Metode za določanje elementarnega električnega naboja - povzetek. Določanje elementarnega naboja z elektrolizo Laboratorijske vaje pri fiziki Merjenje elementarnega naboja

Ministrstvo za izobraževanje Ruske federacije

Državna pedagoška univerza Amur

Metode za določanje elementarnega električnega naboja

Izpolnil dijak 151g.

Venzelev A.A.

Preveril: Cheraneva T.G.

Uvod.

1. Predzgodovina odkritja elektrona

2. Zgodovina odkritja elektrona

3. Poskusi in metode odkrivanja elektrona

3.1 Thomson izkušnje

3.2 Rutherfordova izkušnja

3.3. Millikanova metoda

3.3.1. kratka biografija

3.3.2. Opis namestitve

3.3.3. Izračun osnovnega naboja

3.3.4. Sklepi iz metode

3.4. Comptonova slikovna metoda

Zaključek.

Uvod:

ELEKTRON - prvi osnovni delec po času odkritja; materialni nosilec najmanjše mase in najmanjšega električnega naboja v naravi; sestavni del atoma.

Naboj elektrona je 1,6021892. 10 -19 C

4,803242. 10-10 enot SGSE

Masa elektrona je 9,109534. 10 -31 kg

Specifična obremenitev e/m e 1,7588047 . 10 11 Cl. kg -1

Spin elektrona je 1/2 (v enotah h) in ima dve projekciji ±1/2; elektroni so podrejeni Fermi-Diracovi statistiki, fermioni. Zanje velja Paulijevo izključitveno načelo.

Magnetni moment elektrona je - 1,00116 m b, kjer je m b Bohrov magneton.

Elektron je stabilen delec. Po eksperimentalnih podatkih je življenjska doba t e > 2 . 10 22 let.

Ni vključen v močno interakcijo, lepton. Sodobna fizika obravnava elektron kot resnično elementarni delec, ki nima strukture in dimenzij. Če sta slednja in različna od nič, potem je radij elektrona r e< 10 -18 м

1. Ozadje odkritja

Odkritje elektrona je bilo rezultat številnih poskusov. Do začetka XX stoletja. obstoj elektrona je bil ugotovljen v številnih neodvisnih poskusih. Toda kljub ogromnemu eksperimentalnemu materialu, ki so ga nabrale cele nacionalne šole, je elektron ostal hipotetičen delec, saj izkušnje še niso odgovorile na vrsto temeljnih vprašanj. Pravzaprav se je »odkritje« elektrona vleklo več kot pol stoletja in se ni končalo leta 1897; pri tem so sodelovali številni znanstveniki in izumitelji.

Prvič, ni bilo niti enega eksperimenta, v katerem bi sodelovali posamezni elektroni. Elementarni naboj je bil izračunan na podlagi meritev mikroskopskega naboja ob predpostavki pravilnih številnih hipotez.

Negotovost je bila na bistveno pomembni točki. Najprej se je elektron pojavil kot rezultat atomistične interpretacije zakonov elektrolize, nato pa so ga odkrili v plinski razelektritvi. Ni bilo jasno, ali se fizika res ukvarja z istim objektom. Velika skupina skeptičnih naravoslovcev je verjela, da je elementarni naboj statistično povprečje nabojev najrazličnejših velikosti. Poleg tega noben od poskusov merjenja naboja elektrona ni dal strogo ponavljajočih se vrednosti.
Bili so skeptiki, ki so na splošno ignorirali odkritje elektrona. Akademik A.F. Ioffe v svojih spominih na svojega učitelja V.K. Roentgene je zapisal: "Do 1906 - 1907. na Fizikalnem inštitutu Univerze v Münchnu se beseda elektron ni smela govoriti. Roentgen je menil, da je hipoteza nedokazana, pogosto uporabljena brez zadostne podlage in brez potrebe.

Vprašanje mase elektrona ni bilo rešeno, ni bilo dokazano, da so naboji na prevodnikih in dielektrikih sestavljeni iz elektronov. Koncept "elektrona" ni imel nedvoumne razlage, ker eksperiment še ni razkril strukture atoma (Rutherfordov planetarni model se je pojavil leta 1911, Bohrova teorija pa leta 1913).

Elektron še ni vstopil v teoretične konstrukcije. Lorentzova elektronska teorija je imela zvezno porazdeljeno gostoto naboja. V teoriji kovinske prevodnosti, ki jo je razvil Drude, je šlo za diskretne naboje, vendar so bili to poljubni naboji, katerih vrednost ni bila nobena omejitev.

Elektron še ni zapustil okvirov »čiste« znanosti. Spomnimo se, da se je prva elektronska cev pojavila šele leta 1907. Da bi prešli iz vere v prepričanje, je bilo treba najprej izolirati elektron, izumiti metodo za neposredno in natančno merjenje osnovnega naboja.

Rešitev tega problema ni bila dolga. Leta 1752 je B. Franklin prvič izrazil idejo o diskretnosti električnega naboja. Eksperimentalno so diskretnost nabojev utemeljili z zakoni elektrolize, ki jih je odkril M. Faraday leta 1834. Številčno vrednost osnovnega naboja (najmanjšega električnega naboja, ki ga najdemo v naravi) smo teoretično izračunali na podlagi zakonov elektrolize z uporabo Avogadro številka. Neposredno eksperimentalno merjenje elementarnega naboja je izvedel R. Millikan v klasičnih poskusih, izvedenih v letih 1908 - 1916. Ti poskusi so dali tudi neizpodbiten dokaz o atomizmu elektrike. V skladu z osnovnimi pojmi elektronske teorije se naboj telesa pojavi kot posledica spremembe števila elektronov v njem (ali pozitivnih ionov, katerih naboj je večkratnik naboja elektrona). Zato se mora naboj katerega koli telesa spremeniti nenadoma in v takih delih, ki vsebujejo celo število nabojev elektronov. Po izkušeni ugotovitvi diskretne narave spremembe električnega naboja je R. Milliken lahko potrdil obstoj elektronov in določil velikost naboja enega elektrona (elementarni naboj) z metodo oljne kapljice. Metoda temelji na preučevanju gibanja nabitih oljnih kapljic v enotnem električnem polju znane jakosti E.

2. Odkritje elektrona:

Če zanemarimo tisto, kar je bilo pred odkritjem prvega osnovnega delca - elektrona, in kaj je spremljalo ta izjemni dogodek, lahko na kratko rečemo: leta 1897 je slavni angleški fizik Thomson Joseph John (1856-1940) izmeril specifični naboj q/m. delci katodnih žarkov -»korpuskule«, kot jih je imenoval, glede na odklon katodnih žarkov *) v električnem in magnetnem polju.

Iz primerjave dobljenega števila s takrat znanim specifičnim nabojem enovalentnega vodikovega iona je s posrednim sklepanjem prišel do zaključka, da je masa teh delcev, kasneje imenovanih »elektroni«, veliko manjša (več kot tisočkrat) večja od mase najlažjega vodikovega iona.

Istega leta, 1897, je postavil hipotezo, da so elektroni sestavni del atomov, katodni žarki pa niso atomi ali elektromagnetno sevanje, kot so menili nekateri raziskovalci lastnosti žarkov. Thomson je zapisal: "Tako katodni žarki predstavljajo novo stanje snovi, bistveno drugačno od običajnega plinastega stanja ...; v tem novem stanju je snov snov, iz katere so zgrajeni vsi elementi."

Od leta 1897 je korpuskularni model katodnih žarkov začel pridobivati splošno priznanje, čeprav so obstajale različne sodbe o naravi elektrike. Tako je nemški fizik E. Wiechert verjel, da je "elektrika nekaj namišljenega, ki dejansko obstaja le v mislih", slavni angleški fizik Lord Kelvin pa je istega leta 1897 pisal o elektriki kot o nekakšni "kontinuirani tekočini".

Thomsonova zamisel o korpuskulah katodnih žarkov kot glavnih sestavinah atoma ni bila sprejeta z velikim navdušenjem. Nekateri njegovi kolegi so menili, da jih je zmedel, ko je predlagal, da bi delce katodnih žarkov obravnavali kot možne sestavine atoma. Pravo vlogo Thomsonovih telesc v strukturi atoma bi lahko razumeli v kombinaciji z rezultati drugih študij, zlasti z rezultati analize spektrov in študija radioaktivnosti.

29. aprila 1897 je Thomson podal svoje znamenito sporočilo na sestanku Kraljeve družbe v Londonu. Natančnega časa odkritja elektrona - dneva in ure - ni mogoče poimenovati glede na njegovo izvirnost. Ta dogodek je bil rezultat dolgoletnega dela Thomsona in njegovega osebja. Ne Thomson ne kdo drug ni nikoli opazoval elektrona v dobesednem pomenu, nihče ni uspel izolirati enega samega delca iz snopa katodnih žarkov in izmeriti njegovega specifičnega naboja. Avtor odkritja je J. J. Thomson, ker so bile njegove predstave o elektronu blizu sodobnim. Leta 1903 je predlagal enega prvih modelov atoma - "rozin puding", leta 1904 pa je predlagal, da so elektroni v atomu razdeljeni v skupine, ki tvorijo različne konfiguracije, ki določajo periodičnost kemijskih elementov.

Kraj odkritja je natančno znan - Cavendish Laboratory (Cambridge, UK). Leta 1870 ga je ustvaril J. K. Maxwell in je v naslednjih sto letih postal "zibelka" cele verige briljantnih odkritij na različnih področjih fizike, zlasti atomske in jedrske. Njegovi direktorji so bili: 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; namestnik direktorja v letih 1923-1935 - Chadwick J.

Znanstveno eksperimentalno raziskavo je izvajal en znanstvenik ali manjša skupina v vzdušju ustvarjalnega iskanja. Lawrence Bragg se je kasneje spominjal svojega dela leta 1913 s svojim očetom Henryjem Braggom: »Bil je čudovit čas, ko so bili skoraj vsak teden doseženi novi vznemirljivi rezultati, kot je odkritje novih zlatonosnih območij, kjer je mogoče pobrati grude neposredno s tal. . To se je nadaljevalo do začetka vojne *), ki je končala naše skupno delo.

3. Metode odkrivanja elektronov:

3.1 Thomson izkušnje

Joseph John Thomson Joseph John Thomson, 1856–1940

Angleški fizik, bolj znan kot J. J. Thomson. Rojen v Cheetham Hillu, predmestju Manchestra, v družini trgovca s starinami. Leta 1876 je dobil štipendijo za študij na Cambridgeu. V letih 1884-1919 je bil profesor na oddelku za eksperimentalno fiziko na Univerzi v Cambridgeu in honorarno vodja laboratorija Cavendish, ki je zahvaljujoč Thomsonovim prizadevanjem postal eno najbolj znanih raziskovalnih središč na svetu. Hkrati je bil v letih 1905-1918 profesor na Kraljevem inštitutu v Londonu. Dobitnik Nobelove nagrade za fiziko leta 1906 z besedilom "za raziskave prehajanja elektrike skozi pline", kamor seveda sodi tudi odkritje elektrona. Tudi Thomsonov sin George Paget Thomson (1892-1975) je sčasoma postal Nobelov nagrajenec za fiziko – leta 1937 za eksperimentalno odkritje uklona elektronov na kristalih.

Leta 1897 je mladi angleški fizik J. J. Thomson za stoletja zaslovel kot odkritelj elektrona. V svojem poskusu je Thomson uporabil izboljšano katodno cev, katere zasnova je bila dopolnjena z električnimi tuljavami, ki so ustvarile (po Amperovem zakonu) magnetno polje znotraj cevi, in niz vzporednih električnih kondenzatorskih plošč, ki so ustvarile električno polje znotraj cev. To je omogočilo proučevanje obnašanja katodnih žarkov pod vplivom tako magnetnega kot električnega polja.

Z uporabo nove zasnove cevi je Thomson zaporedno pokazal, da: (1) se katodni žarki odklanjajo v magnetnem polju, če električnega polja ni; (2) katodni žarki se odklanjajo v električnem polju, če magnetnega ni; in (3) ob hkratnem delovanju električnega in magnetnega polja uravnotežene jakosti, usmerjenih v smeri, ki povzročajo ločena odstopanja v nasprotnih smereh, se katodni žarki širijo premočrtno, to pomeni, da je delovanje obeh polj medsebojno uravnoteženo.

Thomson je ugotovil, da je razmerje med električnim in magnetnim poljem, pri katerem je njuno delovanje uravnoteženo, odvisno od hitrosti gibanja delcev. Po nizu meritev je Thomsonu uspelo določiti hitrost katodnih žarkov. Izkazalo se je, da se gibljejo veliko počasneje od svetlobne hitrosti, iz česar sledi, da so katodni žarki lahko samo delci, saj se vsako elektromagnetno sevanje, vključno s svetlobo samo, širi s svetlobno hitrostjo (glej Spekter elektromagnetnega sevanja). Ti neznani delci. Thomson je imenoval "korpuskule", a so jih kmalu poimenovali "elektroni".

Takoj je postalo jasno, da morajo elektroni obstajati v sestavi atomov - sicer, od kod bi prišli? 30. april 1897 - datum Thomsonovega poročila o njegovih rezultatih na srečanju Kraljeve družbe v Londonu - velja za rojstni dan elektrona. In na ta dan je ideja o "nedeljivosti" atomov postala preteklost (glej Atomsko teorijo strukture snovi). Skupaj z odkritjem atomskega jedra, ki je sledilo dobrih deset let kasneje (glej Rutherfordov eksperiment), je odkritje elektrona postavilo temelj sodobnemu modelu atoma.

Zgoraj opisane "katode" ali bolje rečeno katodne cevi so postale najpreprostejši predhodniki sodobnih televizijskih kineskopov in računalniških monitorjev, v katerih se strogo nadzorovane količine elektronov izbijajo s površine vroče katode pod vplivom izmeničnega toka. magnetna polja odstopajo pod strogo določenimi koti in bombardirajo fosforescentne celice zaslonov ter na njih tvorijo jasno sliko, ki je posledica fotoelektričnega učinka, katerega odkritje bi bilo tudi nemogoče brez poznavanja prave narave katodnih žarkov.

3.2 Rutherfordova izkušnja

Ernest Rutherford, prvi baron Rutherford iz Nelsona I Ernest Rutherford, prvi baron Rutherford iz Nelsona, 1871–1937

Novozelandski fizik. Rojen v Nelsonu kot sin kmetovalca. Dobil štipendijo za študij na Univerzi v Cambridgeu v Angliji. Po diplomi je bil imenovan na kanadsko univerzo McGill (McGill University), kjer je skupaj s Frederickom Soddyjem (Frederick Soddy, 1877–1966) postavil osnovne zakonitosti pojava radioaktivnosti, za kar je bil leta 1908 nagrajen z Nobelovo nagrado za kemijo. Kmalu se je znanstvenik preselil na Univerzo v Manchestru, kjer je pod njegovim vodstvom Hans Geiger (Hans Geiger, 1882–1945) izumil svoj slavni Geigerjev števec, začel preučevati strukturo atoma in leta 1911 odkril obstoj atoma. jedro. Med prvo svetovno vojno se je ukvarjal z razvojem sonarjev (akustičnih radarjev) za odkrivanje sovražnih podmornic. Leta 1919 je bil imenovan za profesorja fizike in direktorja laboratorija Cavendish na Univerzi v Cambridgeu in istega leta odkril razpad jedra kot posledico bombardiranja visokoenergijskih težkih delcev. Rutherford je na tem mestu ostal do konca svojega življenja, hkrati pa je bil dolgoletni predsednik Kraljeve znanstvene družbe. Pokopan je bil v Westminstrski opatiji poleg Newtona, Darwina in Faradaya.

Ernest Rutherford je edinstven znanstvenik v smislu, da je svoja glavna odkritja naredil po prejemu Nobelove nagrade. Leta 1911 mu je uspel poskus, ki znanstvenikom ni le omogočil, da so pogledali globoko v atom in dobili predstavo o njegovi zgradbi, ampak je postal tudi vzor elegance in globine oblikovanja.

Z uporabo naravnega vira radioaktivnega sevanja je Rutherford zgradil top, ki je dal usmerjen in fokusiran tok delcev. Pištola je bila svinčena škatla z ozko režo, v katero je bil vložen radioaktivni material. Zaradi tega je delce (v tem primeru delce alfa, sestavljene iz dveh protonov in dveh nevtronov), ki jih radioaktivna snov oddaja v vse smeri razen v eno, absorbiral svinčeni zaslon, ven pa je letel le usmerjen žarek delcev alfa. skozi režo.

Shema izkušenj

Nadalje na poti žarka je stalo še več svinčenih zaslonov z ozkimi režami, ki so odrezale delce, ki so strogo odstopali od

dano smer. Posledično je do tarče poletel popolnoma fokusiran žarek delcev alfa, sama tarča pa je bila zelo tanka plast zlate folije. Zadel jo je alfa žarek. Delci alfa so po trčenju z atomi folije nadaljevali pot in zadeli luminiscenčni zaslon, nameščen za tarčo, na katerem so bili posneti bliski ob udarcu delcev alfa. Iz njih je eksperimentator lahko presodil, koliko in koliko alfa delcev odstopa od smeri premočrtnega gibanja zaradi trkov z atomi folije.

Rutherford pa je opazil, da nihče od njegovih predhodnikov ni niti poskušal eksperimentalno preveriti, ali so nekateri delci alfa odklonjeni pod zelo velikimi koti. Mrežni model rozin preprosto ni dovoljeval obstoja tako gostih in težkih strukturnih elementov v atomu, da bi lahko odvrnili hitre delce alfa pod pomembnimi koti, zato se nihče ni trudil preizkusiti te možnosti. Rutherford je prosil enega od svojih učencev, naj preopremi aparat tako, da bo mogoče opazovati sipanje delcev alfa pri velikih odklonskih kotih - samo za čiščenje vesti, da bi popolnoma odpravili to možnost. Detektor je bil zaslon, prevlečen z natrijevim sulfidom, materialom, ki oddaja fluorescentni blisk, ko vanj zadene delec alfa. Kakšno je bilo presenečenje ne le študenta, ki je neposredno izvedel poskus, ampak tudi samega Rutherforda, ko se je izkazalo, da nekateri delci odstopajo pod kotom do 180 °!

Slika atoma, ki jo je Rutherford narisal na podlagi rezultatov poskusa, nam je danes dobro znana. Atom je sestavljen iz supergostega, kompaktnega jedra, ki nosi pozitiven naboj, in negativno nabitih lahkih elektronov okoli njega. Pozneje so znanstveniki to sliko postavili na trdno teoretično osnovo (glej Bohrov atom), vendar se je vse začelo s preprostim poskusom z majhnim vzorcem radioaktivnega materiala in kosom zlate folije.

3.2 Metoda Millikan

3.2.1. Kratka biografija:

Robert Milliken se je rodil leta 1868 v Illinoisu v revni družini duhovnika. Otroštvo je preživel v provincialnem mestu Makvoket, kjer je bilo veliko pozornosti posvečeno športu in slabo poučevanje. Ravnatelj srednje šole, ki je poučeval fiziko, je denimo rekel svojim mladim dijakom: »Kako lahko iz valov narediš zvok? Bedarija, fantje, vse je bedarija!"

Oberdeen College ni bil nič boljši, a je moral Millikan, ki ni imel materialne podpore, sam poučevati fiziko v srednji šoli. V Ameriki sta bila takrat le dva učbenika fizike, prevedena iz francoščine, in nadarjeni mladenič ju ni imel težav preučiti in uspešno poučevati. Leta 1893 je vstopil na univerzo Columbia, nato pa je odšel na študij v Nemčijo.

Millikan je bil star 28 let, ko je prejel ponudbo A. Michelsona, da prevzame mesto asistenta na Univerzi v Chicagu. Sprva se je tu ukvarjal skoraj izključno s pedagoškim delom, šele pri štiridesetih letih pa je začel znanstveno raziskovati, kar mu je prineslo svetovno slavo.

3.2.2. Prve izkušnje in reševanje težav:

Prvi poskusi so bili naslednji. Med ploščama ploščatega kondenzatorja, na katerega je bila priključena napetost 4000 V, je nastal oblak, sestavljen iz vodnih kapljic, ki so se usedle na ione. Najprej so opazili padec vrha oblaka v odsotnosti električnega polja. Nato je nastal oblak z vklopljeno napetostjo. Padec oblaka se je zgodil pod delovanjem gravitacije in električne sile.
Razmerje sile, ki deluje na kapljico v oblaku, in hitrosti, ki jo ta pridobi, je v prvem in drugem primeru enako. V prvem primeru je sila enaka mg, v drugem pa mg + qE, kjer je q naboj kapljice, E je električna poljska jakost. Če je hitrost v prvem primeru υ 1 v drugem υ 2, potem

Če poznamo odvisnost hitrosti padanja oblaka υ od viskoznosti zraka, lahko izračunamo želeni naboj q. Vendar ta metoda ni dala želene natančnosti, ker je vsebovala hipotetične predpostavke, na katere eksperimentator ni mogel vplivati.

Da bi povečali natančnost meritev, je bilo treba najprej poiskati način za upoštevanje izhlapevanja oblakov, ki se neizogibno pojavlja med postopkom merjenja.

Ko je razmišljal o tem problemu, je Millikan prišel do klasične metode spuščanja, ki je odprla vrsto nepričakovanih možnosti. Pustimo avtorju, da pove zgodbo o izumu:
»Ker sem ugotovil, da je hitrost izhlapevanja kapljic neznana, sem se poskušal domisliti metode, ki bi popolnoma odpravila to nedoločeno vrednost. Moj načrt je bil naslednji. V prejšnjih poskusih je lahko električno polje le rahlo povečalo ali zmanjšalo hitrost padanja vrha oblaka pod vplivom gravitacije. Zdaj sem želel okrepiti to polje, da bi zgornja površina oblaka ostala na konstantni višini. V tem primeru je postalo mogoče natančno določiti stopnjo izhlapevanja oblaka in jo upoštevati pri izračunih.

Za uresničitev te zamisli je Milliken zasnoval majhno baterijo za ponovno polnjenje, ki je dala napetost do 10 4 V (za tisti čas je bil to izjemen dosežek eksperimentatorja). Morala je ustvariti dovolj močno polje, da je oblak, kot "Mohamedova krsta", obdržal v visečem stanju. "Ko sem bil pripravljen," pravi Milliken, in ko je oblak nastal, sem obrnil stikalo in oblak je bil v električnem polju. In v tistem trenutku se je stopil pred mojimi očmi, z drugimi besedami, od celotnega oblaka ni ostal niti košček, ki bi ga lahko opazovali s pomočjo kontrolne optične naprave, kot je to storil Wilson in jaz. Sprva se mi je zdelo, da izginotje oblaka brez sledu v električnem polju med zgornjo in spodnjo ploščo pomeni, da se je poskus končal brez rezultatov ... "Vendar, kot se je pogosto zgodilo v zgodovini znanosti, je neuspeh povzročil na novo idejo. Pripeljala je do znane metode kapljic. »Ponavljajoči se poskusi,« piše Milliken, »so pokazali, da potem, ko se je oblak razpršil v močnem električnem polju, je na svojem mestu razločiti je bilo več posameznih vodnih kapljic«(poudaril jaz. - V.D.). "Nesrečna" izkušnja je pripeljala do odkritja možnosti ohranjanja ravnovesja in opazovanja posameznih kapljic dovolj dolgo.

Toda med obdobjem opazovanja se je masa vodne kapljice zaradi izhlapevanja močno spremenila in Millikan je po več dneh iskanja prešel na poskuse z oljnimi kapljicami.

Eksperimentalni postopek se je izkazal za preprostega. Adiabatna ekspanzija med ploščama kondenzatorja tvori oblak. Sestavljen je iz kapljic, ki imajo naboje različnih modulov in predznakov. Ob vklopu električnega polja kapljice z enakim nabojem, kot je naboj zgornje plošče kondenzatorja, hitro padajo, kapljice z nasprotnim nabojem pa zgornja plošča privlači. Toda določeno število kapljic ima tolikšen naboj, da je sila gravitacije uravnotežena z električno silo.

Po 7 ali 8 min. oblak se razprši in v vidnem polju ostane majhno število kapljic, katerih naboj ustreza prikazanemu ravnotežju sil.

Millikan je opazil te kapljice kot izrazite svetle pike. »Zgodovina teh kapljic običajno poteka takole,« piše, »v primeru rahle prevlade gravitacije nad silo polja začnejo počasi padati, a ker postopoma izhlapevajo, se njihovo gibanje navzdol kmalu ustavi. in ostanejo negibni za precej dolgo časa. Nato začne polje prevladovati in kapljice se začnejo počasi dvigovati. Proti koncu njihovega življenja se v prostoru med ploščama to gibanje navzgor zelo močno pospeši in z veliko hitrostjo jih privlači zgornja plošča.

3.2.3. Opis namestitve:

Shema instalacije Millikan, s pomočjo katere so bili leta 1909 doseženi odločilni rezultati, je prikazana na sliki 17.

V komoro C smo postavili ploščat kondenzator iz okroglih medeninastih ploščic M in N s premerom 22 cm (razdalja med njima je bila 1,6 cm). Na sredini zgornje plošče je bila narejena majhna luknja p, skozi katero so tekle kapljice olja. Slednji so nastali s pihanjem curka olja z razpršilcem. Zrak je bil predhodno očiščen prahu s prehodom skozi cev s stekleno volno. Oljne kapljice so imele premer okoli 10 -4 cm.

Iz akumulatorja B je bila na plošče kondenzatorja dovedena napetost 10 4 V. S stikalom je bilo možno na kratko skleniti plošče in s tem uničiti električno polje.

Kapljice olja, ki so padale med plošči M in N, je osvetlil močan vir. Obnašanje kapljic smo opazovali pravokotno na smer žarkov skozi teleskop.

Ioni, potrebni za kondenzacijo kapljic, so bili ustvarjeni s sevanjem iz kosa radija, ki tehta 200 mg, ki se nahaja na razdalji 3 do 10 cm ob strani plošč.

S pomočjo posebne naprave so plin razširili s spuščanjem bata. Po 1-2 s po ekspanziji smo radij odstranili ali prekrili s svinčenim zaslonom. Nato se je vklopilo električno polje in začelo se je opazovanje kapljic v teleskop. Cev je imela skalo, s katero je bilo mogoče šteti pot, ki jo je kapljica prehodila v določenem času. Čas je določala točna ura s kletko.

V procesu opazovanj je Millikan odkril pojav, ki je služil kot ključ do celotne serije nadaljnjih natančnih meritev posameznih elementarnih nabojev.

»Med delom na visečih kapljicah,« piše Millikan, »sem jih večkrat pozabil zaščititi pred radijevimi žarki. Potem pa sem slučajno opazil, da je katera od kapljic občasno spremenila svoj naboj in se začela premikati vzdolž polja ali proti njemu, pri čemer je očitno zajela v prvem primeru pozitiven, v drugem primeru pa negativni ion. S tem se mi je odprla možnost, da z gotovostjo izmerim ne le naboje posameznih kapljic, kot sem to počel do tedaj, ampak tudi naboj posameznega atmosferskega iona.

Z dvakratnim merjenjem hitrosti iste kapljice, enkrat pred in drugič po zajemu iona, bi očitno lahko popolnoma izključil lastnosti kapljice in lastnosti medija ter deloval z vrednostjo, ki je sorazmerna samo z naboj zajetega iona.

3.2.4. Izračun osnovnega naboja:

Osnovni naboj je izračunal Millikan na podlagi naslednjih premislekov. Hitrost kapljice je sorazmerna s silo, ki deluje nanjo, in ni odvisna od naboja kapljice.
Če je kapljica padla med plošči kondenzatorja samo pod vplivom gravitacije s hitrostjo v, potem

Ko je vklopljeno polje, usmerjeno proti gravitaciji, bo delujoča sila razlika qE - mg, kjer je q naboj kapljice, E je modul poljske jakosti.

Hitrost padca bo:

υ 2 \u003d k (qE-mg) (2)

Če enakost (1) delimo z (2), dobimo

Od tod

Naj kapljica zajame ion in njegov naboj postane enak q ", hitrost gibanja pa υ 2. Naboj tega zajetega iona bomo označili z e.

Potem je e = q "- q.

Z uporabo (3) dobimo

Vrednost je konstantna za dani padec.

3.2.5. Zaključki Millikanove metode

Posledično bo vsak naboj, ki ga ujame kapljica, sorazmeren z razliko v hitrostih (υ " 2 - υ 2), z drugimi besedami, sorazmeren s spremembo hitrosti kapljice zaradi zajemanja iona! Torej, merjenje elementarnega naboja se je zmanjšalo na merjenje poti, ki jo je prepotovala kapljica, in časa, v katerem je bila ta pot prepotovana. Številna opazovanja so pokazala veljavnost formule (4). Izkazalo se je, da se lahko vrednost e le spreminja v skokih!Vedno se upoštevajo naboji e, 2e, 3e, 4e itd.

»V mnogih primerih,« piše Millikan, »je padec opazoval pet ali šest ur in v tem času ni zajel osem ali deset ionov, ampak na stotine njih. Skupaj sem opazoval zajemanje več tisoč ionov na ta način in v vseh primerih je bil zajeti naboj ... bodisi natanko enak najmanjšemu od vseh zajetih nabojev ali pa je bil enak majhnemu celemu večkratniku tega vrednost. To je neposreden in neizpodbiten dokaz, da elektron ni 'statistično povprečje', ampak da so vsi električni naboji na ionih popolnoma enaki naboju na elektronu ali pa so majhni celoštevilčni večkratniki tega naboja.

Tako je atomizem, diskretnost ali, moderno rečeno, kvantizacija električnega naboja postala eksperimentalno dejstvo. Zdaj je bilo pomembno pokazati, da je elektron tako rekoč vseprisoten. Vsak električni naboj v telesu katere koli narave je vsota istih elementarnih nabojev.

Millikanova metoda je omogočila nedvoumen odgovor na to vprašanje. V prvih poskusih so bili naboji ustvarjeni z ionizacijo nevtralnih plinskih molekul s tokom radioaktivnega sevanja. Izmerili smo naboj ionov, ki so jih ujeli kapljice.

Ko tekočino razpršimo z atomizerjem, se kapljice zaradi trenja naelektrijo. To je bilo dobro znano v 19. stoletju. Ali so ti naboji tako kvantizirani kot naboji ionov? Millikan "obteži" kapljice po pršenju in opravi meritve napolnjenosti na zgoraj opisan način. Izkušnje razkrivajo enako diskretnost električnega naboja.

Millikan s škropljenjem kapljic olja (dielektrik), glicerina (polprevodnik), živega srebra (prevodnik) dokazuje, da so naboji na telesih katere koli fizične narave v vseh primerih brez izjeme sestavljeni iz ločenih elementarnih delov strogo konstantne vrednosti. Leta 1913 je Millikan povzel rezultate številnih poskusov in dal naslednjo vrednost za elementarni naboj: e = 4,774. 10-10 enot polnjenje SGSE. Tako je bila ugotovljena ena najpomembnejših konstant sodobne fizike. Določanje električnega naboja je postalo preprost aritmetični problem.

3.4 Comptonova slikovna metoda:

Veliko vlogo pri krepitvi ideje o resničnosti elektrona je igralo odkritje C.T.R. Wilson o učinku kondenzacije vodne pare na ione, kar je vodilo do možnosti fotografiranja sledi delcev.

Pravijo, da A. Compton na predavanju ni mogel prepričati skeptičnih poslušalcev o resničnosti obstoja mikrodelcev. Vztrajal je, da bo verjel šele, ko jih bo videl na lastne oči.
Nato je Compton pokazal fotografijo s sledjo delcev α, poleg katere je bil prstni odtis. "Veš kaj je?" je vprašal Compton. »Prst,« je odgovoril poslušalec. "V tem primeru," je slovesno izjavil Compton, "je ta svetlobni pas delec."
Fotografije elektronskih sledi niso samo pričale o resničnosti elektronov. Potrdili so domnevo o majhnosti elektronov in omogočili primerjavo z eksperimentom rezultatov teoretičnih izračunov, v katerih nastopa radij elektrona. Poskusi, ki jih je sprožil Lenard pri proučevanju prodorne moči katodnih žarkov, so pokazali, da zelo hitri elektroni, ki jih oddajajo radioaktivne snovi, dajejo sledi v plinu v obliki ravnih črt. Dolžina sledi je sorazmerna z energijo elektrona. Fotografije sledi visokoenergijskih delcev α kažejo, da so sledi sestavljene iz velikega števila točk. Vsaka pika je vodna kapljica, ki se pojavi na ionu, ki nastane kot posledica trka elektrona z atomom. Če poznamo velikost atoma in njihovo koncentracijo, lahko izračunamo število atomov, skozi katere mora preiti alfa delec na dani razdalji. Preprost izračun pokaže, da mora α-delec prepotovati približno 300 atomov, preden na poti sreča enega od elektronov, ki sestavljajo lupino atoma, in povzroči ionizacijo.

To dejstvo prepričljivo kaže, da je prostornina elektronov zanemarljiv del prostornine atoma. Tir elektrona z nizko energijo je ukrivljen, zato se počasen elektron odkloni zaradi znotrajatomskega polja. Na svoji poti povzroči več ionizacijskih dogodkov.

Iz teorije sipanja je mogoče pridobiti podatke za oceno odklonskih kotov v odvisnosti od energije elektronov. Ti podatki so dobro potrjeni pri analizi realnih sledi.Sovpadanje teorije z eksperimentom je okrepilo idejo o elektronu kot najmanjšem delcu snovi.

Zaključek:

Merjenje elementarnega električnega naboja je odprlo možnost natančnega določanja številnih pomembnih fizikalnih konstant.
Poznavanje vrednosti e samodejno omogoča določitev vrednosti temeljne konstante - Avogadrove konstante. Pred Millikanovimi poskusi so obstajale le grobe ocene Avogadrove konstante, ki jih je podala kinetična teorija plinov. Te ocene so temeljile na izračunih povprečnega polmera molekule zraka in so se spreminjale v precej širokem razponu od 2 . 10 23 do 20 . 10 23 1/mol.

Predpostavimo, da poznamo naboj Q, ki je prešel skozi raztopino elektrolita, in količino snovi M, ki se je naložila na elektrodo. Potem, če je naboj iona enak Ze 0 in njegova masa m 0, potem velja enakost

Če je masa odložene snovi enaka enemu molu,

potem Q \u003d F- Faradayeva konstanta in F \u003d N 0 e, od koder:

Očitno je natančnost določanja Avogadrove konstante podana z natančnostjo, s katero se meri naboj elektrona. Praksa je zahtevala povečanje natančnosti določanja osnovnih konstant in to je bila ena od spodbud za nadaljnje izboljševanje tehnike merjenja kvantuma električnega naboja. To delo, ki je že čisto meroslovne narave, se nadaljuje še danes.

Najbolj natančne vrednosti so trenutno:

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

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

Če poznamo N o, je mogoče določiti število molekul plina v 1 cm 3, saj je prostornina, ki jo zaseda 1 mol plina, znana konstanta.

Poznavanje števila molekul plina v 1 cm 3 je omogočilo določitev povprečne kinetične energije toplotnega gibanja molekule. Končno lahko naboj elektrona uporabimo za določitev Planckove konstante in Stefan-Boltzmannove konstante v zakonu toplotnega sevanja.

Podrobnosti Kategorija: Elektrika in magnetizem Objavljeno 6. 8. 2015 05:51 Ogledi: 6694

Ena temeljnih konstant v fiziki je elementarni električni naboj. To je skalarna količina, ki označuje sposobnost fizičnih teles, da sodelujejo v elektromagnetni interakciji.

Za elementarni električni naboj velja najmanjši pozitivni ali negativni naboj, ki ga ni mogoče razdeliti. Njegova vrednost je enaka vrednosti naboja elektrona.

Dejstvo, da je vsak naravni električni naboj vedno enak celemu številu elementarnih nabojev, je leta 1752 predlagal slavni politik Benjamin Franklin, politik in diplomat, ki se je ukvarjal tudi z znanstveno in izumiteljsko dejavnostjo, prvi Američan, ki je postal član Ruske akademije znanosti.

Benjamin Franklin

Če je Franklinova predpostavka pravilna in je električni naboj katerega koli nabitega telesa ali sistema teles sestavljen iz celega števila elementarnih nabojev, potem se lahko ta naboj nenadoma spremeni za vrednost, ki vsebuje celo število nabojev elektronov.

Prvič je to potrdil in dokaj natančno ugotovil ameriški znanstvenik, profesor na Univerzi v Chicagu Robert Milliken.

Millikan izkušnje

Shema Millikanovega eksperimenta

Millikan je leta 1909 s svojim pomočnikom Harveyjem Fletcherjem izvedel svoj prvi slavni eksperiment z oljnimi kapljicami. Pravijo, da so poskus sprva nameravali izvesti s pomočjo kapljic vode, ki pa so v nekaj sekundah izhlapele, kar pa očitno ni bilo dovolj za rezultat. Nato je Milliken poslal Fletcherja v lekarno, kjer je kupil stekleničko z razpršilom in vialo olja za ure. To je bilo dovolj, da je bila izkušnja uspešna. Pozneje je Milliken zanj prejel Nobelovo nagrado, Fletcher pa doktorat.

Robert Milliken

Harvey Fletcher

Kaj je bil Millikanov poskus?

Naelektrena kapljica olja pade pod vplivom gravitacije med dve kovinski plošči. Če pa se med njima ustvari električno polje, bo kapljica preprečila padec. Z merjenjem jakosti električnega polja lahko določimo naboj kapljice.

Eksperimentatorji so v posodo postavili dve kovinski plošči kondenzatorja. Tja so bile s pomočjo brizgalne pištole vnesene najmanjše kapljice olja, ki so bile med brizganjem zaradi trenja ob zrak negativno naelektrene.

Če električnega polja ni, kapljica pade

Pod delovanjem gravitacije F w = mg so kapljice začele padati navzdol. A ker niso bili v vakuumu, ampak v mediju, jim je sila zračnega upora preprečila prosti padec Fres = 6πη rv 0 , kje η je viskoznost zraka. Kdaj Fw in F res uravnotežen, je padec postal enakomeren s hitrostjo v0 . Z merjenjem te hitrosti je znanstvenik določil polmer padca.

Kapljica "lebdi" pod vplivom električnega polja

Če se je v trenutku, ko je kapljica padla, na plošče dovajala napetost tako, da je zgornja plošča dobila pozitiven naboj, spodnja pa negativnega, se je kapljanje ustavilo. Preprečilo ga je nastajajoče električno polje. Zdelo se je, da kapljice lebdijo. To se je zgodilo, ko je moč F r uravnotežen s silo, ki deluje iz električnega polja F r = eE ,

kje F r- rezultanta gravitacijske sile in Arhimedove sile.

F r = 4/3 pr 3 ( ρ – ρ 0) g

ρ je gostota kapljice olja;

ρ 0 – gostota zraka.

r je polmer kapljice.

Vedeti F r in E , je mogoče določiti vrednost e .

Ker je bilo zelo težko zagotoviti, da bi kapljica dolgo ostala nepremična, sta Milliken in Fletcher ustvarila polje, v katerem se je kapljica po ustavitvi začela premikati navzgor z zelo nizko hitrostjo. v . V tem primeru

Poskusi so bili večkrat ponovljeni. Kapljicam so naboje posredovali tako, da so jih obsevali z rentgensko ali ultravijolično napravo. Toda vsakič je bil skupni naboj kapljice vedno enak več elementarnim nabojem.

Leta 1911 je Milliken ugotovil, da je naboj elektrona 1,5924(17) x 10 -19 C. Znanstvenik se je zmotil le za 1%. Njegova sodobna vrednost je 1,602176487 (10) x 10 -19 C.

Ioffe izkušnje

Abram Fedorovič Ioffe

Povedati je treba, da je skoraj istočasno z Millikanom, vendar neodvisno od njega, takšne poskuse izvajal ruski fizik Abram Fedorovich Ioffe. In njegova eksperimentalna postavitev je bila podobna Millikanovi. Toda iz posode so izčrpali zrak in v njej je nastal vakuum. In namesto kapljic olja je Ioffe uporabil majhne nabite delce cinka. Njihovo gibanje so opazovali pod mikroskopom.

Ioffe namestitev

1- cev

2-kamera

3 - kovinske plošče

4 - mikroskop

5 - ultravijolični oddajnik

Pod delovanjem elektrostatičnega polja je zrno cinka padlo. Takoj, ko je gravitacija prašnega zrna postala enaka sili, ki nanj deluje iz električnega polja, se je padanje ustavilo. Dokler se naboj prašnega delca ni spremenil, je še naprej nepremično visel. Če pa je bil izpostavljen ultravijolični svetlobi, se je njegov naboj zmanjšal in ravnovesje je bilo moteno. Spet je začela padati. Nato se je količina naboja na ploščah povečala. V skladu s tem se je električno polje povečalo in padanje se je spet ustavilo. To je bilo storjeno večkrat. Kot rezultat je bilo ugotovljeno, da se vsakič naboj prašnega delca spremeni za večkratnik naboja osnovnega delca.

Ioffe ni izračunal velikosti naboja tega delca. Toda, ko je leta 1925 izvedel podoben poskus, skupaj s fizikom N.I. Dobronravov, ki je nekoliko spremenil pilotno napravo in namesto cinka uporabil bizmutove prašne delce, je potrdil teorijo

DEFINICIJA ELEMENTARNEGA

ELEKTRIČNI NABOJ Z METODO ELEKTROLIZE

Oprema: vir enosmernega toka, kiveta z elektrodami iz kompleta "Electrolyte", laboratorijski voltmeter, upor, tehtnica z utežmi ali elektronika, ključ, povezovalne žice, raztopina bakrovega sulfata, štoparica (ali ura s sekundnim kazalcem).

RAZLAGA DO DELA. Za določitev naboja elektrona lahko uporabimo Faradayev zakon elektrolize, kjer je m masa snovi, ki se sprosti na katodi; M je molska masa snovi; n je valenca snovi; e je naboj elektrona; Na je Avogadrova konstanta; I - jakost toka v elektrolitu; ∆t je čas prehoda toka skozi elektrolit.

Iz te formule je razvidno, da je za dosego cilja dela potrebno poznati molsko maso snovi, ki se sprosti na katodi, njeno valenco in Avogadrovo konstanto. Poleg tega je med poskusom potrebno izmeriti jakost toka in čas njegovega toka, po koncu elektrolize pa maso snovi, ki se sprosti na katodi.

Za poskus uporabimo nasičeno vodno raztopino bakrovega sulfata, ki jo vlijemo v kiveto z dvema bakrenima elektrodama. Ena elektroda je togo pritrjena v središču kivete, druga (odstranljiva) pa na njeni steni.

V vodni raztopini ne disociirajo le molekule bakrovega sulfata (CuSO4 = Cu2+ + ), temveč tudi molekule vode (H20 = H+ + OH -), čeprav v šibki meri. Tako vodna raztopina CuSO4 vsebuje pozitivne ione Cu2+ in H+ ter negativne ione SO2- in OH-. Če med elektrodama nastane električno polje, se bodo pozitivni ioni začeli premikati proti katodi, negativni ioni pa proti anodi. Ioni Cu2+ in H+ se približajo katodi, vendar se vsi ne izpraznijo. To je razloženo z dejstvom, da se atomi bakra in vodika zlahka spremenijo v pozitivno nabite ione in izgubijo svoje zunanje elektrone. Toda bakrov ion lahko lažje veže elektron kot vodikov ion. Zato se na katodi odvajajo bakrovi ioni.

Negativni ioni in OH- se bodo premikali proti anodi, vendar se noben od njih ne bo izpraznil. V tem primeru se bo baker začel raztapljati. To je razloženo z dejstvom, da atomi bakra lažje dajejo elektrone zunanjemu odseku električnega tokokroga kot ioni in OH - in, ko postanejo pozitivni ioni, bodo šli v raztopino: Cu \u003d Cu2 + + 2e-.

Ko torej elektrode povežemo z virom enosmernega toka v raztopini bakrovega sulfata, bo prišlo do usmerjenega gibanja ionov, kar bo povzročilo sprostitev čistega bakra na katodi.

Da bi bila plast sproščenega bakra gosta in dobro zadržana na katodi, je priporočljivo izvajati elektrolizo pri nizki jakosti toka v raztopini. In ker bo to povzročilo veliko merilno napako, se namesto laboratorijskega ampermetra pri delu uporabljata upor in voltmeter. Glede na odčitek voltmetra U in upornost upora R (navedena je na njegovem ohišju) se določi jakost toka I. Shematski diagram eksperimentalne postavitve je prikazan na sliki 12.

Moč toka v elektrolitu med poskusom se lahko spremeni, zato se njegova povprečna vrednost 1sr nadomesti s formulo za določanje naboja. Povprečna vrednost jakosti toka se določi tako, da se vsakih 30 s zabeležijo odčitki voltmetra v celotnem času opazovanja, nato se seštejejo in dobljena vrednost se deli s številom meritev. Tako se najde Ucp. Nato se po Ohmovem zakonu najde Icp za odsek vezja. Rezultate meritev napetosti je bolj priročno zapisati v pomožno tabelo.

Trenutni čas pretoka se meri s štoparico.

POSTOPEK PRIPRAVE NA DELO

1. Navedite, katere fizikalne količine so predmet neposrednega merjenja za določitev naboja elektronov z metodo, uporabljeno v tem delu. Kateri merilni instrumenti bodo uporabljeni za merjenje? Določite in zapišite meje absolutnih pogreškov teh naprav.

2. Določi in zapiši meje absolutnih napak pri branju pri uporabi mehanske štoparice, voltmetra in tehtnice.

3. Zapišite formulo za določitev meje absolutne napake ∆е.

4. Pripravite preglednico za zapisovanje rezultatov meritev, napak in izračunov.

Pripravite pomožno tabelo za beleženje odčitkov voltmetra.

ODGOVORI NA VPRAŠANJA

Zakaj čas toka v elektrolitu vpliva na napako v rezultatu merjenja naboja elektrona?

Kako koncentracija raztopine vpliva na rezultat merjenja naboja elektronov?

Kakšna je valenca bakra?

Kakšna je molska masa bakra?

Kaj je Avogadrova konstanta?

POSTOPEK DELA

1. Na tehtnici določite maso odstranljive elektrode m1.

2. Pritrdite elektrodo na kiveto in sestavite električni krog, prikazan na sliki 12. Prepričajte se, da je odstranljiva elektroda priključena na negativni pol napetostnega vira.

3. Napolnite kiveto z raztopino bakrovega sulfata, zaprite ključ in beležite odčitke voltmetra vsakih 30 s 15 minut.

4. Po 15 minutah odprite ključ, razstavite vezje, odstranite elektrodo, jo posušite in določite njeno maso m2 skupaj z bakrom, ki je na njej nanesen.

5. Izračunajte maso sproščenega bakra: m- in mejo absolutne napake njegove meritve ∆m.

6. Izračunajte povprečno vrednost napetosti na uporu Uav in povprečno vrednost toka v elektrolitu jaz prim.

7. Izračunajte naboj elektrona e.

8. Izračunajte mejo absolutne napake pri določanju naboja elektrona ∆е.

9. Zapišite rezultat določanja naboja ob upoštevanju meje absolutne napake.

10. Primerjajte naboj elektrona, ugotovljen iz rezultatov poskusa, z vrednostjo v tabeli.

Metodična opomba. Elektron je učencem znan že iz predmeta kemija in ustreznega oddelka programa VII. Zdaj morate poglobiti svoje razumevanje prvega osnovnega delca snovi, se spomniti preučenega, ga povezati s prvo temo razdelka "Elektrostatika" in preiti na višjo raven interpretacije elementarnega naboja. Upoštevati je treba kompleksnost koncepta električnega naboja. Predlagana digresija lahko pomaga razkriti ta koncept in priti do bistva zadeve.

Elektron ima zapleteno zgodovino. Da bi dosegli cilj po najkrajši poti, je priporočljivo voditi zgodbo na naslednji način.

Bili so skeptiki, ki so na splošno ignorirali odkritje elektrona. Akademik A.F. Ioffe je v svojih spominih zapisal o potrebah svojega učitelja V.K.

Elektron še ni zapustil okvirov »čiste« znanosti. Spomnimo se, da se je prva elektronska svetilka pojavila šele leta 1907.

Da bi prešli od vere k prepričanju, je bilo treba najprej izolirati elektron, izumiti metodo za neposredno in natančno merjenje elementarnega naboja.

Takšen problem je rešil ameriški fizik Robert Millikan (1868-1953) v nizu subtilnih poskusov, ki so se začeli leta 1906.

Robert Milliken se je rodil leta 1868 v Illinoisu v revni družini duhovnika. Otroštvo je preživel v provincialnem mestu Makvoket, kjer je bilo veliko pozornosti posvečeno športu in slabo poučevanje. Ravnatelj srednje šole, ki je poučeval fiziko, je na primer svojim mladim dijakom rekel: "Kako lahko iz valov naredite zvok? Neumnosti, fantje, vse to so neumnosti!"

Razmerje sile, ki deluje na kapljico v oblaku, in hitrosti, ki jo ta pridobi, je v prvem in drugem primeru enako. V prvem primeru je sila enaka mg, v drugem pa mg + qE, kjer je q naboj kapljice, E je električna poljska jakost. Če je hitrost v prvem primeru enaka v 1 v drugem v 2, potem

Če poznamo odvisnost hitrosti padanja oblaka v od viskoznosti zraka, lahko izračunamo želeni naboj q. Vendar ta metoda ni dala želene natančnosti, ker je vsebovala hipotetične predpostavke, na katere eksperimentator ni mogel vplivati.

Da bi povečali natančnost meritev, je bilo treba najprej poiskati način za upoštevanje izhlapevanja oblakov, ki se neizogibno pojavlja med postopkom merjenja.

Ko je razmišljal o tem problemu, je Millikan prišel do klasične metode spuščanja, ki je odprla vrsto nepričakovanih možnosti. Pustimo avtorju, da pove zgodbo o izumu:

"Zavedajoč se, da je hitrost izhlapevanja kapljic ostala neznana, sem poskušal razmišljati o metodi, ki bi popolnoma odpravila to negotovo vrednost. Moj načrt je bil naslednji. V prejšnjih poskusih je lahko električno polje le rahlo povečalo ali zmanjšalo hitrost padec vrha oblaka pod vplivom gravitacije. Želel sem okrepiti to polje, tako da je zgornja površina oblaka ostala na konstantni višini. V tem primeru je bilo mogoče natančno določiti stopnjo izhlapevanja oblak in ga upoštevajte pri izračunih." Za izvedbo te zamisli je Milliken zasnoval majhno baterijo, ki je dala napetost do 104 V (za tisti čas je bil to izjemen dosežek eksperimentatorja). Morala je ustvariti dovolj močno polje, da je oblak, kot "Mohamedova krsta", obdržal v visečem stanju.

"Ko je bilo vse pripravljeno zame," pravi Milliken, "in ko je oblak nastal, sem obrnil stikalo in oblak je bil v električnem polju. In v tistem trenutku se je stopil pred mojimi očmi, z drugimi besedami, niti od celotnega oblaka je ostal majhen košček, ki bi ga lahko opazovali s pomočjo kontrolne optične naprave, kot je storil Wilson in sem nameraval narediti.Kot se mi je sprva zdelo, je izginotje oblaka brez sledu v električno polje med zgornjo in spodnjo ploščo je pomenilo, da se je poskus končal brez rezultatov ... "

Vendar, kot pogosto v zgodovini znanosti, je neuspeh rodil novo idejo. Pripeljala je do znane metode kapljic. "Ponavljajoči se poskusi," piše Millikan, "so pokazali, da je po tem, ko se oblak razprši v močnem električnem polju, na njegovem mestu mogoče razlikovati več ločenih vodnih kapljic" (poudaril jaz. - V.D.).

"Nesrečna" izkušnja je pripeljala do odkritja možnosti ohranjanja ravnovesja in opazovanja posameznih kapljic dovolj dolgo.

Toda med obdobjem opazovanja se je masa vodne kapljice zaradi izhlapevanja močno spremenila in Millikan je po več dneh iskanja prešel na poskuse z oljnimi kapljicami.

Po 7 ali 8 minutah se oblak razprši, v vidnem polju pa ostane manjše število kapljic, katerih naboj ustreza omenjenemu ravnovesju sil.

Millikan je opazil te kapljice kot izrazite svetle pike. »Zgodovina teh kapljic običajno poteka takole,« piše, »v primeru rahle prevlade gravitacije nad silo polja začnejo počasi padati, a ko postopoma izhlapevajo, se njihovo gibanje navzdol kmalu ustavi, in postanejo dolgo časa negibne. Nato začne polje prevladovati in kapljice se začnejo počasi dvigovati. Proti koncu njihovega življenja v prostoru med ploščama postane to gibanje navzgor zelo močno pospešeno in se privlačijo z veliko hitrostjo do zgornje plošče."

Shema instalacije Millikan, s pomočjo katere so bili leta 1909 doseženi odločilni rezultati, je prikazana na sliki 17.

Na plošče kondenzatorja je bila priključena napetost 104 V iz baterije B. S stikalom je bilo možno na kratko skleniti plošče in s tem uničiti električno polje.

Kapljice olja, ki so padale med plošči M in N, je osvetlil močan vir. Obnašanje kapljic smo opazovali pravokotno na smer žarkov skozi teleskop.

Ioni, potrebni za kondenzacijo kapljic, so bili ustvarjeni s sevanjem iz kosa radija, ki tehta 200 mg, ki se nahaja na razdalji 3 do 10 cm ob strani plošč.

S pomočjo posebne naprave so plin razširili s spuščanjem bata. V 1–2 s po ekspanziji smo radij odstranili ali prekrili s svinčenim zaslonom. Nato se je vklopilo električno polje in začelo se je opazovanje kapljic v teleskop.

Cev je imela skalo, s katero je bilo mogoče šteti pot, ki jo je kapljica prehodila v določenem času. Čas je določala točna ura s kletko.

V procesu opazovanj je Millikan odkril pojav, ki je služil kot ključ do celotne serije nadaljnjih natančnih meritev posameznih elementarnih nabojev.

"Med delom na visečih kapljicah," piše Milliken, "sem jih večkrat pozabil zapreti pred radijevimi žarki. Nato sem slučajno opazil, da je od časa do časa ena od kapljic nenadoma spremenila svoj naboj in se začela premikati vzdolž polja ali proti očitno zajame v prvem primeru pozitivni, v drugem primeru pa negativni ion. To je odprlo možnost, da z gotovostjo izmerim ne le naboje posameznih kapljic, kot sem to počel do tedaj, ampak tudi naboj posameznega atmosferskega iona.

Dejansko bi lahko z dvakratnim merjenjem hitrosti iste kapljice, enkrat pred in drugič po zajemanju iona, očitno popolnoma izključil lastnosti kapljice in lastnosti medija ter deloval s količino, ki je sorazmerna le z naboj zajetega iona.

Osnovni naboj je izračunal Millikan na podlagi naslednjih premislekov. Hitrost kapljice je sorazmerna s silo, ki deluje nanjo, in ni odvisna od naboja kapljice.

Če je kapljica padla med plošči kondenzatorja samo pod vplivom gravitacije s hitrostjo v 1, potem

Ko je vklopljeno polje, usmerjeno proti gravitaciji, bo delujoča sila razlika qE = mg, kjer je q naboj kapljice, E je modul poljske jakosti.

Hitrost padca bo:

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

Če enakost (1) delimo z (2), dobimo

Naj kapljica zajame ion in njegov naboj postane enak q′, hitrost gibanja pa v 2 ′. Označimo naboj tega ujetega iona z e. Potem je e = q′ - q.

Z uporabo (3) dobimo

Vrednost je konstantna za dani padec.

Zato bo vsak naboj, ki ga ujame kapljica, sorazmeren z razliko v hitrostih (v′ 2 -v 2), z drugimi besedami, sorazmeren s spremembo hitrosti kapljice zaradi zajemanja ionov!

Tako se je merjenje elementarnega naboja zmanjšalo na merjenje poti, ki jo je prepotovala kapljica, in časa, v katerem je bila ta pot prevožena.

Številna opazovanja so pokazala veljavnost formule (4). Izkazalo se je, da se lahko vrednost e spreminja le skokovito! Vedno se upoštevajo naboji e, 2e, 3e, 4e itd.

"V mnogih primerih," piše Millikan, "je bila kapljica opažena pet ali šest ur in v tem času ni zajela osem ali deset ionov, ampak jih je bilo na stotine. Skupno sem opazil zajemanje več tisoč ionov v na ta način in v vseh primerih je bil zajeti naboj ... bodisi natanko enak najmanjšemu od vseh ujetih nabojev ali pa je bil enak majhnemu celemu večkratniku te vrednosti. To je neposreden in neizpodbiten dokaz, da je elektron ni "statistično povprečje", ampak da so vsi električni naboji na ionih popolnoma enaki naboju elektrona ali pa so majhni celi večkratniki tega naboja.

Millikanova metoda je omogočila nedvoumen odgovor na to vprašanje.

V prvih poskusih so bili naboji ustvarjeni z ionizacijo nevtralnih plinskih molekul s tokom radioaktivnega sevanja. Izmerili smo naboj ionov, ki so jih ujeli kapljice.

Ko tekočino razpršimo z atomizerjem, se kapljice zaradi trenja naelektrijo. To je bilo dobro znano v 19. stoletju. Ali so ti naboji tako kvantizirani kot naboji ionov?

Millikan "obteži" kapljice po pršenju in opravi meritve napolnjenosti na zgoraj opisan način. Izkušnje razkrivajo enako diskretnost električnega naboja.

Leta 1913 je Milliken povzel rezultate številnih poskusov in dal naslednjo vrednost za elementarni naboj: e=4,774·10 -10 enot. polnjenje SGSE.

Tako je bila ugotovljena ena najpomembnejših konstant sodobne fizike. Določanje električnega naboja je postalo preprost aritmetični problem.

Vizualizacija elektronov. Veliko vlogo pri krepitvi ideje o resničnosti elektrona je igralo odkritje G. A. Wilsona o učinku kondenzacije vodne pare na ione, kar je privedlo do možnosti fotografiranja sledi delcev.

Pravijo, da A. Compton na predavanju ni mogel prepričati skeptičnih poslušalcev o resničnosti obstoja mikrodelcev. Vztrajal je, da bo verjel šele, ko jih bo videl na lastne oči.

Nato je Compton pokazal fotografijo s sledjo delcev α, poleg katere je bil prstni odtis. "Veš kaj je?" je vprašal Compton. »Prst,« je odgovoril poslušalec. "V tem primeru," je slovesno izjavil Compton, "je ta svetlobni pas delec."

Fotografije elektronskih sledi niso samo pričale o resničnosti elektronov. Potrdili so domnevo o majhnosti elektronov in omogočili primerjavo z eksperimentom rezultatov teoretičnih izračunov, v katerih nastopa radij elektrona. Poskusi, ki jih je sprožil Lenard pri proučevanju prodorne moči katodnih žarkov, so pokazali, da zelo hitri elektroni, ki jih oddajajo radioaktivne snovi, dajejo sledi v plinu v obliki ravnih črt. Dolžina sledi je sorazmerna z energijo elektrona. Fotografije sledi visokoenergijskih delcev α kažejo, da so sledi sestavljene iz velikega števila pik. Vsaka pika je vodna kapljica, ki se pojavi na ionu, ki nastane kot posledica trka elektrona z atomom. Če poznamo velikost atoma in njihovo koncentracijo, lahko izračunamo število atomov, skozi katere mora preiti alfa delec na dani razdalji. Preprost izračun pokaže, da mora α-delec preteči okoli 300 atomov, preden na poti sreča enega od elektronov, ki sestavljajo lupino atoma, in povzroči ionizacijo.

Iz teorije sipanja je mogoče pridobiti podatke za oceno odklonskih kotov v odvisnosti od energije elektronov. Te podatke dobro potrjuje analiza realnih prog. Sovpadanje teorije z eksperimentom je okrepilo idejo o elektronu kot najmanjšem delcu snovi.

Merjenje elementarnega električnega naboja je odprlo možnost natančnega določanja številnih pomembnih fizikalnih konstant.

Poznavanje vrednosti e samodejno omogoča določitev vrednosti temeljne konstante - Avogadrove konstante. Pred Millikanovimi poskusi so obstajale le grobe ocene Avogadrove konstante, ki jih je podala kinetična teorija plinov. Te ocene so temeljile na izračunih povprečnega polmera molekule zraka in so se spreminjale v precej širokem območju od 2·10 23 do 20·10 23 1/mol.

Če je masa odložene snovi enaka enemu molu, potem je Q = F Faradayeva konstanta in F = N 0 e, od koder je N 0 = F / e. Očitno je natančnost določanja Avogadrove konstante podana z natančnostjo, s katero se meri naboj elektrona.

Praksa je zahtevala povečanje natančnosti določanja osnovnih konstant in to je bila ena od spodbud za nadaljnje izboljševanje tehnike merjenja kvantuma električnega naboja. To delo, ki je že čisto meroslovne narave, se nadaljuje še danes.

Najbolj natančne vrednosti so trenutno:

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

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

Če poznamo N 0, je mogoče določiti število molekul plina v 1 cm 3, saj je prostornina, ki jo zaseda 1 mol plina, znana konstanta.

Poznavanje števila molekul plina v 1 cm 3 je omogočilo določitev povprečne kinetične energije toplotnega gibanja molekule.

Končno lahko naboj elektrona uporabimo za določitev Planckove konstante in Stefan-Boltzmannove konstante v zakonu toplotnega sevanja.

Paršina Anna, Sevalnikov Aleksej, Luzyanin Roman.

Cilj: naučijo se določiti vrednost elementarnega naboja z elektrolizo; raziskati metode določanja naboja elektron.

Oprema: valjasta posoda z raztopino bakrovega sulfata, svetilka, elektrode, tehtnice, ampermeter, vir konstantne napetosti, reostat, ura, ključ, povezovalne žice.

Prenesi:

Predogled:

Za uporabo predogleda predstavitev ustvarite Google račun (račun) in se prijavite: https://accounts.google.com

Podnapisi diapozitivov:

Laboratorijsko delo Določanje osnovnega naboja z metodo elektrolize Izvajajo učenci 10. razreda Chuchkovskaya srednje šole: Anna Parshina, Alexey Sevalnikov, Roman Luzyanin. Nadzornik: učiteljica fizike Chekalina O.Yu.

Namen dela: naučiti se določiti vrednost elementarnega naboja z elektrolizo; študijske metode za določanje naboja elektrona. Oprema: valjasta posoda z raztopino bakrovega sulfata, svetilka, elektrode, tehtnice, ampermeter, vir konstantne napetosti, reostat, ura, ključ, povezovalne žice.

Sestavili smo verigo: Potek dela:

Rezultat našega dela

Naučili smo se določiti vrednost elementarnega naboja z elektrolizo, preučili metode za določanje naboja elektrona. Zaključek:

V. Ya. Bryusov "Svet elektronov" Morda so ti elektroni svetovi, kjer je pet celin, Umetnosti, znanje, vojne, prestoli In spomin štiridesetih stoletij! Tudi morda je vsak atom vesolje, kjer je sto planetov; Vse je, kar je tu, v stisnjenem obsegu, Pa tudi tisto, kar ni tukaj. Njihove mere so majhne, a njihova neskončnost je enaka kot tukaj; Obstajata žalost in strast, kot tukaj, in tudi tam je ista svetovna arogantnost. Njihovi modri možje, ki svoj brezmejni svet postavljajo v središče bitja, Hitijo prodreti v iskre skrivnosti In razmišljajo, kakor zdaj jaz; In v trenutku, ko se iz uničenja ustvarijo tokovi novih sil, Zavpijejo v sanjah samohipnoze, Da je Bog ugasnil svojo baklo!