素電荷を決定する方法 - 要約。電気分解による素電荷の決定物理学実験素電荷の測定

ロシア連邦教育省

アムール州立教育大学

素電荷の求め方

生徒151gが完成しました。

ヴェンゼレフ A.A.

チェック者: Cheraneva TG

導入。

1. 電子発見の前史

2. 電子の発見の歴史

3. 電子を発見するための実験と方法

3.1 トムソンの経験

3.2 ラザフォードの経験

3.3. ミリカン法

3.3.1. 短い伝記

3.3.2. インストールの説明

3.3.3. 基礎料金の計算

3.3.4. この方法からの結論

3.4. コンプトンイメージング法

結論。

導入：

ELECTRON - 発見時点で最初の素粒子。自然界で最小の質量と最小の電荷をもつ物質担体。原子の構成部分。

電子の電荷は 1.6021892 です。 10～19℃

4.803242。 10 -10単位 SGSE

電子の質量は9.109534です。 10～31kg

特定の電荷 e/m e 1.7588047 。 10 11 Cl. kg -1

電子スピンは 1/2 (h 単位) で、±1/2 の 2 つの射影があります。電子はフェルミ・ディラック統計、つまりフェルミ粒子に従います。これらはパウリの除外原則の対象となります。

電子の磁気モーメントは - 1.00116 m b です。ここで、mb はボーア磁子です。

電子は安定した粒子です。実験データによれば、寿命は t e > 2 です。 10 22歳。

強い相互作用には関与していない、レプトン。現代物理学では、電子は構造や寸法を持たない真の素粒子であると考えられています。後者とがゼロ以外の場合、電子半径 r e< 10 -18 м

1. 発見の背景

電子の発見は数多くの実験の結果でした。 XX世紀の初めまでに。電子の存在は、多数の独立した実験によって確立されています。しかし、国立学校全体によって蓄積された膨大な実験資料にもかかわらず、経験がまだ多くの基本的な疑問に答えていなかったため、電子は仮説上の粒子のままでした。実際、電子の「発見」は半世紀以上続き、1897 年に終わりませんでした。多くの科学者や発明家が参加しました。

まず第一に、個々の電子が参加する実験は一つもありませんでした。基本電荷は、多くの仮説が正しいという仮定の下、微視的な電荷の測定に基づいて計算されました。

不確実性は根本的に重要な点にありました。まず、電子は電気分解の法則の原子論的な解釈の結果として出現し、次にガス放電の中で発見されました。物理学が本当に同じ物体を扱っているのかどうかは明らかではありませんでした。懐疑的な博物学者の大規模なグループは、素電荷は最も多様な大きさの電荷の統計的平均であると信じていました。さらに、電子の電荷を測定する実験では、厳密に繰り返される値は得られませんでした。
電子の発見を一般に無視する懐疑論者もいました。アカデミアン A.F. イオッフェは、彼の教師であるV.K.についての回想録の中で述べています。レントゲンはこう書いている。「1906年から1907年まで。ミュンヘン大学の物理学研究所では電子という言葉は使われるべきではなかった。レントゲンは、これは証明されていない仮説であり、十分な根拠も必要もなく適用されることが多いと考えました。

電子の質量の問題は解決されておらず、導体上と誘電体の両方で電荷が電子から構成されているということも証明されていません。実験では原子の構造がまだ明らかにされていなかったため、「電子」の概念には明確な解釈がありませんでした（ラザフォードの惑星模型は1911年に登場し、ボーアの理論は1913年に登場しました）。

電子はまだ理論構造に入っていません。ローレンツの電子理論は、連続的に分布する電荷密度を特徴としていました。ドルーデによって開発された金属伝導率の理論では、離散電荷に関するものでしたが、これらは任意の電荷であり、その値には制限が課されていませんでした。

電子はまだ「純粋な」科学の枠組みから出ていません。最初の電子管が 1907 年に登場したことを思い出してください。信念から確信に移るには、まず電子を分離し、素電荷を直接かつ正確に測定する方法を発明する必要がありました。

この問題の解決はそう長くはかかりませんでした。 1752 年、電荷の離散性のアイデアは B. フランクリンによって初めて表現されました。電荷の離散性は、1834 年に M. ファラデーによって発見された電気分解の法則によって実験的に実証されました。素電荷 (自然界に見られる最小の電荷) の数値は、次の式を使用して電気分解の法則に基づいて理論的に計算されました。アボガドロ数。素電荷の直接実験測定は、1908 年から 1916 年に行われた古典的な実験で R. Millikan によって行われました。これらの実験はまた、電気の原子性の反駁できない証拠を与えました。電子理論の基本概念によれば、物体の電荷は、それに含まれる電子（または電子の電荷の倍数の電荷を持つ正イオン）の数の変化の結果として発生します。したがって、物体の電荷は、整数の電子電荷を含む部分で突然変化する必要があります。 R. ミリケンは、電荷変化の離散的性質を経験によって確立し、油滴法を使用して電子の存在を確認し、1 つの電子の電荷 (素電荷) の大きさを決定することができました。この方法は、既知の強度 E の均一な電場における帯電した油滴の動きの研究に基づいています。

2.電子の発見：

最初の素粒子である電子の発見に先立つものと、この傑出した出来事に付随したものを無視するなら、簡単に言うことができます。1897 年に、有名なイギリスの物理学者トムソン・ジョセフ・ジョン (1856-1940) は比電荷 q / m を測定しました。陰極線粒子 - 電場と磁場における陰極線 *) の偏向に応じて、彼はそれらを「微粒子」と呼びました。

得られた数と当時知られていた一価の水素イオンの比電荷との比較から、間接的な推論により、彼は後に「電子」と呼ばれるこれらの粒子の質量がはるかに小さい（1 個の質量よりも大きい）という結論に達しました。最も軽い水素イオンの質量よりも千倍）。

同じ年の 1897 年に、彼は電子は原子の不可欠な部分であり、陰極線は、光線の性質の研究者の一部が信じていたような原子や電磁放射線ではないという仮説を提唱しました。トムソンは、「したがって、陰極線は物質の新しい状態を表しており、通常の気体状態とは本質的に異なります...;この新しい状態では、物質はすべての要素を構築する物質です。」と書いています。

電気の性質についてはさまざまな判断があったものの、1897 年以来、陰極線の粒子モデルが一般的な認識を獲得し始めました。そのため、ドイツの物理学者 E. ヴィーヒャートは、「電気は想像上のもので、実際には思考の中にだけ存在する」と信じ、同じ年の 1897 年に有名なイギリスの物理学者ロードケルビンは、電気を一種の「連続流体」として書きました。

陰極線小体が原子の主成分であるというトムソンの考えは、あまり歓迎されませんでした。彼の同僚の中には、彼が陰極線粒子を原子の構成要素の可能性があると考えるべきだと示唆したとき、彼が彼らを当惑させたと考えた人もいた。原子の構造におけるトムソン小体の真の役割は、他の研究結果、特にスペクトル分析や放射能の研究の結果と組み合わせることで理解できるでしょう。

1897 年 4 月 29 日、トムソンはロンドン王立協会の会議で有名なメッセージを発表しました。電子の発見の正確な時刻、つまり日付と時刻は、その独創性を考慮して特定することができません。このイベントは、トムソンと彼のスタッフによる長年の努力の成果でした。トムソンも他の誰も、文字通りの意味で電子を観察したことがなく、誰も陰極線のビームから単一の粒子を分離し、その比電荷を測定することができませんでした。この発見の著者は J.J. トムソンです。なぜなら、彼の電子に関する考えは現代のものに近かったからです。 1903 年に彼は原子の最初のモデルの 1 つである「レーズンプディング」を提案し、1904 年には原子内の電子がいくつかのグループに分けられ、化学元素の周期性を決定するさまざまな構成を形成していることを示唆しました。

発見場所は正確に知られています - キャベンディッシュ研究所（ケンブリッジ、英国）。 1870 年に J.K. マクスウェルによって創設され、その後 100 年間に、物理学のさまざまな分野、特に原子核分野における一連の輝かしい発見の「ゆりかご」となりました。取締役は次のとおりです。 Maxwell J.K. - 1871 年から 1879 年まで、レイリー卿 - 1879 年から 1884 年まで、トムソン J.J. - 1884年から1919年まで、ラザフォードE. - 1919年から1937年まで、ブラッグL. - 1938年から1953年まで。 1923 年から 1935 年まで副所長 - チャドウィック J.

科学的な実験研究は、創造的な探究の雰囲気の中で、一人の科学者または小グループによって行われました。ローレンス・ブラッグは後に、父ヘンリー・ブラッグとの 1913 年の研究を次のように回想しています。これは戦争の始まるまで続きました*)、それにより私たちの共同作業は終了しました。

3. 電子発見方法:

3.1 トムソンの経験

ジョセフ・ジョン・トムソンジョセフ・ジョン・トムソン、1856–1940

イギリスの物理学者、単に J. J. トムソンとして知られています。マンチェスター郊外のチーザム・ヒルで古物商の家庭に生まれる。 1876年に彼は奨学金を獲得してケンブリッジに留学した。 1884 年から 1919 年まで、彼はケンブリッジ大学の実験物理学科の教授であり、トムソンの努力のおかげで世界で最も有名な研究センターの 1 つとなったキャベンディッシュ研究所の非常勤所長を務めました。同時に、1905 年から 1918 年まで、彼はロンドンの王立研究所の教授を務めました。 1906 年に「気体中の電気の通過に関する研究」という文言でノーベル物理学賞を受賞しましたが、これにはもちろん電子の発見も含まれます。トムソンの息子ジョージ・パジェット・トムソン（1892-1975）も、最終的には結晶による電子回折の実験的発見により、1937年にノーベル物理学賞を受賞した。

1897 年、若い英国の物理学者 J. J. トムソンは電子の発見者として何世紀にもわたって有名になりました。トムソン氏は実験で、改良された陰極線管を使用しました。その設計は、管内に（アンペールの法則に従って）磁場を生成する電気コイルと、内部に電場を生成する一連の平行な電気コンデンサープレートによって補われていました。テレビ。これにより、磁界と電界の両方の影響下での陰極線の挙動を研究することが可能になりました。

トムソンは、新しい管設計を使用して、次のことを次々に示しました。(1) 陰極線は、電気的な磁場が存在しない場合、磁場中で偏向される。 (2) 陰極線は磁場が存在しない場合、電場で偏向されます。 (3) 強度のバランスがとれた電界と磁界が同時に作用し、方向を合わせて逆方向に個別に偏向を引き起こすと、陰極線は直線的に伝播します。つまり、2 つの磁界の作用は相互にバランスします。

トムソンは、電場と磁場の作用がバランスする関係は、粒子の移動速度に依存することを発見しました。一連の測定の後、トムソンは陰極線の速度を決定することができました。陰極線は光速よりもはるかに遅い速度で移動することが判明し、光自体を含むあらゆる電磁放射線は光速で伝播するため、陰極線は粒子でしかないことがわかりました（電磁放射線スペクトルを参照）。これらの未知の粒子。トムソンは「微粒子」と呼びましたが、すぐに「電子」と呼ばれるようになりました。

電子は原子の組成の中に存在しなければならないことがすぐに明らかになりました。そうでない場合、電子はどこから来るのでしょうか? 1897 年 4 月 30 日 - トムソンがロンドン王立協会の会議で結果を報告した日 - は電子の誕生日とみなされます。そしてこの日、原子の「不可分性」という考えは過去のものになりました（「物質の構造の原子理論」を参照）。 10 年ちょっと後に続いた原子核の発見 (ラザフォードの実験を参照) とともに、電子の発見は現代の原子モデルの基礎を築きました。

上記の「陰極」、または正確には陰極線管は、現代のテレビのキネスコープやコンピューターモニターの最も単純な前身となり、厳密に制御された量の電子が交流電圧の影響下で熱陰極の表面からノックアウトされます。磁場は厳密に指定された角度で偏向し、スクリーンの燐光セルに衝撃を与え、光電効果による鮮明な画像をスクリーン上に形成します。その発見も、陰極線の本当の性質についての知識がなければ不可能です。

3.2 ラザフォードの経験

初代ネルソン・ラザフォード男爵アーネスト・ラザフォード I アーネスト・ラザフォード、初代ネルソン男爵、1871 ～ 1937

ニュージーランドの物理学者。ネルソンで職人農家の息子として生まれる。奨学金を獲得してイギリスのケンブリッジ大学に留学。卒業後、彼はカナダ大学マギル校（マギル大学）に任命され、そこでフレデリック・ソディ（Frederick Soddy, 1877–1966）とともに放射能現象の基本法則を確立し、1908 年にその功績により賞を受賞しました。ノーベル化学賞。すぐに科学者はマンチェスター大学に移り、ハンス・ガイガー（Hans Geiger, 1882–1945）は彼の指導の下、有名なガイガーカウンターを発明し、原子の構造を研究し始め、1911年に原子の存在を発見しました。核。第一次世界大戦中は敵潜水艦を探知するためのソナー（音響レーダー）の開発に従事した。 1919 年に彼はケンブリッジ大学の物理学の教授およびキャベンディッシュ研究所の所長に任命され、同年に高エネルギーの重粒子による衝突の結果として原子核が崩壊することを発見しました。ラザフォードは生涯の終わりまでこの職に留まり、同時に王立科学協会の会長を長年務めた。彼はウェストミンスター寺院のニュートン、ダーウィン、ファラデーの隣に埋葬されました。

アーネスト・ラザフォードは、ノーベル賞受賞後に主要な発見をしたという意味で、ユニークな科学者です。 1911年、彼は科学者が原子を深く観察してその構造を理解できるようにするだけでなく、デザインの優雅さと奥深さのモデルとなる実験に成功しました。

ラザフォードは、天然の放射性放射線源を使用して、指向性と焦点を合わせた粒子の流れを与える大砲を建造しました。銃は狭い溝が付いた鉛の箱で、その中に放射性物質が入っていた。これにより、放射性物質が1方向を除く全方向に放出した粒子（この場合は陽子2個と中性子2個からなるアルファ粒子）は鉛スクリーンに吸収され、指向性のあるアルファ粒子のみが飛び出すことになる。スリットを通して。

体験スキーム

さらにビームの経路上には、厳密に規定から外れた粒子を遮断する狭いスリットを備えたさらにいくつかの鉛スクリーンが立っていた。

与えられた方向性。その結果、完全に集束されたアルファ粒子のビームがターゲットに向かって飛び立ち、ターゲット自体は非常に薄い金箔のシートでした。彼女を襲ったのはアルファ線だった。フォイル原子と衝突した後、アルファ粒子はそのまま進み、ターゲットの後ろに設置された発光スクリーンに衝突し、アルファ粒子が衝突したときのフラッシュがスクリーンに記録されました。これらから、実験者は、フォイル原子との衝突の結果、直線運動の方向から逸脱するアルファ粒子の数と量を判断できます。

しかし、ラザフォードは、彼の前任者の誰も、一部のアルファ粒子が非常に大きな角度で偏向されるかどうかを実験的にテストしようとさえしなかったことに気づきました。レーズングリッドモデルでは、高速アルファ粒子をかなりの角度で偏向できるほど高密度で重い原子の構造要素の存在が単純に許容されなかったため、誰もこの可能性をわざわざテストしようとしませんでした。ラザフォードは学生の一人に、この可能性を完全に排除するために、大きな偏向角でのアルファ粒子の散乱を観察できるように装置を再装備するよう頼んだ。ただ良心の呵責を晴らすためだ。検出器は、アルファ粒子が当たると蛍光フラッシュを発する材料である硫化ナトリウムでコーティングされたスクリーンでした。一部の粒子が最大 180 度の角度で逸脱することが判明したとき、実験を直接行った学生だけでなく、ラザフォード自身も驚いたことでしょう。

実験結果に基づいてラザフォードが描いた原子の絵は、今日私たちによく知られています。原子は、正の電荷を帯びた超高密度でコンパクトな核と、その周囲の負に帯電した軽い電子で構成されています。その後、科学者たちはこの図を確かな理論的根拠に基づいて証明しましたが (ボーア原子を参照)、すべては少量の放射性物質のサンプルと金箔を使った単純な実験から始まりました。

3.2 方法 ミリカン

3.2.1. 略歴:

ロバート・ミリケンは 1868 年にイリノイ州の貧しい司祭の家庭に生まれました。彼は幼少期をマクヴォケットという地方都市で過ごしたが、そこではスポーツに注目が集まり、教育も不十分だった。たとえば、物理学を教えていた中学校の校長は、若い生徒たちに次のように言いました。くだらない、みんな、それは全部でたらめだ！」

オバディーン大学も同様でしたが、物質的な支援がなかったミリカンさんは高校で自ら物理学を教えなければなりませんでした。当時のアメリカにはフランス語から翻訳された物理学の教科書が 2 冊しかありませんでしたが、才能のある若者はそれらを研究し、教えることに困難はありませんでした。 1893年にコロンビア大学に入学し、その後ドイツに留学しました。

ミリカンが A. マイケルソンからシカゴ大学で助手の職に就くというオファーを受けたとき、ミリカンは 28 歳でした。当初、彼はここでほぼ専ら教育的な仕事に従事していましたが、40歳になって初めて科学研究を始め、それが彼に世界的な名声をもたらしました。

3.2.2. 初めての経験と問題解決:

最初の実験は次のとおりでした。 4000Vの電圧が印加された平らなコンデンサーのプレート間に、イオン上に付着した水滴からなる雲が生成されました。まず、電場のない状態で雲頂の落下が観察されました。次に、電圧をオンにして雲を作成しました。雲の落下は重力と電気力の作用によって起こりました。
雲の水滴に作用する力と雲が獲得する速度の比率は、最初の場合と 2 番目の場合で同じです。最初の場合、力は mg に等しく、2 番目の場合、mg + qE です。ここで、q は液滴の電荷、E は電界の強さです。最初のケースの速度が υ 1 で、2 番目のケースが υ 2 である場合、

雲の落下速度 υ の空気粘度への依存性がわかれば、所望の電荷 q を計算できます。ただし、この方法には実験者の制御を超えた仮説が含まれていたため、望ましい精度が得られませんでした。

測定精度を高めるためには、まず測定プロセス中に必然的に発生する雲の蒸発を考慮する方法を見つける必要がありました。

この問題を反映して、ミリカンは古典的なドロップ法を考案し、これにより多くの予期せぬ可能性が開かれました。発明のストーリーについては著者に任せましょう。
「液滴の蒸発速度が不明なままであることに気づき、この不定値を完全に排除する方法を考えてみました。私の計画は次のとおりでした。以前の実験では、電場は重力の影響下で雲の頂上の落下速度をわずかに増減させるだけでした。ここで、雲の上面が一定の高さに保たれるように、このフィールドを強化したいと考えました。この場合、雲の蒸発速度を正確に決定し、それを計算に考慮することが可能になりました。

このアイデアを実現するために、ミリケンは最大 10 4 V の電圧を与える小型の充電式バッテリーを設計しました (当時としては、これは実験者の優れた成果でした)。彼女は、「ムハンマドの棺」のような雲を浮遊状態に保つのに十分な強度のフィールドを作成する必要がありました。「準備ができたとき」とミリケンは言い、雲が形成されたときにスイッチを入れると、雲は電場になりました。そしてその瞬間、それは私の目の前で溶けました。言い換えれば、ウィルソンがしたように、そして私がしようとしていたように、制御光学装置の助けを借りて観察できる雲全体の小さな部分さえ残っていませんでした。最初は、上部プレートと下部プレートの間の電場に跡形もなく雲が消えたことは、実験が結果なしに終了したことを意味しているように見えました...」しかし、科学の歴史でよく起こったように、失敗は生じました新しいアイデアに。彼女は有名なドロップの手法を生み出しました。「実験を繰り返したところ、雲が分散した後、その場所に強力な電場が発生することがわかった」とミリケンは書いている。いくつかの個々の水滴を区別できた」（私が強調しました。-V.D.）。この「不運な」経験は、平衡状態を維持し、個々の液滴を十分に長い時間観察できる可能性の発見につながりました。

しかし、観測期間中に蒸発の結果、水滴の質量が大きく変化したため、ミリカン氏は何日も捜索した後、油滴を使った実験に切り替えた。

実験手順は簡単であることが判明した。コンデンサのプレート間の断熱膨張により雲が形成されます。それは、異なる弾性率と符号の電荷を持つ液滴で構成されます。電界がオンになると、コンデンサの上部プレートの電荷と同じ電荷をもつ液滴は急速に下降し、逆の電荷をもつ液滴は上部プレートに引き付けられます。しかし、一定数の滴には、重力と電気の力が釣り合うほどの電荷が含まれています。

7、8分後。雲は消え、少数の液滴が視野内に残り、その電荷は示された力のバランスに対応します。

ミリカンは、これらの滴をはっきりとした明るい点として観察しました。「これらの滴の歴史は、通常次のように進みます。場の力よりも重力がわずかに優勢な場合、それらはゆっくりと落下し始めますが、徐々に蒸発するため、その下向きの動きはすぐに止まります」と彼は書いています。そして、かなり長い間動かなくなります。その後、フィールドが優勢になり始め、滴がゆっくりと上昇し始めます。プレート間の空間での寿命の終わりに近づくと、この上向きの動きが非常に強く加速され、高速で上のプレートに引き寄せられます。

3.2.3. インストールの説明:

1909 年に決定的な結果が得られたミリカン施設の計画を図 17 に示します。

チャンバー C には、直径 22 cm (それらの間の距離は 1.6 cm) の円形真鍮板 M および N で作られた平面コンデンサーが配置されました。天板の中央には小さな穴pが開いており、そこから油滴が抜けていました。後者は、噴霧器でオイルのジェットを吹き付けることによって形成されました。空気は、グラスウールを使用したパイプを通過することによって、事前に塵埃を除去されていました。油滴の直径は約１０－４ｃｍであった。

蓄電池Bからコンデンサの極板に10 4 Vの電圧を印加し、スイッチを使用することで極板を短絡させて電界を破壊することができました。

プレート M と N の間に落ちる油の滴は、強力な光源によって照らされました。液滴の挙動は、望遠鏡を通る光線の方向に対して垂直に観察されました。

液滴の凝縮に必要なイオンは、プレートの側面から 3 ～ 10 cm の距離にある重さ 200 mg のラジウム片からの放射線によって生成されました。

特別な装置の助けを借りて、ピストンを下げることによってガスが膨張しました。膨張後 1 ～ 2 秒後、ラジウムを除去するか、鉛スクリーンで覆った。次に、電場がオンになり、望遠鏡への滴の観察が始まりました。パイプには目盛りが付いており、それによって一定期間に水滴が移動した経路を数えることができました。時刻は籠を備えた正確な時計によって測定されました。

ミリカンは観察の過程で、その後の一連の個々の素電荷の正確な測定の鍵となる現象を発見しました。

「浮遊飛沫を扱う作業をしていたとき、ラジウム線から飛沫を守ることを何度か忘れた」とミリカンは書いている。それから私は、時折、液滴の 1 つが突然その電荷を変化させ、電場に沿って、あるいは電場に逆らって動き始め、明らかに前者の場合は正イオンを捕捉し、後者の場合は負イオンを捕捉することに偶然気づきました。これにより、これまでのように個々の液滴の電荷だけでなく、個々の大気イオンの電荷も確実に測定できる可能性が開かれました。

実際、同じ液滴の速度を 2 回測定することで、1 回目はイオンの捕捉前、2 回目はイオンの捕捉後であるため、液滴の特性と媒体の特性を完全に除外して、速度にのみ比例する値で操作できることは明らかです。捕捉されたイオンの電荷。

3.2.4. 素電荷の計算:

基本料金は、以下の考慮事項に基づいて Millikan によって計算されました。滴の速度はそれに作用する力に比例し、滴の電荷には依存しません。
重力のみの作用下でコンデンサのプレート間に水滴が速度 v で落ちた場合、

重力に逆らう場がオンになると、作用する力は差 qE - mg になります。ここで、q は液滴の電荷、E は場の強度の係数です。

ドロップ速度は次のようになります。

υ 2 \u003d k (qE-mg) (2)

等式 (1) を (2) で割ると、次のようになります。

ここから

液滴がイオンを捕捉し、その電荷が q に等しくなり、移動速度が υ 2 になったとします。この捕捉されたイオンの電荷は e で示されます。

すると e = q"-q となります。

(3) を使用すると、次のようになります。

値は特定のドロップに対して一定です。

3.2.5. Millikan メソッドからの結論

したがって、液滴によって捕捉された電荷は、速度の差 (υ " 2 - υ 2) に比例します。つまり、イオンの捕捉による液滴の速度の変化に比例します。素電荷の測定は、液滴が移動した経路とその経路が移動した時間を測定することに帰着しました。多くの観察により、式 (4) の妥当性が示されました。e の値は変化するだけであることが判明しました。ジャンプでは、電荷 e、2e、3e、4e などが常に観察されます。

「多くの場合、その落下は5、6時間観察され、その間に8個や10個のイオンではなく、数百個のイオンが捕捉された」とミリカンは書いている。合計すると、私はこの方法で何千ものイオンが捕獲されるのを観察しましたが、すべての場合において、捕獲された電荷は...捕獲されたすべての電荷の最小のものと正確に等しいか、この小さな整数倍に等しいかのどちらかでした。価値。これは、電子が「統計的平均」ではなく、イオン上のすべての電荷が電子上の電荷と正確に等しいか、この電荷の小さい整数倍であるという直接的で反駁できない証拠です。

したがって、原子主義、離散性、または現代の言葉で言えば、電荷の量子化は実験的事実になりました。さて、電子がいわば遍在していることを示すことが重要でした。いかなる性質の物体の電荷も、同じ素電荷の合計です。

Millikan の方法により、この質問に明確に答えることができました。最初の実験では、放射性放射線の流れによる中性ガス分子のイオン化によって電荷が生成されました。液滴によって捕捉されたイオンの電荷が測定されました。

アトマイザーで液体を噴霧すると、摩擦により液滴が帯電します。これは 19 世紀にはよく知られていました。これらの電荷はイオン電荷と同じように量子化されていますか? Millikan はスプレー後の液滴の「重量」を測定し、上記の方法で電荷測定を行います。経験により、電荷の同様の離散性が明らかになります。

ミリカンは、油（誘電体）、グリセリン（半導体）、水銀（導体）の滴を振りかけると、あらゆる物理的性質の物体の電荷が、例外なく厳密に一定の値の個別の基本部分から構成されることを証明します。 1913 年、ミリカンは多数の実験の結果を要約し、素電荷の値として次の値を与えました: e = 4.774。 10 -10単位 SGSEを充電します。このようにして、現代物理学の最も重要な定数の 1 つが確立されました。電荷の決定は簡単な算術問題になりました。

3.4 コンプトン画像法:

電子の現実性についての考えを強化する上で、C.T.R.の発見は大きな役割を果たしました。ウィルソンは、粒子追跡の写真撮影の可能性をもたらしたイオンに対する水蒸気の凝縮の影響について研究しました。

彼らは、講演でのA.コンプトンは、微粒子の存在の現実について懐疑的な聴衆を納得させることができなかったと言います。彼は、自分の目で見たときだけ信じると主張した。
次にコンプトン氏はα粒子の軌跡が写った写真を見せ、その隣には指紋があった。「それが何か知っていますか？」コンプトンは尋ねた。「指です」と聞き手は答えた。「その場合、」コンプトンは厳かに宣言した、「この光る帯は粒子です。」
電子の軌跡の写真は、電子の現実を証明するだけではありません。彼らは、電子の小さいサイズについての仮定を確認し、電子半径が現れる理論計算の結果を実験と比較することを可能にしました。陰極線の透過力の研究においてレナードが始めた実験では、放射性物質から放出される非常に速い電子がガス中に直線の形で軌跡を描くことが示されました。軌道の長さは電子のエネルギーに比例します。高エネルギーα粒子の飛跡の写真は、その飛跡が多数の点で構成されていることを示しています。各ドットは、電子と原子の衝突の結果として形成されるイオン上に現れる水滴です。原子のサイズとその濃度がわかれば、アルファ粒子が所定の距離で通過する必要がある原子の数を計算できます。簡単な計算によると、α粒子は途中で原子の殻を構成する電子の1つと出会い、イオン化を引き起こすまでに、約300個の原子を移動しなければならないことがわかります。

この事実は、電子の体積が原子の体積のごくわずかであることを説得力をもって示しています。エネルギーの低い電子の軌道は曲がっているため、遅い電子は原子内場によって偏向されます。途中でさらに多くのイオン化イベントが発生します。

散乱理論から、電子のエネルギーに応じて偏向角を推定するためのデータを得ることができます。これらのデータは実際の軌跡の分析でよく確認されており、理論と実験の一致により、電子が物質の最小粒子であるという考えが強化されました。

結論：

素電荷の測定により、多くの重要な物理定数を正確に決定できる可能性が開かれました。
e の値がわかれば、基本定数であるアボガドロ定数の値を自動的に決定することが可能になります。ミリカンの実験以前には、アボガドロ定数の大まかな推定値しか存在しておらず、それは気体の運動理論によって得られました。これらの推定値は空気分子の平均半径の計算に基づいており、2 からかなり広い範囲内で変化しました。 10 23 ～ 20 。 10 23 1/mol

電解質溶液を通過した電荷 Q と電極に析出した物質 M の量がわかっているとします。次に、イオンの電荷が Ze 0 に等しく、その質量が m 0 である場合、次の等式が成り立ちます。

堆積した物質の質量が1モルに等しい場合、

次に、Q \u003d F-ファラデー定数、および F \u003d N 0 e、ここから：

明らかに、アボガドロ定数の決定の精度は、電子の電荷の測定精度によって決まります。実践には基本定数を決定する精度の向上が必要であり、これが電荷量子を測定する技術を改善し続ける動機の 1 つでした。この研究はすでに本質的に純粋に計量的なものであり、今日まで続いています。

現在、最も正確な値は次のとおりです。

e \u003d (4.8029 ± 0.0005) 10 -10。単位 SGSE を充電します。

N 0 \u003d (6.0230 ± 0.0005) 10 23 1 / モル。

1 モルのガスが占める体積は既知の定数であるため、NO がわかれば、1 cm 3 内のガス分子の数を決定することができます。

1 cm 3 内の気体分子の数がわかれば、分子の熱運動の平均運動エネルギーを決定することが可能になります。最後に、電子の電荷を使用して、熱放射の法則におけるプランク定数とステファンボルツマン定数を決定できます。

詳細カテゴリ: 電気と磁気投稿日: 06/08/2015 05:51 閲覧数: 6694

物理学における基本定数の 1 つは素電荷です。これは、電磁相互作用に参加する物理的な体の能力を特徴付けるスカラー量です。

素電荷は、分割できない最小の正または負の電荷と考えられます。その値は電子の電荷の値と等しくなります。

自然に発生する電荷は常に素電荷の整数に等しいという事実は、有名な政治家ベンジャミンフランクリンによって 1752 年に示唆されました。ベンジャミンフランクリンは政治家であり外交官でもあり、科学的および発明的な活動にも従事しており、アメリカ人として初めて加盟しました。ロシア科学アカデミーの。

ベンジャミンフランクリン

フランクリンの仮定が正しく、荷電した物体または物体系の電荷が整数の素電荷で構成されている場合、この電荷は整数の電子電荷を含む値によって突然変化する可能性があります。

これは、アメリカの科学者、シカゴ大学教授のロバート・ミリケンによって初めて確認され、非常に正確に決定されました。

ミリカン体験

ミリカン実験のスキーム

ミリカンは 1909 年に助手のハーベイ・フレッチャーとともに最初の有名な油滴実験を行いました。彼らは、当初は水滴を使って実験を行う予定だったが、水滴は数秒で蒸発してしまい、結果を得るには明らかに十分ではなかったと述べている。それからミリケンはフレッチャーを薬局に送り、スプレーボトルと時計用オイルの小瓶を購入させた。これだけでこの体験は成功するのに十分でした。その後、ミリケンはこの功績でノーベル賞を受賞し、フレッチャーは博士号を取得した。

ロバート・ミリケン

ハーベイ・フレッチャー

ミリカンの実験とは何でしたか？

帯電した油滴が重力の影響で 2 枚の金属板の間に落ちます。しかし、それらの間に電場が生成されると、液滴の落下が妨げられます。電場の強度を測定することにより、液滴の電荷を決定できます。

実験者はコンデンサーの 2 枚の金属板を容器内に配置しました。スプレーガンを使用して油の最小の液滴がそこに導入され、スプレー中に空気との摩擦の結果としてマイナスに帯電しました。

電界が存在しない場合、液滴は落下します。

重力 F w = mg の作用下で、液滴は落下し始めました。しかし、それらは真空ではなく媒体の中だったので、空気抵抗の力によって自由落下することはできませんでした。 周波数 = 6πη rv0 、どこ η 空気の粘度です。いつ Fw そして 周波数解像度 バランスが取れ、フォールがスピードを伴って均一になった v0 。この速度を測定することにより、科学者は落下の半径を決定しました。

液滴は電場の影響下で「浮遊」します

液滴が落下する瞬間に、上部のプレートが正の電荷を受け取り、下部のプレートが負の電荷を受け取るようにプレートに電圧が印加されると、滴は停止します。彼は出現する電場によって阻止された。しずくが浮いているように見えました。これは電源が入ったときに起こりました Fr 電界から作用する力によって平衡する F r = eE ,

どこ Fr- 重力とアルキメデスの力の合力。

F r = 4/3 pr 3 ( ρ – ρ 0) g

ρ は油滴の密度です。

ρ 0 – 空気の密度。

r ドロップの半径です。

知ること Fr そして E 、値を決定することが可能です e .

液滴を長時間静止状態に保つことは非常に困難であったため、ミリケンとフレッチャーは、液滴が停止した後、非常に低速で上向きに移動し始めるフィールドを作成しました。 v 。この場合

実験は何度も繰り返されました。 X線または紫外線装置を液滴に照射することにより、液滴に電荷が与えられます。しかし、毎回の滴の合計電荷は常にいくつかの基本電荷に等しかった。

1911 年、ミリケンは電子の電荷が 1.5924(17) x 10 -19 C であることを発見しました。その科学者はたった 1% だけ間違っていました。現在の値は 1.602176487 (10) x 10 -19 C です。

イオッフェ体験

アブラム・フェドロヴィッチ・イオフェ

ミリカンとほぼ同時に、しかし彼とは独立して、そのような実験はロシアの物理学者アブラム・フェドロヴィッチ・イオッフェによって行われたと言わなければなりません。そして彼の実験装置はミリカンのものと似ていました。しかし、容器から空気が汲み出され、容器内に真空が生じた。そしてイオッフェ氏は、油滴の代わりに、亜鉛の小さな荷電粒子を使用しました。それらの動きを顕微鏡で観察しました。

イオッフェのインストール

1- チューブ

2カメラ

3 - 金属プレート

4 - 顕微鏡

5 - 紫外線エミッター

静電場の作用により、亜鉛の粒が落下しました。塵粒の重力が電場から塵粒に作用する力と等しくなるやいなや、落下は止まりました。塵粒子の電荷が変化しない限り、塵粒子は動かずにぶら下がり続けます。しかし、紫外線が当たると電荷が減少し、バランスが崩れてしまいます。彼女は再び倒れ始めた。次に、プレート上の電荷量が増加しました。これにより、電界が増大し、再び低下が止まった。これは数回行われました。その結果、塵粒子の電荷は素粒子の電荷の倍数ずつ変化することが分かりました。

イオッフェはこの粒子の電荷の大きさを計算しませんでした。しかし、1925 年に物理学者 N.I. と一緒に同様の実験を行ったことがあります。ドブロンラヴォフは、パイロットプラントをわずかに変更し、亜鉛の代わりにビスマス粉末粒子を使用して、理論を確認しました。

初級の定義

電気分解法による帯電

装置：直流電源、「電解質」セットの電極を備えたキュベット、実験室用電圧計、抵抗器、重量または電子スケールを備えたスケール、キー、接続ワイヤー、硫酸銅溶液、ストップウォッチ (または秒針付き時計)。

動作の説明。電子の電荷を決定するには、電気分解のファラデー法則を使用できます。ここで、m は陰極で放出される物質の質量です。 M は物質のモル質量です。 nは物質の価数です。 e は電子の電荷です。 Na はアボガドロの定数です。 I - 電解質中の電流の強さ。 Δt は、電解液に電流が流れる時間です。

この式から、研究の目的を達成するには、陰極で放出される物質のモル質量、その価数、およびアボガドロ定数を知る必要があることがわかります。さらに、実験中は、電流の強さとその流れの時間を測定する必要があり、電気分解の終了後に陰極に放出された物質の質量を測定する必要があります。

実験には、硫酸銅の飽和水溶液が使用され、2 つの銅電極を備えたキュベットに注入されます。 1 つの電極はキュベットの中央にしっかりと固定され、もう 1 つの電極（取り外し可能）は壁に固定されています。

水溶液中では、硫酸銅分子（CuSO4 = Cu2+ + ）だけでなく、水（H2O = H+ + OH -）分子も弱い程度ではありますが解離します。したがって、CuSO4 の水溶液には、正の Cu2+ および H+ イオンと、負の SO2- および OH- イオンの両方が含まれます。電極間に電場が生成されると、陽イオンは陰極に向かって移動し始め、陰イオンは陽極に向かって移動し始めます。 Cu2+ および H+ イオンはカソードに近づきますが、すべてが放電されるわけではありません。これは、銅と水素原子が容易に正に帯電したイオンに変化し、外側の電子を失うという事実によって説明されます。しかし、銅イオンは水素イオンよりも簡単に電子を結合できます。したがって、銅イオンが陰極で放出されます。

マイナスイオンとOH-はアノードに向かって移動しますが、いずれも放電されません。この場合、銅は溶解し始めます。これは、銅原子がイオンやOHよりも簡単に電子を電気回路の外部セクションに与え、正イオンになって溶液に入ります：Cu \u003d Cu2 + + 2e-。

したがって、電極が硫酸銅の溶液中の直流電源に接続されると、イオンの指向性移動が発生し、その結果、カソード上で純銅が放出されます。

放出された銅の層が緻密で陰極に十分に保持されるようにするために、溶液中で低い電流強度で電気分解を実行することが推奨されます。また、測定誤差が大きくなるため、実験室の電流計ではなく、抵抗器と電圧計を使用して作業を行います。電圧計 U の測定値と抵抗器 R の抵抗値 (ケースに表示されています) に応じて、電流の強さ I が決定されます。実験装置の概略図を図 12 に示します。

実験中の電解液中の電流の強さは変化する可能性があるため、その平均値1srが電荷を求める式に代入されます。現在の強度の平均値は、観察時間全体を通じて電圧計の読み取り値を 30 秒ごとに記録し、それらを合計して、結果の値を測定回数で割ることによって決定されます。これがUcpの求め方です。次に、オームの法則に従って、回路部分の Icp が求められます。電圧測定の結果を補助テーブルに記録すると便利です。

電流の流れる時間をストップウォッチで計測します。

作業準備の手順

1. この研究で使用される方法で電子の電荷を決定するために、どのような物理量が直接測定の対象となるかを示します。測定にはどのような測定器が使用されますか? これらのデバイスの絶対誤差の制限を決定し、書き留めます。

2. 機械式ストップウォッチ、電圧計、スケールを使用する場合の絶対読み取り誤差の限界を決定し、書き留めます。

3. 絶対誤差限界 ∆е を決定する式を書き留めます。

4. 測定結果、誤差、計算を記録するためのスプレッドシートを準備します。

電圧計の測定値を記録するための補助テーブルを準備します。

質問に答える

電解液に電流が流れる時間が、電子の電荷の測定結果の誤差に影響するのはなぜですか?

溶液の濃度は電子電荷の測定結果にどのような影響を与えますか?

銅の価数は何ですか?

銅のモル質量はいくらですか?

アボガドロ定数とは何ですか?

作業手順

1. 天秤で取り外し可能な電極 m1 の質量を測定します。

2. 電極をキュベットに取り付け、図 12 に示す電気回路を組み立てます。取り外し可能な電極が電圧源の負極に接続されていることを確認してください。

3. キュベットを硫酸銅の溶液で満たし、キーを閉じ、30 秒ごとに 15 分間電圧計の読み取り値を記録します。

4. 15 分後、キーを開け、回路を分解し、電極を取り外し、乾燥させ、その上に堆積した銅と合わせて質量 m2 を測定します。

5. 放出された銅の質量: m- とその測定の絶対誤差の限界 Δm を計算します。

6. 抵抗器にかかる電圧の平均値 Uav と電解液中の電流の平均値を計算します。私参照。

7. 電子の電荷を計算します。

8. 電子の電荷 ∆е を決定する際の絶対誤差の限界を計算します。

9. 絶対誤差の限界を考慮して、電荷を決定した結果を書き留めます。

10. 実験結果から求めた電子の電荷を表の値と比較します。

体系的なメモ。電子は、化学のコースと VII 学年のプログラムの対応するセクションで学習した生徒にはすでに知られています。ここで、物質の最初の素粒子について理解を深め、これまでに研究したことを思い出し、それをセクション「静電気」の最初のトピックと結びつけ、素電荷のより高いレベルの解釈に進む必要があります。電荷の概念の複雑さを念頭に置く必要があります。提案された脱線は、この概念を明らかにし、問題の核心に迫るのに役立ちます。

電子には複雑な歴史があります。最短でゴールに到達するためには、以下のようにストーリーを進めていくとよいでしょう。

電子の発見は数多くの実験の結果でした。 XX世紀の初めまでに。電子の存在は、多数の独立した実験によって確立されています。しかし、国立学校全体によって蓄積された膨大な実験資料にもかかわらず、経験がまだ多くの基本的な疑問に答えていなかったため、電子は仮説上の粒子のままでした。

電子の発見を一般に無視する懐疑論者もいました。学者A.F.イオッフェは回想録の中で、彼の教師であるV.K.のニーズについて書いています。

電子の質量の問題は解決されておらず、導体上と誘電体の両方で電荷が電子から構成されているということも証明されていません。この実験では原子の構造がまだ明らかにされていなかったため、「電子」の概念には明確な解釈がありませんでした（ラザフォードの惑星模型は 1911 年に登場し、ボーアの理論は 1913 年に登場しました）。

電子はまだ「純粋な」科学の枠組みから出ていません。最初の電子ランプが 1907 年に初めて登場したことを思い出してください。

信仰から確信へと移行するには、まず電子を分離し、素電荷を直接かつ正確に測定する方法を発明する必要がありました。

このような問題は、1906 年に始まった一連の微妙な実験でアメリカの物理学者ロバートミリカン (1868 ～ 1953 年) によって解決されました。

ロバート・ミリケンは 1868 年にイリノイ州の貧しい司祭の家庭に生まれました。彼は幼少期をマクヴォケットという地方都市で過ごしたが、そこではスポーツに注目が集まり、教育も不十分だった。たとえば、物理学を教えていた高校の校長は、若い生徒たちにこう言った。「どうやって波から音を出すことができるの？ナンセンス、みんな、こんなことはナンセンスだ！」

最初の実験は次のとおりでした。 4000Vの電圧が印加された平らなコンデンサーのプレート間に、イオン上に付着した水滴からなる雲が生成されました。まず、電場のない状態で雲頂の落下が観察されました。次に、電圧をオンにして雲を作成しました。雲の落下は重力と電気力の作用によって起こりました。

雲の水滴に作用する力と雲が獲得する速度の比率は、最初の場合と 2 番目の場合で同じです。最初の場合、力は mg に等しく、2 番目の場合、mg + qE です。ここで、q は液滴の電荷、E は電界の強さです。最初のケースの速度が 2 番目のケースの v 1 と等しい場合、v 2 は次のようになります。

雲の落下速度 v の空気粘度への依存性がわかれば、望ましい電荷 q を計算できます。ただし、この方法には実験者の制御を超えた仮説が含まれていたため、望ましい精度が得られませんでした。

測定精度を高めるためには、まず測定プロセス中に必然的に発生する雲の蒸発を考慮する方法を見つける必要がありました。

この問題を反映して、ミリカンは古典的なドロップ法を考案し、これにより多くの予期せぬ可能性が開かれました。発明のストーリーについては著者に任せましょう。

「液滴の蒸発速度が不明のままであることに気づき、この不確実な値を完全に排除する方法を考えようとしました。私の計画は次のとおりでした。以前の実験では、電界は液滴の速度をわずかに増減させるだけでした。」重力の影響による雲の上部の落下ですが、雲の上面が一定の高さに留まるようにその場を強化したいと思いました。この場合、蒸発速度を正確に決定することができました。クラウドを考慮して計算します。」このアイデアを実現するために、ミリケンは最大 104 V の電圧を与える小型バッテリーを設計しました (当時としては、これは実験者の優れた成果でした)。彼女は、「ムハンマドの棺」のような雲を浮遊状態に保つのに十分な強度のフィールドを作成する必要がありました。

「すべての準備が整ったとき、」とミリケンは言います、「そして雲ができたとき、私はスイッチをオンにしました、そして雲は電場の中にありました。そしてその瞬間、それは私の目の前で溶けました、つまり、一滴も溶けませんでした。雲全体には小さな破片が残っていましたが、それは制御光学装置の助けを借りて観察することができました、ウィルソンがやったように、そして私もやろうとしていました。最初に私に思われたように、雲は跡形もなく消えました。上部プレートと下部プレートの間の電場は、結果が出ずに実験が終了したことを意味しました...」

しかし、科学の歴史ではよくあることですが、失敗は新しいアイデアを生み出しました。彼女は有名なドロップの手法を生み出しました。「繰り返しの実験により、雲が強力な電場で消散した後、その場所でいくつかの別々の水滴が区別できることが示された」とミリカンは書いている（私が強調した。 - V.D.）。

この「不運な」経験は、平衡状態を維持し、個々の液滴を十分に長い時間観察できる可能性の発見につながりました。

しかし、観測期間中に蒸発の結果、水滴の質量が大きく変化したため、ミリカン氏は何日も捜索した後、油滴を使った実験に切り替えた。

7 分または 8 分後、雲は消え、少数の滴が視野内に残り、その量は前述の力のバランスに対応します。

ミリカンは、これらの滴をはっきりとした明るい点として観察しました。「これらの滴の歴史は、通常次のように進みます。場の力よりも重力がわずかに優勢な場合、それらはゆっくりと落下し始めますが、徐々に蒸発するにつれて、その下向きの動きはすぐに止まります。そして、それらはかなり長い間動かなくなります. その後、フィールドが優勢になり始め、滴がゆっくりと上昇し始めます. プレート間の空間での寿命の終わりに近づくと、この上昇運動は非常に強力に加速され、それらは引き付けられますすごいスピードで上のプレートまで飛んでいきます。」

1909 年に決定的な結果が得られたミリカン施設の計画を図 17 に示します。

バッテリー B からコンデンサーのプレートに 104 V の電圧が印加され、スイッチを使用してプレートを短絡して電界を破壊することができました。

液滴の凝縮に必要なイオンは、プレートの側面から 3 ～ 10 cm の距離にある重さ 200 mg のラジウム片からの放射線によって生成されました。

特別な装置の助けを借りて、ピストンを下げることによってガスが膨張しました。膨張後 1 ～ 2 秒以内に、ラジウムが除去されるか、鉛スクリーンで覆われました。次に、電場がオンになり、望遠鏡への滴の観察が始まりました。

パイプには目盛りが付いており、それによって一定期間に水滴が移動した経路を数えることができました。時刻は籠を備えた正確な時計によって測定されました。

ミリカンは観察の過程で、その後の一連の個々の素電荷の正確な測定の鍵となる現象を発見しました。

「懸濁液の作業中、ラジウム線から液滴を閉じるのを何度か忘れました。その後、時折、液滴の 1 つが突然その電荷を変え、フィールドに沿って、またはフィールドに沿って移動し始めることに偶然気づきました」とミリケンは書いています。明らかに、最初の場合は正イオンを捕捉し、2 番目の場合は負イオンを捕捉します。これにより、それまで行っていたように個々の液滴の電荷を確実に測定できるだけでなく、個々の大気イオンの電荷。

実際、同じ液滴の速度を 2 回 (1 回目はイオンの捕捉前、2 回目はイオンの捕捉後) 測定することで、液滴の特性と媒体の特性を完全に除外して、イオンの捕捉にのみ比例する量で操作できることは明らかです。捕捉されたイオンの電荷。

基本料金は、以下の考慮事項に基づいて Millikan によって計算されました。滴の速度はそれに作用する力に比例し、滴の電荷には依存しません。

液滴が重力のみの作用で速度 v 1 でコンデンサのプレート間に落ちた場合、

重力に逆らう場がオンになると、作用する力は差 qE = mg になります。ここで、q は液滴の電荷、E は場の強度の係数です。

ドロップ速度は次のようになります。

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

等式 (1) を (2) で割ると、次のようになります。

液滴がイオンを捕捉し、その電荷が q' および運動速度 v 2 ' に等しくなったとします。この捕捉されたイオンの電荷を e で表すと、e = q' - q となります。

(3) を使用すると、次のようになります。

値は特定のドロップに対して一定です。

したがって、液滴によって捕捉された電荷は、速度の差 (v' 2 -v 2) に比例します。言い換えれば、イオン捕捉による液滴の速度の変化に比例します。

したがって、素電荷の測定は、液滴が移動した経路と、この経路が移動した時間の測定に帰着しました。

多くの観察により、式 (4) の妥当性が示されています。 e の値はジャンプでのみ変更できることが判明しました。電荷 e、2e、3e、4e などが常に観察されます。

「多くの場合、液滴は 5 ～ 6 時間観察され、その間に 8 ～ 10 個のイオンではなく、数百個のイオンが捕捉されました。合計で、私は数千個のイオンが捕捉されるのを観察しました。」このようにして、すべての場合において、捕捉された電荷は...すべての捕捉された電荷の最小値に正確に等しいか、この値の小さな整数倍に等しいかのいずれかでした。これは、電子がは「統計的平均」ではなく、イオンのすべての電荷が電子の電荷と正確に等しいか、この電荷の小さい整数倍であることを意味します。

Millikan の方法により、この質問に明確に答えることができました。

最初の実験では、放射性放射線の流れによる中性ガス分子のイオン化によって電荷が生成されました。液滴によって捕捉されたイオンの電荷が測定されました。

アトマイザーで液体を噴霧すると、摩擦により液滴が帯電します。これは 19 世紀にはよく知られていました。これらの電荷はイオン電荷と同じように量子化されていますか?

Millikan はスプレー後の液滴の「重量」を測定し、上記の方法で電荷測定を行います。経験により、電荷の同様の離散性が明らかになります。

ミリカンは、油（誘電体）、グリセリン（半導体）、水銀（導体）の滴を振りかけると、あらゆる物理的性質の物体の電荷が、例外なく厳密に一定の値の個別の基本部分から構成されることを証明します。

1913 年、ミリケンは多数の実験の結果を要約し、素電荷の値として次の値を与えました: e=4.774・10 -10 単位。 SGSEを充電します。

このようにして、現代物理学の最も重要な定数の 1 つが確立されました。電荷の決定は簡単な算術問題になりました。

電子の可視化。電子の現実性の考えを強化する上で大きな役割を果たしたのは、G. A. ウィルソンによるイオンに対する水蒸気の凝縮の影響の発見であり、これにより粒子の軌跡を撮影する可能性がもたらされました。

彼らは、講演でのA.コンプトンは、微粒子の存在の現実について懐疑的な聴衆を納得させることができなかったと言います。彼は、自分の目で見たときだけ信じると主張した。

次にコンプトン氏はα粒子の軌跡が写った写真を見せ、その隣には指紋があった。「それが何か知っていますか？」コンプトンは尋ねた。「指です」と聞き手は答えた。「その場合、」コンプトンは厳かに宣言した、「この光る帯は粒子です。」

電子の軌跡の写真は、電子の現実を証明するだけではありません。彼らは、電子の小さいサイズについての仮定を確認し、電子半径が現れる理論計算の結果を実験と比較することを可能にしました。陰極線の透過力の研究においてレナードが始めた実験では、放射性物質から放出される非常に速い電子がガス中に直線の形で軌跡を描くことが示されました。軌道の長さは電子のエネルギーに比例します。高エネルギーα粒子の飛跡の写真では、その飛跡が多数の点で構成されていることがわかります。各ドットは、電子と原子の衝突の結果として形成されるイオン上に現れる水滴です。原子のサイズとその濃度がわかれば、アルファ粒子が所定の距離で通過する必要がある原子の数を計算できます。簡単な計算によると、α粒子は途中で原子の殻を構成する電子の1つと出会い、イオン化を起こすまでに、約300個の原子を通過しなければならないことがわかります。

散乱理論から、電子エネルギーの関数として偏向角を推定するためのデータを取得できます。これらのデータは、実際のトラックの分析によって十分に確認されています。理論と実験の一致により、電子は物質の最小粒子であるという考えが強化されました。

素電荷の測定により、多くの重要な物理定数を正確に決定できる可能性が開かれました。

e の値がわかれば、基本定数であるアボガドロ定数の値を自動的に決定することが可能になります。ミリカンの実験以前には、アボガドロ定数の大まかな推定値しか存在しておらず、それは気体の運動理論によって得られました。これらの推定値は空気分子の平均半径の計算に基づいており、2・10 23 から 20・10 23 1/mol までのかなり広い範囲内で変化しました。

堆積した物質の質量が 1 モルに等しい場合、Q = F はファラデー定数であり、F = N 0 e であるため、N 0 = F / e となります。明らかに、アボガドロ定数の決定の精度は、電子の電荷の測定精度によって決まります。

実践には基本定数を決定する精度の向上が必要であり、これが電荷量子を測定する技術を改善し続ける動機の 1 つでした。この研究はすでに本質的に純粋に計量的なものであり、今日まで続いています。

現在、最も正確な値は次のとおりです。

e \u003d (4.8029 ± 0.0005) 10 -10 単位。 SGSE を充電します。

N 0 \u003d (6.0230 ± 0.0005) 10 23 1 / モル。

1 モルのガスが占める体積は既知の定数であるため、N 0 がわかれば、1 cm 3 内のガス分子の数を決定することができます。

1 cm 3 内の気体分子の数がわかれば、分子の熱運動の平均運動エネルギーを決定することが可能になります。

最後に、電子の電荷を使用して、熱放射の法則におけるプランク定数とステファンボルツマン定数を決定できます。

パルシナ・アンナ、セヴァルニコフ・アレクセイ、ルジャニン・ローマン。

仕事の目標: 電気分解によって素電荷の値を決定する方法を学びます。探検する電荷決定方法電子。

装置：硫酸銅の溶液が入った円筒形の容器、ランプ、電極、秤、電流計、定電圧源、加減抵抗器、時計、鍵、接続線。

ダウンロード：

プレビュー:

プレゼンテーションのプレビューを使用するには、Google アカウント (アカウント) を作成してサインインします: https://accounts.google.com

スライドのキャプション:

実験室での作業電気分解法による素電荷の決定チュチコフスカヤ中等学校10年生の生徒、アンナ・パルシナ、アレクセイ・セヴァルニコフ、ローマン・ルジャニンによって行われました。監督者: Chekalina O.Yu 物理教師。

研究の目的: 電気分解によって素電荷の値を決定する方法を学ぶこと。電子の電荷を決定する方法を研究します。機器: 硫酸銅の溶液が入った円筒形の容器、ランプ、電極、スケール、電流計、定電圧源、加減抵抗器、時計、キー、接続線。

チェーンを組み立てました: 作業の進捗状況:

私たちの仕事の結果

電気分解によって素電荷の値を求める方法を学び、電子の電荷を求める方法を研究しました。結論：

V. Ya. ブリュソフ「電子の世界」おそらくこれらの電子は、5つの大陸、芸術、知識、戦争、玉座、そして40世紀の記憶がある世界です。また、おそらく、それぞれの原子は宇宙であり、そこには 100 の惑星があります。ここにあるものはすべて、圧縮されたボリュームの中にありますが、ここにないものも存在します。それらの尺度は小さいですが、その無限性はここと同じです。ここには悲しみと情熱があり、そこにも同じ世界の傲慢があります。彼らの賢者たちは、彼らの無限の世界を存在の中心に置き、神秘の火花の中に急いで侵入し、今私がしているように考えます。そして破壊から新たな力の流れが生み出される瞬間、彼らは自己催眠の夢の中で叫びます、神がその灯火を消し去ったと！