Métodos para determinar a carga elétrica elementar - abstrato. Determinação de carga elementar por eletrólise Trabalho de laboratório em física, medição de carga elementar

Ministério da Educação da Federação Russa

Universidade Pedagógica do Estado de Amur

Métodos para determinar a carga elétrica elementar

Concluído pelo aluno 151g.

Venzelev A.A.

Verificado por: Cheraneva T.G.

Introdução.

1. Antecedentes da descoberta do elétron

2. História da descoberta do elétron

3. Experimentos e métodos para descobrir o elétron

3.1.Experiência de Thomson

3.2.A experiência de Rutherford

3.3. Método Millikan

3.3.1. Curta biografia

3.3.2. Descrição da instalação

3.3.3. Cálculo de carga elementar

3.3.4. Conclusões do método

3.4. Método de imagem Compton

Conclusão.

Introdução:

ELÉTROM – a primeira partícula elementar a ser descoberta; o portador material de menor massa e menor carga elétrica da natureza; componente de um átomo.

A carga do elétron é 1,6021892. 10 -19 Cl

4.803242. 10 -10 unidades SSSE

A massa do elétron é 9,109534. 10-31kg

Carga específica e/m e 1.7588047. 10 11 Cl. kg -1

O spin do elétron é igual a 1/2 (em unidades de h) e possui duas projeções ±1/2; os elétrons obedecem às estatísticas de Fermi-Dirac, férmions. Eles estão sujeitos ao princípio de exclusão de Pauli.

O momento magnético de um elétron é igual a -1,00116 m b, onde m b é o magneton de Bohr.

O elétron é uma partícula estável. De acordo com dados experimentais, o tempo de vida t e > 2. 10 22 anos.

Não participa da interação forte, lépton. A física moderna considera o elétron como uma partícula verdadeiramente elementar que não possui estrutura nem tamanho. Se estes últimos forem diferentes de zero, então o raio do elétron r e< 10 -18 м

1.Antecedentes da abertura

A descoberta do elétron foi o resultado de numerosos experimentos. No início do século XX. a existência do elétron foi estabelecida em uma série de experimentos independentes. Mas, apesar do colossal material experimental acumulado por escolas nacionais inteiras, o electrão continuou a ser uma partícula hipotética, porque a experiência ainda não tinha respondido a uma série de questões fundamentais. Na realidade, a “descoberta” do electrão demorou mais de meio século e não terminou em 1897; Muitos cientistas e inventores participaram dele.

Em primeiro lugar, não houve um único experimento envolvendo elétrons individuais. A carga elementar foi calculada com base em medições da carga microscópica, assumindo a validade de uma série de hipóteses.

Havia incerteza em um ponto fundamentalmente importante. O elétron apareceu pela primeira vez como resultado de uma interpretação atômica das leis da eletrólise, depois foi descoberto em uma descarga de gás. Não estava claro se a física estava realmente lidando com o mesmo objeto. Um grande grupo de cientistas naturais céticos acreditava que a carga elementar é uma média estatística de cargas dos mais variados tamanhos. Além disso, nenhum dos experimentos que mediram a carga do elétron forneceu valores estritamente repetíveis.
Houve céticos que geralmente ignoraram a descoberta do elétron. Acadêmico A.F. Ioffe em suas memórias de seu professor V.K. Roentgene escreveu: “Até 1906 - 1907. a palavra elétron não deveria ter sido pronunciada no Instituto de Física da Universidade de Munique. Roentgen considerou-a uma hipótese não comprovada, muitas vezes usada sem fundamentos suficientes e desnecessariamente.”

A questão da massa do elétron não foi resolvida e não foi provado que as cargas tanto nos condutores quanto nos dielétricos consistem em elétrons. O conceito de “elétron” não teve uma interpretação inequívoca, porque o experimento ainda não havia revelado a estrutura do átomo (o modelo planetário de Rutherford apareceu em 1911, e a teoria de Bohr em 1913).

O elétron ainda não entrou em construções teóricas. A teoria eletrônica de Lorentz apresentava uma densidade de carga distribuída continuamente. A teoria da condutividade metálica, desenvolvida por Drude, tratava de cargas discretas, mas eram cargas arbitrárias, cujo valor não foi imposta nenhuma restrição.

O elétron ainda não saiu da estrutura da ciência “pura”. Lembremos que o primeiro tubo de elétrons apareceu apenas em 1907. Para passar da fé à convicção foi necessário, antes de tudo, isolar o elétron e inventar um método de medição direta e precisa da carga elementar.

A solução para este problema não demorou a chegar. Em 1752, a ideia da discrição da carga elétrica foi expressa pela primeira vez por B. Franklin. Experimentalmente, a discrepância das cargas foi justificada pelas leis da eletrólise, descobertas por M. Faraday em 1834. O valor numérico da carga elementar (a menor carga elétrica encontrada na natureza) foi calculado teoricamente com base nas leis da eletrólise usando o número de Avogadro . A medição experimental direta da carga elementar foi realizada por R. Millikan em experimentos clássicos realizados em 1908-1916. Estas experiências também forneceram provas irrefutáveis do atomismo da eletricidade. De acordo com os conceitos básicos da teoria eletrônica, a carga de um corpo surge como resultado de uma mudança no número de elétrons nele contidos (ou íons positivos, cujo valor de carga é um múltiplo da carga do elétron). Portanto, a carga de qualquer corpo deve mudar abruptamente e em porções que contenham um número inteiro de cargas de elétrons. Tendo estabelecido experimentalmente a natureza discreta da mudança na carga elétrica, R. Millikan conseguiu obter a confirmação da existência de elétrons e determinar o valor da carga de um elétron (carga elementar) usando o método da gota de óleo. O método é baseado no estudo do movimento de gotículas de óleo carregadas em um campo elétrico uniforme de intensidade conhecida E.

2.Descoberta do elétron:

Se ignorarmos o que precedeu a descoberta da primeira partícula elementar - o elétron, e o que acompanhou este evento marcante, podemos dizer brevemente: em 1897, o famoso físico inglês THOMSON Joseph John (1856-1940) mediu a carga específica q/m partículas de raios catódicos - “corpúsculos”, como ele os chamava, com base na deflexão dos raios catódicos *) em campos elétricos e magnéticos.

Ao comparar o número obtido com a carga específica do íon monovalente de hidrogênio então conhecido, por meio de raciocínio indireto, ele chegou à conclusão de que a massa dessas partículas, que mais tarde receberam o nome de “elétrons”, é significativamente menor (mais do que mil vezes) do que a massa do íon hidrogênio mais leve.

No mesmo ano, 1897, ele levantou a hipótese de que os elétrons são parte integrante dos átomos, e os raios catódicos não são átomos ou radiação eletromagnética, como acreditavam alguns pesquisadores das propriedades dos raios. Thomson escreveu: "Assim, os raios catódicos representam um novo estado da matéria, essencialmente diferente do estado gasoso comum...; neste novo estado, a matéria é a substância a partir da qual todos os elementos são construídos."

Desde 1897, o modelo corpuscular dos raios catódicos começou a ganhar aceitação geral, embora houvesse uma grande variedade de opiniões sobre a natureza da eletricidade. Assim, o físico alemão E. Wichert acreditava que “a eletricidade é algo imaginário, existindo realmente apenas em pensamentos”, e o famoso físico inglês Lord Kelvin, no mesmo ano de 1897, escreveu sobre a eletricidade como uma espécie de “fluido contínuo”.

A ideia de Thomson dos corpúsculos de raios catódicos como os componentes básicos do átomo não foi recebida com muito entusiasmo. Alguns de seus colegas pensaram que ele os havia confundido quando sugeriu que as partículas dos raios catódicos deveriam ser consideradas como possíveis componentes do átomo. O verdadeiro papel dos corpúsculos de Thomson na estrutura do átomo poderia ser entendido em combinação com os resultados de outros estudos, em particular com os resultados da análise de espectros e do estudo da radioatividade.

Em 29 de abril de 1897, Thomson fez sua famosa mensagem numa reunião da Royal Society de Londres. A hora exata da descoberta do elétron - dia e hora - não pode ser nomeada devido à sua singularidade. Este evento foi o resultado de muitos anos de trabalho de Thomson e seus funcionários. Nem Thomson nem ninguém jamais havia realmente observado um elétron, nem ninguém foi capaz de isolar uma única partícula de um feixe de raios catódicos e medir sua carga específica. O autor da descoberta é JJ Thomson porque suas ideias sobre o elétron eram próximas das modernas. Em 1903, ele propôs um dos primeiros modelos de átomo - “pudim de passas”, e em 1904 propôs que os elétrons de um átomo se dividissem em grupos, formando diferentes configurações que determinam a periodicidade dos elementos químicos.

O local da descoberta é conhecido com precisão - o Laboratório Cavendish (Cambridge, Reino Unido). Criado em 1870 por J.C. Maxwell, nos cem anos seguintes tornou-se o “berço” de toda uma cadeia de descobertas brilhantes em vários campos da física, especialmente na física atômica e nuclear. Seus diretores foram: Maxwell J.K. - de 1871 a 1879, Lord Rayleigh - de 1879 a 1884, Thomson J.J. - de 1884 a 1919, Rutherford E. - de 1919 a 1937, Bragg L. - de 1938 a 1953; Diretor Adjunto 1923-1935 - Chadwick J.

A pesquisa científica experimental foi realizada por um cientista ou por um pequeno grupo em uma atmosfera de exploração criativa. Lawrence Bragg mais tarde relembrou seu trabalho em 1913 com seu pai, Henry Bragg: “Foi uma época maravilhosa quando novos resultados emocionantes eram obtidos quase todas as semanas, como a descoberta de novas áreas contendo ouro onde as pepitas podem ser colhidas diretamente do solo .Isso continuou até o início da guerra *), o que interrompeu nosso trabalho conjunto."

3.Métodos para abrir um elétron:

3.1.Experiência de Thomson

Joseph John Thomson Joseph John Thomson, 1856–1940

Físico inglês, mais conhecido simplesmente como J. J. Thomson. Nasceu em Cheetham Hill, subúrbio de Manchester, na família de um antiquário. Em 1876 ganhou uma bolsa de estudos para Cambridge. Em 1884-1919, foi professor do Departamento de Física Experimental da Universidade de Cambridge e, concomitantemente, chefe do Laboratório Cavendish, que, através dos esforços de Thomson, se tornou um dos centros de pesquisa mais famosos do mundo. Ao mesmo tempo, em 1905-1918, foi professor no Royal Institute de Londres. Vencedor do Prêmio Nobel de Física em 1906 com a expressão “pelos seus estudos da passagem da eletricidade pelos gases”, o que, naturalmente, inclui a descoberta do elétron. O filho de Thomson, George Paget Thomson (1892-1975), também acabou ganhando o Prêmio Nobel de Física - em 1937 pela descoberta experimental da difração de elétrons por cristais.

Em 1897, o jovem físico inglês J. J. Thomson tornou-se famoso ao longo dos séculos como o descobridor do elétron. Em seu experimento, Thomson usou um tubo de raios catódicos aprimorado, cujo design foi complementado por bobinas elétricas que criaram (de acordo com a lei de Ampere) um campo magnético dentro do tubo e um conjunto de placas de capacitores elétricos paralelas que criaram um campo elétrico dentro o tubo. Graças a isso, foi possível estudar o comportamento dos raios catódicos sob a influência de campos magnéticos e elétricos.

Usando um novo projeto de tubo, Thomson mostrou sucessivamente que: (1) os raios catódicos são desviados em um campo magnético na ausência de um campo elétrico; (2) os raios catódicos são desviados num campo eléctrico na ausência de um campo magnético; e (3) sob a ação simultânea de campos elétricos e magnéticos de intensidade equilibrada, orientados em direções que separadamente causam desvios em direções opostas, os raios catódicos se propagam de forma retilínea, ou seja, a ação dos dois campos é mutuamente equilibrada.

Thomson descobriu que a relação entre os campos eléctrico e magnético em que os seus efeitos são equilibrados depende da velocidade a que as partículas se movem. Depois de realizar uma série de medições, Thomson conseguiu determinar a velocidade de movimento dos raios catódicos. Descobriu-se que eles se movem muito mais lentamente que a velocidade da luz, o que significa que os raios catódicos só poderiam ser partículas, uma vez que qualquer radiação eletromagnética, incluindo a própria luz, viaja à velocidade da luz (ver Espectro de radiação eletromagnética). Essas partículas desconhecidas. Thomson os chamou de “corpúsculos”, mas logo ficaram conhecidos como “elétrons”.

Imediatamente ficou claro que os elétrons devem existir como parte dos átomos - caso contrário, de onde eles viriam? 30 de abril de 1897 – a data do relatório de Thomson sobre seus resultados em uma reunião da Royal Society de Londres – é considerado o aniversário do elétron. E neste dia a ideia da “indivisibilidade” dos átomos tornou-se coisa do passado (ver Teoria atômica da estrutura da matéria). Juntamente com a descoberta do núcleo atómico que se seguiu pouco mais de dez anos depois (ver a experiência de Rutherford), a descoberta do electrão lançou as bases para o modelo moderno do átomo.

Os tubos “catódicos” descritos acima, ou mais precisamente, os tubos de raios catódicos, tornaram-se os predecessores mais simples dos modernos tubos de imagem de televisão e monitores de computador, nos quais quantidades estritamente controladas de elétrons são eliminadas da superfície de um cátodo quente, sob a influência de campos magnéticos alternados eles são desviados em ângulos estritamente especificados e bombardeiam as células fosforescentes das telas, formando sobre elas uma imagem nítida resultante do efeito fotoelétrico, cuja descoberta também seria impossível sem o nosso conhecimento da verdadeira natureza do cátodo raios.

3.2.A experiência de Rutherford

Ernest Rutherford, primeiro barão Rutherford de Nelson, 1871–1937

Físico da Nova Zelândia. Nasceu em Nelson, filho de um artesão. Ganhou uma bolsa para estudar na Universidade de Cambridge, na Inglaterra. Depois de se formar, foi nomeado para a Universidade Canadense McGill, onde, junto com Frederick Soddy (1877–1966), estabeleceu as leis básicas do fenômeno da radioatividade, pelas quais recebeu o Prêmio Nobel de Química em 1908. Logo o cientista mudou-se para a Universidade de Manchester, onde, sob sua liderança, Hans Geiger (1882–1945) inventou seu famoso contador Geiger, começou a pesquisar a estrutura do átomo e, em 1911, descobriu a existência do núcleo atômico. Durante a Primeira Guerra Mundial, esteve envolvido no desenvolvimento de sonares (radares acústicos) para detectar submarinos inimigos. Em 1919 foi nomeado professor de física e diretor do Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge e no mesmo ano descobriu a decadência nuclear como resultado do bombardeio por partículas pesadas de alta energia. Rutherford permaneceu nesta posição até o fim de sua vida, sendo ao mesmo tempo por muitos anos presidente da Royal Scientific Society. Ele foi enterrado na Abadia de Westminster ao lado de Newton, Darwin e Faraday.

Ernest Rutherford é um cientista único no sentido de que fez suas principais descobertas após receber o Prêmio Nobel. Em 1911, ele teve sucesso em um experimento que não só permitiu aos cientistas examinar profundamente o átomo e obter insights sobre sua estrutura, mas também se tornou um modelo de graça e profundidade de design.

Usando uma fonte natural de radiação radioativa, Rutherford construiu um canhão que produzia um fluxo direcionado e focado de partículas. A arma era uma caixa de chumbo com uma fenda estreita, dentro da qual era colocado material radioativo. Devido a isso, partículas (neste caso partículas alfa, consistindo de dois prótons e dois nêutrons) emitidas pela substância radioativa em todas as direções, exceto uma, foram absorvidas pela tela de chumbo, e apenas um feixe direcionado de partículas alfa foi liberado através da fenda. .

Esquema de experiência

Mais adiante no caminho do feixe havia várias outras telas de chumbo com fendas estreitas que cortavam as partículas que se desviavam estritamente

dada direção. Como resultado, um feixe de partículas alfa perfeitamente focado voou em direção ao alvo, e o alvo em si era uma fina folha de ouro. Foi o raio alfa que a atingiu. Depois de colidir com os átomos da folha, as partículas alfa continuaram seu caminho e atingiram uma tela luminescente instalada atrás do alvo, na qual foram registrados flashes quando as partículas alfa o atingiram. A partir deles, o experimentador poderia julgar em que quantidade e quanto as partículas alfa se desviam da direção do movimento retilíneo como resultado de colisões com átomos da folha.

Rutherford, no entanto, observou que nenhum dos seus antecessores sequer tentou testar experimentalmente se algumas partículas alfa eram desviadas em ângulos muito grandes. O modelo da grelha de passas simplesmente não permitia a existência de elementos estruturais no átomo tão densos e pesados que pudessem desviar partículas alfa rápidas em ângulos significativos, por isso ninguém se preocupou em testar esta possibilidade. Rutherford pediu a um de seus alunos que reequipasse a instalação de forma que fosse possível observar o espalhamento de partículas alfa em grandes ângulos de deflexão - apenas para limpar sua consciência, para finalmente excluir essa possibilidade. O detector era uma tela revestida com sulfeto de sódio, material que produz um flash fluorescente quando uma partícula alfa o atinge. Imagine a surpresa não só do aluno que realizou diretamente o experimento, mas também do próprio Rutherford quando se descobriu que algumas partículas foram desviadas em ângulos de até 180°!

A imagem do átomo desenhada por Rutherford com base nos resultados de seu experimento é bem conhecida por nós hoje. Um átomo consiste em um núcleo compacto e superdenso que carrega uma carga positiva e elétrons leves carregados negativamente ao seu redor. Mais tarde, os cientistas forneceram uma base teórica confiável para esta imagem (ver Átomo de Bohr), mas tudo começou com um experimento simples com uma pequena amostra de material radioativo e um pedaço de folha de ouro.

3.2.Método Milliken

3.2.1. Curta biografia:

Robert Milliken nasceu em 1868 em Illinois, na família de um padre pobre. Ele passou a infância na cidade provinciana de Maquoketa, onde muita atenção foi dada aos esportes e ao ensino deficiente. O diretor de uma escola secundária que ensinava física disse, por exemplo, aos seus jovens alunos: “Como é possível produzir ondas com som? Bobagem, rapazes, é tudo bobagem!”

O Oberdeen College não era melhor, mas Milliken, que não tinha apoio financeiro, teve que ensinar física no ensino médio. Naquela época, na América, havia apenas dois livros didáticos de física, traduzidos do francês, e o jovem talentoso não teve dificuldade em estudá-los e ensiná-los com sucesso. Em 1893 ingressou na Universidade de Columbia e depois foi estudar na Alemanha.

Milliken tinha 28 anos quando recebeu uma oferta de A. Michelson para assumir um cargo de assistente na Universidade de Chicago. No início, aqui se dedicou quase exclusivamente ao trabalho pedagógico, e só aos quarenta anos iniciou a investigação científica, o que lhe trouxe fama mundial.

3.2.2. Primeiras experiências e soluções para problemas:

Os primeiros experimentos resumiram-se ao seguinte. Entre as placas de um capacitor plano, ao qual foi aplicada uma tensão de 4.000 V, foi criada uma nuvem composta por gotículas de água depositadas sobre os íons. Primeiro, observou-se que o topo da nuvem caía na ausência de um campo elétrico. Então uma nuvem foi criada enquanto a tensão era ligada. A queda da nuvem ocorreu sob a influência da gravidade e da força elétrica.
A razão entre a força que atua sobre uma gota em uma nuvem e a velocidade que ela adquire é a mesma no primeiro e no segundo caso. No primeiro caso, a força é igual a mg, no segundo mg + qE, onde q é a carga da gota, E é a intensidade do campo elétrico. Se a velocidade no primeiro caso for igual a υ 1 no segundo υ 2, então

Conhecendo a dependência da velocidade de queda da nuvem υ na viscosidade do ar, podemos calcular a carga necessária q. No entanto, este método não forneceu a precisão desejada porque continha suposições hipotéticas além do controle do experimentador.

Para aumentar a precisão das medições, foi necessário, em primeiro lugar, encontrar uma forma de levar em conta a evaporação da nuvem, que inevitavelmente ocorreu durante o processo de medição.

Refletindo sobre esse problema, Millikan criou o método clássico de queda, que abriu uma série de possibilidades inesperadas. Deixaremos que o próprio autor conte a história da invenção:
“Percebendo que a taxa de evaporação das gotas permanecia desconhecida, tentei encontrar um método que eliminasse completamente esse valor incerto. Meu plano era o seguinte. Em experimentos anteriores, o campo elétrico só poderia aumentar ou diminuir ligeiramente a velocidade do topo da nuvem caindo sob a influência da gravidade. Agora eu queria tanto fortalecer esse campo que a superfície superior da nuvem permanecesse a uma altura constante. Neste caso, tornou-se possível determinar com precisão a taxa de evaporação das nuvens e levá-la em consideração nos cálculos.”

Para implementar essa ideia, Millikan projetou uma bateria recarregável de pequeno porte que produzia uma voltagem de até 10 4 V (na época, essa foi uma conquista notável de um experimentador). Tinha de criar um campo suficientemente forte para manter a nuvem suspensa, como o “caixão de Maomé”. “Quando eu tinha tudo pronto”, diz Milliken, e quando a nuvem se formou, girei o interruptor e a nuvem estava em um campo elétrico. E naquele momento ela derreteu diante dos meus olhos, ou seja, não sobrou nem um pedacinho de toda a nuvem que pudesse ser observada com a ajuda de um instrumento óptico de controle, como Wilson fez e eu ia fazer. Como me pareceu a princípio, o desaparecimento da nuvem sem deixar vestígios no campo eléctrico entre as placas superior e inferior significou que a experiência terminou sem resultados...” No entanto, como muitas vezes aconteceu na história da ciência, o fracasso deu surgir uma nova ideia. Isso levou ao famoso método de queda. “Experimentos repetidos”, escreve Millikan, “mostraram que depois que uma nuvem se dissipa em um poderoso campo elétrico, em seu lugar várias gotas de água individuais podem ser distinguidas"(ênfase adicionada por mim - V.D.). O experimento “malsucedido” levou à descoberta da possibilidade de manter gotículas individuais em equilíbrio e observá-las por um longo tempo.

Mas durante a observação, a massa de uma gota d'água mudou significativamente como resultado da evaporação, e Millikan, após muitos dias de busca, passou a fazer experimentos com gotas de óleo.

O procedimento experimental revelou-se simples. A expansão adiabática forma uma nuvem entre as placas do capacitor. Consiste em gotículas com cargas de diferentes magnitudes e sinais. Quando o campo elétrico é ligado, gotas com cargas idênticas à carga da placa superior do capacitor caem rapidamente, e gotas com carga oposta são atraídas pela placa superior. Mas um certo número de gotas tem uma carga tal que a força da gravidade é equilibrada pela força elétrica.

Após 7 ou 8 minutos. a nuvem se dissipa e permanece no campo de visão um pequeno número de gotas, cuja carga corresponde ao equilíbrio de forças indicado.

Millikan observou essas gotas como pontos brilhantes distintos. “A história dessas gotas geralmente é assim”, escreve ele: “No caso de uma ligeira predominância da gravidade sobre a força do campo, elas começam a cair lentamente, mas como evaporam gradualmente, seu movimento descendente logo para, e elas ficar imóvel por um bom tempo.” Então o campo começa a dominar e as gotas começam a subir lentamente. No final de sua vida no espaço entre as placas, esse movimento ascendente torna-se fortemente acelerado, e elas são atraídas com grande velocidade para a placa superior.”

3.2.3. Descrição da instalação:

Um diagrama da instalação de Millikan, com a qual foram obtidos resultados decisivos em 1909, é mostrado na Figura 17.

Um capacitor plano feito de placas redondas de latão M e N com diâmetro de 22 cm (a distância entre elas era de 1,6 cm) foi colocado na câmara C. No centro da placa superior foi feito um pequeno furo p, por onde passaram gotas de óleo. Estes últimos foram formados pela injeção de um jato de óleo por meio de um pulverizador. O ar foi previamente limpo de poeira passando-o por um tubo com lã de vidro. As gotículas de óleo tinham um diâmetro de cerca de 10-4 cm.

Da bateria B foi fornecida às placas do capacitor uma tensão de 10 4 V. Com a ajuda de uma chave, era possível causar um curto-circuito nas placas e isso destruiria o campo elétrico.

Gotas de óleo caindo entre as placas M e N foram iluminadas por uma fonte forte. O comportamento das gotículas foi observado perpendicularmente à direção dos raios através do telescópio.

Os íons necessários para a condensação das gotas foram criados pela radiação de um pedaço de rádio de 200 mg, localizado a uma distância de 3 a 10 cm da lateral das placas.

Usando um dispositivo especial, abaixar o pistão expandiu o gás. 1 - 2 s após a expansão, o rádio foi removido ou obscurecido por uma tela de chumbo. Em seguida, o campo elétrico foi ligado e a observação das gotas no telescópio começou. O tubo possuía uma escala na qual era possível contar o caminho percorrido pela gota durante um determinado período de tempo. O tempo foi registrado usando um relógio preciso com fechadura.

Durante suas observações, Millikan descobriu um fenômeno que serviu de chave para toda a série de medições precisas subsequentes de cargas elementares individuais.

“Enquanto trabalhava com gotas suspensas”, escreve Millikan, “esqueci várias vezes de protegê-las dos raios do rádio. Então percebi que de vez em quando uma das gotas mudava repentinamente de carga e começava a se mover ao longo do campo ou contra ele, aparentemente capturando no primeiro caso um íon positivo e, no segundo caso, um íon negativo. Isto abriu a possibilidade de medir com segurança não apenas as cargas de gotas individuais, como eu havia feito até então, mas também a carga de um íon atmosférico individual.

Na verdade, medindo a velocidade da mesma gota duas vezes, uma antes e outra depois da captura do íon, eu poderia obviamente excluir completamente as propriedades da gota e as propriedades do meio e operar com um valor proporcional apenas à carga do o íon capturado.”

3.2.4. Cálculo de carga elementar:

A carga elementar foi calculada por Millikan com base nas seguintes considerações. A velocidade de movimento de uma gota é proporcional à força que atua sobre ela e não depende da carga da gota.
Se uma gota caiu entre as placas de um capacitor sob a influência apenas da gravidade com uma velocidade v, então

Quando um campo direcionado contra a gravidade é ativado, a força atuante será a diferença qE - mg, onde q é a carga da gota, E é o módulo de intensidade do campo.

A velocidade da queda será igual a:

υ 2 =k(qE-mg) (2)

Se dividirmos a igualdade (1) por (2), obtemos

Daqui

Deixe a gota capturar um íon e sua carga se tornar igual a q", e a velocidade de movimento υ 2. Vamos denotar a carga desse íon capturado por e.

Então e= q"- q.

Usando (3), obtemos

O valor é constante para uma determinada queda.

3.2.5. Conclusões do método Millikan

Conseqüentemente, qualquer carga capturada por uma gota será proporcional à diferença de velocidade (υ " 2 - υ 2), ou seja, proporcional à mudança na velocidade da gota devido à captura de um íon! Então, o a medição da carga elementar foi reduzida à medição do caminho percorrido pela gota e do tempo durante o qual esse caminho foi percorrido. Numerosas observações mostraram a validade da fórmula (4). Descobriu-se que o valor de e só pode mudar abruptamente! As cobranças e, 2e, 3e, 4e, etc. são sempre observadas.

“Em muitos casos”, escreve Millikan, “a queda foi observada durante cinco ou seis horas e, durante esse tempo, capturou não oito ou dez íons, mas centenas deles. No total, observei a captura de muitos milhares de íons desta forma, e em todos os casos a carga capturada... ou era exatamente igual à menor de todas as cargas capturadas, ou era igual a um pequeno múltiplo inteiro desta valor. Esta é uma prova direta e irrefutável de que o eletrão não é uma “média estatística”, mas que todas as cargas elétricas dos iões são exatamente iguais à carga do eletrão ou representam pequenos múltiplos inteiros dessa carga.”

Assim, a atomicidade, a discrição ou, em linguagem moderna, a quantização da carga elétrica tornou-se um fato experimental. Agora era importante mostrar que o elétron é, por assim dizer, onipresente. Qualquer carga elétrica em um corpo de qualquer natureza é a soma das mesmas cargas elementares.

O método de Millikan permitiu responder de forma inequívoca a esta questão. Nos primeiros experimentos, as cargas foram criadas pela ionização de moléculas de gás neutro por um fluxo de radiação radioativa. A carga dos íons capturados pelas gotículas foi medida.

Quando um líquido é pulverizado com um borrifador, as gotículas ficam eletrificadas devido ao atrito. Isso era bem conhecido no século XIX. Essas cargas também são quantizadas, como as cargas iônicas? Millikan “pesa” as gotículas após a pulverização e mede as cargas da maneira descrita acima. A experiência revela a mesma discrição da carga elétrica.

Aspergindo gotas de óleo (dielétrico), glicerina (semicondutor), mercúrio (condutor), Millikan prova que as cargas em corpos de qualquer natureza física consistem em todos os casos, sem exceção, em porções elementares individuais de magnitude estritamente constante. Em 1913, Millikan resumiu os resultados de numerosos experimentos e deu o seguinte valor para a carga elementar: e = 4,774. 10 -10 unidades Cobrança de SGSE. Foi assim que se estabeleceu uma das constantes mais importantes da física moderna. Determinar a carga elétrica tornou-se um problema aritmético simples.

3.4 Método de imagem Compton:

A descoberta do CTR desempenhou um papel importante no fortalecimento da ideia da realidade do elétron. Wilson, o efeito da condensação do vapor d'água sobre os íons, o que possibilitou a possibilidade de fotografar rastros de partículas.

Dizem que A. Compton durante uma palestra não conseguiu convencer um ouvinte cético da realidade da existência de micropartículas. Ele insistiu que só acreditaria depois de vê-los com seus próprios olhos.
Então Compton mostrou uma fotografia com um rastro de partícula alfa, ao lado da qual havia uma impressão digital. "Você sabe o que é isso?" - perguntou Compton. “Dedo”, respondeu o ouvinte. “Nesse caso”, disse Compton solenemente, “esta faixa luminosa é a partícula”.
Fotografias de rastros de elétrons não apenas testemunharam a realidade dos elétrons. Eles confirmaram a suposição do pequeno tamanho dos elétrons e permitiram comparar os resultados dos cálculos teóricos, que incluíam o raio do elétron, com os experimentais. Experimentos, que começaram com o estudo de Lenard sobre o poder de penetração dos raios catódicos, mostraram que elétrons muito rápidos emitidos por substâncias radioativas produzem rastros no gás na forma de linhas retas. O comprimento da trilha é proporcional à energia do elétron. Fotografias de rastros de partículas α de alta energia mostram que os rastros consistem em um grande número de pontos. Cada ponto é uma gota de água que aparece em um íon, que é formado como resultado da colisão de um elétron com um átomo. Conhecendo o tamanho de um átomo e sua concentração, podemos calcular o número de átomos pelos quais uma partícula α deve passar a uma determinada distância. Um cálculo simples mostra que uma partícula alfa deve percorrer aproximadamente 300 átomos antes de encontrar um dos elétrons que compõem a camada do átomo em seu caminho e produzir ionização.

Este fato indica de forma convincente que o volume dos elétrons é uma fração desprezível do volume de um átomo. A trajetória de um elétron de baixa energia é curva, portanto, o elétron lento é desviado pelo campo intraatômico. Produz mais eventos de ionização ao longo de seu caminho.

A partir da teoria do espalhamento podem-se obter dados para estimar os ângulos de deflexão dependendo da energia do elétron. Esses dados são bem confirmados pela análise de trilhas reais.A coincidência da teoria com o experimento fortaleceu a ideia do elétron como a menor partícula da matéria.

Conclusão:

A medição da carga elétrica elementar abriu a possibilidade de determinar com precisão uma série de constantes físicas importantes.
Conhecer o valor de e permite determinar automaticamente o valor da constante fundamental - a constante de Avogadro. Antes dos experimentos de Millikan, havia apenas estimativas aproximadas da constante de Avogadro, dadas pela teoria cinética dos gases. Essas estimativas foram baseadas em cálculos do raio médio de uma molécula de ar e variaram em uma faixa bastante ampla, de 2. 10 23 a 20 . 10 23 1/mol.

Suponhamos que conhecemos a carga Q que passou pela solução eletrolítica e a quantidade de substância M que foi depositada no eletrodo. Então, se a carga do íon for Ze 0 e sua massa m 0, a igualdade é válida

Se a massa da substância depositada for igual a um mol,

então Q = F- Constante de Faraday, e F = N 0 e, do qual:

Obviamente, a precisão da determinação da constante de Avogadro é determinada pela precisão com que a carga do elétron é medida. A prática tem exigido um aumento na precisão da determinação das constantes fundamentais, e este foi um dos incentivos para continuar melhorando a metodologia de medição do quantum de carga elétrica. Este trabalho, que agora é de natureza puramente metrológica, continua até hoje.

Os valores mais precisos atualmente são:

e = (4,8029±0,0005) 10 -10. unidades Taxa de SGSE;

N 0 = (6,0230±0,0005) 10 23 1/mol.

Conhecendo N o, é possível determinar o número de moléculas de gás em 1 cm 3, pois o volume ocupado por 1 mol de gás é um valor constante já conhecido.

O conhecimento do número de moléculas de gás em 1 cm 3 permitiu, por sua vez, determinar a energia cinética média do movimento térmico de uma molécula. Finalmente, a partir da carga do elétron pode-se determinar a constante de Planck e a constante de Stefan-Boltzmann na lei da radiação térmica.

Detalhes Categoria: Eletricidade e magnetismo Publicado 08/06/2015 05:51 Visualizações: 6694

Uma das constantes fundamentais da física é a carga elétrica elementar. Esta é uma grandeza escalar que caracteriza a capacidade dos corpos físicos de participar da interação eletromagnética.

A carga elétrica elementar é considerada a menor carga positiva ou negativa que não pode ser dividida. Seu valor é igual à carga do elétron.

O fato de qualquer carga elétrica encontrada na natureza ser sempre igual a um número inteiro de cargas elementares foi sugerido em 1752 pelo famoso político Benjamin Franklin, político e diplomata que também se dedicava a atividades científicas e inventivas, o primeiro americano a se tornar membro da Academia Russa de Ciências.

Benjamim Franklin

Se a suposição de Franklin estiver correta, e a carga elétrica de qualquer corpo carregado ou sistema de corpos consistir em um número inteiro de cargas elementares, então essa carga pode mudar abruptamente em uma quantidade contendo um número inteiro de cargas de elétrons.

Pela primeira vez, isso foi confirmado e determinado experimentalmente com bastante precisão pelo cientista americano, professor da Universidade de Chicago, Robert Millikan.

Experiência Millikan

Diagrama do experimento Millikan

Millikan conduziu seu primeiro experimento famoso com gotas de óleo em 1909 junto com seu assistente Harvey Fletcher. Dizem que a princípio planejaram fazer o experimento com gotas de água, mas elas evaporaram em poucos segundos, o que claramente não foi suficiente para obter o resultado. Então Milliken mandou Fletcher à farmácia, onde comprou um borrifador e um frasco de óleo de relógio. Isso foi suficiente para que o experimento fosse um sucesso. Posteriormente, Millikan recebeu o Prêmio Nobel por isso e Fletcher recebeu seu doutorado.

Robert Milliken

Harvey Fletcher

Qual foi o experimento de Millikan?

Uma gota eletrificada de óleo cai sob a influência da gravidade entre duas placas de metal. Mas se um campo elétrico for criado entre eles, impedirá que a gota caia. Medindo a intensidade do campo elétrico, a carga da gota pode ser determinada.

Os experimentadores colocaram duas placas capacitoras de metal dentro do recipiente. Lá, por meio de um borrifador, foram introduzidas minúsculas gotas de óleo, que ficaram carregadas negativamente durante a pulverização devido ao atrito com o ar.

Na ausência de campo elétrico, a gota cai

Sob a influência da gravidade F w = mg, as gotículas começaram a cair. Mas como não estavam no vácuo, mas sim num ambiente, a força da resistência do ar os impediu de cair livremente. Fras = 6πη trailer 0 , Onde η – viscosidade do ar. Quando Fw E Fras equilibrada, a queda tornou-se uniforme com a velocidade v 0 . Medindo essa velocidade, o cientista determinou o raio da queda.

Uma gota “flutua” sob a influência de um campo elétrico

Se, no momento da queda da gota, fosse aplicada tensão nas placas de tal forma que a placa superior recebesse carga positiva e a inferior negativa, a queda parava. Ele foi impedido pelo campo elétrico emergente. As gotas pareciam pairar. Isso aconteceu quando a força Padre equilibrado pela força que atua a partir do campo elétrico Fr = eE ,

Onde Fr – a resultante da gravidade e da força de Arquimedes.

Fr = 4/3 πr 3 ( ρ – ρ 0) g

ρ - densidade de uma gota de óleo;

ρ 0 – densidade do ar.

R é o raio da gota.

Sabendo Padre E E , podemos determinar o valor e .

Como era muito difícil garantir que uma gota permanecesse estacionária por muito tempo, Millikan e Fletcher criaram um campo no qual a gota, após parar, começou a se mover para cima a uma velocidade muito baixa. v . Nesse caso

Os experimentos foram repetidos muitas vezes. Cargas foram transmitidas às gotículas irradiando-as com uma instalação de raios X ou ultravioleta. Mas a cada vez, a carga total da gota era sempre igual a várias cargas elementares.

Em 1911, Millikan estabeleceu que a carga de um elétron é 1,5924(17) x 10 -19 C. O cientista estava apenas 1% errado. Seu valor moderno é 1,602176487(10) x 10 -19 C.

Experiência de Ioffe

Abram Fedorovich Ioffe

Deve-se dizer que quase simultaneamente com Millikan, mas independentemente dele, experimentos semelhantes foram realizados pelo físico russo Abram Fedorovich Ioffe. E sua configuração experimental foi semelhante à de Millikan. Mas o ar foi bombeado para fora do recipiente e um vácuo foi criado nele. E em vez de gotas de óleo, Ioffe usou pequenas partículas carregadas de zinco. Seu movimento foi observado através de um microscópio.

Instalação Ioffe

1- um tubo

2 câmeras

3 - placas metálicas

4 - microscópio

5 - emissor ultravioleta

Sob a influência de um campo eletrostático, caiu um grão de pó de zinco. Assim que a gravidade do grão de poeira se tornou igual à força do campo elétrico que atua sobre ele, a queda parou. Enquanto a carga da partícula de poeira não mudou, ela continuou suspensa imóvel. Mas se fosse exposto à luz ultravioleta, sua carga diminuía e o equilíbrio era perturbado. Ela começou a cair novamente. Então a quantidade de carga nas placas foi aumentada. Conseqüentemente, o campo elétrico aumentou e a queda parou novamente. Isso foi feito várias vezes. Como resultado, descobriu-se que a cada vez a carga do grão de poeira mudava em uma quantidade que era um múltiplo da carga da partícula elementar.

Ioffe não calculou a magnitude da carga desta partícula. Mas, tendo realizado um experimento semelhante em 1925 junto com o físico N.I. Dobronravov, modificando ligeiramente a configuração experimental e usando partículas de pó de bismuto em vez de zinco, confirmou a teoria

DEFINIÇÃO DE ELEMENTAR

CARGA ELÉTRICA POR MÉTODO DE ELETRÓLISE

Equipamento: Fonte DC, cubeta com eletrodos do conjunto Eletrólito, voltímetro de laboratório, resistor, balança com pesos ou eletrônica, chave, fios de conexão, solução de sulfato de cobre, cronômetro (ou relógio com ponteiro de segundos).

EXPLICAÇÕES PARA O TRABALHO. Para determinar a carga de um elétron, você pode usar a lei da eletrólise de Faraday, onde m é a massa da substância liberada no cátodo; M é a massa molar da substância; n é a valência da substância; e - carga do elétron; Na é a constante de Avogadro; I é a intensidade da corrente no eletrólito; ∆t é o tempo que a corrente leva para passar pelo eletrólito.

Desta fórmula fica claro que para atingir o objetivo do trabalho é necessário conhecer a massa molar da substância liberada no cátodo, sua valência e a constante de Avogadro. Além disso, durante o experimento é necessário medir a intensidade da corrente e o tempo que ela flui e, após o término da eletrólise, a massa da substância liberada no cátodo.

Para realizar o experimento, é utilizada uma solução aquosa saturada de sulfato de cobre, que é despejada em uma cubeta com dois eletrodos de cobre. Um eletrodo está rigidamente fixado no centro da cubeta e o outro (removível) está na parede.

Em solução aquosa, ocorre a dissociação de moléculas não apenas de sulfato de cobre (CuS04 = Cu2+ +), mas também de água (H20 = H+ + OH -), embora de forma fraca. Assim, uma solução aquosa de CuS04 contém íons Cu2+ e H+ positivos e íons SO2- e OH- negativos. Se um campo elétrico for criado entre os eletrodos, os íons positivos começarão a se mover em direção ao cátodo e os íons negativos em direção ao ânodo. Os íons Cu2+ e H+ aproximam-se do cátodo, mas nem todos são descarregados. Isto é explicado pelo fato de que os átomos de cobre e hidrogênio se transformam facilmente em íons carregados positivamente, perdendo seus elétrons externos. Mas o íon cobre liga um elétron mais facilmente do que o íon hidrogênio. Portanto, os íons de cobre são descarregados no cátodo.

Os íons negativos e OH- se moverão em direção ao ânodo, mas nenhum deles será descarregado. Neste caso, o cobre começará a se dissolver. Isso se explica pelo fato de os átomos de cobre cederem elétrons para a parte externa do circuito elétrico com mais facilidade do que os íons e OH - e, tornando-se íons positivos, entrarão em solução: Cu = Cu2+ + 2e-.

Assim, quando os eletrodos são conectados a uma fonte de corrente contínua, ocorrerá um movimento direcionado de íons na solução de sulfato de cobre, o que resultará na liberação de cobre puro no cátodo.

Para que a camada de cobre liberada seja densa e bem retida no cátodo, recomenda-se que a eletrólise seja realizada com baixa corrente na solução. E como isso levará a um grande erro de medição, em vez de um amperímetro de laboratório, um resistor e um voltímetro são usados no trabalho. Com base na leitura do voltímetro U e na resistência do resistor R (está indicada em seu corpo), é determinada a intensidade da corrente I. O diagrama esquemático da configuração experimental é mostrado na Figura 12.

A intensidade da corrente no eletrólito pode mudar durante o experimento, então seu valor médio 1sr é substituído na fórmula de determinação da carga. O valor médio da corrente é determinado registrando as leituras do voltímetro a cada 30 s durante todo o tempo de observação, depois são somadas e o valor resultante é dividido pelo número de medições. É assim que o Ucp é encontrado. Então, usando a lei de Ohm, o Icp é encontrado para uma seção do circuito. É mais conveniente registrar os resultados das medições de tensão em uma tabela auxiliar.

O tempo do fluxo da corrente é medido com um cronômetro.

PROCEDIMENTO DE PREPARAÇÃO PARA O TRABALHO

1. Indique quais grandezas físicas estão sujeitas a medição direta para determinar a carga de um elétron pelo método utilizado neste trabalho. Quais instrumentos de medição serão usados para fazer medições? Determine e anote os limites dos erros absolutos desses instrumentos.

2. Determine e anote os limites dos erros absolutos de leitura ao usar cronômetro mecânico, voltímetro e balança.

3. Escreva a fórmula para determinar o limite de erro absoluto ∆е.

4. Prepare uma tabela para registrar suas medidas, erros e cálculos.

Prepare uma tabela de ajuda para registrar as leituras do voltímetro.

RESPONDA ÀS PERGUNTAS

Por que o tempo de fluxo da corrente no eletrólito afeta o erro no resultado da medição da carga do elétron?

Como a concentração de uma solução afeta o resultado da medição da carga de um elétron?

Qual é a valência do cobre?

Qual é a massa molar do cobre?

Qual é a constante de Avogadro?

PROCEDIMENTO PARA EXECUÇÃO DA OBRA

1. Determine a massa do eletrodo removível t1 na escala.

2. Fixe o eletrodo na cubeta e monte o circuito elétrico mostrado na Figura 12. Certifique-se de que o eletrodo removível esteja conectado ao pólo negativo da fonte de tensão.

3. Encha a cubeta com solução de sulfato de cobre, feche a chave e registre as leituras do voltímetro a cada 30 segundos durante 15 minutos.

4. Após 15 minutos, abra a chave, desmonte o circuito, retire o eletrodo, seque-o e determine sua massa m2 junto com o cobre nele depositado.

5. Calcule a massa de cobre liberado: t- e o limite do erro absoluto de sua medição ∆t.

6. Calcule a tensão média no resistor Uav e a corrente média no eletrólito EU qua

7. Calcule a carga do elétron e.

8. Calcule o limite de erro absoluto para determinar a carga do elétron ∆е.

9. Anote o resultado da determinação da cobrança, levando em consideração o limite de erro absoluto.

10. Compare a carga do elétron determinada a partir dos resultados do experimento com o valor da tabela.

Nota metodológica. Os alunos já conhecem o elétron do curso de química e da seção correspondente do programa do VII ano. Agora precisamos aprofundar nossa compreensão da primeira partícula elementar da matéria, relembrar o que aprendemos, conectá-lo com o primeiro tópico da seção “Eletrostática” e passar para um nível superior de interpretação da carga elementar. Deve-se ter em mente a complexidade do conceito de carga elétrica. A excursão proposta pode ajudar a revelar esse conceito e chegar ao cerne da questão.

O elétron tem uma história complexa. Para atingir o objetivo da maneira mais curta possível, é aconselhável conduzir a história da seguinte forma.

Houve céticos que geralmente ignoraram a descoberta do elétron. O acadêmico A. F. Ioffe, em suas memórias sobre seu professor V. K. Roentgen, escreveu: "Até 1906-1907, a palavra elétron não deveria ter sido pronunciada no Instituto de Física da Universidade de Munique. Roentgen considerou-a uma hipótese não comprovada, muitas vezes usada sem suficiente motivos e sem necessidades".

O elétron ainda não saiu da estrutura da ciência “pura”. Lembremos que o primeiro tubo de vácuo apareceu apenas em 1907.

Para passar da fé à convicção, foi necessário antes de tudo isolar o elétron, inventar um método de medição direta e precisa da carga elementar.

Este problema foi resolvido pelo físico americano Robert Millikan (1868-1953) numa série de experiências sutis iniciadas em 1906.

Robert Milliken nasceu em 1868 em Illinois, na família de um padre pobre. Ele passou a infância na cidade provinciana de Maquoketa, onde muita atenção foi dada aos esportes e ao ensino deficiente. O diretor de uma escola secundária que ensinava física disse, por exemplo, aos seus jovens ouvintes: "Como vocês conseguem fazer som com as ondas? Bobagem, rapazes, é tudo bobagem!"

A razão entre a força que atua sobre uma gota em uma nuvem e a velocidade que ela adquire é a mesma no primeiro e no segundo caso. No primeiro caso, a força é igual a mg, no segundo mg + qE, onde q é a carga da gota, E é a intensidade do campo elétrico. Se a velocidade no primeiro caso for v 1, no segundo caso v 2, então

Conhecendo a dependência da velocidade de queda da nuvem v na viscosidade do ar, podemos calcular a carga necessária q. No entanto, este método não forneceu a precisão desejada porque continha suposições hipotéticas além do controle do experimentador.

Refletindo sobre esse problema, Millikan criou o método clássico de queda, que abriu uma série de possibilidades inesperadas. Deixaremos que o próprio autor conte a história da invenção:

"Percebendo que a taxa de evaporação das gotículas permanecia desconhecida, tentei criar um método que eliminasse completamente esse valor incerto. Meu plano era o seguinte. Em experimentos anteriores, o campo elétrico só poderia aumentar ou diminuir ligeiramente a velocidade de a queda do topo da nuvem sob a influência da gravidade. Agora "eu queria fortalecer tanto aquele campo que a superfície superior da nuvem permanecesse a uma altura constante. Neste caso, tornou-se possível determinar com precisão a taxa de evaporação de a nuvem e leve isso em consideração nos cálculos." Para implementar essa ideia, Millikan projetou uma bateria recarregável de pequeno porte que produzia uma voltagem de até 104 V (na época, essa foi uma conquista notável de um experimentador). Tinha de criar um campo suficientemente forte para manter a nuvem suspensa, como o “caixão de Maomé”.

"Quando eu tinha tudo pronto", diz Millikan, "e quando a nuvem se formou, girei o interruptor, e a nuvem estava em um campo elétrico. E naquele momento ela derreteu diante dos meus olhos, ou seja, nem um pequeno pedaço restou de toda a nuvem, que poderia ser observada por meio de um instrumento óptico de controle, como Wilson fez e eu ia fazer. Como me pareceu a princípio, o desaparecimento da nuvem sem deixar vestígios no campo elétrico entre a parte superior e placas inferiores significaram que o experimento terminou em vão..."

Contudo, como tem acontecido frequentemente na história da ciência, o fracasso deu origem a uma nova ideia. Isso levou ao famoso método de queda. “Experimentos repetidos”, escreve Millikan, “mostraram que depois que a nuvem se dissipou em um poderoso campo elétrico, várias gotas de água individuais puderam ser distinguidas em seu lugar” (ênfase adicionada - V.D.).

O experimento “malsucedido” levou à descoberta da possibilidade de manter gotículas individuais em equilíbrio e observá-las por um longo tempo.

Após 7 ou 8 minutos, a nuvem se dissipa e permanece no campo de visão um pequeno número de gotas, cuja carga corresponde ao referido equilíbrio de forças.

Millikan observou essas gotas como pontos brilhantes distintos. “A história dessas gotas geralmente é assim”, escreve ele: “No caso de uma ligeira predominância da gravidade sobre a força do campo, elas começam a cair lentamente, mas como evaporam gradualmente, seu movimento descendente logo para, e elas ficam imóveis por um bom tempo. "Então o campo começa a dominar e as gotas começam a subir lentamente. No final de sua vida no espaço entre as placas, esse movimento ascendente torna-se muito acelerado, e elas são atraídas em alta velocidade para a placa superior."

Um diagrama da instalação de Millikan, com a qual foram obtidos resultados decisivos em 1909, é mostrado na Figura 17.

Da bateria B foi fornecida às placas do capacitor uma tensão de 104 V. Com a ajuda de uma chave, foi possível causar um curto-circuito nas placas e, assim, destruir o campo elétrico.

Gotas de óleo caindo entre as placas M e N foram iluminadas por uma fonte forte. O comportamento das gotículas foi observado perpendicularmente à direção dos raios através do telescópio.

Os íons necessários para a condensação das gotas foram criados pela radiação de um pedaço de rádio de 200 mg, localizado a uma distância de 3 a 10 cm da lateral das placas.

O tubo possuía uma escala na qual era possível contar o caminho percorrido pela gota durante um determinado período de tempo. O tempo foi registrado usando um relógio preciso com fechadura.

Durante suas observações, Millikan descobriu um fenômeno que serviu de chave para toda a série de medições precisas subsequentes de cargas elementares individuais.

"Enquanto trabalhava com gotas suspensas", escreve Millikan, "esqueci várias vezes de protegê-las dos raios do rádio. Então percebi que de vez em quando uma das gotas mudava repentinamente de carga e começava a se mover ao longo do campo ou contra ele, aparentemente capturando no primeiro caso um íon positivo, e no segundo caso um íon negativo. Isso abriu a possibilidade de medir com certeza não apenas as cargas de gotas individuais, como eu havia feito até então, mas também a carga de um íon atmosférico individual.

Se uma gota caiu entre as placas de um capacitor sob a influência da gravidade apenas com uma velocidade v 1, então

Quando um campo direcionado contra a gravidade é ativado, a força atuante será a diferença qE = mg, onde q é a carga da gota, E é o módulo de intensidade do campo.

A velocidade da queda será igual a:

v 2 = k (qE - mg) (2)

Se dividirmos a igualdade (1) por (2), obtemos

Deixe a gota capturar um íon e sua carga se torne igual a q′ e a velocidade de movimento v 2′. Denotamos a carga desse íon aprisionado por e. Então e = q′ - q.

Usando (3), obtemos

O valor é constante para uma determinada queda.

Conseqüentemente, qualquer carga capturada pela gota será proporcional à diferença de velocidade (v′ 2 -v 2), ou seja, proporcional à mudança na velocidade da gota devido à captura do íon!

Assim, a medição da carga elementar foi reduzida à medição do caminho percorrido pela gota e do tempo durante o qual esse caminho foi percorrido.

Numerosas observações mostraram a validade da fórmula (4). Acontece que o valor de e só pode mudar em saltos! As cobranças e, 2e, 3e, 4e, etc. são sempre observadas.

"Em muitos casos", escreve Millikan, "a queda foi observada por cinco ou seis horas e, durante esse tempo, capturou não oito ou dez íons, mas centenas deles. No total, observei a captura de muitos milhares de íons em desta forma, e em todos os casos, a carga capturada... ou era exatamente igual à menor de todas as cargas capturadas, ou era igual a um pequeno múltiplo inteiro deste valor. Esta é uma prova direta e irrefutável de que o elétron não é uma "média estatística", mas que todas as cargas elétricas dos íons são exatamente iguais à carga do elétron ou representam pequenos múltiplos inteiros dessa carga."

O método de Millikan permitiu responder de forma inequívoca a esta questão.

Nos primeiros experimentos, as cargas foram criadas pela ionização de moléculas de gás neutro por um fluxo de radiação radioativa. A carga dos íons capturados pelas gotículas foi medida.

Millikan “pesa” as gotículas após a pulverização e mede as cargas da maneira descrita acima. A experiência revela a mesma discrição da carga elétrica.

Em 1913, Millikan resumiu os resultados de numerosos experimentos e deu o seguinte valor para a carga elementar: e = 4,774·10 -10 unidades. Cobrança de SGSE.

Foi assim que se estabeleceu uma das constantes mais importantes da física moderna. Determinar a carga elétrica tornou-se um problema aritmético simples.

Visualização de elétrons. Um papel importante no fortalecimento da ideia da realidade do elétron foi desempenhado pela descoberta de G. A. Wilson do efeito da condensação do vapor d'água nos íons, o que levou à possibilidade de fotografar rastros de partículas.

Então Compton mostrou uma fotografia do rastro da partícula α, ao lado da qual havia uma impressão digital. "Você sabe o que é isso?" - perguntou Compton. “Dedo”, respondeu o ouvinte. “Nesse caso”, disse Compton solenemente, “esta faixa luminosa é a partícula”.

Fotografias de rastros de elétrons não apenas testemunharam a realidade dos elétrons. Eles confirmaram a suposição do pequeno tamanho dos elétrons e permitiram comparar os resultados dos cálculos teóricos, que incluíam o raio do elétron, com os experimentais. Experimentos, que começaram com o estudo de Lenard sobre o poder de penetração dos raios catódicos, mostraram que elétrons muito rápidos emitidos por substâncias radioativas produzem rastros no gás na forma de linhas retas. O comprimento da trilha é proporcional à energia do elétron. Fotografias de rastros de partículas α de alta energia mostram que os rastros consistem em um grande número de pontos. Cada ponto é uma gota de água que aparece em um íon, que é formado como resultado da colisão de um elétron com um átomo. Conhecendo o tamanho de um átomo e sua concentração, podemos calcular o número de átomos pelos quais uma partícula α deve passar a uma determinada distância. Um cálculo simples mostra que uma partícula alfa deve percorrer aproximadamente 300 átomos antes de encontrar um dos elétrons que compõem a camada do átomo em seu caminho e produzir ionização.

A partir da teoria do espalhamento podem-se obter dados para estimar os ângulos de deflexão em função da energia do elétron. Esses dados são bem confirmados pela análise de trilhas reais. A concordância entre teoria e experimento fortaleceu a ideia do elétron como a menor partícula da matéria.

A medição da carga elétrica elementar abriu a possibilidade de determinar com precisão uma série de constantes físicas importantes.

Conhecer o valor de e permite determinar automaticamente o valor da constante fundamental - a constante de Avogadro. Antes dos experimentos de Millikan, havia apenas estimativas aproximadas da constante de Avogadro, dadas pela teoria cinética dos gases. Estas estimativas foram baseadas em cálculos do raio médio de uma molécula de ar e variaram dentro de uma faixa bastante ampla de 2,10 23 a 20,10 23 1/mol.

Se a massa da substância depositada for igual a um mol, então Q = F é a constante de Faraday, e F = N 0 e, de onde N 0 = F/e. Obviamente, a precisão da determinação da constante de Avogadro é determinada pela precisão com que a carga do elétron é medida.

A prática tem exigido um aumento na precisão da determinação das constantes fundamentais, e este foi um dos incentivos para continuar aprimorando a técnica de medição do quantum de carga elétrica. Este trabalho, que agora é de natureza puramente metrológica, continua até hoje.

Os valores mais precisos atualmente são:

e = (4,8029±0,0005) 10 -10 unidades. Taxa de SGSE;

N 0 = (6,0230±0,0005) 10 23 1/mol.

Conhecendo N 0, é possível determinar o número de moléculas de gás em 1 cm 3, pois o volume ocupado por 1 mol de gás é um valor constante já conhecido.

O conhecimento do número de moléculas de gás em 1 cm 3 permitiu, por sua vez, determinar a energia cinética média do movimento térmico de uma molécula.

Finalmente, a partir da carga do elétron pode-se determinar a constante de Planck e a constante de Stefan-Boltzmann na lei da radiação térmica.

Parshina Anna, Sevalnikov Alexey, Luzyanin Roman.

Objetivo do trabalho: aprenda a determinar o valor da carga elementar por eletrólise; estudar métodos de determinação de carga elétron.

Equipamento: vaso cilíndrico com solução de sulfato de cobre, lâmpada, eletrodos, balança, amperímetro, fonte de tensão constante, reostato, relógio, chave, fios de conexão.

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Legendas dos slides:

Trabalho de laboratório Determinação da carga elementar por eletrólise Realizado por alunos da escola secundária Chuchkovskaya do 10º ano: Anna Parshina, Alexey Sevalnikov, Roman Luzyanin. Chefe: professora de física Chekalina O.Yu.

Objetivo do trabalho: aprender a determinar o valor da carga elementar por eletrólise; estudar métodos para determinar a carga de um elétron. Equipamentos: recipiente cilíndrico com solução de sulfato de cobre, lâmpada, eletrodos, balança, amperímetro, fonte de tensão constante, reostato, relógio, chave, fios de conexão.

Montamos a cadeia: Progresso do trabalho:

O resultado do nosso trabalho

Aprendemos como determinar o valor da carga elementar usando eletrólise e estudamos métodos para determinar a carga de um elétron. Conclusão:

V. Ya. Bryusov "O Mundo do Elétron" Talvez esses elétrons sejam Mundos onde existem cinco continentes, Artes, conhecimento, guerras, tronos E a memória de quarenta séculos! Além disso, talvez cada átomo seja um Universo com cem planetas; Tudo o que está aqui está ali, num volume comprimido, Mas também o que não está aqui. Suas medidas são pequenas, mas Seu infinito ainda é o mesmo, como aqui; Há tristeza e paixão, assim como aqui, e mesmo ali há a mesma arrogância mundana. Seus sábios, tendo colocado seu mundo ilimitado no centro da existência, Apressam-se em penetrar nas centelhas do mistério E pensam, como eu faço agora; E no momento em que se criam correntes de novas forças a partir da destruição, Gritam, nos sonhos da auto-hipnose, Que Deus apagou a sua tocha!