Metody wyznaczania elementarnego ładunku elektrycznego – streszczenie. Wyznaczanie ładunku elementarnego metodą elektrolizy Prace laboratoryjne z fizyki Pomiar ładunku elementarnego

Ministerstwo Edukacji Federacji Rosyjskiej

Państwowy Uniwersytet Pedagogiczny w Amur

Metody wyznaczania elementarnego ładunku elektrycznego

Ukończone przez studenta 151g.

Venzelev AA

Sprawdził: Cheraneva T.G.

Wstęp.

1. Prehistoria odkrycia elektronu

2. Historia odkrycia elektronu

3. Eksperymenty i metody odkrywania elektronu

3.1 Doświadczenie Thomsona

3.2 Doświadczenie Rutherforda

3.3. Metoda Millikana

3.3.1. krótki życiorys

3.3.2. Opis instalacji

3.3.3. Obliczanie opłaty elementarnej

3.3.4. Wnioski z metody

3.4. Metoda obrazowania Compton

Wniosek.

Wstęp:

ELEKTRON - pierwsza cząstka elementarna pod względem czasu odkrycia; nośnik materialny o najmniejszej masie i najmniejszym ładunku elektrycznym w przyrodzie; część składowa atomu.

Ładunek elektronu wynosi 1,6021892. 10 -19 stopni

4.803242. 10 -10 jednostek SGSE

Masa elektronu wynosi 9,109534. 10 -31 kg

Ładunek właściwy e/me 1.7588047 . 10 11 kl. kg-1

Spin elektronu wynosi 1/2 (w jednostkach h) i ma dwa rzuty ±1/2; elektrony są posłuszne statystyce Fermiego-Diraca, fermiony. Podlegają zasadzie wykluczenia Pauliego.

Moment magnetyczny elektronu wynosi - 1.00116 mb, gdzie mb to magneton Bohra.

Elektron jest stabilną cząstką. Według danych eksperymentalnych czas życia wynosi t e > 2 . 10 22 lat.

Nie zaangażowany w silną interakcję, lepton. Współczesna fizyka uważa elektron za prawdziwie elementarną cząstkę, która nie ma struktury i wymiarów. Jeśli te ostatnie i są niezerowe, to promień elektronu r e< 10 -18 м

1. Tło odkrycia

Odkrycie elektronu było wynikiem licznych eksperymentów. Na początku XX wieku. istnienie elektronu zostało ustalone w wielu niezależnych eksperymentach. Ale pomimo kolosalnego materiału doświadczalnego zgromadzonego przez całe szkoły narodowe, elektron pozostał hipotetyczną cząstką, ponieważ doświadczenie nie odpowiedziało jeszcze na szereg fundamentalnych pytań. W rzeczywistości „odkrycie” elektronu ciągnęło się przez ponad pół wieku i nie zakończyło się w 1897 roku; wzięło w nim udział wielu naukowców i wynalazców.

Przede wszystkim nie było ani jednego eksperymentu, w którym brałyby udział pojedyncze elektrony. Ładunek elementarny obliczono na podstawie pomiarów ładunku mikroskopowego przy założeniu słuszności szeregu hipotez.

Niepewność była w fundamentalnie ważnym momencie. Najpierw elektron pojawił się w wyniku atomistycznej interpretacji praw elektrolizy, a następnie został odkryty w wyładowaniu gazowym. Nie było jasne, czy fizyka rzeczywiście zajmuje się tym samym obiektem. Duża grupa sceptycznych przyrodników uważała, że ładunek elementarny jest średnią statystyczną ładunków o najbardziej zróżnicowanej wielkości. Co więcej, żaden z eksperymentów dotyczących pomiaru ładunku elektronu nie dał ściśle powtarzających się wartości.
Byli sceptycy, którzy generalnie ignorowali odkrycie elektronu. Akademik A.F. Ioffe w swoich wspomnieniach o swoim nauczycielu V.K. Roentgene napisał: „Do 1906 - 1907. słowo elektron nie mogło być wypowiedziane w Instytucie Fizyki Uniwersytetu w Monachium. Roentgen uważał to za hipotezę niesprawdzoną, często stosowaną bez wystarczających podstaw i bez potrzeby.

Kwestia masy elektronu nie została rozwiązana, nie udowodniono, że zarówno na przewodnikach, jak i na dielektrykach ładunki składają się z elektronów. Pojęcie „elektron” nie miało jednoznacznej interpretacji, ponieważ eksperyment nie ujawnił jeszcze budowy atomu (model planetarny Rutherforda pojawił się w 1911 roku, a teoria Bohra – w 1913 roku).

Elektron nie wszedł jeszcze do konstrukcji teoretycznych. Teoria elektronów Lorentza charakteryzowała się stałą gęstością ładunku. W teorii przewodnictwa metalicznego opracowanej przez Drudego chodziło o ładunki dyskretne, ale były to ładunki arbitralne, na których wartość nie nałożono żadnych ograniczeń.

Elektron nie opuścił jeszcze ram „czystej” nauki. Przypomnijmy, że pierwsza lampa elektronowa pojawiła się dopiero w 1907 roku. Aby przejść od wiary do przekonania, trzeba było przede wszystkim wyizolować elektron, wynaleźć metodę bezpośredniego i dokładnego pomiaru ładunku elementarnego.

Na rozwiązanie tego problemu nie trzeba było długo czekać. W 1752 r. ideę dyskretności ładunku elektrycznego po raz pierwszy wyraził B. Franklin. Eksperymentalnie dyskretność ładunków uzasadniono prawami elektrolizy odkrytymi przez M. Faradaya w 1834 roku. Wartość liczbową ładunku elementarnego (najmniejszego ładunku elektrycznego występującego w przyrodzie) obliczono teoretycznie na podstawie praw elektrolizy za pomocą Numer Avogadro. Bezpośredni pomiar doświadczalny ładunku elementarnego przeprowadził R. Millikan w klasycznych eksperymentach przeprowadzonych w latach 1908 – 1916. Eksperymenty te dały również niezbity dowód na atomizm elektryczności. Zgodnie z podstawowymi koncepcjami teorii elektronów ładunek ciała powstaje w wyniku zmiany liczby zawartych w nim elektronów (lub jonów dodatnich, których ładunek jest wielokrotnością ładunku elektronu). Dlatego ładunek każdego ciała musi zmieniać się nagle i w takich częściach, które zawierają całkowitą liczbę ładunków elektronowych. Po ustaleniu przez doświadczenie dyskretnej natury zmiany ładunku elektrycznego, R. Milliken był w stanie potwierdzić istnienie elektronów i określić wielkość ładunku jednego elektronu (ładunek elementarny) metodą kropli oleju. Metoda opiera się na badaniu ruchu naładowanych kropel oleju w jednorodnym polu elektrycznym o znanej sile E.

2.Odkrycie elektronu:

Jeśli zignorujemy to, co poprzedziło odkrycie pierwszej cząstki elementarnej - elektronu i co towarzyszyło temu wyjątkowemu wydarzeniu, możemy krótko powiedzieć: w 1897 roku słynny angielski fizyk Thomson Joseph John (1856-1940) zmierzył ładunek właściwy q/m cząstki katodowe - "korpuskuły", jak je nazywał, zgodnie z ugięciem promieni katodowych *) w polach elektrycznych i magnetycznych.

Porównując otrzymaną liczbę ze znanym wówczas ładunkiem właściwym jednowartościowego jonu wodorowego, rozumując pośrednio, doszedł do wniosku, że masa tych cząstek, nazwanych później „elektronami”, jest znacznie mniejsza (więcej niż tysiąc razy) niż masa najlżejszego jonu wodorowego.

W tym samym roku, w 1897 roku, postawił hipotezę, że elektrony są integralną częścią atomów, a promienie katodowe nie są atomami ani promieniowaniem elektromagnetycznym, jak sądzili niektórzy badacze właściwości promieni. Thomson napisał: „Tak więc promienie katodowe reprezentują nowy stan materii, zasadniczo różny od zwykłego stanu gazowego…; w tym nowym stanie materia jest substancją, z której zbudowane są wszystkie pierwiastki”.

Od 1897 r. korpuskularny model promieni katodowych zaczął zyskiwać powszechne uznanie, chociaż pojawiły się różne sądy dotyczące natury elektryczności. Tak więc niemiecki fizyk E. Wiechert wierzył, że „elektryczność jest czymś urojonym, istniejącym naprawdę tylko w myślach”, a słynny angielski fizyk Lord Kelvin w tym samym roku 1897 pisał o elektryczności jako rodzaju „ciągłego płynu”.

Pomysł Thomsona o korpuskułach promieni katodowych jako głównych składnikach atomu nie spotkał się z wielkim entuzjazmem. Niektórzy z jego kolegów myśleli, że zmylił ich, gdy sugerował, że cząstki promieni katodowych powinny być uważane za możliwe składniki atomu. Prawdziwą rolę ciałek Thomsona w budowie atomu można zrozumieć w połączeniu z wynikami innych badań, w szczególności z wynikami analizy widm i badania radioaktywności.

29 kwietnia 1897 Thomson wygłosił swoje słynne przesłanie na spotkaniu Royal Society of London. Dokładnego czasu odkrycia elektronu - dnia i godziny - nie można podać ze względu na jego oryginalność. Wydarzenie to było efektem wieloletniej pracy Thomsona i jego pracowników. Ani Thomson, ani nikt inny nie zaobserwował elektronu w dosłownym tego słowa znaczeniu, nikt nie był w stanie wyizolować pojedynczej cząstki z wiązki promieni katodowych i zmierzyć jej ładunku właściwego. Autorem odkrycia jest J.J. Thomson, ponieważ jego poglądy na temat elektronu były zbliżone do współczesnych. W 1903 zaproponował jeden z pierwszych modeli atomu – „rodzynkowy budyń”, a w 1904 zaproponował podział elektronów w atomie na grupy, tworząc różne konfiguracje określające okresowość pierwiastków chemicznych.

Miejsce odkrycia jest dokładnie znane - Cavendish Laboratory (Cambridge, Wielka Brytania). Stworzony w 1870 roku przez JK Maxwella, w ciągu następnych stu lat stał się „kolebką” całego łańcucha genialnych odkryć w różnych dziedzinach fizyki, zwłaszcza atomowej i jądrowej. Jej dyrektorami byli: Maxwell J.K. - od 1871 do 1879, Lord Rayleigh - od 1879 do 1884, Thomson J.J. - od 1884 do 1919, Rutherford E. - od 1919 do 1937, Bragg L. - od 1938 do 1953; wicedyrektor w latach 1923-1935 - Chadwick J.

Naukowe badania eksperymentalne prowadzone były przez jednego naukowca lub małą grupę w atmosferze twórczych poszukiwań. Lawrence Bragg wspominał później swoją pracę z 1913 r. wraz ze swoim ojcem, Henrym Braggiem: „To był wspaniały czas, kiedy prawie co tydzień uzyskiwano nowe ekscytujące wyniki, takie jak odkrycie nowych obszarów zawierających złoto, w których bryłki można zbierać bezpośrednio z ziemi Trwało to aż do początku wojny*), która zakończyła naszą wspólną pracę”.

3. Metody wykrywania elektronów:

3.1 Doświadczenie Thomsona

Joseph John Thomson Joseph John Thomson, 1856–1940

Angielski fizyk, lepiej znany jako JJ Thomson. Urodził się w Cheetham Hill, na przedmieściach Manchesteru, w rodzinie handlarza używanymi antykami. W 1876 otrzymał stypendium na studia w Cambridge. W latach 1884-1919 był profesorem na Wydziale Fizyki Doświadczalnej na Uniwersytecie w Cambridge i na pół etatu kierownikiem Laboratorium Cavendisha, które dzięki staraniom Thomsona stało się jednym z najbardziej znanych ośrodków badawczych na świecie. Jednocześnie w latach 1905-1918 był profesorem w Instytucie Królewskim w Londynie. Laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 1906 r. ze sformułowaniem „za badania nad przechodzeniem elektryczności przez gazy”, co oczywiście obejmuje odkrycie elektronu. Syn Thomsona, George Paget Thomson (1892-1975) również ostatecznie został laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki - w 1937 r. za eksperymentalne odkrycie dyfrakcji elektronów na kryształach.

W 1897 roku młody fizyk angielski J.J. Thomson zasłynął na wieki jako odkrywca elektronu. W swoim eksperymencie Thomson użył ulepszonej lampy katodowej, której projekt został uzupełniony cewkami elektrycznymi, które wytwarzały (zgodnie z prawem Ampère'a) pole magnetyczne wewnątrz lampy, oraz zestaw równoległych płytek kondensatorów elektrycznych, które wytwarzały wewnątrz pole elektryczne tuba. Umożliwiło to badanie zachowania promieni katodowych pod wpływem zarówno pól magnetycznych, jak i elektrycznych.

Stosując nową konstrukcję lampy, Thomson sukcesywnie wykazał, że: (1) promienie katodowe są odchylane w polu magnetycznym przy braku pola elektrycznego; (2) promienie katodowe są odchylane w polu elektrycznym przy braku pola magnetycznego; oraz (3) pod wpływem równoczesnego działania pól elektrycznych i magnetycznych o zrównoważonym natężeniu, zorientowanych w kierunkach, powodujących oddzielnie odchylenia w przeciwnych kierunkach, promienie katodowe rozchodzą się w linii prostej, to znaczy działanie obu pól jest wzajemnie zrównoważone.

Thomson odkrył, że związek między polami elektrycznymi i magnetycznymi, przy których ich działanie jest zrównoważone, zależy od prędkości, z jaką poruszają się cząstki. Po serii pomiarów Thomson był w stanie określić prędkość promieni katodowych. Okazało się, że poruszają się one znacznie wolniej niż prędkość światła, z czego wynikało, że promienie katodowe mogą być tylko cząstkami, ponieważ każde promieniowanie elektromagnetyczne, w tym samo światło, rozchodzi się z prędkością światła (patrz Widmo promieniowania elektromagnetycznego). Te nieznane cząstki. Thomson nazwał „ciałkami”, ale wkrótce nazwano je „elektronami”.

Od razu stało się jasne, że elektrony muszą istnieć w składzie atomów - w przeciwnym razie skąd by one pochodziły? 30 kwietnia 1897 - data raportu Thomsona o jego wynikach na spotkaniu Royal Society of London - uważana jest za datę narodzin elektronu. I tego dnia idea „niepodzielności” atomów stała się przeszłością (patrz Atomowa Teoria Struktury Materii). Wraz z odkryciem jądra atomowego, które nastąpiło nieco ponad dziesięć lat później (patrz Eksperyment Rutherforda), odkrycie elektronu położyło podwaliny pod nowoczesny model atomu.

Opisane powyżej „katody”, a raczej lampy katodowe, stały się najprostszymi poprzednikami nowoczesnych kineskopów telewizyjnych i monitorów komputerowych, w których ściśle kontrolowane ilości elektronów są wybijane z powierzchni gorącej katody, pod wpływem naprzemiennego pola magnetyczne odchylają się pod ściśle określonymi kątami i bombardują fosforyzujące komórki ekranów, tworząc na nich wyraźny obraz wynikający z efektu fotoelektrycznego, którego odkrycie byłoby również niemożliwe bez naszej wiedzy o prawdziwej naturze promieni katodowych.

3.2 Doświadczenie Rutherforda

Ernest Rutherford, pierwszy baron Rutherford Nelson I Ernest Rutherford, pierwszy baron Rutherford Nelson, 1871-1937

Fizyk z Nowej Zelandii. Urodzony w Nelson, syn rolnika-rzemieślnika. Zdobył stypendium na studia na Uniwersytecie Cambridge w Anglii. Po ukończeniu studiów został powołany na Canadian University McGill (McGill University), gdzie wraz z Frederickiem Soddy (Frederick Soddy, 1877–1966) ustanowił podstawowe prawa dotyczące zjawiska promieniotwórczości, za co w 1908 r. został odznaczony Nagroda Nobla w dziedzinie chemii. Wkrótce naukowiec przeniósł się na Uniwersytet w Manchesterze, gdzie pod jego kierownictwem Hans Geiger (Hans Geiger, 1882–1945) wynalazł swój słynny licznik Geigera, zaczął badać strukturę atomu, a w 1911 r. odkrył istnienie atomu. jądro. Podczas I wojny światowej zajmował się rozwojem sonarów (radarów akustycznych) do wykrywania okrętów podwodnych wroga. W 1919 został mianowany profesorem fizyki i dyrektorem Laboratorium Cavendisha na Uniwersytecie w Cambridge iw tym samym roku odkrył rozpad jądra w wyniku bombardowania ciężkimi cząstkami o wysokiej energii. Rutherford pozostał na tym stanowisku do końca życia, będąc jednocześnie wieloletnim prezesem Królewskiego Towarzystwa Naukowego. Został pochowany w Opactwie Westminsterskim obok Newtona, Darwina i Faradaya.

Ernest Rutherford jest naukowcem wyjątkowym w tym sensie, że swoich głównych odkryć dokonał po otrzymaniu Nagrody Nobla. W 1911 roku udało mu się przeprowadzić eksperyment, który nie tylko pozwolił naukowcom zajrzeć w głąb atomu i zorientować się w jego strukturze, ale także stał się wzorem elegancji i głębi projektu.

Korzystając z naturalnego źródła promieniowania radioaktywnego, Rutherford zbudował działo, które zapewniało ukierunkowany i skupiony strumień cząstek. Pistolet był ołowianym pudełkiem z wąską szczeliną, wewnątrz której umieszczono materiał radioaktywny. Z tego powodu cząstki (w tym przypadku cząstki alfa składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów) emitowane przez substancję radioaktywną we wszystkich kierunkach z wyjątkiem jednego, zostały pochłonięte przez ekran ołowiany i wyleciała tylko skierowana wiązka cząstek alfa przez szczelinę.

Schemat doświadczenia

Dalej na drodze wiązki stało jeszcze kilka ekranów ołowianych z wąskimi szczelinami, które odcinają cząstki odbiegające od ściśle

dany kierunek. W rezultacie idealnie skupiona wiązka cząstek alfa przeleciała do celu, a sam cel był bardzo cienkim arkuszem złotej folii. Uderzył ją promień alfa. Po zderzeniu się z atomami folii cząstki alfa kontynuowały swoją drogę i uderzały w luminescencyjny ekran zainstalowany za celem, na którym rejestrowano błyski, gdy uderzały w niego cząstki alfa. Na ich podstawie eksperymentator mógł ocenić, ile i ile cząstek alfa odchyla się od kierunku ruchu prostoliniowego w wyniku zderzeń z atomami folii.

Rutherford zauważył jednak, że żaden z jego poprzedników nie próbował nawet eksperymentalnie przetestować, czy niektóre cząstki alfa są odchylane pod bardzo dużymi kątami. Model siatki rodzynkowej po prostu nie pozwalał na istnienie elementów strukturalnych w atomie tak gęstym i ciężkim, że mogłyby odchylać szybkie cząstki alfa pod znacznymi kątami, więc nikt nie zadał sobie trudu, aby przetestować tę możliwość. Rutherford poprosił jednego ze swoich uczniów o ponowne wyposażenie aparatury w taki sposób, aby można było zaobserwować rozpraszanie cząstek alfa pod dużymi kątami odchylenia – tylko dla oczyszczenia sumienia, aby całkowicie wyeliminować tę możliwość. Detektor był ekranem pokrytym siarczkiem sodu, materiałem, który emituje fluorescencyjny błysk, gdy uderza w niego cząstka alfa. Jakie było zaskoczenie nie tylko studenta, który bezpośrednio przeprowadzał eksperyment, ale także samego Rutherforda, gdy okazało się, że niektóre cząstki odchylają się o kąty do 180°!

Obraz atomu narysowany przez Rutherforda na podstawie wyników eksperymentu jest nam dziś dobrze znany. Atom składa się z supergęstego, zwartego jądra, które niesie dodatni ładunek i ujemnie naładowanych elektronów światła wokół niego. Później naukowcy postawili ten obraz na solidnych podstawach teoretycznych (patrz atom Bohra), ale wszystko zaczęło się od prostego eksperymentu z małą próbką materiału radioaktywnego i kawałkiem złotej folii.

3.2 Metoda Millikan

3.2.1. Krótki życiorys:

Robert Milliken urodził się w 1868 roku w Illinois w ubogiej rodzinie księdza. Dzieciństwo spędził w prowincjonalnym miasteczku Makvoket, gdzie wiele uwagi poświęcano sportowi i źle uczono. Dyrektor gimnazjum, który uczył fizyki, powiedział na przykład do swoich młodych uczniów: „Jak można wydobywać dźwięk z fal? Bzdury, chłopcy, to wszystko bzdury!”

Oberdeen College nie był lepszy, ale Millikan, który nie miał wsparcia materialnego, musiał sam uczyć fizyki w liceum. W Ameryce w tym czasie były tylko dwa podręczniki do fizyki przetłumaczone z francuskiego, a utalentowany młody człowiek nie miał trudności z ich studiowaniem i nauczaniem ich z powodzeniem. W 1893 wstąpił na Uniwersytet Columbia, następnie wyjechał na studia do Niemiec.

Millikan miał 28 lat, gdy otrzymał od A. Michelsona propozycję objęcia stanowiska asystenta na Uniwersytecie w Chicago. Początkowo zajmował się tu prawie wyłącznie pracą pedagogiczną, a dopiero w wieku czterdziestu lat rozpoczął badania naukowe, które przyniosły mu światową sławę.

3.2.2. Pierwsze doświadczenia i rozwiązywanie problemów:

Pierwsze eksperymenty były następujące. Pomiędzy płytkami płaskiego kondensatora, do którego przyłożono napięcie 4000 V, utworzyła się chmura składająca się z kropelek wody, które osiadły na jonach. Najpierw zaobserwowano spadek wierzchołka chmury przy braku pola elektrycznego. Następnie powstała chmura z włączonym napięciem. Spadek chmury nastąpił pod wpływem grawitacji i siły elektrycznej.
Stosunek siły działającej na kroplę chmury do prędkości, jaką osiąga, jest taki sam w pierwszym i drugim przypadku. W pierwszym przypadku siła jest równa mg, w drugim mg + qE, gdzie q to ładunek kropli, E to natężenie pola elektrycznego. Jeśli prędkość w pierwszym przypadku wynosi υ 1 w drugim υ 2, to

Znając zależność prędkości opadania chmur υ od lepkości powietrza, możemy obliczyć pożądany ładunek q. Jednak metoda ta nie dała pożądanej dokładności, ponieważ zawierała hipotetyczne założenia, które były poza kontrolą eksperymentatora.

W celu zwiększenia dokładności pomiaru konieczne było przede wszystkim znalezienie sposobu na uwzględnienie parowania chmur, które nieuchronnie następowało podczas procesu pomiarowego.

Zastanawiając się nad tym problemem, Millikan wymyślił klasyczną metodę upuszczania, która otworzyła szereg nieoczekiwanych możliwości. Pozostawmy autorowi opowiedzenie historii wynalazku:
„Zdając sobie sprawę, że szybkość parowania kropelek pozostaje nieznana, spróbowałem wymyślić metodę, która całkowicie wyeliminowałaby tę nieokreśloną wartość. Mój plan był następujący. W poprzednich eksperymentach pole elektryczne pod wpływem grawitacji tylko nieznacznie zwiększało lub zmniejszało prędkość opadania wierzchołka chmury. Teraz chciałem wzmocnić to pole, aby górna powierzchnia chmury pozostała na stałej wysokości. W tym przypadku stało się możliwe dokładne określenie szybkości parowania chmury i uwzględnienie jej w obliczeniach.

Aby zrealizować ten pomysł, Milliken zaprojektował niewielki akumulator, który dawał napięcie do 104 V (jak na tamte czasy było to wybitne osiągnięcie eksperymentatora). Musiała stworzyć pole wystarczająco silne, aby utrzymać chmurę, jak „trumna Mahometa”, w stanie zawieszenia. „Kiedy byłem gotowy”, mówi Milliken, a kiedy utworzyła się chmura, przekręciłem przełącznik i chmura znalazła się w polu elektrycznym. I w tym momencie topiło się na moich oczach, innymi słowy, z całego obłoku nie było nawet najmniejszego kawałka, który można było zaobserwować za pomocą kontrolnego urządzenia optycznego, tak jak zrobił to Wilson, a ja miałem zamiar to zrobić. Początkowo wydawało mi się, że zniknięcie obłoku bez śladu w polu elektrycznym między górną a dolną płytą oznaczało, że eksperyment zakończył się bez rezultatów… ”Jednak, jak to często bywało w historii nauki, niepowodzenie dało początek do nowego pomysłu. Doprowadziła do słynnej metody kropli. „Powtarzające się eksperymenty”, pisze Milliken, „wykazały, że po tym, jak chmura rozproszyła się w potężnym polu elektrycznym na swoim miejscu można było wyróżnić kilka pojedynczych kropelek wody”(podkreślone przeze mnie - V.D.). „Niefortunne” doświadczenie doprowadziło do odkrycia możliwości utrzymywania się w równowadze i obserwowania poszczególnych kropel przez wystarczająco długi czas.

Jednak w okresie obserwacji masa kropli wody znacznie się zmieniła w wyniku parowania, a Millikan po wielu dniach poszukiwań przeszedł na eksperymenty z kroplami oleju.

Procedura eksperymentalna okazała się prosta. Rozszerzenie adiabatyczne między płytami kondensatora tworzy chmurę. Składa się z kropelek mających ładunki o różnym module i znaku. Gdy pole elektryczne jest włączone, krople o takich samych ładunkach jak ładunek górnej płytki kondensatora opadają gwałtownie, a krople o przeciwnym ładunku są przyciągane przez górną płytkę. Ale pewna liczba kropel ma taki ładunek, że siła grawitacji jest równoważona przez siłę elektryczną.

Po 7 lub 8 min. chmura rozprasza się, aw polu widzenia pozostaje niewielka liczba kropel, których ładunek odpowiada wskazanemu układowi sił.

Millikan zaobserwował te krople jako wyraźne jasne kropki. „Historia tych kropli zwykle przebiega w następujący sposób” – pisze – „w przypadku lekkiej przewagi grawitacji nad siłą pola zaczynają one powoli opadać, ale ponieważ stopniowo odparowują, ich ruch w dół wkrótce się zatrzymuje. i przez dość długi czas pozostają w bezruchu. Wtedy pole zaczyna dominować i krople zaczynają powoli rosnąć. Pod koniec ich życia w przestrzeni między płytami ten ruch w górę staje się bardzo silnie przyspieszony i są one przyciągane z dużą prędkością do górnej płyty.

3.2.3. Opis instalacji:

Schemat instalacji Millikan, za pomocą której uzyskano decydujące wyniki w 1909 r., pokazano na rysunku 17.

W komorze C umieszczono kondensator płaski wykonany z okrągłych mosiężnych płytek M i N o średnicy 22 cm (odległość między nimi wynosiła 1,6 cm). W środku górnej płyty wykonano mały otwór p, przez który przechodziły krople oleju. Te ostatnie powstały przez wydmuchiwanie strumienia oleju za pomocą opryskiwacza. Powietrze zostało wcześniej oczyszczone z kurzu, przechodząc przez rurkę z watą szklaną. Kropelki oleju miały średnicę około 10-4 cm.

Z akumulatora B na płytki kondensatora przyłożono napięcie 10 4 V. Za pomocą przełącznika można było zewrzeć płytki, a tym samym zniszczyć pole elektryczne.

Krople oleju spadające pomiędzy płytkami M i N oświetlano silnym źródłem. Zaobserwowano zachowanie kropli prostopadle do kierunku promieni przez teleskop.

Niezbędne do kondensacji kropel jony zostały wytworzone przez promieniowanie z kawałka radu o masie 200 mg, znajdującego się w odległości od 3 do 10 cm z boku płytek.

Za pomocą specjalnego urządzenia gaz został rozszerzony poprzez obniżenie tłoka. Po 1 - 2 s po rozprężeniu rad usunięto lub pokryto ołowianym ekranem. Następnie włączono pole elektryczne i rozpoczęto obserwację kropli do teleskopu. Rura posiadała podziałkę, dzięki której można było policzyć drogę przebytą przez kroplę w określonym czasie. Czas wyznaczał dokładny zegar z klatką.

W trakcie obserwacji Millikan odkrył zjawisko, które stało się kluczem do całej serii kolejnych dokładnych pomiarów poszczególnych ładunków elementarnych.

„Pracując nad zawieszonymi kropelkami”, pisze Millikan, „kilkakrotnie zapomniałem osłonić je przed promieniami radu. Potem przypadkiem zauważyłem, że od czasu do czasu jedna z kropli nagle zmienia swój ładunek i zaczyna poruszać się po polu lub przeciw niemu, wyłapując oczywiście w pierwszym przypadku jon dodatni, a w drugim jon ujemny. To otworzyło możliwość pomiaru z pewnością nie tylko ładunków poszczególnych kropli, jak to robiłem do tej pory, ale także ładunku pojedynczego jonu atmosferycznego.

Rzeczywiście, mierząc dwukrotnie prędkość tej samej kropli, raz przed i drugi raz po wychwyceniu jonu, mogłem oczywiście całkowicie wykluczyć właściwości kropli i właściwości ośrodka i operować wartością proporcjonalną tylko do ładunek wychwyconego jonu.

3.2.4. Obliczanie opłaty podstawowej:

Opłata elementarna została obliczona przez Millikan na podstawie następujących rozważań. Prędkość kropli jest proporcjonalna do działającej na nią siły i nie zależy od ładunku kropli.
Jeśli kropla spadła między płytki kondensatora pod działaniem tylko grawitacji z prędkością v, to

Gdy pole skierowane przeciw grawitacji jest włączone, działająca siła będzie różnicą qE - mg, gdzie q jest ładunkiem kropli, E jest modułem natężenia pola.

Szybkość zrzutu będzie wynosić:

υ 2 \u003d k (qE-mg) (2)

Jeśli podzielimy równość (1) przez (2), otrzymamy

Stąd

Niech kropla wychwyci jon i jego ładunek będzie równy q ", a prędkość ruchu υ 2. Ładunek tego wychwyconego jonu oznaczymy e.

Wtedy e = q "- q.

Używając (3), otrzymujemy

Wartość jest stała dla danej kropli.

3.2.5. Wnioski z metody Millikana

W konsekwencji każdy ładunek wychwycony przez kroplę będzie proporcjonalny do różnicy prędkości (υ " 2 - υ 2), innymi słowy proporcjonalny do zmiany prędkości kropli spowodowanej wychwytywaniem jonu! pomiar ładunku elementarnego sprowadzał się do pomiaru drogi przebytej przez kroplę i czasu, w którym ta droga została przebyta. Liczne obserwacje wykazały słuszność wzoru (4). Okazało się, że wartość e może się tylko zmieniać w skokach!Szarże e, 2e, 3e, 4e itd. są zawsze przestrzegane.

„W wielu przypadkach”, pisze Millikan, „kropla była obserwowana przez pięć lub sześć godzin iw tym czasie wychwyciła nie osiem czy dziesięć jonów, ale setki z nich. W sumie zaobserwowałem wychwytywanie w ten sposób wielu tysięcy jonów i we wszystkich przypadkach wychwycony ładunek ... był albo dokładnie równy najmniejszemu ze wszystkich wychwyconych ładunków, albo był równy małej całkowitej wielokrotności tego wartość. Jest to bezpośredni i niepodważalny dowód na to, że elektron nie jest „średnią statystyczną”, ale że wszystkie ładunki elektryczne jonów są albo dokładnie równe ładunkowi elektronu, albo są małymi całkowitymi wielokrotnościami tego ładunku.

Tak więc atomizm, dyskretność, czy też współcześnie kwantyzacja ładunku elektrycznego stała się faktem doświadczalnym. Teraz ważne było pokazanie, że elektron jest, że tak powiem, wszechobecny. Każdy ładunek elektryczny w ciele dowolnej natury jest sumą tych samych ładunków elementarnych.

Metoda Millikana pozwoliła na jednoznaczną odpowiedź na to pytanie. W pierwszych eksperymentach ładunki powstały w wyniku jonizacji cząsteczek gazu obojętnego przez strumień promieniowania radioaktywnego. Zmierzono ładunek jonów wychwyconych przez krople.

Gdy ciecz jest rozpylana za pomocą atomizera, kropelki są naelektryzowane w wyniku tarcia. Było to dobrze znane w XIX wieku. Czy te ładunki są tak skwantowane jak ładunki jonów? Millikan „waży” kropelki po rozpyleniu i dokonuje pomiarów ładunku w sposób opisany powyżej. Doświadczenie ujawnia tę samą dyskretność ładunku elektrycznego.

Pokropienie kroplami oleju (dielektryk), gliceryny (półprzewodnik), rtęci (przewodnik), Millikan dowodzi, że ładunki na ciałach dowolnej natury fizycznej składają się we wszystkich przypadkach bez wyjątku oddzielnych elementarnych porcji o ściśle stałej wartości. W 1913 Millikan podsumował wyniki licznych eksperymentów i podał następującą wartość ładunku elementarnego: e = 4,774. 10 -10 jednostek opłata SGSE. W ten sposób powstała jedna z najważniejszych stałych współczesnej fizyki. Wyznaczenie ładunku elektrycznego stało się prostym problemem arytmetycznym.

3.4 Metoda obrazowania Comptona:

Wielką rolę we wzmocnieniu idei rzeczywistości elektronowej odegrało odkrycie C.T.R. Wilsona o wpływie kondensacji pary wodnej na jony, co doprowadziło do możliwości fotografowania torów cząstek.

Mówią, że A. Compton na wykładzie nie mógł przekonać sceptycznego słuchacza o realności istnienia mikrocząstek. Upierał się, że uwierzy tylko wtedy, gdy zobaczy je na własne oczy.
Następnie Compton pokazał zdjęcie ze śladem cząstek α, obok którego znajdował się odcisk palca. "Czy wiesz co to jest?" — zapytał Compton. „Palec”, odpowiedział słuchacz. — W takim razie — oświadczył uroczyście Compton — ten świetlisty pas jest cząstką.
Fotografie torów elektronowych nie tylko świadczyły o rzeczywistości elektronów. Potwierdzili założenie o małych rozmiarach elektronów i umożliwili porównanie z eksperymentem wyników obliczeń teoretycznych, w których pojawił się promień elektronu. Eksperymenty zainicjowane przez Lenarda w badaniu penetracji promieni katodowych wykazały, że bardzo szybkie elektrony emitowane przez substancje radioaktywne dają ślady w gazie w postaci linii prostych. Długość toru jest proporcjonalna do energii elektronu. Zdjęcia torów wysokoenergetycznych cząstek α pokazują, że tory składają się z dużej liczby punktów. Każda kropka to kropla wody, która pojawia się na jonie, który powstaje w wyniku zderzenia elektronu z atomem. Znając wielkość atomu i jego stężenie, możemy obliczyć liczbę atomów, przez które musi przejść cząstka alfa w określonej odległości. Proste obliczenia pokazują, że cząstka α musi przebyć około 300 atomów, zanim napotka po drodze jeden z elektronów tworzących powłokę atomu i spowoduje jonizację.

Fakt ten przekonująco wskazuje, że objętość elektronów stanowi znikomy ułamek objętości atomu. Tor elektronu o niskiej energii jest zakrzywiony, dlatego powolny elektron jest odchylany przez pole wewnątrzatomowe. Na swojej drodze wytwarza więcej zdarzeń jonizacyjnych.

Z teorii rozpraszania można uzyskać dane do szacowania kątów odchylenia w zależności od energii elektronów. Dane te są dobrze potwierdzone w analizie torów rzeczywistych.Zbieżność teorii z eksperymentem umocniła ideę elektronu jako najmniejszej cząstki materii.

Wniosek:

Pomiar elementarnego ładunku elektrycznego otworzył możliwość dokładnego wyznaczenia szeregu ważnych stałych fizycznych.
Znajomość wartości e automatycznie umożliwia wyznaczenie wartości stałej podstawowej - stałej Avogadro. Przed eksperymentami Millikana istniały tylko przybliżone oszacowania stałej Avogadro, podane przez kinetyczną teorię gazów. Szacunki te opierały się na obliczeniach średniego promienia cząsteczki powietrza i wahały się w dość szerokim zakresie od 2 . 10 23 do 20 . 10 23 1/mol.

Załóżmy, że znamy ładunek Q, który przeszedł przez roztwór elektrolitu oraz ilość substancji M osadzonej na elektrodzie. Wtedy, jeśli ładunek jonu jest równy Ze 0, a jego masa wynosi m 0, to równość

Jeżeli masa osadzonej substancji jest równa jednemu molowi,

następnie Q \u003d F- stała Faradaya i F \u003d N 0 e, skąd:

Oczywiście dokładność wyznaczenia stałej Avogadro wynika z dokładności, z jaką mierzony jest ładunek elektronu. Praktyka wymagała zwiększenia dokładności wyznaczania stałych podstawowych, co było jednym z bodźców do dalszego doskonalenia techniki pomiaru kwantu ładunku elektrycznego. Ta praca, która ma już charakter czysto metrologiczny, trwa do dziś.

Najdokładniejsze wartości to obecnie:

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

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

Znając No , można określić liczbę cząsteczek gazu w 1 cm3, ponieważ objętość zajmowana przez 1 mol gazu jest znaną stałą.

Znajomość liczby cząsteczek gazu w 1 cm3 umożliwiła z kolei wyznaczenie średniej energii kinetycznej ruchu termicznego cząsteczki. Wreszcie ładunek elektronu można wykorzystać do wyznaczenia stałej Plancka i stałej Stefana-Boltzmanna w prawie promieniowania cieplnego.

Szczegóły Kategoria: Elektryczność i Magnetyzm Opublikowano 06/08/2015 05:51 Wyświetleń: 6694

Jedną z podstawowych stałych w fizyce jest elementarny ładunek elektryczny. Jest to wielkość skalarna, która charakteryzuje zdolność ciał fizycznych do uczestniczenia w oddziaływaniu elektromagnetycznym.

Za elementarny ładunek elektryczny uważa się najmniejszy dodatni lub ujemny ładunek, którego nie można podzielić. Jego wartość jest równa wartości ładunku elektronu.

Fakt, że każdy naturalnie występujący ładunek elektryczny jest zawsze równy całkowitej liczbie ładunków elementarnych, zasugerował w 1752 roku słynny polityk Benjamin Franklin, polityk i dyplomata, który był również zaangażowany w działalność naukową i wynalazczą, pierwszy Amerykanin, który został członkiem Rosyjskiej Akademii Nauk.

Benjamin Franklin

Jeśli założenie Franklina jest poprawne, a ładunek elektryczny dowolnego naładowanego ciała lub układu ciał składa się z całkowitej liczby ładunków elementarnych, to ładunek ten może się gwałtownie zmienić o wartość zawierającą całkowitą liczbę ładunków elektronowych.

Po raz pierwszy potwierdził to i dość dokładnie ustalił amerykański naukowiec, profesor Uniwersytetu w Chicago, Robert Milliken.

Doświadczenie Millikana

Schemat eksperymentu Millikana

Millikan przeprowadził swój pierwszy słynny eksperyment z kroplami oleju w 1909 roku ze swoim asystentem Harveyem Fletcherem. Mówią, że początkowo planowali przeprowadzić eksperyment za pomocą kropli wody, ale odparowały w ciągu kilku sekund, co wyraźnie nie wystarczyło, aby uzyskać wynik. Następnie Milliken wysłał Fletchera do apteki, gdzie kupił butelkę z rozpylaczem i fiolkę oleju do zegarków. To wystarczyło, aby doświadczenie zakończyło się sukcesem. Następnie Milliken otrzymał za to Nagrodę Nobla, a Fletcher doktorat.

Robert Milliken

Harvey Fletcher

Czym był eksperyment Millikana?

Naelektryzowana kropla oleju opada pod wpływem grawitacji pomiędzy dwie metalowe płyty. Ale jeśli między nimi powstanie pole elektryczne, zapobiegnie to spadaniu kropli. Mierząc siłę pola elektrycznego, można określić ładunek kropli.

Eksperymentatorzy umieścili dwie metalowe płytki kondensatora wewnątrz naczynia. Za pomocą pistoletu natryskowego wprowadzano tam najmniejsze kropelki oleju, które podczas natryskiwania naładowały się ujemnie w wyniku tarcia o powietrze.

W przypadku braku pola elektrycznego kropla opada

Pod działaniem grawitacji F w = mg kropelki zaczęły opadać. Ale ponieważ nie znajdowały się w próżni, ale w medium, siła oporu powietrza uniemożliwiała im swobodne opadanie Fres = 6πη rv 0 , gdzie η to lepkość powietrza. Kiedy Fw oraz F res zrównoważony, upadek stał się jednostajny z prędkością v0 . Mierząc tę prędkość, naukowiec określił promień kropli.

Kropelka „unosi się” pod wpływem pola elektrycznego

Jeżeli w chwili opadania kropli do płytek przyłożono napięcie w taki sposób, że górna płytka otrzymała ładunek dodatni, a dolna ujemny, kropla ustała. Uniemożliwiło mu wyłaniające się pole elektryczne. Krople zdawały się unosić. Stało się to, gdy moc F r równoważona siłą działającą od pola elektrycznego F r = eE ,

gdzie F r- wypadkowa siła grawitacji i siła Archimedesa.

Fr = 4/3 pr 3 ( ρ – ρ 0) g

ρ to gęstość kropli oleju;

ρ 0 – gęstość powietrza.

r to promień kropli.

Porozumiewawczy F r oraz mi , możliwe jest określenie wartości mi .

Ponieważ bardzo trudno było zapewnić, aby kropla pozostała nieruchomo przez długi czas, Milliken i Fletcher stworzyli pole, w którym kropla po zatrzymaniu zaczęła poruszać się w górę z bardzo małą prędkością. v . W tym przypadku

Eksperymenty powtarzano wielokrotnie. Ładunki nadawano kropelkom przez napromieniowanie ich urządzeniem rentgenowskim lub ultrafioletowym. Ale za każdym razem całkowity ładunek zrzutu był zawsze równy kilku ładunkom elementarnym.

W 1911 Milliken odkrył, że ładunek elektronu wynosi 1,5924(17) x 10 -19 C. Naukowiec mylił się tylko o 1%. Jego współczesna wartość to 1,602176487 (10) x 10 -19 C.

Doświadczenie Ioffe

Abram Fiodorowicz Ioffe

Trzeba powiedzieć, że prawie jednocześnie z Millikanem, ale niezależnie od niego, takie eksperymenty przeprowadził rosyjski fizyk Abram Fiodorowicz Ioffe. A jego eksperymentalna konfiguracja była podobna do Millikana. Ale powietrze zostało wypompowane z naczynia i powstała w nim próżnia. A zamiast kropelek oleju Ioffe użył małych naładowanych cząstek cynku. Ich ruch był obserwowany pod mikroskopem.

Instalacja Ioffe

1- rura

2-kamerowy

3 - metalowe płytki

4 - mikroskop

5 - emiter ultrafioletu

Pod wpływem pola elektrostatycznego ziarno cynku spadło. Gdy tylko grawitacja ziarna pyłu stała się równa sile działającej na nie z pola elektrycznego, opadanie ustało. Dopóki ładunek cząsteczki kurzu się nie zmieniał, pozostawała w bezruchu. Ale jeśli został wystawiony na światło ultrafioletowe, jego ładunek zmniejszył się, a równowaga została zakłócona. Znowu zaczęła spadać. Następnie zwiększono ilość ładunku na płytach. W związku z tym pole elektryczne wzrosło, a spadek ponownie się zatrzymał. Robiono to kilka razy. W rezultacie stwierdzono, że za każdym razem ładunek cząstki pyłu zmieniał się o wielokrotność ładunku cząstki elementarnej.

Ioffe nie obliczył wielkości ładunku tej cząstki. Ale po przeprowadzeniu podobnego eksperymentu w 1925 r. Wraz z fizykiem N.I. Dobronrawow, po nieznacznym zmodyfikowaniu instalacji pilotowej i użyciu cząstek pyłu bizmutu zamiast cynku, potwierdził teorię

DEFINICJA ELEMENTARNEGO

ŁADOWANIE ELEKTRYCZNE METODĄ ELEKTROLIZY

Ekwipunek:źródło prądu stałego, kuweta z elektrodami z zestawu „Elektrolit”, woltomierz laboratoryjny, opornik, waga z odważnikami lub elektroniczna, klucz, przewody połączeniowe, roztwór siarczanu miedzi, stoper (lub zegar z sekundnikiem).

WYJAŚNIENIE DO PRACY. Aby określić ładunek elektronu, można wykorzystać prawo elektrolizy Faradaya, gdzie m jest masą substancji uwolnionej na katodzie; M to masa molowa substancji; n jest wartościowością substancji; e jest ładunkiem elektronu; Na jest stałą Avogadro; I - siła prądu w elektrolicie; ∆t to czas przepływu prądu przez elektrolit.

Z tego wzoru wynika, że aby osiągnąć cel pracy, konieczna jest znajomość masy molowej substancji uwalnianej na katodzie, jej wartościowości i stałej Avogadro. Ponadto w trakcie eksperymentu należy zmierzyć natężenie prądu i czas jego przepływu, a po zakończeniu elektrolizy masę substancji uwolnionej na katodzie.

Do eksperymentu stosuje się nasycony wodny roztwór siarczanu miedzi, który wlewa się do kuwety z dwiema miedzianymi elektrodami. Jedna elektroda jest sztywno zamocowana na środku kuwety, a druga (zdejmowana) - na jej ścianie.

W roztworze wodnym nie tylko cząsteczki siarczanu miedzi (CuSO4 = Cu2+ + ), ale także wody (H20 = H+ + OH -) dysocjują, choć w niewielkim stopniu. Zatem wodny roztwór CuSO4 zawiera zarówno dodatnie jony Cu2+ i H+, jak i ujemne jony SO2- i OH-. Jeśli między elektrodami powstanie pole elektryczne, to jony dodatnie zaczną przemieszczać się w kierunku katody, a jony ujemne - w kierunku anody. Jony Cu2+ i H+ zbliżają się do katody, ale nie wszystkie są rozładowywane. Wyjaśnia to fakt, że atomy miedzi i wodoru łatwo przekształcają się w dodatnio naładowane jony, tracąc swoje zewnętrzne elektrony. Ale jon miedzi może łatwiej przyłączyć elektron niż jon wodoru. Dlatego jony miedzi są rozładowywane na katodzie.

Jony ujemne i OH- przesuną się w kierunku anody, ale żaden z nich nie zostanie rozładowany. W takim przypadku miedź zacznie się rozpuszczać. Wyjaśnia to fakt, że atomy miedzi łatwiej przekazują elektrony do zewnętrznej części obwodu elektrycznego niż jony i OH - i, stając się jonami dodatnimi, przejdą do roztworu: Cu \u003d Cu2 + + 2e-.

Tak więc, gdy elektrody są podłączone do źródła prądu stałego w roztworze siarczanu miedzi, nastąpi ukierunkowany ruch jonów, co spowoduje uwolnienie czystej miedzi na katodzie.

Aby warstwa uwolnionej miedzi była gęsta i dobrze zatrzymywana na katodzie, zaleca się prowadzenie elektrolizy przy niskim natężeniu prądu w roztworze. A ponieważ doprowadzi to do dużego błędu pomiaru, zamiast amperomierza laboratoryjnego w pracy stosuje się rezystor i woltomierz. Zgodnie z odczytem woltomierza U i rezystancją rezystora R (jest to wskazane na jego obudowie) określa się natężenie prądu I. Schemat ideowy układu doświadczalnego pokazano na rysunku 12.

Natężenie prądu w elektrolicie podczas eksperymentu może się zmieniać, dlatego jego średnia wartość 1sr zostaje podstawiona do wzoru na określenie ładunku. Średnią wartość natężenia prądu wyznacza się rejestrując co 30 s odczyty woltomierza przez cały czas obserwacji, następnie są one sumowane i otrzymana wartość jest dzielona przez liczbę pomiarów. W ten sposób znajduje się Ucp. Następnie, zgodnie z prawem Ohma, dla odcinka obwodu znajduje się Icp. Wygodniej jest zapisywać wyniki pomiarów napięcia w tabeli pomocniczej.

Aktualny czas przepływu mierzony jest stoperem.

PROCEDURA PRZYGOTOWANIA DO PRACY

1. Wskaż, jakie wielkości fizyczne podlegają bezpośredniemu pomiarowi w celu wyznaczenia ładunku elektronu metodą stosowaną w tej pracy. Jakie przyrządy pomiarowe zostaną użyte do pomiaru? Określ i zapisz granice błędów bezwzględnych tych urządzeń.

2. Określ i zanotuj granice bezwzględnych błędów odczytu przy użyciu mechanicznego stopera, woltomierza i wagi.

3. Zapisz wzór na określenie bezwzględnej granicy błędu ∆е.

4. Przygotuj arkusz kalkulacyjny do zapisywania wyników pomiarów, błędów i obliczeń.

Przygotuj tabelę pomocniczą do rejestrowania odczytów woltomierza.

ODPOWIEDZ NA PYTANIA

Dlaczego czas przepływu prądu w elektrolicie wpływa na błąd wyniku pomiaru ładunku elektronu?

Jak stężenie roztworu wpływa na wynik pomiaru ładunku elektronu?

Jaka jest wartościowość miedzi?

Jaka jest masa molowa miedzi?

Jaka jest stała Avogadro?

PROCEDURA PRACY

1. Wyznacz masę zdejmowanej elektrody m1 na wadze.

2. Podłącz elektrodę do kuwety i zmontuj obwód elektryczny pokazany na Rysunku 12. Upewnij się, że wyjmowana elektroda jest podłączona do ujemnego bieguna źródła napięcia.

3. Napełnij kuwetę roztworem siarczanu miedzi, zamknij klucz i zapisuj odczyty woltomierza co 30 s przez 15 minut.

4. Po 15 minutach otworzyć kluczyk, rozebrać obwód, wyjąć elektrodę, wysuszyć i określić jej masę m2 wraz z osadzoną na nim miedzią.

5. Oblicz masę uwolnionej miedzi: m- oraz granicę błędu bezwzględnego jej pomiaru ∆m.

6. Obliczyć średnią wartość napięcia na rezystorze Uav i średnią wartość prądu w elektrolicie I por.

7. Oblicz ładunek elektronu e.

8. Oblicz granicę błędu bezwzględnego w określaniu ładunku elektronu ∆е.

9. Zapisz wynik ustalenia opłaty, biorąc pod uwagę granicę błędu bezwzględnego.

10. Porównaj ładunek elektronu wyznaczony na podstawie wyników doświadczenia z wartością z tabeli.

Uwaga metodyczna. Elektron jest już znany studentom z przedmiotu chemia i odpowiedniego działu programu klasy VII. Teraz musisz pogłębić zrozumienie pierwszej elementarnej cząstki materii, przypomnieć sobie to, co było badane, połączyć to z pierwszym tematem rozdziału „Elektrostatyka” i przejść na wyższy poziom interpretacji ładunku elementarnego. Należy mieć na uwadze złożoność pojęcia ładunku elektrycznego. Proponowana dygresja może pomóc w ujawnieniu tej koncepcji i dotarciu do sedna sprawy.

Elektron ma skomplikowaną historię. Aby osiągnąć cel w jak najkrótszy sposób, warto poprowadzić historię w następujący sposób.

Byli sceptycy, którzy generalnie ignorowali odkrycie elektronu. Akademik A.F. Ioffe pisał w swoich wspomnieniach o potrzebach swojego nauczyciela VK”.

Elektron nie opuścił jeszcze ram „czystej” nauki. Przypomnijmy, że pierwsza lampa elektroniczna pojawiła się dopiero w 1907 roku.

Aby przejść od wiary do przekonania, trzeba było przede wszystkim wyizolować elektron, wynaleźć metodę bezpośredniego i dokładnego pomiaru ładunku elementarnego.

Taki problem został rozwiązany przez amerykańskiego fizyka Roberta Millikana (1868-1953) w serii subtelnych eksperymentów, które rozpoczęły się w 1906 roku.

Robert Milliken urodził się w 1868 roku w Illinois w ubogiej rodzinie księdza. Dzieciństwo spędził w prowincjonalnym miasteczku Makvoket, gdzie wiele uwagi poświęcano sportowi i źle uczono. Na przykład dyrektor liceum, który uczył fizyki, powiedział do swoich młodych uczniów: „Jak można wydobywać dźwięk z fal? Nonsens, chłopcy, wszystko to jest nonsensem!”

Stosunek siły działającej na kroplę chmury do prędkości, jaką osiąga, jest taki sam w pierwszym i drugim przypadku. W pierwszym przypadku siła jest równa mg, w drugim mg + qE, gdzie q to ładunek kropli, E to natężenie pola elektrycznego. Jeśli prędkość w pierwszym przypadku jest równa v 1 w drugim v 2, to

Znając zależność prędkości opadania chmury v od lepkości powietrza, możemy obliczyć wymagany ładunek q. Jednak metoda ta nie dała pożądanej dokładności, ponieważ zawierała hipotetyczne założenia, które były poza kontrolą eksperymentatora.

W celu zwiększenia dokładności pomiaru konieczne było przede wszystkim znalezienie sposobu na uwzględnienie parowania chmur, które nieuchronnie następowało podczas procesu pomiarowego.

Zastanawiając się nad tym problemem, Millikan wymyślił klasyczną metodę upuszczania, która otworzyła szereg nieoczekiwanych możliwości. Pozostawmy autorowi opowiedzenie historii wynalazku:

"Zdając sobie sprawę, że szybkość parowania kropli pozostaje nieznana, próbowałem wymyślić metodę, która całkowicie wyeliminowałaby tę niepewną wartość. Mój plan był następujący. W poprzednich eksperymentach pole elektryczne mogło tylko nieznacznie zwiększyć lub zmniejszyć prędkość opadanie wierzchołka chmury pod wpływem grawitacji. Teraz chciałem jednak wzmocnić to pole, aby górna powierzchnia chmury pozostała na stałej wysokości. W tym przypadku można było dokładnie określić szybkość parowania chmurę i uwzględnij ją w obliczeniach.” Aby zrealizować ten pomysł, Milliken zaprojektował małą baterię, która dawała napięcie do 104 V (jak na tamte czasy było to wybitne osiągnięcie eksperymentatora). Musiała stworzyć pole wystarczająco silne, aby utrzymać chmurę, jak „trumna Mahometa”, w stanie zawieszenia.

"Kiedy wszystko było dla mnie gotowe", mówi Milliken, "a kiedy utworzyła się chmura, przekręciłem przełącznik i chmura znalazła się w polu elektrycznym. I w tej chwili roztopiła się na moich oczach, innymi słowy, nawet nie z całej chmury pozostał mały kawałek, co można było zaobserwować za pomocą kontrolnego urządzenia optycznego, tak jak zrobił to Wilson i ja miałem zamiar zrobić.Jak mi się z początku wydawało, zniknięcie chmury bez śladu w pole elektryczne pomiędzy górną a dolną płytą sprawiło, że eksperyment zakończył się bez rezultatów…”

Jednak, jak to często bywa w historii nauki, porażka dała początek nowej idei. Doprowadziła do słynnej metody kropli. „Powtarzające się eksperymenty”, pisze Millikan, „wykazały, że po rozproszeniu chmury w silnym polu elektrycznym, na jego miejscu można było wyróżnić kilka oddzielnych kropel wody” (podkreślenie przeze mnie – V.D.).

„Niefortunne” doświadczenie doprowadziło do odkrycia możliwości utrzymywania się w równowadze i obserwowania poszczególnych kropel przez wystarczająco długi czas.

Jednak w okresie obserwacji masa kropli wody znacznie się zmieniła w wyniku parowania, a Millikan po wielu dniach poszukiwań przeszedł na eksperymenty z kroplami oleju.

Po 7 lub 8 minutach chmura rozprasza się, aw polu widzenia pozostaje niewielka liczba kropel, których ładunek odpowiada wspomnianemu układowi sił.

Millikan zaobserwował te krople jako wyraźne jasne kropki. „Historia tych kropli zwykle przebiega w następujący sposób” – pisze – „w przypadku niewielkiej przewagi grawitacji nad siłą pola, zaczynają one powoli opadać, ale gdy stopniowo odparowują, ich ruch w dół wkrótce ustaje, i stają się nieruchome przez dość długi czas. Potem pole zaczyna dominować, a krople zaczynają powoli unosić się. Pod koniec ich życia w przestrzeni między płytami ten ruch w górę staje się bardzo silnie przyspieszony i są przyciągane z dużą prędkością do górnej płyty.”

Schemat instalacji Millikan, za pomocą której uzyskano decydujące wyniki w 1909 r., pokazano na rysunku 17.

Do płytek kondensatora z akumulatora B przyłożono napięcie 104 V. Za pomocą przełącznika można było zewrzeć płytki i tym samym zniszczyć pole elektryczne.

Krople oleju spadające pomiędzy płytkami M i N oświetlano silnym źródłem. Zaobserwowano zachowanie kropli prostopadle do kierunku promieni przez teleskop.

Niezbędne do kondensacji kropel jony zostały wytworzone przez promieniowanie z kawałka radu o masie 200 mg, znajdującego się w odległości od 3 do 10 cm z boku płytek.

Za pomocą specjalnego urządzenia gaz został rozszerzony poprzez obniżenie tłoka. W ciągu 1–2 s po rozprężeniu rad został usunięty lub przykryty ekranem ołowianym. Następnie włączono pole elektryczne i rozpoczęto obserwację kropli do teleskopu.

Rura posiadała podziałkę, dzięki której można było policzyć drogę przebytą przez kroplę w określonym czasie. Czas wyznaczał dokładny zegar z klatką.

W trakcie obserwacji Millikan odkrył zjawisko, które stało się kluczem do całej serii kolejnych dokładnych pomiarów poszczególnych ładunków elementarnych.

„Pracując nad zawieszonymi kroplami”, pisze Milliken, „kilkakrotnie zapomniałem zamknąć je przed promieniami radu. Potem przypadkiem zauważyłem, że od czasu do czasu jedna z kropli nagle zmieniła ładunek i zaczęła poruszać się po polu lub wbrew to oczywiście wychwytywanie w pierwszym przypadku jonu dodatniego, a w drugim ujemnego. Stworzyło to możliwość pomiaru z pewnością nie tylko ładunków poszczególnych kropli, jak to robiłem do tej pory, ale także ładunek pojedynczego jonu atmosferycznego.

Rzeczywiście, mierząc dwukrotnie prędkość tej samej kropli, raz przed i drugi raz po wychwyceniu jonu, mogłem oczywiście całkowicie wykluczyć właściwości kropli i właściwości ośrodka i operować wielkością proporcjonalną tylko do ładunek wychwyconego jonu.

Opłata elementarna została obliczona przez Millikan na podstawie następujących rozważań. Prędkość kropli jest proporcjonalna do działającej na nią siły i nie zależy od ładunku kropli.

Jeśli kropla spadła między płytki kondensatora pod działaniem tylko grawitacji z prędkością v 1, to

Gdy pole skierowane przeciw grawitacji jest włączone, działająca siła będzie różnicą qE = mg, gdzie q jest ładunkiem kropli, E jest modułem natężenia pola.

Szybkość zrzutu będzie wynosić:

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

Jeśli podzielimy równość (1) przez (2), otrzymamy

Niech kropla przechwyci jon i jego ładunek stanie się równy q′ i prędkości ruchu v 2 ′. Oznaczmy ładunek tego uwięzionego jonu przez e. Wtedy e = q′ - q.

Używając (3), otrzymujemy

Wartość jest stała dla danej kropli.

Dlatego każdy ładunek wychwycony przez kroplę będzie proporcjonalny do różnicy prędkości (v′ 2 -v 2), innymi słowy proporcjonalny do zmiany prędkości kropli spowodowanej wychwytywaniem jonów!

Tak więc pomiar ładunku elementarnego został sprowadzony do pomiaru drogi przebytej przez kroplę i czasu, w którym ta droga przebyła.

Liczne obserwacje wykazały słuszność wzoru (4). Okazało się, że wartość e może zmieniać się tylko skokami! Opłaty e, 2e, 3e, 4e itd. są zawsze przestrzegane.

„W wielu przypadkach”, pisze Millikan, „kropla była obserwowana przez pięć lub sześć godzin i w tym czasie wychwyciła nie osiem czy dziesięć jonów, ale setki. Łącznie zaobserwowałem wychwytywanie wielu tysięcy jonów w w ten sposób i we wszystkich przypadkach wychwycony ładunek… był albo dokładnie równy najmniejszemu ze wszystkich uwięzionych ładunków, albo był równy małej całkowitej wielokrotności tej wartości. Jest to bezpośredni i niepodważalny dowód na to, że elektron nie jest „średnią statystyczną”, ale wszystkie ładunki elektryczne jonów są albo dokładnie równe ładunkowi elektronu, albo są małymi całkowitymi wielokrotnościami tego ładunku.

Metoda Millikana pozwoliła na jednoznaczną odpowiedź na to pytanie.

W pierwszych eksperymentach ładunki powstały w wyniku jonizacji cząsteczek gazu obojętnego przez strumień promieniowania radioaktywnego. Zmierzono ładunek jonów wychwyconych przez krople.

Gdy ciecz jest rozpylana za pomocą atomizera, kropelki są naelektryzowane w wyniku tarcia. Było to dobrze znane w XIX wieku. Czy te ładunki są tak skwantowane jak ładunki jonów?

Millikan „waży” kropelki po rozpyleniu i dokonuje pomiarów ładunku w sposób opisany powyżej. Doświadczenie ujawnia tę samą dyskretność ładunku elektrycznego.

W 1913 r. Milliken podsumował wyniki licznych eksperymentów i podał następującą wartość ładunku elementarnego: e=4.774·10 -10 jednostek. opłata SGSE.

W ten sposób powstała jedna z najważniejszych stałych współczesnej fizyki. Wyznaczenie ładunku elektrycznego stało się prostym problemem arytmetycznym.

Wizualizacja elektronowa. Wielką rolę we wzmocnieniu idei rzeczywistości elektronowej odegrało odkrycie przez G. A. Wilsona efektu kondensacji pary wodnej na jony, co doprowadziło do możliwości fotografowania torów cząstek.

Mówią, że A. Compton na wykładzie nie mógł przekonać sceptycznego słuchacza o realności istnienia mikrocząstek. Upierał się, że uwierzy tylko wtedy, gdy zobaczy je na własne oczy.

Następnie Compton pokazał zdjęcie ze śladem cząstek α, obok którego znajdował się odcisk palca. "Czy wiesz co to jest?" — zapytał Compton. – Palec – odpowiedział słuchacz. — W takim razie — oświadczył uroczyście Compton — ten świetlisty pas jest cząstką.

Fotografie torów elektronowych nie tylko świadczyły o rzeczywistości elektronów. Potwierdzili założenie o małych rozmiarach elektronów i umożliwili porównanie z eksperymentem wyników obliczeń teoretycznych, w których pojawił się promień elektronu. Eksperymenty zainicjowane przez Lenarda w badaniu penetracji promieni katodowych wykazały, że bardzo szybkie elektrony emitowane przez substancje radioaktywne dają ślady w gazie w postaci linii prostych. Długość toru jest proporcjonalna do energii elektronu. Zdjęcia torów wysokoenergetycznych cząstek α pokazują, że tory składają się z dużej liczby kropek. Każda kropka to kropla wody, która pojawia się na jonie, który powstaje w wyniku zderzenia elektronu z atomem. Znając wielkość atomu i jego stężenie, możemy obliczyć liczbę atomów, przez które musi przejść cząstka alfa w określonej odległości. Proste obliczenia pokazują, że cząstka α musi przejść około 300 atomów, zanim napotka po drodze jeden z elektronów tworzących powłokę atomu i spowoduje jonizację.

Z teorii rozpraszania można uzyskać dane do oszacowania kątów odchylenia w funkcji energii elektronów. Dane te dobrze potwierdza analiza rzeczywistych torów. Zbieżność teorii z eksperymentem umocniła ideę elektronu jako najmniejszej cząstki materii.

Pomiar elementarnego ładunku elektrycznego otworzył możliwość dokładnego wyznaczenia szeregu ważnych stałych fizycznych.

Znajomość wartości e automatycznie umożliwia wyznaczenie wartości stałej podstawowej - stałej Avogadro. Przed eksperymentami Millikana istniały tylko przybliżone oszacowania stałej Avogadro, podane przez kinetyczną teorię gazów. Szacunki te opierały się na obliczeniach średniego promienia cząsteczki powietrza i zmieniały się w dość szerokim zakresie od 2·10 23 do 20·10 23 1/mol.

Jeżeli masa osadzonej substancji jest równa jednemu molowi, to Q = F jest stałą Faradaya, a F = N 0 e, skąd N 0 = F / e. Oczywiście dokładność wyznaczenia stałej Avogadro wynika z dokładności, z jaką mierzony jest ładunek elektronu.

Praktyka wymagała zwiększenia dokładności wyznaczania stałych podstawowych, co było jednym z bodźców do dalszego doskonalenia techniki pomiaru kwantu ładunku elektrycznego. Ta praca, która ma już charakter czysto metrologiczny, trwa do dziś.

Najdokładniejsze wartości to obecnie:

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

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

Znając N 0, można określić liczbę cząsteczek gazu w 1 cm 3, ponieważ objętość zajmowana przez 1 mol gazu jest znaną stałą.

Znajomość liczby cząsteczek gazu w 1 cm3 umożliwiła z kolei wyznaczenie średniej energii kinetycznej ruchu termicznego cząsteczki.

Wreszcie ładunek elektronu można wykorzystać do wyznaczenia stałej Plancka i stałej Stefana-Boltzmanna w prawie promieniowania cieplnego.

Parszyna Anna, Sewalnikow Aleksiej, Luzyanin Roman.

Cel: nauczyć się określać wartość ładunku elementarnego przez elektrolizę; badać metody ustalania opłat elektron.

Ekwipunek: cylindryczne naczynie z roztworem siarczanu miedzi, lampa, elektrody, wagi, amperomierz, źródło stałego napięcia, reostat, zegar, klucz, przewody łączące.

Ściągnij:

Zapowiedź:

Aby skorzystać z podglądu prezentacji, załóż konto (konto) Google i zaloguj się: https://accounts.google.com

Podpisy slajdów:

Praca laboratoryjna Oznaczanie ładunku elementarnego metodą elektrolizy Wykonali uczniowie gimnazjum Chuchkovskaya 10 klasy: Anna Parszyna, Aleksiej Sewalnikow, Roman Łuzjanin. Opiekun: nauczyciel fizyki Chekalina O.Yu.

Cel pracy: nauczenie wyznaczania wartości ładunku elementarnego metodą elektrolizy; metody badawcze wyznaczania ładunku elektronu. Wyposażenie: naczynie cylindryczne z roztworem siarczanu miedzi, lampa, elektrody, waga, amperomierz, źródło stałego napięcia, reostat, zegar, klucz, przewody łączące.

Zmontowaliśmy łańcuch: Postęp prac:

Efekt naszej pracy

Nauczyliśmy się wyznaczać wartość ładunku elementarnego za pomocą elektrolizy, poznaliśmy metody wyznaczania ładunku elektronu. Wniosek:

V. Ya Bryusov „Świat elektronu” Być może te elektrony to Światy, w których jest pięć kontynentów, Sztuka, wiedza, wojny, trony I pamięć czterdziestu wieków! Być może także każdy atom jest Wszechświatem, w którym znajduje się sto planet; Jest wszystko, co tu jest, w skompresowanym tomie, Ale też to, czego tu nie ma. Ich miary są małe, ale ich nieskończoność jest taka sama jak tutaj; Jest smutek i pasja, jak tu, a nawet tam sama światowa arogancja. Ich mędrcy, umieszczając swój bezgraniczny świat w centrum istnienia, Spieszą, by przeniknąć iskry tajemnicy I myśleć tak jak ja teraz; A w chwili, gdy z zagłady powstają prądy nowych sił, w snach autohipnozy krzyczą, Że Bóg zgasił swoją pochodnię!