Elementārā elektriskā lādiņa noteikšanas metodes - abstrakti. Elementārā lādiņa noteikšana ar elektrolīzi Laboratorijas darbi fizikā, elementārā lādiņa mērīšana

Krievijas Federācijas Izglītības ministrija

Amūras Valsts pedagoģiskā universitāte

Elementārā elektriskā lādiņa noteikšanas metodes

Aizpildījis students 151g.

Venzeļevs A.A.

Pārbaudīja: Cheraneva T.G.

Ievads.

1. Elektrona atklāšanas priekšvēsture

2. Elektrona atklāšanas vēsture

3. Eksperimenti un metodes elektrona atklāšanai

3.1.Tomsona eksperiments

3.2.Raterforda pieredze

3.3. Millikāna metode

3.3.1. īsa biogrāfija

3.3.2. Uzstādīšanas apraksts

3.3.3. Elementārās maksas aprēķins

3.3.4. Secinājumi no metodes

3.4. Komptona attēlveidošanas metode

Secinājums.

Ievads:

ELEKTRONS – pirmā atklātā elementārdaļiņa; dabā mazākās masas un mazākā elektriskā lādiņa materiāla nesējs; atoma sastāvdaļa.

Elektronu lādiņš ir 1,6021892. 10 -19 Cl

4.803242. 10-10 vienības SSSE

Elektrona masa ir 9,109534. 10-31 kg

Īpatnējā maksa e/m e 1.7588047. 10 11 Cl. kg -1

Elektronu spins ir vienāds ar 1/2 (h vienībās), un tam ir divas projekcijas ±1/2; elektroni pakļaujas Fermi-Diraka statistikai, fermioni. Uz tiem attiecas Pauli izslēgšanas princips.

Elektrona magnētiskais moments ir vienāds ar - 1,00116 m b, kur m b ir Bora magnetons.

Elektrons ir stabila daļiņa. Saskaņā ar eksperimentālajiem datiem kalpošanas laiks t e > 2. 10 22 gadi.

Nepiedalās spēcīgajā mijiedarbībā, leptons. Mūsdienu fizika uzskata elektronu par patiesi elementāru daļiņu, kurai nav ne struktūras, ne izmēra. Ja pēdējie nav nulle, tad elektronu rādiuss r e< 10 -18 м

1.Atveres fons

Elektrona atklāšana bija daudzu eksperimentu rezultāts. Līdz 20. gadsimta sākumam. elektrona esamība tika noteikta vairākos neatkarīgos eksperimentos. Bet, neskatoties uz kolosālo eksperimentālo materiālu, ko uzkrājušas veselas nacionālās skolas, elektrons palika hipotētiska daļiņa, jo pieredze vēl nebija atbildējusi uz vairākiem fundamentāliem jautājumiem. Patiesībā elektrona “atklāšana” ilga vairāk nekā pusgadsimtu un nebeidzās 1897. gadā; Tajā piedalījās daudzi zinātnieki un izgudrotāji.

Pirmkārt, nav bijis neviena eksperimenta, kurā būtu iesaistīti atsevišķi elektroni. Elementārais lādiņš tika aprēķināts, pamatojoties uz mikroskopiskā lādiņa mērījumiem, pieņemot vairāku hipotēžu pamatotību.

Būtiski svarīgā punktā bija nenoteiktība. Elektrons vispirms parādījās elektrolīzes likumu atomu interpretācijas rezultātā, pēc tam tas tika atklāts gāzu izlādē. Nebija skaidrs, vai fizika patiešām nodarbojas ar vienu un to pašu objektu. Liela grupa skeptiski noskaņotu dabaszinātnieku uzskatīja, ka elementārais lādiņš ir visdažādāko izmēru lādiņu statistiskais vidējais rādītājs. Turklāt neviens no eksperimentiem, kas mēra elektronu lādiņu, nesniedza stingri atkārtojamas vērtības.
Bija skeptiķi, kuri parasti ignorēja elektrona atklāšanu. Akadēmiķis A.F. Ioffs atmiņās par savu skolotāju V.K. Rentgene rakstīja: “Līdz 1906. - 1907. gadam. vārdu elektrons nevajadzēja izrunāt Minhenes universitātes Fizikas institūtā. Rentgens to uzskatīja par nepierādītu hipotēzi, ko bieži izmanto bez pietiekama pamata un bezjēdzīgi.

Jautājums par elektrona masu nav atrisināts, un nav pierādīts, ka gan vadītāju, gan dielektriķu lādiņi sastāv no elektroniem. Jēdzienam “elektrons” nebija viennozīmīgas interpretācijas, jo eksperiments vēl nebija atklājis atoma uzbūvi (1911. gadā parādījās Raterforda planētu modelis, bet 1913. gadā – Bora teorija).

Elektrons vēl nav iegājis teorētiskajās konstrukcijās. Lorenca elektroniskā teorija raksturoja nepārtraukti sadalītu lādiņu blīvumu. Drudes izstrādātā metāliskās vadītspējas teorija aplūkoja diskrētos lādiņus, taču tie bija patvaļīgi lādiņi, kuru vērtībai netika noteikti nekādi ierobežojumi.

Elektrons vēl nav atstājis “tīrās” zinātnes ietvaru. Atcerēsimies, ka pirmā elektronu caurule parādījās tikai 1907. gadā. Lai pārietu no ticības uz pārliecību, vispirms bija nepieciešams izolēt elektronu un izgudrot metodi tiešai un precīzai elementārā lādiņa mērīšanai.

Šīs problēmas risinājums nebija ilgi jāgaida. 1752. gadā ideju par elektriskā lādiņa diskrētumu pirmo reizi izteica B. Franklins. Eksperimentāli lādiņu diskrētums tika pamatots ar elektrolīzes likumiem, ko M. Faradejs atklāja 1834. gadā. Elementārā lādiņa (mazākā dabā sastopamā elektriskā lādiņa) skaitliskā vērtība tika teorētiski aprēķināta, pamatojoties uz elektrolīzes likumiem, izmantojot Avogadro skaitli. . Tiešo eksperimentālo elementārā lādiņa mērījumu veica R. Millikāns klasiskajos eksperimentos, kas tika veikti 1908. - 1916. gadā. Šie eksperimenti sniedza arī neapgāžamus pierādījumus elektrības atomismam. Saskaņā ar elektroniskās teorijas pamatjēdzieniem ķermeņa lādiņš rodas tajā esošo elektronu skaita izmaiņu rezultātā (vai pozitīvo jonu, kuru lādiņa vērtība ir elektrona lādiņa daudzkārtņa). Tāpēc jebkura ķermeņa lādiņam ir jāmainās strauji un tādās daļās, kas satur veselu skaitu elektronu lādiņu. Eksperimentāli konstatējis elektriskā lādiņa izmaiņu diskrēto raksturu, R. Millikāns spēja iegūt apstiprinājumu elektronu esamībai un ar eļļas pilienu metodi noteikt viena elektrona lādiņa (elementārā lādiņa) vērtību. Metodes pamatā ir lādētu eļļas pilienu kustības izpēte vienmērīgā zināmā stipruma E elektriskajā laukā.

2. Elektrona atklāšana:

Ja neņem vērā to, kas bija pirms pirmās elementārdaļiņas - elektrona - atklāšanas un kas pavadīja šo izcilo notikumu, varam īsi pateikt: 1897. gadā slavenais angļu fiziķis TOMSONS Džozefs Džons (1856-1940) izmērīja īpatnējo lādiņu q/m. katodstaru daļiņas - “ķermeņi”, kā viņš tos sauca, pamatojoties uz katoda staru novirzi *) elektriskajos un magnētiskajos laukos.

Salīdzinot iegūto skaitli ar tobrīd zināmo vienvērtīgā ūdeņraža jona īpatnējo lādiņu, netieši spriežot, viņš secināja, ka šo daļiņu masa, kas vēlāk ieguva nosaukumu “elektroni”, ir ievērojami mazāka (vairāk nekā tūkstoš reižu) nekā vieglākā ūdeņraža jona masa.

Tajā pašā 1897. gadā viņš izvirzīja hipotēzi, ka elektroni ir neatņemama atomu sastāvdaļa un katoda stari nav atomi vai elektromagnētiskais starojums, kā uzskatīja daži staru īpašību pētnieki. Tomsons rakstīja: "Tādējādi katoda stari attēlo jaunu vielas stāvokli, kas būtiski atšķiras no parastā gāzveida stāvokļa...; šajā jaunajā stāvoklī matērija ir viela, no kuras tiek konstruēti visi elementi."

Kopš 1897. gada katodstaru korpuskulārais modelis sāka iegūt vispārēju atzinību, lai gan par elektrības būtību bija ļoti dažādi viedokļi. Tādējādi vācu fiziķis E. Viherts uzskatīja, ka “elektrība ir kaut kas iedomāts, kas patiesībā pastāv tikai domās”, un slavenais angļu fiziķis Lords Kelvins tajā pašā 1897. gadā rakstīja par elektrību kā sava veida “nepārtrauktu šķidrumu”.

Tomsona ideja par katodstaru korpusiem kā atoma pamatkomponentiem netika sagaidīta ar lielu entuziasmu. Daži no viņa kolēģiem domāja, ka viņš tos ir mistificējis, kad ierosināja katodstaru daļiņas uzskatīt par iespējamām atoma sastāvdaļām. Tomsona asinsķermenīšu patieso lomu atoma struktūrā varētu saprast kopā ar citu pētījumu rezultātiem, jo īpaši ar spektru analīzes un radioaktivitātes pētījumu rezultātiem.

1897. gada 29. aprīlī Tomsons sniedza savu slaveno vēstījumu Londonas Karaliskās biedrības sanāksmē. Precīzu elektrona atklāšanas laiku - dienu un stundu - nevar nosaukt tā unikalitātes dēļ. Šis notikums bija Tomsona un viņa darbinieku daudzu gadu darba rezultāts. Ne Tomsons, ne kāds cits nekad īsti nebija novērojis elektronu, un neviens nebija spējis izolēt nevienu daļiņu no katoda staru kūļa un izmērīt tā īpašo lādiņu. Atklājuma autors ir Dž.Dž.Tomsons, jo viņa priekšstati par elektronu bija tuvi mūsdienu. 1903. gadā viņš ierosināja vienu no pirmajiem atoma modeļiem - "rozīņu pudiņu", bet 1904. gadā viņš ierosināja elektronus atomā sadalīt grupās, veidojot dažādas konfigurācijas, kas nosaka ķīmisko elementu periodiskumu.

Atklājuma vieta ir precīzi zināma – Kavendiša laboratorija (Kembridža, Lielbritānija). To 1870. gadā izveidoja J.C. Maxwell, un nākamo simts gadu laikā tas kļuva par “šūpuli” veselai spožu atklājumu ķēdei dažādās fizikas jomās, īpaši atomu un kodolfizikā. Tās režisori bija: Maxwell J.K. - no 1871. līdz 1879. gadam, Lord Rayleigh - no 1879. līdz 1884. gadam, Tomsons Dž. - no 1884. līdz 1919. gadam, Rutherford E. - no 1919. līdz 1937. gadam, Bragg L. - no 1938. līdz 1953. gadam; Direktora vietnieks 1923-1935 — Čadviks Dž.

Zinātniski eksperimentālos pētījumus radošās izpētes gaisotnē veica viens zinātnieks vai neliela grupa. Lorenss Bregs vēlāk atcerējās savu darbu 1913. gadā kopā ar savu tēvu Henriju Bregu: “Tas bija brīnišķīgs laiks, kad gandrīz katru nedēļu tika gūti jauni aizraujoši rezultāti, piemēram, jaunu zeltu saturošu apgabalu atklāšana, kur tīrradņus var savākt tieši no zemes. Tas turpinājās līdz kara sākumam *), kas pārtrauca mūsu kopīgo darbu.

3. Elektrona atvēršanas metodes:

3.1.Tomsona eksperiments

Džozefs Džons Tomsons Džozefs Džons Tomsons, 1856–1940

Angļu fiziķis, labāk pazīstams vienkārši kā J. J. Thomson. Dzimis Cheetham Hill, Mančestras priekšpilsētā, lietotu antikvariātu tirgotāja ģimenē. 1876. gadā viņš ieguva stipendiju Kembridžā. No 1884. līdz 1919. gadam viņš bija Kembridžas Universitātes Eksperimentālās fizikas katedras profesors un vienlaikus arī Cavendish laboratorijas vadītājs, kas ar Tomsona pūliņiem kļuva par vienu no slavenākajiem pētniecības centriem pasaulē. Tajā pašā laikā 1905.-1918.gadā viņš bija profesors Londonas Karaliskajā institūtā. Nobela prēmijas laureāts fizikā 1906. gadā ar formulējumu “par pētījumiem par elektrības pāreju caur gāzēm”, kas, protams, ietver arī elektrona atklāšanu. Tomsona dēls Džordžs Pedžets Tomsons (1892-1975) arī galu galā kļuva par Nobela prēmijas laureātu fizikā - 1937. gadā par eksperimentālu elektronu difrakcijas atklāšanu ar kristāliem.

1897. gadā jaunais angļu fiziķis J. J. Tomsons kļuva slavens gadsimtu gaitā kā elektrona atklājējs. Savā eksperimentā Tomsons izmantoja uzlabotu katodstaru lampu, kuras konstrukciju papildināja elektriskās spoles, kas radīja (saskaņā ar Ampera likumu) caurules iekšpusē magnētisko lauku, un paralēlu elektrisko kondensatora plākšņu komplektu, kas radīja elektrisko lauku iekšpusē. caurule. Pateicoties tam, kļuva iespējams pētīt katodstaru uzvedību gan magnētiskā, gan elektriskā lauka ietekmē.

Izmantojot jaunu caurules dizainu, Tomsons secīgi parādīja, ka: (1) katoda stari tiek novirzīti magnētiskajā laukā, ja nav elektriskā; (2) katoda stari tiek novirzīti elektriskā laukā, ja nav magnētiskā lauka; un (3) vienlaikus iedarbojoties elektriskiem un magnētiskiem laukiem ar līdzsvarotu intensitāti, kas orientēti virzienos, kas atsevišķi izraisa novirzes pretējos virzienos, katoda stari izplatās taisni, tas ir, abu lauku darbība ir savstarpēji līdzsvarota.

Tomsons atklāja, ka attiecības starp elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem, kuros to ietekme ir līdzsvarota, ir atkarīga no daļiņu kustības ātruma. Pēc vairāku mērījumu veikšanas Tomsons spēja noteikt katoda staru kustības ātrumu. Izrādījās, ka tie pārvietojas daudz lēnāk par gaismas ātrumu, kas nozīmēja, ka katoda stari var būt tikai daļiņas, jo jebkurš elektromagnētiskais starojums, ieskaitot pašu gaismu, pārvietojas ar gaismas ātrumu (sk. Elektromagnētiskā starojuma spektrs). Šīs nezināmās daļiņas. Tomsons tos sauca par "ķermenīšiem", bet drīz tie kļuva pazīstami kā "elektroni".

Uzreiz kļuva skaidrs, ka elektroniem ir jāpastāv kā daļai no atomiem – pretējā gadījumā, no kurienes tie nāktu? 1897. gada 30. aprīlis - datums, kad Tomsons ziņoja par saviem rezultātiem Londonas Karaliskās biedrības sanāksmē - tiek uzskatīts par elektrona dzimšanas dienu. Un šajā dienā ideja par atomu “nedalāmību” kļuva par pagātni (skat. Matērijas struktūras atomu teoriju). Kopā ar atoma kodola atklāšanu, kas sekoja nedaudz vairāk nekā desmit gadus vēlāk (skat. Rezerforda eksperimentu), elektrona atklāšana lika pamatu mūsdienu atoma modelim.

Iepriekš aprakstītās “katodstaru lampas” jeb, precīzāk, katodstaru lampas, kļuva par mūsdienu televīzijas attēla lampu un datoru monitoru vienkāršākajiem priekštečiem, kuru ietekmē no karstā katoda virsmas tiek izsisti stingri kontrolēti elektronu daudzumi. no mainīgiem magnētiskajiem laukiem tie tiek novirzīti stingri noteiktos leņķos un bombardē ekrānu fosforescējošās šūnas, veidojot uz tiem skaidru attēlu, kas izriet no fotoelektriskā efekta, kuru atklāt arī nebūtu iespējams bez mūsu zināšanām par katoda patieso būtību. stariem.

3.2.Raterforda pieredze

Ernests Razerfords, pirmais Nelsona barons Raterfords, 1871–1937

Jaunzēlandes fiziķis. Dzimis Nelsonā, amatnieka zemnieka dēls. Ieguva stipendiju studijām Kembridžas Universitātē Anglijā. Pēc absolvēšanas viņš tika iecelts Kanādas Makgila universitātē, kur kopā ar Frederiku Sodiju (1877–1966) noteica radioaktivitātes fenomena pamatlikumus, par ko 1908. gadā viņam tika piešķirta Nobela prēmija ķīmijā. Drīz vien zinātnieks pārcēlās uz Mančestras Universitāti, kur viņa vadībā Hanss Geigers (1882–1945) izgudroja savu slaveno Geigera skaitītāju, sāka pētīt atoma uzbūvi un 1911. gadā atklāja atoma kodola esamību. Pirmā pasaules kara laikā viņš bija iesaistīts sonāru (akustisko radaru) izstrādē, lai atklātu ienaidnieka zemūdenes. 1919. gadā viņš tika iecelts par fizikas profesoru un Kembridžas universitātes Kavendiša laboratorijas direktoru, un tajā pašā gadā atklāja kodolieroču sabrukšanu augstas enerģijas smago daļiņu bombardēšanas rezultātā. Rezerfords palika šajā amatā līdz mūža beigām, vienlaikus ilgus gadus būdams Karaliskās zinātniskās biedrības prezidents. Viņš tika apglabāts Vestminsteras abatijā blakus Ņūtonam, Darvinam un Faradejam.

Ernests Raterfords ir unikāls zinātnieks tādā ziņā, ka savus galvenos atklājumus viņš izdarīja pēc Nobela prēmijas saņemšanas. 1911. gadā viņam izdevās eksperiments, kas ne tikai ļāva zinātniekiem dziļi ieskatīties atomā un gūt ieskatu tā struktūrā, bet arī kļuva par dizaina graciozitātes un dziļuma paraugu.

Izmantojot dabisku radioaktīvā starojuma avotu, Rezerfords uzbūvēja lielgabalu, kas radīja virzītu un fokusētu daļiņu plūsmu. Pistole bija svina kaste ar šauru spraugu, kuras iekšpusē tika ievietots radioaktīvais materiāls. Sakarā ar to svina ekrāns absorbēja daļiņas (šajā gadījumā alfa daļiņas, kas sastāv no diviem protoniem un diviem neitroniem), kuras radioaktīvā viela izstaro visos virzienos, izņemot vienu, un caur spraugu tika izlaists tikai vērsts alfa daļiņu stars. .

Pieredzes shēma

Tālāk gar stara ceļu bija vēl vairāki svina sieti ar šauriem spraugām, kas nogrieza daļiņas, kas stingri novirzās no

dots virziens. Rezultātā perfekti fokusēts alfa daļiņu stars lidoja uz mērķi, un pats mērķis bija plāna zelta folijas loksne. Tas bija alfa stars, kas viņu skāra. Pēc sadursmes ar folijas atomiem alfa daļiņas turpināja savu ceļu un atsitās pret luminiscējošu ekrānu, kas uzstādīts aiz mērķa, uz kura tika reģistrēti uzplaiksnījumi, kad alfa daļiņas tam atsitās. No tiem eksperimentētājs varēja spriest, kādā daudzumā un cik lielā mērā alfa daļiņas novirzās no taisnvirziena kustības virziena sadursmju ar folijas atomiem rezultātā.

Tomēr Razerfords atzīmēja, ka neviens no viņa priekšgājējiem pat nebija mēģinājis eksperimentāli pārbaudīt, vai dažas alfa daļiņas ir novirzītas ļoti lielos leņķos. Rozīņu režģa modelis vienkārši neļāva atomā būt tik blīviem un smagiem strukturāliem elementiem, ka tie varētu novirzīt ātrās alfa daļiņas ievērojamos leņķos, tāpēc neviens neuztraucās pārbaudīt šo iespēju. Rezerfords palūdza vienam no saviem studentiem pārkārtot instalāciju tā, lai būtu iespējams novērot alfa daļiņu izkliedi lielos novirzes leņķos - lai tikai notīrītu viņa sirdsapziņu, lai beidzot izslēgtu šo iespēju. Detektors bija ekrāns, kas pārklāts ar nātrija sulfīdu, materiālu, kas rada fluorescējošu zibspuldzi, kad tam trāpa alfa daļiņa. Iedomājieties pārsteigumu ne tikai studentam, kurš tieši veica eksperimentu, bet arī pašam Raterfordam, kad izrādījās, ka dažas daļiņas ir novirzītas leņķī līdz 180°!

Razerforda uzzīmētais atoma attēls, pamatojoties uz viņa eksperimenta rezultātiem, mums šodien ir labi zināms. Atoms sastāv no īpaši blīva, kompakta kodola, kas nes pozitīvu lādiņu, un negatīvi lādētiem gaismas elektroniem ap to. Vēlāk zinātnieki šim attēlam sniedza uzticamu teorētisko bāzi (skat. Bora atomu), taču viss sākās ar vienkāršu eksperimentu ar nelielu radioaktīvā materiāla paraugu un zelta folijas gabalu.

3.2.Metode Milliken

3.2.1. Īsa biogrāfija:

Roberts Millikens dzimis 1868. gadā Ilinoisā nabadzīga priestera ģimenē. Bērnību viņš pavadīja provinces pilsētā Makvoketā, kur liela uzmanība tika pievērsta sportam un sliktajai mācīšanai. Kāds vidusskolas direktors, kurš mācīja fiziku, saviem mazajiem skolēniem teica, piemēram: “Kā var radīt skaņu no viļņiem? Muļķības, zēni, tas viss ir muļķības!

Oberdīnas koledža nebija labāka, taču Millikenam, kuram nebija finansiāla atbalsta, fizika vidusskolā bija jāmāca pašam. Amerikā tolaik bija tikai divas fizikas mācību grāmatas, tulkotas no franču valodas, un talantīgajam jauneklim nebija nekādu grūtību tās apgūt un sekmīgi mācīt. 1893. gadā iestājās Kolumbijas universitātē, pēc tam devās studēt uz Vāciju.

Millikenam bija 28 gadi, kad viņš saņēma piedāvājumu no A. Miķelsona ieņemt asistenta vietu Čikāgas Universitātē. Sākumā viņš šeit nodarbojās gandrīz tikai ar pedagoģisko darbu, un tikai četrdesmit gadu vecumā sāka zinātniskus pētījumus, kas viņam atnesa pasaules slavu.

3.2.2. Pirmā pieredze un problēmu risinājumi:

Pirmie eksperimenti beidzās ar sekojošo. Starp plakanā kondensatora plāksnēm, kurām tika pielikts 4000 V spriegums, izveidojās mākonis, kas sastāv no ūdens pilieniem, kas nogulsnēti uz joniem. Pirmkārt, tika novērots, ka mākoņa virsotne nokrīt, ja nebija elektriskā lauka. Tad tika izveidots mākonis, kamēr bija ieslēgts spriegums. Mākoņa krišana notika gravitācijas un elektriskā spēka ietekmē.
Spēka, kas iedarbojas uz pilienu mākonī, attiecība pret ātrumu, ko tas iegūst, pirmajā un otrajā gadījumā ir vienāda. Pirmajā gadījumā spēks ir vienāds ar mg, otrajā mg + qE, kur q ir piliena lādiņš, E ir elektriskā lauka stiprums. Ja ātrums pirmajā gadījumā ir vienāds ar υ 1 otrajā υ 2, tad

Zinot mākoņa krišanas ātruma υ atkarību no gaisa viskozitātes, varam aprēķināt nepieciešamo lādiņu q. Tomēr šī metode nenodrošināja vēlamo precizitāti, jo tā saturēja hipotētiskus pieņēmumus, kurus eksperimentētājs nevarēja kontrolēt.

Lai palielinātu mērījumu precizitāti, vispirms bija jāatrod veids, kā ņemt vērā mākoņa iztvaikošanu, kas neizbēgami notika mērījumu procesā.

Pārdomājot šo problēmu, Millikans nāca klajā ar klasisko pilienu metodi, kas pavēra vairākas negaidītas iespējas. Ļausim pašam autoram pastāstīt stāstu par izgudrojumu:
“Apzinoties, ka pilienu iztvaikošanas ātrums joprojām nav zināms, es mēģināju izdomāt metodi, kas pilnībā novērstu šo neskaidro vērtību. Mans plāns bija šāds. Iepriekšējos eksperimentos elektriskais lauks varēja tikai nedaudz palielināt vai samazināt mākoņa virsotnes ātrumu, kas krīt gravitācijas ietekmē. Tagad tik ļoti gribējās šo lauku nostiprināt, ka mākoņa augšējā virsma palika nemainīgā augstumā. Šajā gadījumā kļuva iespējams precīzi noteikt mākoņu iztvaikošanas ātrumu un ņemt to vērā aprēķinos.

Lai īstenotu šo ideju, Millikan izstrādāja maza izmēra uzlādējamu akumulatoru, kas radīja spriegumu līdz 10 4 V (tolaik tas bija izcils eksperimentētāja sasniegums). Tam bija jāizveido pietiekami spēcīgs lauks, lai mākonis paliktu apturēts, piemēram, "Muhammeda zārks". “Kad man viss bija gatavs,” saka Millikens, un, kad izveidojās mākonis, es pagriezu slēdzi, un mākonis atradās elektriskā laukā. Un tajā brīdī tas izkusa manu acu priekšā, citiem vārdiem sakot, no visa mākoņa nepalika ne mazs gabaliņš, ko varēja novērot ar vadības optiskā instrumenta palīdzību, kā to darīja Vilsons un grasījos darīt. Kā man sākumā šķita, mākoņa pazušana bez pēdām elektriskajā laukā starp augšējo un apakšējo plāksni nozīmēja, ka eksperiments beidzās bez rezultātiem...” Taču, kā tas nereti gadījies zinātnes vēsturē, neveiksme deva. pacelties uz jaunu ideju. Tas noveda pie slavenās pilienu metodes. “Atkārtoti eksperimenti,” raksta Millikans, “parādīja, ka pēc tam, kad mākonis izkliedējas spēcīgā elektriskā laukā, savā vietā varēja atšķirt vairākus atsevišķus ūdens pilienus“(es izcēlums – V.D.). “Neveiksmīgā” eksperimenta rezultātā tika atklāta iespēja saglabāt atsevišķus pilienus līdzsvarā un novērot tos diezgan ilgu laiku.

Taču novērojuma laikā ūdens piles masa iztvaikošanas rezultātā būtiski mainījās, un Millikans pēc daudzu dienu meklējumiem pārgāja uz eksperimentiem ar eļļas pilieniem.

Eksperimentālā procedūra izrādījās vienkārša. Adiabātiskā izplešanās starp kondensatora plāksnēm veido mākoni. Tas sastāv no pilieniem ar dažāda lieluma un zīmes lādiņiem. Kad elektriskais lauks ir ieslēgts, pilieni ar lādiņiem, kas ir identiski kondensatora augšējās plāksnes lādiņam, ātri nokrīt, un pilieni ar pretēju lādiņu piesaista augšējā plāksne. Bet noteiktam skaitam pilienu ir tāds lādiņš, ka gravitācijas spēku līdzsvaro elektriskais spēks.

Pēc 7 vai 8 minūtēm. mākonis izklīst, un redzamības laukā paliek neliels skaits pilienu, kuru lādiņš atbilst norādītajam spēku samēram.

Millikans novēroja šos pilienus kā atšķirīgus spilgtus punktus. "Šo pilienu vēsture parasti ir šāda," viņš raksta, "ja neliels gravitācijas pārsvars pār lauka spēku tie sāk lēnām krist, bet, tā kā tie pakāpeniski iztvaiko, to kustība uz leju drīz apstājas un tie. kļūt nekustīgam diezgan ilgu laiku. Tad lauks sāk dominēt un pilieni sāk lēnām celties. To dzīves beigās telpā starp plāksnēm šī kustība uz augšu ļoti strauji paātrinās, un tie ar lielu ātrumu tiek piesaistīti augšējai plāksnei.

3.2.3. Uzstādīšanas apraksts:

Millikāna uzstādīšanas shēma, ar kuru 1909. gadā tika iegūti izšķiroši rezultāti, parādīta 17. attēlā.

C kamerā tika ievietots plakans kondensators, kas izgatavots no apaļām misiņa plāksnēm M un N ar diametru 22 cm (attālums starp tām bija 1,6 cm). Augšējās plāksnes centrā tika izveidots neliels caurums p, caur kuru izgāja eļļas pilieni. Pēdējie tika izveidoti, injicējot eļļas strūklu, izmantojot smidzinātāju. Gaiss iepriekš tika attīrīts no putekļiem, izlaižot to caur cauruli ar stikla vati. Eļļas pilienu diametrs bija aptuveni 10–4 cm.

No akumulatora B uz kondensatora plāksnēm tika piegādāts 10 4 V spriegums.

Eļļas pilienus, kas nokrita starp plāksnēm M un N, apgaismoja spēcīgs avots. Pilienu uzvedība tika novērota perpendikulāri staru virzienam caur teleskopu.

Pilienu kondensācijai nepieciešamos jonus radīja starojums no 200 mg smaga rādija gabala, kas atrodas 3 līdz 10 cm attālumā no plākšņu sāniem.

Izmantojot īpašu ierīci, virzuļa nolaišana paplašināja gāzi. 1–2 s pēc izplešanās rādijs tika noņemts vai aizklāts ar svina sietu. Tad tika ieslēgts elektriskais lauks un sākās pilienu novērošana teleskopā. Caurulei bija skala, uz kuras varēja saskaitīt piliena nobraukto ceļu noteiktā laika periodā. Laiks tika reģistrēts, izmantojot precīzu pulksteni ar slēdzeni.

Savu novērojumu laikā Millikans atklāja parādību, kas kalpoja kā atslēga visai turpmāko atsevišķu elementāro lādiņu precīzu mērījumu sērijai.

“Strādājot ar suspendētiem pilieniem,” raksta Millikans, “es vairākas reizes aizmirsu tos pasargāt no rādija stariem. Tad man gadījās pamanīt, ka ik pa laikam kāds no pilieniem pēkšņi mainīja lādiņu un sāka kustēties pa lauku vai pret to, acīmredzot pirmajā gadījumā fiksējot pozitīvo, bet otrajā negatīvo jonu. Tas pavēra iespēju droši izmērīt ne tikai atsevišķu pilienu lādiņus, kā es to darīju līdz tam, bet arī atsevišķa atmosfēras jona lādiņu.

Patiešām, divreiz mērot viena un tā paša piliena ātrumu, vienu reizi pirms un pēc jona uztveršanas, es acīmredzami varētu pilnībā izslēgt piliena īpašības un barotnes īpašības un darboties ar vērtību, kas ir proporcionāla tikai jona lādiņam. notvertais jons."

3.2.4. Elementārās maksas aprēķins:

Millikans aprēķināja elementāro lādiņu, pamatojoties uz šādiem apsvērumiem. Piliena kustības ātrums ir proporcionāls spēkam, kas uz to iedarbojas, un nav atkarīgs no piliena lādiņa.
Ja piliens nokrita starp kondensatora plāksnēm tikai gravitācijas ietekmē ar ātrumu v, tad

Ieslēdzot lauku, kas vērsts pret gravitāciju, iedarbojošais spēks būs starpība qE - mg, kur q ir piliena lādiņš, E ir lauka intensitātes modulis.

Krišanas ātrums būs vienāds ar:

υ 2 =k(qE-mg) (2)

Ja mēs dalām vienādību (1) ar (2), mēs iegūstam

No šejienes

Lai piliens uztver jonu un tā lādiņš kļūst vienāds ar q", un kustības ātrums υ 2. Apzīmēsim šī notvertā jona lādiņu ar e.

Tad e = q"- q.

Izmantojot (3), mēs iegūstam

Vērtība ir nemainīga konkrētam kritumam.

3.2.5. Secinājumi no Millikana metodes

Līdz ar to jebkurš lādiņš, ko uztver piliens, būs proporcionāls ātruma starpībai (υ " 2 - υ 2), citiem vārdiem sakot, proporcionāls piliena ātruma izmaiņām jonu uztveršanas rezultātā! elementārā lādiņa mērīšana tika samazināta līdz kritiena noietā ceļa mērīšanai. Daudzi novērojumi parādīja formulas (4) derīgumu Vienmēr tiek ievērotas maksas e, 2e, 3e, 4e utt.

"Daudzos gadījumos," raksta Millikans, "piliens tika novērots piecas vai sešas stundas, un šajā laikā tas satvēra nevis astoņus vai desmit jonus, bet simtiem no tiem. Kopumā esmu novērojis daudzu tūkstošu jonu uztveršanu šādā veidā, un visos gadījumos uztvertais lādiņš... bija vai nu tieši vienāds ar mazāko no visiem notvertajiem lādiņiem, vai arī tas bija vienāds ar šī mazo veselo skaitļu daudzkārtni. vērtību. Tas ir tiešs un neapstrīdams pierādījums tam, ka elektrons nav “vidējais statistiskais rādītājs”, bet visi jonu elektriskie lādiņi ir vai nu precīzi vienādi ar elektrona lādiņu, vai arī ir šī lādiņa mazi veseli skaitļi.

Tātad elektriskā lādiņa atomitāte, diskrētums vai, mūsdienu valodā runājot, kvantēšana ir kļuvusi par eksperimentālu faktu. Tagad bija svarīgi parādīt, ka elektrons, tā sakot, ir visuresošs. Jebkurš elektriskais lādiņš jebkuras dabas ķermenī ir to pašu elementāro lādiņu summa.

Millikana metode ļāva viennozīmīgi atbildēt uz šo jautājumu. Pirmajos eksperimentos lādiņi tika radīti, jonizējot neitrālas gāzes molekulas ar radioaktīvā starojuma plūsmu. Tika izmērīts pilienu uztverto jonu lādiņš.

Izsmidzinot šķidrumu ar smidzināšanas pudeli, berzes dēļ pilieni elektrizējas. Tas bija labi zināms jau 19. gadsimtā. Vai šie lādiņi ir arī kvantēti, tāpat kā jonu lādiņi? Millikan pēc izsmidzināšanas "nosver" pilienus un mēra lādiņus iepriekš aprakstītajā veidā. Pieredze atklāj tādu pašu elektriskā lādiņa diskrētumu.

Apsmidzinot eļļas (dielektriskā), glicerīna (pusvadītāja), dzīvsudraba (vadītāja) pilienus, Millikans pierāda, ka lādiņi uz jebkura fiziska rakstura ķermeņiem visos gadījumos bez izņēmuma sastāv no atsevišķām elementārdaļām ar stingri nemainīgu lielumu. 1913. gadā Millikans apkopoja daudzu eksperimentu rezultātus un deva šādu elementārā lādiņa vērtību: e = 4,774. 10-10 vienības SGSE maksa. Tā tika izveidota viena no svarīgākajām mūsdienu fizikas konstantēm. Elektriskā lādiņa noteikšana kļuva par vienkāršu aritmētisku uzdevumu.

3.4. Komptona attēlveidošanas metode:

C.T.R. atklāšanai bija liela loma idejas par elektronu realitāti nostiprināšanā. Vilsons, ūdens tvaiku kondensācijas ietekme uz joniem, kas radīja iespēju fotografēt daļiņu pēdas.

Viņi saka, ka A. Komptons lekcijas laikā nav spējis pārliecināt skeptisko klausītāju par mikrodaļiņu esamības realitāti. Viņš uzstāja, ka noticēs tikai pēc tam, kad būs tos redzējis savām acīm.
Tad Komptons parādīja fotogrāfiju ar alfa daļiņu trasi, kurai blakus bija pirkstu nospiedums. "Vai jūs zināt, kas tas ir?" - jautāja Komptons. "Pirksts," atbildēja klausītājs. "Tādā gadījumā," Komptons svinīgi sacīja, "šī gaismas josla ir daļiņa."
Elektronu pēdu fotogrāfijas ne tikai liecināja par elektronu realitāti. Tie apstiprināja pieņēmumu par elektronu mazo izmēru un ļāva salīdzināt teorētisko aprēķinu rezultātus, kas ietvēra elektronu rādiusu, ar eksperimentu. Eksperimenti, kas sākās ar Lenarda pētījumu par katoda staru caurlaidības spēku, parādīja, ka ļoti ātri radioaktīvo vielu izstarotie elektroni rada gāzē pēdas taisnu līniju veidā. Trases garums ir proporcionāls elektronu enerģijai. Augstas enerģijas α-daļiņu pēdu fotoattēli parāda, ka pēdas sastāv no liela skaita punktu. Katrs punkts ir ūdens piliens, kas parādās uz jona, kas veidojas elektrona sadursmes rezultātā ar atomu. Zinot atoma izmēru un tā koncentrāciju, mēs varam aprēķināt atomu skaitu, caur kuriem alfa daļiņai ir jāiziet noteiktā attālumā. Vienkāršs aprēķins parāda, ka alfa daļiņai ir jānobrauc aptuveni 300 atomi, pirms tā savā ceļā saskaras ar vienu no elektroniem, kas veido atoma apvalku un rada jonizāciju.

Šis fakts pārliecinoši norāda, ka elektronu tilpums ir niecīga atoma tilpuma daļa. Elektrona ar zemu enerģiju trase ir izliekta, tāpēc lēno elektronu novirza atomu iekšējais lauks. Tas rada vairāk jonizācijas notikumu savā ceļā.

No izkliedes teorijas var iegūt datus novirzes leņķu novērtēšanai atkarībā no elektronu enerģijas. Šos datus labi apstiprina reālu pēdu analīze. Teorijas sakritība ar eksperimentu nostiprināja priekšstatu par elektronu kā mazāko matērijas daļiņu.

Secinājums:

Elementārā elektriskā lādiņa mērīšana pavēra iespēju precīzi noteikt vairākas svarīgas fizikālās konstantes.
Zinot e vērtību, automātiski ir iespējams noteikt pamatkonstantes – Avogadro konstantes – vērtību. Pirms Millikana eksperimentiem bija tikai aptuveni Avogadro konstantes aprēķini, ko sniedza gāzu kinētiskā teorija. Šie aprēķini tika balstīti uz gaisa molekulas vidējā rādiusa aprēķiniem un mainījās diezgan plašā diapazonā no 2. 10 23 līdz 20 . 10 23 1/mol.

Pieņemsim, ka mēs zinām lādiņu Q, kas izgāja cauri elektrolīta šķīdumam, un vielas M daudzumu, kas tika nogulsnēts uz elektroda. Tad, ja jona lādiņš ir Ze 0 un tā masa m 0, vienādība ir spēkā

Ja nogulsnētās vielas masa ir vienāda ar vienu molu,

tad Q = F- Faradeja konstante un F = N 0 e, no kuras:

Acīmredzot Avogadro konstantes noteikšanas precizitāti nosaka precizitāte, ar kādu tiek mērīts elektronu lādiņš. Prakse ir prasījusi palielināt fundamentālo konstantu noteikšanas precizitāti, un tas bija viens no stimuliem turpināt pilnveidot elektriskā lādiņa kvantu mērīšanas metodiku. Šis darbs, kam tagad ir tīri metroloģisks raksturs, turpinās līdz pat šai dienai.

Pašlaik visprecīzākās vērtības ir:

e = (4,8029±0,0005) 10 -10. vienības SGSE maksa;

N 0 = (6,0230±0,0005) 10 23 1/mol.

Zinot N o, ir iespējams noteikt gāzes molekulu skaitu 1 cm 3, jo tilpums, ko aizņem 1 mols gāzes, ir jau zināma nemainīga vērtība.

Zinot gāzes molekulu skaitu 1 cm 3, bija iespējams noteikt molekulas termiskās kustības vidējo kinētisko enerģiju. Visbeidzot, no elektrona lādiņa var noteikt Planka konstanti un Stefana-Bolcmaņa konstanti termiskā starojuma likumā.

Sīkāka informācija Kategorija: Elektrība un magnētisms Publicēts 08.06.2015 05:51 Skatījumi: 6694

Viena no fizikas pamatkonstantēm ir elementārais elektriskais lādiņš. Šis ir skalārais lielums, kas raksturo fizisko ķermeņu spēju piedalīties elektromagnētiskajā mijiedarbībā.

Elementāro elektrisko lādiņu uzskata par mazāko pozitīvo vai negatīvo lādiņu, ko nevar sadalīt. Tā vērtība ir vienāda ar elektronu lādiņu.

To, ka jebkurš dabā sastopams elektriskais lādiņš vienmēr ir vienāds ar veselu elementāro lādiņu skaitu, 1752. gadā ierosināja slavenais politiskais personāžs Bendžamins Franklins, politiķis un diplomāts, kurš nodarbojās arī ar zinātnisku un izgudrojošu darbību, pirmais amerikānis, kurš kļuva Krievijas Zinātņu akadēmijas loceklis.

Bendžamins Franklins

Ja Franklina pieņēmums ir pareizs un jebkura uzlādēta ķermeņa vai ķermeņu sistēmas elektriskais lādiņš sastāv no vesela skaita elementāru lādiņu, tad šis lādiņš var krasi mainīties par daudzumu, kas satur veselu elektronu lādiņu skaitu.

Pirmo reizi to apstiprināja un diezgan precīzi eksperimentāli noteica amerikāņu zinātnieks, Čikāgas universitātes profesors Roberts Millikans.

Millikāna pieredze

Millikana eksperimenta diagramma

Millikans veica savu pirmo slaveno eksperimentu ar eļļas pilieniem 1909. gadā kopā ar savu palīgu Hārviju Flečeru. Viņi stāsta, ka sākumā plānojuši veikt eksperimentu, izmantojot ūdens pilienus, taču tie iztvaikojuši dažu sekunžu laikā, kas acīmredzami nebija pietiekami, lai iegūtu rezultātu. Tad Millikens nosūtīja Flečeru uz aptieku, kur viņš nopirka smidzināšanas pudeli un pudeli pulksteņu eļļas. Ar to pietika, lai eksperiments būtu veiksmīgs. Pēc tam Millikans par to saņēma Nobela prēmiju, bet Flečers ieguva doktora grādu.

Roberts Millikens

Hārvijs Flečers

Kāds bija Millikana eksperiments?

Elektrificēts eļļas piliens gravitācijas ietekmē nokrīt starp divām metāla plāksnēm. Bet, ja starp tām tiek izveidots elektriskais lauks, tas neļaus pilienam nokrist. Mērot elektriskā lauka stiprumu, var noteikt piliena lādiņu.

Eksperimenta veicēji trauka iekšpusē ievietoja divas metāla kondensatora plāksnes. Tur, izmantojot smidzināšanas pudeli, tika ievadīti sīki eļļas pilieni, kas izsmidzināšanas laikā kļuva negatīvi lādēti berzes rezultātā ar gaisu.

Ja nav elektriskā lauka, piliens nokrīt

Smaguma spēka F w = mg ietekmē pilieni sāka krist uz leju. Bet, tā kā tie atradās nevis vakuumā, bet vidē, gaisa pretestības spēks neļāva tiem brīvi krist Fras = 6πη rv 0 , Kur η - gaisa viskozitāte. Kad F w Un Fras sabalansēts, kritiens kļuva vienmērīgs ar ātrumu v 0 . Izmērot šo ātrumu, zinātnieks noteica kritiena rādiusu.

Piliens “peld” elektriskā lauka ietekmē

Ja brīdī, kad piliens nokrita, plāksnēm tika pielikts spriegums tā, ka augšējā plāksne saņēma pozitīvu lādiņu, bet apakšējā - negatīvu, kritiens apstājās. Viņu neļāva radītais elektriskais lauks. Šķita, ka pilieni lidoja. Tas notika, kad spēks Fr līdzsvarots ar spēku, kas iedarbojas no elektriskā lauka F r = eE ,

Kur F r – gravitācijas un Arhimēda spēka rezultāts.

F r = 4/3 πr 3 ( ρ – ρ 0) g

ρ - eļļas piliena blīvums;

ρ 0 – gaisa blīvums.

r ir kritiena rādiuss.

Zinot Fr Un E , mēs varam noteikt vērtību e .

Tā kā bija ļoti grūti nodrošināt, lai piliens ilgstoši paliktu nekustīgs, Millikans un Flečers izveidoja lauku, kurā piliens pēc apstāšanās sāka virzīties uz augšu ar ļoti mazu ātrumu. v . Šajā gadījumā

Eksperimenti tika atkārtoti daudzkārt. Lādiņi tika pārnesti uz pilieniem, apstarojot tos ar rentgena vai ultravioleto staru iekārtu. Bet katru reizi kopējais kritiena lādiņš vienmēr bija vienāds ar vairākiem elementārlādiņiem.

1911. gadā Millikans konstatēja, ka elektrona lādiņš ir 1,5924(17) x 10 -19 C. Zinātnieks kļūdījās tikai 1%. Tā mūsdienu vērtība ir 1,602176487(10) x 10 -19 C.

Ioffa eksperiments

Ābrams Fedorovičs Jofs

Jāteic, ka gandrīz vienlaikus ar Millikanu, bet neatkarīgi no viņa līdzīgus eksperimentus veica krievu fiziķis Ābrams Fedorovičs Jofs. Un viņa eksperimentālais uzstādījums bija līdzīgs Millikanam. Bet gaiss tika izsūknēts no trauka, un tajā tika izveidots vakuums. Un eļļas pilienu vietā Ioffe izmantoja mazas lādētas cinka daļiņas. Viņu kustība tika novērota caur mikroskopu.

Ioff uzstādīšana

1- caurule

2-kamera

3 - metāla plāksnes

4 - mikroskops

5 - ultravioletais starojums

Elektrostatiskā lauka ietekmē nokrita cinka putekļu traips. Tiklīdz putekļu graudu smagums kļuva vienāds ar spēku, kas uz to iedarbojas no elektriskā lauka, kritiens apstājās. Kamēr putekļu daļiņas lādiņš nemainījās, tā turpināja karāties nekustīgi. Bet, ja tas tika pakļauts ultravioletajai gaismai, tad tā lādiņš samazinājās un līdzsvars tika izjaukts. Viņa atkal sāka krist. Pēc tam tika palielināts lādiņu daudzums uz plāksnēm. Attiecīgi palielinājās elektriskais lauks, un kritiens atkal apstājās. Tas tika darīts vairākas reizes. Rezultātā tika konstatēts, ka katru reizi putekļu graudu lādiņš mainījās par elementārdaļiņas lādiņa daudzkārtni.

Džofs nav aprēķinājis šīs daļiņas lādiņa lielumu. Bet, veicot līdzīgu eksperimentu 1925. gadā kopā ar fiziķi N.I. Dobronravovs, nedaudz pārveidojot eksperimentālo iestatījumu un cinka vietā izmantojot bismuta putekļu daļiņas, viņš apstiprināja teoriju

ELEMENTĀRIJAS DEFINĪCIJA

ELEKTROLĀDĒŠANA AR ELEKTROLĪZES METODI

Aprīkojums: Līdzstrāvas avots, kivete ar elektrodiem no komplekta Electrolyte, laboratorijas voltmetrs, rezistors, svari ar atsvariem vai elektroniski, atslēga, savienojošie vadi, vara sulfāta šķīdums, hronometrs (vai pulkstenis ar sekunžu rādītāju).

DARBA SKAIDROJUMI. Lai noteiktu elektrona lādiņu, var izmantot Faradeja elektrolīzes likumu, kur m ir katoda izdalītās vielas masa; M ir vielas molārā masa; n ir vielas valence; e - elektronu lādiņš; Na ir Avogadro konstante; I ir strāvas stiprums elektrolītā; ∆t ir laiks, kas nepieciešams, lai strāva izietu caur elektrolītu.

No šīs formulas ir skaidrs, ka, lai sasniegtu darba mērķi, ir jāzina pie katoda izdalītās vielas molārā masa, tās valence un Avogadro konstante. Turklāt eksperimenta laikā ir jāmēra strāvas stiprums un laiks, kad tā plūst, un pēc elektrolīzes beigām pie katoda izdalītās vielas masa.

Eksperimenta veikšanai izmanto piesātinātu vara sulfāta ūdens šķīdumu, ko ielej kivetē ar diviem vara elektrodiem. Viens elektrods ir stingri nostiprināts kivetes centrā, bet otrs (noņemams) atrodas uz tās sienas.

Ūdens šķīdumā notiek ne tikai vara sulfāta (CuS04 = Cu2+ +), bet arī ūdens (H20 = H+ + OH -) molekulu disociācija, kaut arī vāji. Tādējādi CuS04 ūdens šķīdums satur gan pozitīvos Cu2+ un H+ jonus, gan negatīvos SO2- un OH- jonus. Ja starp elektrodiem tiek izveidots elektriskais lauks, tad pozitīvie joni sāks virzīties uz katodu, bet negatīvie - pret anodu. Cu2+ un H+ joni tuvojas katodam, bet ne visi tiek izlādēti. Tas izskaidrojams ar to, ka vara un ūdeņraža atomi viegli pārvēršas pozitīvi lādētos jonos, zaudējot ārējos elektronus. Bet vara jons piesaista elektronu vieglāk nekā ūdeņraža jons. Tāpēc vara joni tiek izvadīti pie katoda.

Negatīvie joni un OH- virzīsies uz anodu, bet neviens no tiem netiks izlādēts. Šajā gadījumā varš sāks šķīst. Tas izskaidrojams ar to, ka vara atomi vieglāk atdod elektronus elektriskās ķēdes ārējai daļai nekā joni un OH - un, kļuvuši par pozitīviem joniem, nonāks šķīdumā: Cu = Cu2+ + 2e-.

Tādējādi, ja elektrodi ir savienoti ar līdzstrāvas avotu, vara sulfāta šķīdumā notiks virzīta jonu kustība, kā rezultātā katodā izdalīsies tīrs varš.

Lai atbrīvotā vara slānis būtu blīvs un labi noturēts uz katoda, elektrolīzi ieteicams veikt ar zemu strāvu šķīdumā. Un tā kā tas radīs lielu mērījumu kļūdu, laboratorijas ampērmetra vietā darbā tiek izmantots rezistors un voltmetrs. Pamatojoties uz voltmetra U rādījumu un rezistora R pretestību (tas ir norādīts uz tā korpusa), tiek noteikts strāvas stiprums I. Eksperimentālā iestatījuma shematiskā diagramma ir parādīta 12. attēlā.

Eksperimenta laikā elektrolītā strāvas stiprums var mainīties, tāpēc lādiņa noteikšanas formulā tiek aizstāta tā vidējā vērtība 1sr. Vidējo strāvas lielumu nosaka, ik pēc 30 sekundēm ierakstot voltmetra rādījumus visā novērošanas laikā, pēc tam tos summē un iegūto vērtību dala ar mērījumu skaitu. Šādi tiek atrasts Ucp. Pēc tam, izmantojot Oma likumu, ķēdes sadaļai tiek atrasts Icp. Ērtāk ir ierakstīt sprieguma mērījumu rezultātus palīgtabulā.

Strāvas plūsmas laiku mēra ar hronometru.

SAGATAVOŠANAS KĀRTĪBA DARBAEM

1. Norādiet, kuri fizikālie lielumi ir pakļauti tiešam mērījumam, lai noteiktu elektrona lādiņu ar šajā darbā izmantoto metodi. Kādi mērinstrumenti tiks izmantoti mērījumu veikšanai? Nosakiet un pierakstiet šo instrumentu absolūto kļūdu robežas.

2. Noteikt un pierakstīt absolūto nolasīšanas kļūdu robežas, izmantojot mehānisko hronometru, voltmetru un svarus.

3. Pierakstiet absolūtās kļūdas robežas ∆е noteikšanas formulu.

4. Sagatavojiet tabulu, kurā ierakstīt savus mērījumus, kļūdas un aprēķinus.

Sagatavojiet palīdzības tabulu, lai reģistrētu voltmetra rādījumus.

ATBILDI UZ JAUTĀJUMIEM

Kāpēc strāvas plūsmas laiks elektrolītā ietekmē kļūdu elektronu lādiņa mērīšanas rezultātā?

Kā šķīduma koncentrācija ietekmē elektrona lādiņa mērīšanas rezultātu?

Kāda ir vara valence?

Kāda ir vara molārā masa?

Kas ir Avogadro konstante?

DARBA VEIKŠANAS KĀRTĪBA

1. Nosakiet noņemamā elektroda masu t1 uz skalas.

2. Pievienojiet elektrodu kivetei un salieciet elektrisko ķēdi, kas parādīta 12. attēlā. Pārliecinieties, vai noņemamais elektrods ir savienots ar sprieguma avota negatīvo polu.

3. Piepildiet kiveti ar vara sulfāta šķīdumu, aizveriet atslēgu un ierakstiet voltmetra rādījumus ik pēc 30 sekundēm 15 minūtes.

4. Pēc 15 minūtēm atveriet atslēgu, izjauciet ķēdi, noņemiet elektrodu, nosusiniet un nosakiet tā masu m2 kopā ar uz tā nogulsnēto varu.

5. Aprēķināt izdalītā vara masu: t- un tā mērījuma absolūtās kļūdas robežu ∆t.

6. Aprēķināt vidējo spriegumu uz rezistora Uav un vidējo strāvu elektrolītā es Trešd

7. Aprēķināt elektrona lādiņu e.

8. Aprēķināt absolūtās kļūdas robežu elektronu lādiņa ∆е noteikšanai.

9. Pierakstiet maksas noteikšanas rezultātu, ņemot vērā absolūto kļūdu robežu.

10. Salīdziniet pēc eksperimenta rezultātiem noteikto elektronu lādiņu ar tabulas vērtību.

Metodiskā piezīme. Par elektronu skolēni jau zina no ķīmijas kursa un atbilstošās VII klases mācību programmas sadaļas. Tagad jāpadziļina izpratne par matērijas pirmo elementārdaļiņu, jāatgādina apgūtais, jāsaista tas ar pirmo sadaļas “Elektrostatika” tēmu un jāpāriet uz augstāku elementārā lādiņa interpretācijas līmeni. Jāpatur prātā elektriskā lādiņa jēdziena sarežģītība. Ierosinātā ekskursija var palīdzēt atklāt šo koncepciju un nokļūt lietas būtībā.

Elektronam ir sarežģīta vēsture. Lai sasniegtu mērķi pēc iespējas īsākā veidā, stāstu ieteicams vadīt šādi.

Bija skeptiķi, kuri parasti ignorēja elektrona atklāšanu. Akadēmiķis A. F. Ioffe savos atmiņās par savu skolotāju V. K. Rentgenu rakstīja: “Līdz 1906.–1907. gadam Minhenes Universitātes Fizikas institūtā vārdu elektrons nevajadzēja izrunāt par nepierādītu hipotēzi, ko bieži lietoja bez pietiekamas pamata un bez vajadzības”.

Elektrons vēl nav atstājis “tīrās” zinātnes ietvaru. Atcerēsimies, ka pirmā vakuuma caurule parādījās tikai 1907. gadā.

Lai pārietu no ticības uz pārliecību, vispirms bija nepieciešams izolēt elektronu, izgudrot metodi tiešai un precīzai elementārā lādiņa mērīšanai.

Šo problēmu atrisināja amerikāņu fiziķis Roberts Millikans (1868-1953) smalku eksperimentu sērijā, kas sākās 1906. gadā.

Roberts Millikens dzimis 1868. gadā Ilinoisā nabadzīga priestera ģimenē. Bērnību viņš pavadīja provinces pilsētā Makvoketā, kur liela uzmanība tika pievērsta sportam un sliktajai mācīšanai. Kāds vidusskolas direktors, kurš mācīja fiziku, teica saviem jaunajiem klausītājiem: "Kā jūs varat radīt skaņu no viļņiem Muļķības, zēni, tas viss ir muļķības!"

Spēka, kas iedarbojas uz pilienu mākonī, attiecība pret ātrumu, ko tas iegūst, pirmajā un otrajā gadījumā ir vienāda. Pirmajā gadījumā spēks ir vienāds ar mg, otrajā mg + qE, kur q ir piliena lādiņš, E ir elektriskā lauka stiprums. Ja ātrums pirmajā gadījumā ir v 1 otrajā gadījumā v 2, tad

Zinot mākoņa krišanas ātruma v atkarību no gaisa viskozitātes, varam aprēķināt nepieciešamo lādiņu q. Tomēr šī metode nenodrošināja vēlamo precizitāti, jo tā saturēja hipotētiskus pieņēmumus, kurus eksperimentētājs nevarēja kontrolēt.

Lai palielinātu mērījumu precizitāti, vispirms bija jāatrod veids, kā ņemt vērā mākoņa iztvaikošanu, kas neizbēgami notika mērījumu procesā.

Pārdomājot šo problēmu, Millikans nāca klajā ar klasisko pilienu metodi, kas pavēra vairākas negaidītas iespējas. Ļausim pašam autoram pastāstīt stāstu par izgudrojumu:

"Saprotot, ka pilienu iztvaikošanas ātrums palika nezināms, mēģināju izdomāt metodi, kas pilnībā novērstu šo neskaidro vērtību. Mans plāns bija šāds. Iepriekšējos eksperimentos elektriskais lauks varēja tikai nedaudz palielināt vai samazināt mākoņu virsotnes krišana gravitācijas ietekmē Tagad “Es tik ļoti gribēju nostiprināt to lauku, ka mākoņa augšējā virsma palika nemainīgā augstumā. Šajā gadījumā kļuva iespējams precīzi noteikt iztvaikošanas ātrumu mākoni un ņem to vērā aprēķinos. Lai īstenotu šo ideju, Millikan izstrādāja maza izmēra uzlādējamu akumulatoru, kas radīja spriegumu līdz 104 V (tolaik tas bija izcils eksperimentētāja sasniegums). Tam bija jāizveido pietiekami spēcīgs lauks, lai mākonis paliktu apturēts, piemēram, "Muhammeda zārks".

“Kad man bija viss gatavs,” stāsta Millikans, “un kad izveidojās mākonis, es pagriezu slēdzi, un mākonis atradās elektriskajā laukā, un tajā brīdī tas izkusa manu acu priekšā, citiem vārdiem sakot, ne mazs gabaliņš palika no visa mākoņa, ko varēja novērot, izmantojot vadības optisko ierīci, kā to darīja Vilsons un es gatavojos darīt, kā man šķita, mākoņa pazušana bez pēdām elektriskajā laukā starp augšējo un apakšējās plāksnes nozīmēja, ka eksperiments beidzās veltīgi ... "

Tomēr, kā tas bieži ir noticis zinātnes vēsturē, neveiksme radīja jaunu ideju. Tas noveda pie slavenās pilienu metodes. “Atkārtoti eksperimenti,” raksta Millikans, “liecināja, ka pēc tam, kad mākonis izkliedējās spēcīgā elektriskā laukā, tā vietā var atšķirt vairākus atsevišķus ūdens pilienus” (izcēlums pievienots - V.D.).

“Neveiksmīgā” eksperimenta rezultātā tika atklāta iespēja saglabāt atsevišķus pilienus līdzsvarā un novērot tos diezgan ilgu laiku.

Taču novērojuma laikā ūdens piles masa iztvaikošanas rezultātā būtiski mainījās, un Millikans pēc daudzu dienu meklējumiem pārgāja uz eksperimentiem ar eļļas pilieniem.

Pēc 7 vai 8 minūtēm mākonis izklīst, un redzes laukā paliek neliels skaits pilienu, kuru lādiņš atbilst minētajam spēku samēram.

Millikans novēroja šos pilienus kā atšķirīgus spilgtus punktus. "Šo pilienu vēsture parasti ir šāda," viņš raksta, "ja neliels gravitācijas pārsvars pār lauka spēku tie sāk lēnām krist, bet, tā kā tie pakāpeniski iztvaiko, to kustība uz leju drīz apstājas un tie. diezgan ilgu laiku kļūst nekustīgs, tad lauks sāk dominēt, un piles sāk lēnām celties telpā starp plāksnēm, šī kustība uz augšu kļūst ļoti paātrināta, un tie tiek piesaistīti lielā ātrumā. uz augšējo plāksni."

Millikāna uzstādīšanas shēma, ar kuru 1909. gadā tika iegūti izšķiroši rezultāti, parādīta 17. attēlā.

No akumulatora B uz kondensatora plāksnēm tika piegādāts 104 V spriegums. Izmantojot slēdzi, bija iespējams īssavienot plāksnes un tādējādi iznīcināt elektrisko lauku.

Eļļas pilienus, kas nokrita starp plāksnēm M un N, apgaismoja spēcīgs avots. Pilienu uzvedība tika novērota perpendikulāri staru virzienam caur teleskopu.

Pilienu kondensācijai nepieciešamos jonus radīja starojums no 200 mg smaga rādija gabala, kas atrodas 3 līdz 10 cm attālumā no plākšņu sāniem.

Caurulei bija skala, uz kuras varēja saskaitīt piliena nobraukto ceļu noteiktā laika periodā. Laiks tika reģistrēts, izmantojot precīzu pulksteni ar slēdzeni.

Savu novērojumu laikā Millikans atklāja parādību, kas kalpoja kā atslēga visai turpmāko atsevišķu elementāro lādiņu precīzu mērījumu sērijai.

“Strādājot pie piekaramiem pilieniem,” raksta Millikans, “vairākas reizes aizmirsu tos pasargāt no rādija stariem. Tad man gadījās pamanīt, ka ik pa laikam kāds no pilieniem pēkšņi mainīja lādiņu un sāka kustēties pa lauku vai pret to, acīmredzot, pirmajā gadījumā notverot pozitīvo jonu, bet otrajā gadījumā negatīvo jonu Tas pavēra iespēju ar pārliecību izmērīt ne tikai atsevišķu pilienu lādiņus, kā es to darīju līdz tam, bet arī. atsevišķa atmosfēras jona lādiņš.

Faktiski, divreiz izmērot viena un tā paša piliena ātrumu, vienu reizi pirms un pēc jona uztveršanas, es acīmredzami varētu pilnībā izslēgt piliena īpašības un barotnes īpašības un darboties ar vērtību, kas ir proporcionāla tikai lādiņam. no notvertā jona."

Millikans aprēķināja elementāro lādiņu, pamatojoties uz šādiem apsvērumiem. Piliena kustības ātrums ir proporcionāls spēkam, kas uz to iedarbojas, un nav atkarīgs no piliena lādiņa.

Ja piliens nokrita starp kondensatora plāksnēm gravitācijas ietekmē tikai ar ātrumu v 1, tad

Ieslēdzot lauku, kas vērsts pret gravitāciju, iedarbojošais spēks būs starpība qE = mg, kur q ir piliena lādiņš, E ir lauka intensitātes modulis.

Krišanas ātrums būs vienāds ar:

v 2 = k (qE — mg) (2)

Ja mēs dalām vienādību (1) ar (2), mēs iegūstam

Ļaujiet pilienam uztvert jonu un tā lādiņš kļūst vienāds ar q′ un kustības ātrumu v 2′. Mēs apzīmējam šī notvertā jona lādiņu ar e. Tad e = q′ - q.

Izmantojot (3), mēs iegūstam

Vērtība ir nemainīga konkrētam kritumam.

Līdz ar to jebkurš lādiņš, ko uztver piliens, būs proporcionāls ātruma starpībai (v′ 2 -v 2), citiem vārdiem sakot, proporcionāls kritiena ātruma izmaiņām jona uztveršanas rezultātā!

Tātad elementārā lādiņa mērījums tika samazināts līdz piliena noietā ceļa un laika, kurā šis ceļš tika nobraukts, mērīšanai.

Daudzi novērojumi ir parādījuši formulas (4) derīgumu. Izrādījās, ka e vērtība var mainīties tikai lēcienos! Vienmēr tiek ievēroti lādiņi e, 2e, 3e, 4e utt.

"Daudzos gadījumos," raksta Millikans, "kritums tika novērots piecas vai sešas stundas, un šajā laikā tas satvēra nevis astoņus vai desmit jonus, bet gan simtiem no tiem. Kopumā es novēroju daudzu tūkstošu jonu uztveršanu šādā veidā un visos gadījumos notvertais lādiņš... bija vai nu tieši vienāds ar mazāko no visiem notvertajiem lādiņiem, vai arī tas bija vienāds ar šīs vērtības mazu veselu skaitļu daudzkārtni. Tas ir tiešs un neapgāžams pierādījums tam, ka elektrons nav "vidējais statistiskais rādītājs", bet tas, ka visi elektriskie lādiņi ir vai nu precīzi vienādi ar elektrona lādiņu, vai arī ir šī lādiņa mazi veseli skaitļi.

Millikana metode ļāva viennozīmīgi atbildēt uz šo jautājumu.

Pirmajos eksperimentos lādiņi tika radīti, jonizējot neitrālas gāzes molekulas ar radioaktīvā starojuma plūsmu. Tika izmērīts pilienu uztverto jonu lādiņš.

Izsmidzinot šķidrumu ar smidzināšanas pudeli, berzes dēļ pilieni elektrizējas. Tas bija labi zināms jau 19. gadsimtā. Vai šie lādiņi ir arī kvantēti, tāpat kā jonu lādiņi?

Millikan pēc izsmidzināšanas "nosver" pilienus un mēra lādiņus iepriekš aprakstītajā veidā. Pieredze atklāj tādu pašu elektriskā lādiņa diskrētumu.

1913. gadā Millikans apkopoja daudzu eksperimentu rezultātus un deva šādu elementārā lādiņa vērtību: e = 4,774·10 -10 vienības. SGSE maksa.

Tā tika izveidota viena no svarīgākajām mūsdienu fizikas konstantēm. Elektriskā lādiņa noteikšana kļuva par vienkāršu aritmētisku uzdevumu.

Elektronu vizualizācija. Liela loma idejas par elektronu realitāti nostiprināšanā bija G. A. Vilsona atklājumam par ūdens tvaiku kondensācijas ietekmi uz joniem, kas radīja iespēju fotografēt daļiņu pēdas.

Tad Komptons parādīja α-daļiņu trases fotogrāfiju, kurai blakus bija pirkstu nospiedums. "Vai jūs zināt, kas tas ir?" - jautāja Komptons. "Pirksts," atbildēja klausītājs. "Tādā gadījumā," Komptons svinīgi sacīja, "šī gaismas josla ir daļiņa."

Elektronu pēdu fotogrāfijas ne tikai liecināja par elektronu realitāti. Tie apstiprināja pieņēmumu par elektronu mazo izmēru un ļāva salīdzināt teorētisko aprēķinu rezultātus, kas ietvēra elektronu rādiusu, ar eksperimentu. Eksperimenti, kas sākās ar Lenarda pētījumu par katoda staru caurlaidības spēku, parādīja, ka ļoti ātri radioaktīvo vielu izstarotie elektroni rada gāzē pēdas taisnu līniju veidā. Trases garums ir proporcionāls elektronu enerģijai. Augstas enerģijas α-daļiņu pēdu fotoattēli parāda, ka pēdas sastāv no liela skaita punktu. Katrs punkts ir ūdens piliens, kas parādās uz jona, kas veidojas elektrona sadursmes rezultātā ar atomu. Zinot atoma izmēru un tā koncentrāciju, mēs varam aprēķināt atomu skaitu, caur kuriem alfa daļiņai ir jāiziet noteiktā attālumā. Vienkāršs aprēķins parāda, ka alfa daļiņai ir jānobrauc aptuveni 300 atomi, pirms tā savā ceļā saskaras ar vienu no elektroniem, kas veido atoma apvalku un rada jonizāciju.

No izkliedes teorijas var iegūt datus novirzes leņķu novērtēšanai kā elektronu enerģijas funkcijai. Šie dati ir labi apstiprināti, analizējot reālas dziesmas. Vienošanās starp teoriju un eksperimentu nostiprināja priekšstatu par elektronu kā mazāko matērijas daļiņu.

Elementārā elektriskā lādiņa mērīšana pavēra iespēju precīzi noteikt vairākas svarīgas fizikālās konstantes.

Zinot e vērtību, automātiski ir iespējams noteikt pamatkonstantes – Avogadro konstantes – vērtību. Pirms Millikana eksperimentiem bija tikai aptuveni Avogadro konstantes aprēķini, ko sniedza gāzu kinētiskā teorija. Šīs aplēses balstījās uz gaisa molekulas vidējā rādiusa aprēķiniem un bija diezgan plašā diapazonā no 2,10 23 līdz 20,10 23 1/mol.

Ja nogulsnētās vielas masa ir vienāda ar vienu molu, tad Q = F ir Faradeja konstante un F = N 0 e, no kurienes N 0 = F/e. Acīmredzot Avogadro konstantes noteikšanas precizitāti nosaka precizitāte, ar kādu tiek mērīts elektronu lādiņš.

Prakse ir prasījusi palielināt fundamentālo konstantu noteikšanas precizitāti, un tas bija viens no stimuliem turpināt uzlabot elektriskā lādiņa kvantu mērīšanas tehniku. Šis darbs, kam tagad ir tīri metroloģisks raksturs, turpinās līdz pat šai dienai.

Pašlaik visprecīzākās vērtības ir:

e = (4,8029±0,0005) 10 -10 vienības. SGSE maksa;

N 0 = (6,0230±0,0005) 10 23 1/mol.

Zinot N 0, ir iespējams noteikt gāzes molekulu skaitu 1 cm 3, jo tilpums, ko aizņem 1 mols gāzes, ir jau zināma nemainīga vērtība.

Zinot gāzes molekulu skaitu 1 cm 3, bija iespējams noteikt molekulas termiskās kustības vidējo kinētisko enerģiju.

Visbeidzot, no elektrona lādiņa var noteikt Planka konstanti un Stefana-Bolcmaņa konstanti termiskā starojuma likumā.

Paršina Anna, Sevaļņikovs Aleksejs, Luzjaņins Romāns.

Darba mērķis: iemācīties noteikt elementārā lādiņa vērtību ar elektrolīzi; pētījums lādiņa noteikšanas metodes elektrons.

Aprīkojums: cilindrisks trauks ar vara sulfāta šķīdumu, lampa, elektrodi, svari, ampērmetrs, pastāvīgā sprieguma avots, reostats, pulkstenis, atslēga, savienojošie vadi.

Lejupielādēt:

Priekšskatījums:

Lai izmantotu prezentāciju priekšskatījumus, izveidojiet Google kontu un piesakieties tajā: https://accounts.google.com

Slaidu paraksti:

Laboratorijas darbs Elementārā lādiņa noteikšana ar elektrolīzi Veica Čučkovskas vidusskolas 10.klases skolēni: Anna Paršina, Aleksejs Sevaļņikovs, Romāns Luzjaņins. Vadītāja: fizikas skolotāja Čekaļina O.Ju.

Darba mērķis: iemācīties noteikt elementārā lādiņa vērtību ar elektrolīzi; studiju metodes elektrona lādiņa noteikšanai. Aprīkojums: cilindrisks trauks ar vara sulfāta šķīdumu, lampa, elektrodi, svari, ampērmetrs, pastāvīgā sprieguma avots, reostats, pulkstenis, atslēga, savienojošie vadi.

Mēs esam salikuši ķēdi: Darba gaita:

Mūsu darba rezultāts

Mēs uzzinājām, kā ar elektrolīzi noteikt elementārā lādiņa vērtību, un pētījām metodes elektrona lādiņa noteikšanai. Secinājums:

V. Ya. Bryusov "Elektronu pasaule" Varbūt šie elektroni ir pasaules, kur ir pieci kontinenti, māksla, zināšanas, kari, troņi un četrdesmit gadsimtu atmiņa! Tāpat, iespējams, katrs atoms ir Visums ar simts planētu; Viss, kas ir šeit, ir tur, saspiestā apjomā, Bet arī tas, kas šeit nav. Viņu mēri ir mazi, bet Viņu bezgalība joprojām ir tāda pati kā šeit; Ir skumjas un kaislības, tāpat kā šeit, un pat tur ir tāda pati pasaulīgā augstprātība. Viņu gudrie, nolikuši savu bezgalīgo pasauli esamības centrā, Steidzies iekļūt noslēpuma dzirkstelēs Un domāt, kā es tagad; Un brīdī, kad no iznīcības rodas jaunu spēku straumes, Pašhipnozes sapņos viņi kliedz, ka Dievs savu lāpu nodzēsis!