le cariche sui corpi di qualsiasi natura fisica consistono in tutti i casi, senza eccezioni, di singole porzioni elementari di grandezza strettamente costante. Nel 1913 Millikan riassunse i risultati di numerosi esperimenti e diede per la carica elementare il seguente valore: e = 4,774. 10 -10 unità Tassa SGSE. Fu così che venne stabilita una delle costanti più importanti della fisica moderna. La determinazione della carica elettrica divenne un semplice problema aritmetico.

3.4 Metodo di imaging Compton:

La scoperta del C.T.R. ha svolto un ruolo importante nel rafforzare l’idea della realtà dell’elettrone. Wilson, l'effetto della condensazione del vapore acqueo sugli ioni, che portò alla possibilità di fotografare le tracce delle particelle.

Dicono che A. Compton durante una conferenza non sia riuscito a convincere un ascoltatore scettico della realtà dell'esistenza delle microparticelle. Insisteva che ci avrebbe creduto solo dopo averli visti con i propri occhi.
Quindi Compton ha mostrato una fotografia con una traccia di particelle alfa, accanto alla quale c'era un'impronta digitale. "Sai cos'è questo?" - chiese Compton. "Dito", rispose l'ascoltatore. "In tal caso", disse solennemente Compton, "questa striscia luminosa è la particella".
Le fotografie delle tracce degli elettroni non solo testimoniavano la realtà degli elettroni. Hanno confermato l'ipotesi della piccola dimensione degli elettroni e hanno permesso di confrontare i risultati dei calcoli teorici, che includevano il raggio dell'elettrone, con quelli sperimentali. Gli esperimenti, iniziati con lo studio di Lenard sul potere di penetrazione dei raggi catodici, dimostrarono che gli elettroni molto veloci emessi da sostanze radioattive producono tracce nel gas sotto forma di linee rette. La lunghezza della traccia è proporzionale all'energia dell'elettrone. Le fotografie delle tracce delle particelle α ad alta energia mostrano che le tracce sono costituite da un gran numero di punti. Ogni punto è una goccia d'acqua che appare su uno ione, che si forma a seguito della collisione di un elettrone con un atomo. Conoscendo la dimensione di un atomo e la sua concentrazione, possiamo calcolare il numero di atomi attraverso i quali deve passare una particella α ad una determinata distanza. Un semplice calcolo mostra che una particella alfa deve percorrere circa 300 atomi prima di incontrare uno degli elettroni che compongono il guscio dell'atomo nel suo percorso e produrre la ionizzazione.

Questo fatto indica in modo convincente che il volume degli elettroni è una frazione trascurabile del volume di un atomo. La traccia di un elettrone a bassa energia è curva, quindi l'elettrone lento viene deviato dal campo intraatomico. Produce più eventi di ionizzazione lungo il suo percorso.

Dalla teoria dello scattering si possono ottenere dati per stimare gli angoli di deflessione in funzione dell'energia dell'elettrone. Questi dati sono ben confermati dall’analisi delle tracce reali.La coincidenza della teoria con l’esperimento ha rafforzato l’idea dell’elettrone come la più piccola particella della materia.

Conclusione:

La misurazione della carica elettrica elementare ha aperto la possibilità di determinare con precisione una serie di importanti costanti fisiche.
Conoscere il valore di e rende automaticamente possibile determinare il valore della costante fondamentale: la costante di Avogadro. Prima degli esperimenti di Millikan esistevano solo stime approssimative della costante di Avogadro, fornite dalla teoria cinetica dei gas. Queste stime erano basate sul calcolo del raggio medio di una molecola d'aria e variavano in un intervallo abbastanza ampio da 2. 10 dalle 23 alle 20 . 10 23 1/mol.

Supponiamo di conoscere la carica Q che è passata attraverso la soluzione elettrolitica e la quantità di sostanza M che si è depositata sull'elettrodo. Allora, se la carica dello ione è Ze 0 e la sua massa m 0, l'uguaglianza vale

Se la massa della sostanza depositata è pari a una mole,

allora Q = F- costante di Faraday, e F = N 0 e, da cui:

Ovviamente, l'accuratezza della determinazione della costante di Avogadro è determinata dall'accuratezza con cui viene misurata la carica dell'elettrone. La pratica ha richiesto un aumento della precisione nella determinazione delle costanti fondamentali, e questo è stato uno degli incentivi per continuare a migliorare la metodologia per misurare la quantità di carica elettrica. Questo lavoro, che ora è di natura puramente metrologica, continua ancora oggi.

I valori più accurati attualmente sono:

e = (4,8029±0,0005) 10 -10. unità Tassa SGSE;

N0 = (6,0230±0,0005) 10 23 1/mol.

Conoscendo N o, è possibile determinare il numero di molecole di gas contenute in 1 cm 3, poiché il volume occupato da 1 mole di gas è un valore costante già noto.

Conoscere il numero di molecole di gas in 1 cm 3 ha permesso, a sua volta, di determinare l'energia cinetica media del movimento termico di una molecola. Dalla carica dell'elettrone infine si possono ricavare la costante di Planck e la costante di Stefan-Boltzmann nella legge della radiazione termica.

Dettagli Categoria: Elettricità e magnetismo Pubblicato il 06/08/2015 05:51 Visualizzazioni: 6694

Una delle costanti fondamentali della fisica è la carica elettrica elementare. Si tratta di una grandezza scalare che caratterizza la capacità dei corpi fisici di prendere parte all'interazione elettromagnetica.

La carica elettrica elementare è considerata la più piccola carica positiva o negativa che non può essere divisa. Il suo valore è uguale alla carica dell'elettrone.

Il fatto che qualsiasi carica elettrica presente in natura sia sempre uguale a un numero intero di cariche elementari fu suggerito nel 1752 dal famoso politico Benjamin Franklin, politico e diplomatico impegnato anche in attività scientifiche e inventive, il primo americano a diventare membro dell'Accademia russa delle scienze.

Benjamin Franklin

Se l'ipotesi di Franklin è corretta e la carica elettrica di qualsiasi corpo o sistema di corpi carico è costituita da un numero intero di cariche elementari, allora questa carica può cambiare bruscamente di una quantità contenente un numero intero di cariche elettroniche.

Per la prima volta, ciò è stato confermato e determinato sperimentalmente in modo abbastanza accurato dallo scienziato americano, professore all'Università di Chicago, Robert Millikan.

Esperienza Millikan

Diagramma dell'esperimento Millikan

Millikan condusse il suo primo famoso esperimento con gocce d'olio nel 1909 insieme al suo assistente Harvey Fletcher. Dicono che all'inizio avevano pianificato di eseguire l'esperimento utilizzando gocce d'acqua, ma queste sono evaporate in pochi secondi, il che chiaramente non è stato sufficiente per ottenere il risultato. Quindi Milliken mandò Fletcher in farmacia, dove comprò un flacone spray e una bottiglia di olio per orologi. Questo bastò perché l'esperimento riuscisse. Successivamente, Millikan ricevette il Premio Nobel per questo e Fletcher ricevette il dottorato.

Robert Milliken

Harvey Fletcher

Qual è stato l'esperimento di Millikan?

Una goccia d'olio elettrizzata cade sotto l'influenza della gravità tra due piastre metalliche. Ma se tra loro si crea un campo elettrico, si impedirà alla gocciolina di cadere. Misurando l'intensità del campo elettrico è possibile determinare la carica della goccia.

Gli sperimentatori hanno posizionato due piastre metalliche del condensatore all'interno del recipiente. Lì, utilizzando una bottiglia spray, sono state introdotte minuscole goccioline di olio, che durante la spruzzatura si sono caricate negativamente a causa del loro attrito con l'aria.

In assenza di campo elettrico la gocciolina cade

Sotto l'influenza della gravità F w = mg, le goccioline cominciarono a cadere. Ma poiché non si trovavano nel vuoto, ma in un ambiente, la forza della resistenza dell'aria impediva loro di cadere liberamente Fras = 6πη rv0 , Dove η – viscosità dell'aria. Quando Fw E Fras equilibrata, la caduta divenne uniforme con la velocità v0 . Misurando questa velocità, lo scienziato ha determinato il raggio della caduta.

Una goccia "galleggia" sotto l'influenza di un campo elettrico

Se, nel momento in cui la goccia cadeva, veniva applicata tensione alle piastre in modo tale che la piastra superiore ricevesse una carica positiva e quella inferiore una negativa, la caduta si arrestava. È stato impedito dal campo elettrico emergente. Le goccioline sembravano librarsi. Ciò è accaduto quando la forza Fr equilibrato dalla forza agente dal campo elettrico Fr = eE ,

Dove Fr - la risultante della gravità e della forza di Archimede.

Fr = 4/3 πr3 ( ρ – ρ 0) G

ρ - densità di una goccia d'olio;

ρ 0 – densità dell'aria.

R è il raggio della goccia.

Conoscere Fr E E , possiamo determinare il valore e .

Poiché era molto difficile garantire che una gocciolina rimanesse ferma per lungo tempo, Millikan e Fletcher crearono un campo in cui la gocciolina, dopo essersi fermata, cominciava a muoversi verso l'alto a una velocità molto bassa v . In questo caso

Gli esperimenti furono ripetuti molte volte. Le cariche venivano impartite alle goccioline irradiandole con un impianto a raggi X o ultravioletto. Ma ogni volta la carica totale della goccia era sempre pari a più cariche elementari.

Nel 1911 Millikan stabilì che la carica di un elettrone è 1,5924(17) x 10 -19 C. Lo scienziato aveva torto solo per l’1%. Il suo valore moderno è 1,602176487(10) x 10 -19 C.

L'esperimento di Ioffe

Abram Fedorovich Ioffe

Va detto che quasi contemporaneamente a Millikan, ma indipendentemente da lui, esperimenti simili furono condotti dal fisico russo Abram Fedorovich Ioffe. E la sua configurazione sperimentale era simile a quella di Millikan. Ma l'aria è stata pompata fuori dalla nave e al suo interno è stato creato il vuoto. E invece delle goccioline d'olio, Ioffe ha utilizzato piccole particelle cariche di zinco. Il loro movimento è stato osservato attraverso un microscopio.

Installazione Ioffe

1- un tubo

2 telecamere

3 - piastre metalliche

4 - microscopio

5 - emettitore ultravioletto

Sotto l'influenza di un campo elettrostatico, cadde un granello di polvere di zinco. Non appena la gravità del granello di polvere divenne uguale alla forza che agisce su di esso dal campo elettrico, la caduta si fermò. Finché la carica della particella di polvere non cambiava, essa continuava a restare immobile. Ma se veniva esposto alla luce ultravioletta, la sua carica diminuiva e l'equilibrio veniva interrotto. Ha ricominciato a cadere. Quindi la quantità di carica sulle piastre è stata aumentata. Di conseguenza, il campo elettrico è aumentato e la caduta si è fermata di nuovo. Ciò è stato fatto più volte. Di conseguenza, si è scoperto che ogni volta la carica del granello di polvere cambiava di una quantità che era un multiplo della carica della particella elementare.

Ioffe non ha calcolato l'entità della carica di questa particella. Ma, dopo aver effettuato un esperimento simile nel 1925 insieme al fisico N.I. Dobronravov, modificando leggermente il setup sperimentale ed utilizzando particelle di polvere di bismuto al posto dello zinco, confermò la teoria

DEFINIZIONE DI ELEMENTARE

CARICA ELETTRICA MEDIANTE IL METODO DELL'ELETTROLISI

Attrezzatura: Sorgente CC, cuvetta con elettrodi del set elettrolita, voltmetro da laboratorio, resistenza, bilancia con pesi o elettronica, chiave, cavi di collegamento, soluzione di solfato di rame, cronometro (o orologio con lancetta dei secondi).

SPIEGAZIONI DEL LAVORO. Per determinare la carica di un elettrone, è possibile utilizzare la legge dell'elettrolisi di Faraday, dove m è la massa della sostanza rilasciata al catodo; M è la massa molare della sostanza; n è la valenza della sostanza; e - carica dell'elettrone; Na è la costante di Avogadro; I è la forza attuale nell'elettrolita; ∆t è il tempo impiegato dalla corrente per attraversare l'elettrolita.

Da questa formula risulta chiaro che per raggiungere l’obiettivo del lavoro è necessario conoscere la massa molare della sostanza rilasciata al catodo, la sua valenza e la costante di Avogadro. Inoltre, durante l'esperimento è necessario misurare l'intensità della corrente e il tempo in cui scorre e, al termine dell'elettrolisi, la massa della sostanza rilasciata al catodo.

Per effettuare l'esperimento si utilizza una soluzione acquosa satura di solfato di rame, che viene versata in una cuvetta dotata di due elettrodi di rame. Un elettrodo è fissato rigidamente al centro della cuvetta e l'altro (rimovibile) è sulla sua parete.

In una soluzione acquosa avviene la dissociazione delle molecole non solo del solfato di rame (CuS04 = Cu2+ +), ma anche dell'acqua (H20 = H+ + OH -), sebbene in misura debole. Pertanto, una soluzione acquosa di CuS04 contiene sia ioni Cu2+ e H+ positivi che ioni SO2- e OH- negativi. Se viene creato un campo elettrico tra gli elettrodi, gli ioni positivi inizieranno a muoversi verso il catodo e gli ioni negativi verso l'anodo. Gli ioni Cu2+ e H+ si avvicinano al catodo, ma non tutti vengono scaricati. Ciò è spiegato dal fatto che gli atomi di rame e idrogeno si trasformano facilmente in ioni caricati positivamente, perdendo i loro elettroni esterni. Ma lo ione rame attacca un elettrone più facilmente dello ione idrogeno. Pertanto, gli ioni rame vengono scaricati sul catodo.

Gli ioni negativi e gli OH- si sposteranno verso l'anodo, ma nessuno di essi verrà scaricato. In questo caso, il rame inizierà a dissolversi. Ciò è spiegato dal fatto che gli atomi di rame cedono più facilmente elettroni alla parte esterna del circuito elettrico rispetto a ioni e OH - e, divenuti ioni positivi, andranno in soluzione: Cu = Cu2+ + 2e-.

Pertanto, quando gli elettrodi sono collegati a una fonte di corrente continua, nella soluzione di solfato di rame si verificherà un movimento diretto di ioni, che si tradurrà nel rilascio di rame puro al catodo.

Affinché lo strato di rame rilasciato sia denso e ben trattenuto sul catodo, si consiglia di eseguire l'elettrolisi a bassa corrente nella soluzione. E poiché ciò porterà a un grande errore di misurazione, invece di un amperometro da laboratorio, nel lavoro vengono utilizzati un resistore e un voltmetro. Sulla base della lettura del voltmetro U e della resistenza del resistore R (è indicata sul suo corpo), viene determinata l'intensità di corrente I. Il diagramma schematico dell'impianto sperimentale è mostrato in Figura 12.

L'intensità della corrente nell'elettrolita può cambiare durante l'esperimento, quindi il suo valore medio 1sr viene sostituito nella formula per determinare la carica. Il valore medio della corrente viene determinato registrando le letture del voltmetro ogni 30 s durante l'intero tempo di osservazione, quindi vengono sommati e il valore risultante viene diviso per il numero di misurazioni. Ecco come si trova l'Ucp. Quindi, utilizzando la legge di Ohm, si trova Icp per una sezione del circuito. È più conveniente registrare i risultati delle misurazioni della tensione in una tabella ausiliaria.

Il tempo del flusso di corrente viene misurato con un cronometro.

PROCEDURA DI PREPARAZIONE AL LAVORO

1. Indicare quali quantità fisiche sono soggette a misurazione diretta per determinare la carica di un elettrone mediante il metodo utilizzato in questo lavoro. Quali strumenti di misura verranno utilizzati per effettuare le misurazioni? Determinare e annotare i limiti degli errori assoluti di questi strumenti.

2. Determinare e annotare i limiti degli errori di lettura assoluti quando si utilizza un cronometro meccanico, un voltmetro e una bilancia.

3. Annotare la formula per determinare il limite di errore assoluto ∆е.

4. Prepara una tabella per registrare le misurazioni, gli errori e i calcoli.

Preparare una tabella di aiuto per registrare le letture del voltmetro.

RISPONDERE ALLE DOMANDE

Perché il tempo del flusso di corrente nell'elettrolita influisce sull'errore nel risultato della misurazione della carica dell'elettrone?

In che modo la concentrazione di una soluzione influenza il risultato della misurazione della carica di un elettrone?

Qual è la valenza del rame?

Qual è la massa molare del rame?

Qual è la costante di Avogadro?

PROCEDURA PER L'ESECUZIONE DELL'OPERA

1. Determinare la massa dell'elettrodo rimovibile t1 sulla bilancia.

2. Collegare l'elettrodo alla cuvetta e assemblare il circuito elettrico mostrato nella Figura 12. Assicurarsi che l'elettrodo rimovibile sia collegato al polo negativo della sorgente di tensione.

3. Riempire la cuvetta con una soluzione di solfato di rame, chiudere la chiave e registrare le letture del voltmetro ogni 30 secondi per 15 minuti.

4. Dopo 15 minuti aprire la chiave, smontare il circuito, togliere l'elettrodo, asciugarlo e determinarne la massa m2 insieme al rame depositato su di esso.

5. Calcolare la massa del rame rilasciato: t- e il limite dell'errore assoluto della sua misurazione ∆t.

6. Calcolare la tensione media ai capi del resistore Uav e la corrente media nell'elettrolita IO Mercoledì

7. Calcola la carica dell'elettrone e.

8. Calcolare il limite di errore assoluto per determinare la carica dell'elettrone ∆e.

9. Annotare il risultato della determinazione dell'addebito, tenendo conto del limite di errore assoluto.

10. Confronta la carica dell'elettrone determinata dai risultati dell'esperimento con il valore della tabella.

Nota metodologica. Gli studenti conoscono già l'elettrone dal corso di chimica e dalla sezione corrispondente del programma del VII grado. Ora dobbiamo approfondire la nostra comprensione della prima particella elementare della materia, ricordare ciò che abbiamo imparato, collegarlo con il primo argomento della sezione “Elettrostatica” e passare a un livello superiore di interpretazione della carica elementare. Occorre tenere presente la complessità del concetto di carica elettrica. L'escursione proposta può aiutare a svelare questo concetto e ad arrivare al nocciolo della questione.

L’elettrone ha una storia complessa. Per raggiungere l'obiettivo nel più breve tempo possibile, è consigliabile condurre la storia come segue.

C'erano degli scettici che generalmente ignoravano la scoperta dell'elettrone. L'accademico A.F. Ioffe, nelle sue memorie sul suo insegnante V.K. Roentgen, scrisse: "Fino al 1906-1907, la parola elettrone non avrebbe dovuto essere pronunciata presso l'Istituto di fisica dell'Università di Monaco. Roentgen la considerava un'ipotesi non dimostrata, spesso usata senza sufficiente motivi e senza necessità”.

L’elettrone non è ancora uscito dal quadro della scienza “pura”. Ricordiamo che il primo tubo a vuoto apparve solo nel 1907.

Per passare dalla fede alla convinzione è stato necessario innanzitutto isolare l'elettrone, inventare un metodo per la misurazione diretta e precisa della carica elementare.

Questo problema fu risolto dal fisico americano Robert Millikan (1868-1953) in una serie di sottili esperimenti iniziati nel 1906.

Robert Milliken nacque nel 1868 nell'Illinois da una famiglia di preti poveri. Ha trascorso la sua infanzia nella città di provincia di Maquoketa, dove veniva prestata molta attenzione allo sport e allo scarso insegnamento. Un preside di un liceo che insegnava fisica diceva, ad esempio, ai suoi giovani ascoltatori: "Come si fa a produrre un suono dalle onde? Sciocchezze, ragazzi, sono tutte sciocchezze!"

Il rapporto tra la forza che agisce su una goccia in una nuvola e la velocità che acquisisce è lo stesso nel primo e nel secondo caso. Nel primo caso la forza è pari a mg, nel secondo mg + qE, dove q è la carica della goccia, E è l'intensità del campo elettrico. Se la velocità nel primo caso è v 1, nel secondo caso v 2, allora

Conoscendo la dipendenza della velocità di caduta della nuvola v dalla viscosità dell'aria, possiamo calcolare la carica necessaria q. Tuttavia, questo metodo non ha fornito la precisione desiderata perché conteneva ipotesi ipotetiche al di fuori del controllo dello sperimentatore.

"Rendendomi conto che la velocità di evaporazione delle goccioline rimaneva sconosciuta, ho provato a trovare un metodo che eliminasse completamente questo valore incerto. Il mio piano era il seguente. Negli esperimenti precedenti, il campo elettrico poteva aumentare o diminuire solo leggermente la velocità delle goccioline la caduta della parte superiore della nuvola sotto l'influenza della gravità. Ora "volevo rafforzare quel campo a tal punto che la superficie superiore della nuvola rimanesse ad un'altezza costante. In questo caso, è diventato possibile determinare con precisione il tasso di evaporazione della il cloud e tenerne conto nei calcoli." Per realizzare questa idea, Millikan progettò una batteria ricaricabile di piccole dimensioni che produceva una tensione fino a 104 V (per quel tempo questo era un risultato eccezionale per uno sperimentatore). Doveva creare un campo abbastanza forte da mantenere sospesa la nuvola, come la “bara di Maometto”.

"Quando avevo tutto pronto", dice Millikan, "e quando si è formata la nuvola, ho girato l'interruttore e la nuvola era in un campo elettrico. E in quel momento si è sciolta davanti ai miei occhi, in altre parole, non un piccolo pezzo rimaneva dell'intera nuvola, che poteva essere osservata con uno strumento ottico di controllo, come fece Wilson e come avrei fatto io. Come mi sembrò in un primo momento, la scomparsa della nuvola senza lasciare traccia nel campo elettrico tra la parte superiore e quella piastre inferiori significavano che l'esperimento era finito invano..."

Tuttavia, come spesso è accaduto nella storia della scienza, il fallimento ha fatto nascere una nuova idea. Ha portato al famoso metodo del drop. "Esperimenti ripetuti", scrive Millikan, "hanno dimostrato che dopo che la nuvola si è dissipata in un potente campo elettrico, al suo posto si potevano distinguere diverse singole gocce d'acqua" (enfasi aggiunta - V.D.).

L'esperimento “fallito” ha portato alla scoperta della possibilità di mantenere in equilibrio le singole goccioline e di osservarle per un periodo piuttosto lungo.

Dopo 7 o 8 minuti, la nuvola si dissipa e rimane nel campo visivo un piccolo numero di gocce, la cui carica corrisponde a detto equilibrio di forze.

Millikan osservò queste gocce come punti luminosi distinti. "La storia di queste gocce di solito è questa", scrive: "Nel caso di una leggera predominanza della gravità sulla forza del campo, iniziano a cadere lentamente, ma poiché evaporano gradualmente, il loro movimento verso il basso si ferma presto e si rimangono immobili per un periodo piuttosto lungo. "Poi il campo comincia a dominare e le gocce cominciano a salire lentamente. Verso la fine della loro vita nello spazio tra le piastre, questo movimento verso l'alto diventa molto accelerato e vengono attratte ad alta velocità al piatto superiore."

Uno schema dell'impianto di Millikan, con il quale si ottennero risultati decisivi nel 1909, è mostrato nella Figura 17.

Alle piastre del condensatore veniva fornita una tensione di 104 V dalla batteria B. Utilizzando un interruttore era possibile cortocircuitare le piastre e quindi distruggere il campo elettrico.

Utilizzando un dispositivo speciale, l'abbassamento del pistone ha espanso il gas. 1-2 s dopo l'espansione, il radio veniva rimosso o oscurato da uno schermo di piombo. Quindi è stato acceso il campo elettrico ed è iniziata l'osservazione delle gocce attraverso il telescopio.

Il tubo aveva una scala sulla quale era possibile contare il percorso percorso dalla goccia in un certo periodo di tempo. Il tempo è stato registrato utilizzando un orologio preciso con un lucchetto.

Durante le sue osservazioni, Millikan scoprì un fenomeno che servì da chiave per l'intera serie di successive misurazioni precise delle singole cariche elementari.

"Mentre lavoravo sulle gocce sospese", scrive Millikan, "mi sono dimenticato più volte di schermarle dai raggi del radio. Poi mi è capitato di notare che di tanto in tanto una delle gocce cambiava improvvisamente carica e cominciava a muoversi lungo il campo o contro di essa, apparentemente catturando nel primo caso uno ione positivo, e nel secondo uno ione negativo. Ciò aprì la possibilità di misurare con certezza non solo la carica delle singole gocce, come avevo fatto fino ad allora, ma anche la carica di un singolo ione atmosferico.

Se una goccia cadesse tra le piastre di un condensatore sotto l'influenza della gravità solo con una velocità v 1, allora

Quando viene attivato un campo diretto contro la gravità, la forza agente sarà la differenza qE = mg, dove q è la carica della goccia, E è il modulo dell'intensità del campo.

La velocità di caduta sarà pari a:

v2 = k (qE - mg) (2)

Se dividiamo l'uguaglianza (1) per (2), otteniamo

Lasciamo che la goccia catturi uno ione e la sua carica diventi uguale a q′ e la velocità di movimento v 2′. Indichiamo con e la carica di questo ione intrappolato, quindi e = q′ - q.

Usando (3), otteniamo

Il valore è costante per una determinata caduta.

Di conseguenza, l'eventuale carica catturata dalla goccia sarà proporzionale alla differenza di velocità (v′ 2 -v 2), cioè proporzionale alla variazione della velocità della goccia dovuta alla cattura dello ione!

Quindi la misura della carica elementare si è ridotta alla misurazione del percorso percorso dalla goccia e del tempo durante il quale è stato percorso questo percorso.

Numerose osservazioni hanno dimostrato la validità della formula (4). Si è scoperto che il valore di e può cambiare solo a salti! Si osservano sempre le tariffe e, 2e, 3e, 4e, ecc.

"In molti casi", scrive Millikan, "la goccia è stata osservata per cinque o sei ore, e durante questo periodo ha catturato non otto o dieci ioni, ma centinaia di essi. In totale, ho osservato la cattura di molte migliaia di ioni in in questo modo, e in tutti i casi, la carica catturata... o era esattamente uguale alla più piccola di tutte le cariche catturate, oppure era uguale a un piccolo multiplo intero di questo valore. Questa è una prova diretta e inconfutabile che l'elettrone non è una "media statistica", ma che tutte le cariche elettriche degli ioni sono esattamente uguali alla carica dell'elettrone o rappresentano piccoli multipli interi di quella carica."

Il metodo di Millikan ha permesso di rispondere in modo inequivocabile a questa domanda.

Nei primi esperimenti, le cariche venivano create mediante ionizzazione di molecole di gas neutro da parte di un flusso di radiazioni radioattive. È stata misurata la carica degli ioni catturati dalle goccioline.

Millikan "pesa" le goccioline dopo la spruzzatura e misura le cariche nel modo sopra descritto. L'esperienza rivela la stessa discrezione della carica elettrica.

Nel 1913 Millikan riassunse i risultati di numerosi esperimenti e diede il seguente valore per la carica elementare: e = 4.774·10 -10 unità. Tassa SGSE.

Fu così che venne stabilita una delle costanti più importanti della fisica moderna. La determinazione della carica elettrica divenne un semplice problema aritmetico.

Visualizzazione elettronica. Un ruolo importante nel rafforzare l'idea della realtà dell'elettrone è stato svolto dalla scoperta di G. A. Wilson dell'effetto della condensazione del vapore acqueo sugli ioni, che ha portato alla possibilità di fotografare le tracce delle particelle.

Quindi Compton ha mostrato una fotografia della traccia delle particelle α, accanto alla quale c'era un'impronta digitale. "Sai cos'è questo?" - chiese Compton. "Dito", rispose l'ascoltatore. "In tal caso", disse solennemente Compton, "questa striscia luminosa è la particella".

Le fotografie delle tracce degli elettroni non solo testimoniavano la realtà degli elettroni. Hanno confermato l'ipotesi della piccola dimensione degli elettroni e hanno permesso di confrontare i risultati dei calcoli teorici, che includevano il raggio dell'elettrone, con quelli sperimentali. Gli esperimenti, iniziati con lo studio di Lenard sul potere di penetrazione dei raggi catodici, dimostrarono che gli elettroni molto veloci emessi da sostanze radioattive producono tracce nel gas sotto forma di linee rette. La lunghezza della traccia è proporzionale all'energia dell'elettrone. Le fotografie delle tracce delle particelle α ad alta energia mostrano che le tracce sono costituite da un gran numero di punti. Ogni punto è una goccia d'acqua che appare su uno ione, che si forma a seguito della collisione di un elettrone con un atomo. Conoscendo la dimensione di un atomo e la sua concentrazione, possiamo calcolare il numero di atomi attraverso i quali deve passare una particella α ad una determinata distanza. Un semplice calcolo mostra che una particella alfa deve percorrere circa 300 atomi prima di incontrare nel suo percorso uno degli elettroni che compongono il guscio dell'atomo e produrre la ionizzazione.

Dalla teoria dello scattering si possono ottenere dati per stimare gli angoli di deflessione in funzione dell'energia degli elettroni. Questi dati sono ben confermati analizzando le tracce reali. L’accordo tra teoria ed esperimento rafforzò l’idea dell’elettrone come la più piccola particella della materia.

La misurazione della carica elettrica elementare ha aperto la possibilità di determinare con precisione una serie di importanti costanti fisiche.

Conoscere il valore di e rende automaticamente possibile determinare il valore della costante fondamentale: la costante di Avogadro. Prima degli esperimenti di Millikan esistevano solo stime approssimative della costante di Avogadro, fornite dalla teoria cinetica dei gas. Queste stime erano basate sui calcoli del raggio medio di una molecola d'aria e variavano in un intervallo abbastanza ampio da 2·10 23 a 20·10 23 1/mol.

Se la massa della sostanza depositata è pari ad una mole, allora Q = F è la costante di Faraday, e F = N 0 e, da cui N 0 = F/e. Ovviamente, l'accuratezza della determinazione della costante di Avogadro è determinata dall'accuratezza con cui viene misurata la carica dell'elettrone.

La pratica ha richiesto un aumento della precisione nella determinazione delle costanti fondamentali, e questo è stato uno degli incentivi per continuare a migliorare la tecnica per misurare il quanto di carica elettrica. Questo lavoro, che ora è di natura puramente metrologica, continua ancora oggi.

I valori più accurati attualmente sono:

e = (4,8029±0,0005) 10 -10 unità. Tassa SGSE;

N0 = (6,0230±0,0005) 10 23 1/mol.

Conoscendo N 0 è possibile determinare il numero di molecole di gas contenute in 1 cm 3, poiché il volume occupato da 1 mole di gas è un valore costante già noto.

Conoscere il numero di molecole di gas in 1 cm 3 ha permesso, a sua volta, di determinare l'energia cinetica media del movimento termico di una molecola.

Dalla carica dell'elettrone infine si possono ricavare la costante di Planck e la costante di Stefan-Boltzmann nella legge della radiazione termica.

Parshina Anna, Sevalnikov Alexey, Luzyanin Roman.

Obiettivo del lavoro: imparare a determinare il valore della carica elementare mediante elettrolisi; studio metodi di determinazione della carica elettrone.

Attrezzatura: recipiente cilindrico con soluzione di solfato di rame, lampada, elettrodi, bilancia, amperometro, generatore di tensione costante, reostato, orologio, chiave, cavi di collegamento.

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Didascalie delle diapositive:

Lavoro di laboratorio Determinazione della carica elementare mediante elettrolisi Eseguito dagli studenti della scuola secondaria Chuchkovskaya di 10a elementare: Anna Parshina, Alexey Sevalnikov, Roman Luzyanin. Responsabile: insegnante di fisica Chekalina O.Yu.

Scopo del lavoro: imparare a determinare il valore della carica elementare mediante elettrolisi; metodi di studio per determinare la carica di un elettrone. Attrezzatura: recipiente cilindrico con soluzione di solfato di rame, lampada, elettrodi, bilancia, amperometro, generatore di tensione costante, reostato, orologio, chiave, cavi di collegamento.

Abbiamo assemblato la catena: Avanzamento lavori:

Il risultato del nostro lavoro

Abbiamo imparato come determinare il valore della carica elementare mediante l'elettrolisi e studiato metodi per determinare la carica di un elettrone. Conclusione:

V. Ya. Bryusov "Il mondo dell'elettrone" Forse questi elettroni sono mondi dove ci sono cinque continenti, arti, conoscenza, guerre, troni e la memoria di quaranta secoli! Inoltre, forse, ogni atomo è un Universo con cento pianeti; Tutto quello che c'è è lì, in un volume compresso, ma anche quello che non c'è. Le loro misure sono piccole, ma la loro infinità è sempre la stessa, come qui; C'è dolore e passione, proprio come qui, e anche lì c'è la stessa arroganza mondana. I loro saggi, avendo posto il loro mondo sconfinato al centro dell'esistenza, si affrettano a penetrare nelle scintille del mistero e a pensare, come faccio io adesso; E nel momento in cui dalla distruzione si creano correnti di nuove forze, nei sogni di autoipnosi gridano che Dio ha spento la sua fiaccola!