Au début du XXe siècle. l'existence d'électrons a été établie dans un certain nombre d'expériences indépendantes. Mais, malgré le vaste matériel expérimental accumulé par divers écoles scientifiques, l'électron restait à proprement parler une particule hypothétique. La raison en est qu'il n'y a pas eu une seule expérience à laquelle des électrons uniques participeraient.
Les électrons sont d'abord apparus comme une hypothèse commode pour expliquer les lois de l'électrolyse, puis ils ont été découverts dans une décharge gazeuse, ce qui a confirmé leur existence dans tous les corps. Cependant, il n'était pas clair si la physique traite du même électron, le même pour toutes les substances et tous les corps, ou si les propriétés d'un électron sont des caractéristiques moyennes d'une grande variété de "frères d'électrons".

Pour répondre à cette question, en 1910-1911, le scientifique américain Robert Andrews Milliken et le physicien soviétique Abram Fedorovich Ioffe ont indépendamment expériences précises, dans lequel il était possible d'observer des électrons uniques.
Dans leurs expériences, dans un récipient fermé 1, dont l'air était évacué par une pompe à un vide poussé, il y avait deux situés horizontalement des plaques métalliques 2. Un nuage de particules de poussière métallique chargées ou de gouttelettes d'huile a été placé entre elles par le tube 3. Ils ont été observés au microscope 4 avec une échelle spéciale, ce qui a permis d'observer leur décantation (chute).
Supposons que des particules de poussière ou des gouttelettes aient été chargées négativement avant d'être placées entre les plaques. Par conséquent, leur décantation (chute) peut être arrêtée si la plaque inférieure est chargée négativement et la supérieure positivement. C'est ce qu'ils ont fait, atteignant l'équilibre d'une particule de poussière (gouttelette), qui a été observée au microscope.


Ensuite, la charge des particules de poussière (gouttelettes) a été réduite en agissant sur elles avec des ultraviolets ou radiographies. Les particules de poussière (gouttelettes) ont commencé à tomber, à mesure que la force électrique de soutien diminuait. Informer les plaques métalliques d'une charge supplémentaire et ainsi renforcer champ électrique, la particule de poussière a de nouveau été arrêtée. Cela a été fait plusieurs fois, à chaque fois en utilisant une formule spéciale pour calculer la charge des particules de poussière.
Les expériences de Millikan et Ioffe ont montré que les charges des gouttes et des particules de poussière changent toujours par étapes. La "portion" minimale de charge électrique est élémentaire charge électrique, égal à e = 1,6 10-19 C. Cependant, la charge d'un grain de poussière ne part pas d'elle-même, mais avec une particule de matière. Par conséquent, dans la nature, il existe une telle particule de matière qui a la plus petite charge, alors déjà indivisible - la charge d'un électron. Grâce aux expériences de Ioffe-Milliken, l'existence de l'électron est passée d'une hypothèse à un fait scientifiquement confirmé.
Actuellement, il existe des informations sur l'existence particules élémentaires(quarks) de charges électriques fractionnaires égales à 1/Ze et 2/Ze. Or, la charge électrique d'un corps quelconque est toujours un multiple entier de la charge électrique élémentaire ; d'autres "portions" de charge électrique, capables de passer d'un corps à l'autre, n'ont pas encore été détectées expérimentalement dans la nature.

Expérience Millikan- expérience de mesure charge électrique élémentaire(charge électron) réalisé Robert Milliken et Harvey Flecher(Anglais) russe en 1909 .

L'idée de l'expérience est de trouver un équilibre entre la gravité, Force de Stokes et répulsion électrique. En contrôlant la puissance du champ électrique, Milliken et Fletcher ont gardé de petites gouttelettes d'huile dans balance mécanique. En répétant l'expérience pour plusieurs gouttes, les scientifiques ont confirmé que la charge totale de la goutte est constituée de plusieurs charges élémentaires. La valeur de la charge électronique dans l'expérience de 1911 s'est avérée égale à CL, qui diffère de 1% de la valeur actuelle en Cl.

Conditions préalables

En 1913 Professeur Université de Chicago R.Milliken co-auteur avec H. Fletcher ont publié une ébauche de leur expérience.

Dans cette expérience, la force du champ électrique a été mesurée, ce qui peut contenir une goutte d'huile chargée entre deux électrodes. La charge de la goutte a été mesurée à partir de la valeur de ce champ. Les gouttes elles-mêmes ont été électrifiées lors de la pulvérisation. A l'époque de l'expérience, il n'était pas évident que l'existence particules subatomiques, et la plupart des phénomènes physiques [ quelle? ] pourrait s'expliquer en supposant que la charge est une quantité en constante évolution.

Soi-disant charge élémentaire e est l'un des fondamentaux constantes physiques et le connais valeur exacte très important. En 1923, Millikan a reçu prix Nobel sur la physique en partie pour cette expérience.

Description de l'expérience

Dans l'espace entre deux plaques sous tension (dans un condensateur), Millikan a injecté de minuscules gouttes d'huile chargées, qui pourraient être stationnaires dans un certain champ électrique. L'équilibre est venu sous la condition, où

Les forces de gravité résultantes et les forces d'Archimède ;

, où à son tour

Densité d'une goutte d'huile ;

Son rayon sous l'hypothèse que la goutte est sphérique ;

Densité de l'air

A partir de ces formules, connaissant et, nous pouvons trouver. Pour déterminer le rayon de la goutte, nous avons mesuré le taux de chute uniforme de la goutte en l'absence de champ, puisque Mouvement uniforme est établi lorsque la force de gravité est équilibrée par la force de résistance de l'air, où est la viscosité de l'air.

Il était difficile de fixer l'immobilité de la goutte à ce moment-là, par conséquent, au lieu d'un champ qui satisfait à la condition, un champ a été utilisé, sous l'influence duquel la goutte a commencé à se déplacer vers le haut à faible vitesse. Évidemment, si le taux d'ascension est égal, alors

Au cours de l'expérience, fait important: toutes les valeurs obtenues par Millikan se sont avérées être des multiples de la même valeur. Ainsi, il a été montré expérimentalement que la charge est une quantité discrète.

Préparé par un élève de 11e année-A KOSH n ° 125 Konovalova Kristina

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L'expérience de Ioffe - Millikan Abram Fedorovich Ioffe Robert AndrewsMilliken

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Expérience Ioffe-Milliken

À la fin du XIXe siècle, dans un certain nombre d'expériences très diverses, il a été établi qu'il existe un certain porteur d'une charge négative, appelé électron. Cependant, il s'agissait en fait d'une unité hypothétique, puisque, malgré l'abondance matériel pratique, pas une seule expérience impliquant un seul électron n'a été réalisée. On ne savait pas s'il existait des variétés d'électrons pour différentes substances ou c'est toujours la même chose, quelle charge porte l'électron, si la charge peut exister séparément de la particule. En général, il y avait des débats houleux sur l'électron dans la communauté scientifique, et il n'y avait pas de base pratique suffisante pour arrêter sans équivoque tous les débats.

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La figure montre un schéma de l'installation utilisée dans l'expérience par A. F. Ioffe. Dans une enceinte fermée, dont l'air était évacué sous un vide poussé, se trouvaient deux plaques métalliques P placées horizontalement. De la chambre A à travers le trou O dans l'espace entre les plaques, de petites particules de poussière chargées de zinc sont parvenues. Ces particules de poussière ont été observées au microscope.

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Ainsi, les particules de poussière et les gouttelettes chargées dans le vide tomberont de la plaque supérieure vers le bas, mais ce processus peut être arrêté si la plaque supérieure est chargée positivement et la plaque inférieure est chargée négativement. Le champ électrique résultant agira par les forces de Coulomb sur les particules chargées, les empêchant de tomber. En ajustant la quantité de charge, ils se sont assurés que les particules de poussière planaient au milieu entre les plaques. Ensuite, la charge des particules de poussière ou des gouttes a été réduite en les irradiant avec des rayons X ou de la lumière ultraviolette. Perdant la charge, les particules de poussière ont recommencé à tomber, elles ont de nouveau été arrêtées en ajustant la charge des plaques. Ce processus a été répété plusieurs fois, en calculant la charge des gouttes et des particules de poussière à l'aide de formules spéciales. À la suite de ces études, il a été possible d'établir que la charge des particules de poussière ou des gouttes changeait toujours par sauts, d'une valeur strictement définie, ou d'une taille multiple de cette valeur.

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Abram Fedorovitch Ioffe

Abram Fedorovich Ioffe est un physicien russe qui a fait de nombreuses découvertes fondamentales et mené d'énormes recherches, notamment dans le domaine de l'électronique. Il a mené des recherches sur les propriétés des matériaux semi-conducteurs, a découvert la propriété de redressement de la transition métal-diélectrique, qui a ensuite été expliquée à l'aide de la théorie de l'effet tunnel, a suggéré la possibilité de convertir la lumière en électricité.

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Abram Fedorovich est né le 14 octobre 1980 dans la ville de Romny, province de Poltava (aujourd'hui région de Poltava, Ukraine) dans la famille d'un marchand. Comme le père d'Abram était un homme assez riche, il n'était pas avare de donner une bonne éducationà son fils. En 1897, Ioffe fait ses études secondaires dans une véritable école de sa ville natale. En 1902, il est diplômé de l'Université de Saint-Pétersbourg Institut technologique et entra à l'Université de Munich en Allemagne. A Munich, il travaille sous la direction de Wilhelm Conrad Roentgen lui-même. Wilhelm Conrad, voyant la diligence et pas n'importe quel talent de l'étudiant, essaie de persuader Abram de rester à Munich et de continuer activité scientifique, mais Ioffe s'est avéré être un patriote de son pays. Après avoir obtenu son diplôme universitaire en 1906, après avoir reçu diplôme PhD, il retourne en Russie.

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En Russie, Ioffe obtient un emploi à l'Institut polytechnique. En 1911, il détermine expérimentalement l'amplitude de la charge électronique en utilisant la même méthode que Robert Milliken (les particules métalliques étaient équilibrées dans les champs électriques et gravitationnels). Du fait que Ioffe n'a publié ses travaux que deux ans plus tard, la gloire de découvrir la mesure de la charge électronique est revenue au physicien américain. En plus de déterminer la charge, Ioffe a prouvé la réalité de l'existence d'électrons indépendamment de la matière, a étudié action magnétique flux d'électrons, a prouvé la nature statique de l'émission d'électrons avec un effet photoélectrique externe.

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En 1913, Abram Fedorovich a soutenu sa maîtrise, et deux ans plus tard sa thèse de doctorat en physique, qui portait sur l'étude des propriétés élastiques et électriques du quartz. Dans la période de 1916 à 1923, il étudie activement le mécanisme conductivité électrique divers cristaux. En 1923, c'est à l'initiative d'Ioffe que commencent la recherche fondamentale et l'étude des propriétés de matériaux totalement nouveaux à l'époque, les semi-conducteurs. Les premiers travaux dans ce domaine ont été menés avec la participation directe d'un physicien russe et ont porté sur l'analyse phénomènes électriques entre semi-conducteur et métal. Il a découvert la propriété de redressement de la transition métal-semi-conducteur, qui n'a été étayée que 40 ans plus tard par la théorie de l'effet tunnel.

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En étudiant l'effet photoélectrique dans les semi-conducteurs, Ioffe a exprimé une idée assez audacieuse à l'époque selon laquelle il serait possible de convertir l'énergie lumineuse en courant électrique de la même manière. Celle-ci est devenue dans l'avenir un préalable indispensable à la création de générateurs photovoltaïques, et notamment de convertisseurs au silicium, utilisés par la suite dans le cadre de panneaux solaires. Avec ses étudiants, Abram Fedorovich crée un système de classification des semi-conducteurs, ainsi qu'une méthode pour déterminer leurs principales propriétés électriques et propriétés physiques. En particulier, l'étude de leurs propriétés thermoélectriques est devenue par la suite la base de la création de réfrigérateurs thermoélectriques à semi-conducteurs, largement utilisés à travers le monde dans les domaines de la radioélectronique, de l'instrumentation et de la biologie spatiale.

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Abram Fedorovich Ioffe a apporté une énorme contribution à la formation et au développement de la physique et de l'électronique. Il a été membre de nombreuses académies des sciences (Berlin et Goetingen, américain, italien), ainsi que membre honoraire de nombreuses universités à travers le monde. Il a reçu de nombreux prix pour ses réalisations et ses recherches. Abram Fedorovitch est décédé le 14 octobre 1960.

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MillikenRobert Andrus

Le physicien américain Robert Milliken est né à Morrison (Illinois) le 22 mars 1868 dans la famille d'un prêtre. Après l'obtention du diplôme lycée Robert entre à l'Oberlin College dans l'Ohio. Là, ses intérêts se sont concentrés sur les mathématiques et le grec ancien. Dans le but de gagner de l'argent, il a exposé la physique à l'université pendant deux ans. 1891 Millikan a obtenu son baccalauréat et 1893 sa maîtrise en physique.

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À l'Université de Columbia, Milliken a étudié sous la direction du célèbre physicien M.I. Pupin. Il a passé un été à l'Université de Chicago, où il a travaillé avec le célèbre physicien expérimental Albert Abraham Michelson.

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En 1895, il soutient sa thèse de doctorat à l'Université de Columbia sur l'étude de la polarisation de la lumière. Milliken passe l'année suivante en Europe, où il rencontre Henri Becquerel, Max Planck, Walter Nernst, A. Poincaré.

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1896 Millikan retourne à l'Université de Chicago, où il devient l'assistant de Michelson. Au cours des douze années suivantes, Milliken a écrit plusieurs manuels de physique, qui ont été acceptés comme manuels pour les collèges et les lycées (avec des ajouts, ils le sont restés pendant plus de 50 ans). 1910 Millikan est nommé professeur de physique.

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Robert Millikan a développé la méthode de la goutte, qui a permis de mesurer la charge des électrons et des protons individuels (1910 - 1914) un grand nombre de expériences sur le calcul exact de la charge électronique. Ainsi, il a expérimentalement prouvé la discrétion de la charge électrique et pour la première fois déterminé avec précision sa valeur (4,774 * 10^-10 unités électrostatiques). Vérifié l'équation d'Einstein pour l'effet photoélectrique dans le visible et rayons ultraviolets, a déterminé la constante de Planck (1914).

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1921 Milliken est nommé directeur du nouveau Bridgesive Physical Laboratory et président du comité exécutif du California Institute of Technology. Il y effectue une grande série d'études sur les rayons cosmiques, en particulier des expériences (1921 - 1922) avec des faisceaux d'air avec des électroscopes auto-enregistreurs à des altitudes de 15 500 m.".

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Pendant 1925-1927. Millikan a démontré que l'effet ionisant du rayonnement cosmique diminue avec la profondeur et a confirmé l'origine extraterrestre de ces "rayons cosmiques". En explorant les trajectoires des particules cosmiques, il y a révélé des particules alpha, des électrons rapides, des protons, des neutrons, des positrons et des quanta gamma. Indépendamment de Vernov, il découvre l'effet latitudinal des rayons cosmiques dans la stratosphère.

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L'idée de la discrétion de la charge électrique a été exprimée pour la première fois par B. Franklin en 1752. Expérimentalement, la discrétion des charges a été étayée par les lois de l'électrolyse découvertes par M. Faraday en 1834. Valeur numérique charge élémentaire (la plus petite charge électrique trouvée dans la nature) a été théoriquement calculée sur la base des lois de l'électrolyse en utilisant le nombre d'Avogadro. direct mesure expérimentale la charge élémentaire a été réalisée par R. Millikan dans des expériences classiques réalisées en 1908 - 1916. Ces expériences ont également fourni des preuves irréfutables atomisme de l'électricité.

Selon les concepts de base de la théorie électronique, la charge d'un corps résulte d'une modification du nombre d'électrons qu'il contient (ou d'ions positifs dont la charge est un multiple de la charge de l'électron). Par conséquent, la charge de tout corps doit changer brusquement et dans de telles portions qui contiennent un nombre entier de charges d'électrons.

Tous les physiciens se sont intéressés à l'amplitude de la charge électrique de l'électron et, néanmoins, jusqu'à présent, il n'a pas été possible de la mesurer. De nombreuses tentatives pour effectuer cette mesure décisive avaient déjà été faites par JJ Thomson, mais dix ans de travail s'étaient écoulés, et l'assistant de Thomson, G. Wilson, rapporta qu'après onze mesures différentes, ils avaient obtenu onze résultats différents.

Avant de commencer des recherches selon sa propre méthode, Millikan a mis en place des expériences selon la méthode utilisée à l'Université de Cambridge. La partie théorique de l'expérience était la suivante : la masse du corps était déterminée en mesurant la pression produite par le corps sous l'influence de la gravité sur la balance. Si une particule infinitésimale de matière reçoit une charge électrique et si une force électrique ascendante est appliquée, égale à la force gravité vers le bas, alors cette particule sera en équilibre, et le physicien pourra calculer l'amplitude de la charge électrique. Si dans ce cas la charge électrique d'un électron est conférée à la particule, il sera possible de calculer l'amplitude de cette charge.

La théorie de Cambridge était tout à fait logique, mais les physiciens ne pouvaient pas créer un appareil avec lequel il serait possible d'étudier des particules individuelles de substances. Ils devaient se contenter d'observer le comportement d'un nuage de gouttes d'eau chargées d'électricité. Dans la chambre, dont l'air a été partiellement éliminé, un nuage de vapeur s'est créé. Le courant a été appliqué au sommet de la chambre. À travers certaine heure les gouttelettes de brume dans le nuage se sont calmées. Ensuite, des rayons X traversaient le brouillard et les gouttes d'eau recevaient une charge électrique.

Dans le même temps, les chercheurs pensaient que la force électrique dirigée vers le haut vers le couvercle de la chambre sous haute tension devrait soi-disant empêcher les gouttes de tomber. Cependant, aucun des conditions difficiles, sous lequel, et seulement sous lequel, les particules pourraient être dans un état d'équilibre.

Milliken a commencé à chercher nouvelle façon résolution de problème.

La méthode est basée sur l'étude du mouvement de gouttelettes d'huile chargées dans un champ électrique uniforme d'intensité connue E.

Figure 15.2 Schéma du montage expérimental : P - pulvérisateur goutte à goutte; K - condensateur; IP - alimentation électrique ; M-microscope ; hn est la source de rayonnement ; P - la surface de la table.

Un schéma d'une des installations de Millikan est présenté à la Figure 15.1. Millikan a mesuré la charge électrique concentrée sur de petites gouttelettes sphériques individuelles formées par le pulvérisateur P et a acquis une charge électrique par électrification par frottement contre les parois du pulvérisateur. À travers un petit trou dans la plaque supérieure du condensateur plat K, ils sont tombés dans l'espace entre les plaques. Le mouvement de la goutte a été observé au microscope par M.

Afin de protéger les gouttelettes des courants d'air de convection, le condenseur est enfermé dans une enveloppe de protection dont la température et la pression sont maintenues constantes. Lors de la réalisation d'expériences, les exigences suivantes doivent être respectées :

un. les gouttes doivent être de taille microscopique afin que les forces agissant sur la goutte dans différentes directions (haut et bas) soient comparables en amplitude ;

b. la charge de la goutte, ainsi que son évolution au cours de l'irradiation (à l'aide d'un ioniseur), étaient égales à un nombre assez restreint de charges élémentaires. Ceci permet d'établir plus facilement la multiplicité de la charge de la goutte à la charge élémentaire ;

dans. la densité de la goutte r doit être supérieure à la densité du milieu visqueux r 0 dans lequel elle évolue (air) ;

d) La masse de la goutte ne doit pas changer pendant toute la durée de l'expérience. Pour ce faire, l'huile qui compose la goutte ne doit pas s'évaporer (l'huile s'évapore beaucoup plus lentement que l'eau).

Si les plaques du condensateur n'étaient pas chargées (intensité du champ électrique E = 0), la goutte tombait lentement, passant de la plaque supérieure à la plaque inférieure. Dès que les armatures du condensateur étaient chargées, des changements se produisaient dans le mouvement de la goutte : dans le cas d'une charge négative sur la goutte et d'une charge positive sur l'armature supérieure du condensateur, la chute de la goutte ralentissait, et à à un moment donné, il a changé la direction du mouvement dans le sens opposé - il a commencé à s'élever vers la plaque supérieure.

Détermination de la charge élémentaire au moyen d'une expérience informatique.

Connaître le taux de chute de la goutte en l'absence champ électrostatique(sa charge ne jouait pas de rôle) et la vitesse de chute de la goutte dans un champ électrostatique donné et connu, Millikan pouvait calculer la charge de la goutte.

En raison de la résistance visqueuse, la goutte acquiert une vitesse constante (stable) presque immédiatement après le début du mouvement (ou un changement des conditions de mouvement) et se déplace de manière uniforme. À cause de ce un= 0, et la vitesse de la goutte peut être trouvée. On note le module de la vitesse stationnaire en l'absence de champ électrostatique - v g , alors :

v g = (m – m 0) g/k (16,5).

Si vous fermez le circuit électrique du condensateur (Fig. 1), il sera chargé et un champ électrostatique y sera créé E. Dans ce cas, la charge sera soumise à une force supplémentaire q E pointant vers le haut. La loi de Newton dans la projection sur l'axe X et en tenant compte que a = 0, prendra la forme :

-(m – m0) g + q E – k vE = 0 (16.6)

vE = (qE – (m – m0) g/k (16.7),

où vE est la vitesse constante de la goutte d'huile dans le champ électrostatique du condensateur ; v E > 0 si la goutte se déplace vers le haut, v E< 0, если капля движется вниз. Отсюда следует что

q = (vE + |vg|)k/E (16.8),

il s'ensuit qu'en mesurant les vitesses en régime permanent en l'absence d'un champ électrostatique vg et en sa présence vE, on peut déterminer la charge d'une goutte si le coefficient k = 6 p h r est connu.

Il semblerait que pour trouver k, il suffise de mesurer le rayon de la goutte (la viscosité de l'air est connue par d'autres expériences). Cependant, sa mesure directe avec un microscope est impossible. Le rayon de la goutte est de l'ordre de grandeur r = 10 -4 – 10 -6 cm, ce qui est comparable en ordre de grandeur à la longueur d'onde de la lumière. Le microscope ne donne donc qu'une image de diffraction de la goutte, ne permettant pas de mesurer ses dimensions réelles.

Des informations sur le rayon de la goutte peuvent être obtenues à partir de données expérimentales sur son mouvement en l'absence de champ électrostatique. Connaissant v g et tenant compte du fait que

m - m 0 \u003d (r - r 0) 4 p r 3 / 3 (16,9),

où r est la densité de la goutte d'huile,

r = ((9 h v g)/) 1/2 . (16.10).

Dans ses expériences, Millikan a changé la charge de la goutte en apportant un morceau de radium à un condensateur. Dans ce cas, le rayonnement du radium ionisait l'air de la chambre (Fig. 1), ce qui permettait à la goutte de capter une charge positive ou négative supplémentaire. Si auparavant la goutte était chargée négativement, il est clair qu'elle est plus susceptible de se fixer des ions positifs. D'autre part, en raison de mouvement thermique l'ajout d'ions négatifs à la suite d'une collision avec eux n'est pas exclu. Dans les deux cas, la charge de la goutte changera et - brusquement - la vitesse de son mouvement v E ". La valeur q" de la charge modifiée de la goutte conformément à (16.10) est donnée par la relation:

q" = (|v g | + v E ") k/E (16.11).

A partir de (1) et (3) on détermine la valeur de la charge attachée à la goutte :

Dq = |q – q"| = k·|v E – v E "|/E = k·(|Dv E |/E) (16.12).

En comparant les valeurs de charge d'une même goutte, on pourrait s'assurer que le changement de charge et la charge de la goutte elle-même sont des multiples de la même valeur e 0 - la charge élémentaire.Dans ses nombreuses expériences, Milliken a obtenu diverses significations charges q et q", mais elles représentaient toujours un multiple de e 0 = 1,7 . 10 -19 Cl, soit q = n e 0 , où n est un nombre entier. De cela, Millikan en a conclu que la valeur de e 0 représente la plus petite quantité d'électricité possible dans la nature, c'est-à-dire une "portion", ou un atome d'électricité. Observation du mouvement d'une même goutte, c'est-à-dire pour son mouvement vers le bas (en l'absence d'un champ électrique) et vers le haut (en présence d'un champ électrique) dans chaque expérience, Millikan a répété plusieurs fois, activant et désactivant le champ électrique en temps opportun. La précision de la mesure de la charge d'une goutte dépend essentiellement de la précision de la mesure de sa vitesse.

Ayant établi par expérience la nature discrète du changement de charge électrique, R. Milliken a pu confirmer l'existence d'électrons et déterminer la charge d'un électron (charge élémentaire) en utilisant la méthode de la goutte d'huile.

Sens moderne"atome" d'électricité e 0 = 1,602 . 10 -19 C. Cette valeur est la charge électrique élémentaire dont les porteurs sont l'électron e 0 = - 1,602 . 10 -19 C et proton e 0 = +1,602 . 10 -19 C. Les travaux de Millikan ont apporté une énorme contribution à la physique et ont donné une formidable impulsion au développement de la pensée scientifique à l'avenir.

question test:

1. Quelle est l'essence de la méthode Thomson ?

2. Schéma de configuration expérimentale ?

3. Tube Thomson ?

4. Dérivation de la formule du rapport de la charge à la masse d'une particule ?

5. Quelle est la tâche principale de l'optique électronique et ionique ? Et comment les appelle-t-on généralement ?

6. Quand la "méthode de focalisation magnétique" a-t-elle été découverte ?

7. Quelle est son essence ?

8. Comment la charge spécifique d'un électron est-elle déterminée ?

9. Dessiner un schéma de l'installation selon l'expérience de Millikan ?

10. Quelles exigences doivent être respectées lors de la réalisation de l'expérience ?

11. Détermination de la charge élémentaire par une expérience informatique ?

12. Dérivation de la formule de charge de chute en termes de taux de chute ?

13. Quelle est la signification moderne de "l'atome" d'électricité ?

Détails Catégorie : Électricité et magnétisme Publié le 06/08/2015 05:51 Vues : 5425

L'une des constantes fondamentales de la physique est la charge électrique élémentaire. ce scalaire caractérisant la capacité des corps physiques à participer à l'interaction électromagnétique.

La charge électrique élémentaire est considérée comme la plus petite charge positive ou négative indivisible. Sa valeur est égale à la valeur de la charge de l'électron.

Le fait que toute charge électrique naturelle soit toujours égale à un nombre entier de charges élémentaires a été suggéré en 1752 par le célèbre homme politique Benjamin Franklin, homme politique et diplomate également engagé dans des activités scientifiques et inventives, le premier Américain à devenir membre de Académie russe Les sciences.

Benjamin Franklin

Si l'hypothèse de Franklin est correcte et que la charge électrique de tout corps chargé ou système de corps est constituée d'un nombre entier de charges élémentaires, alors cette charge peut changer brusquement d'une valeur contenant un nombre entier de charges d'électrons.

Pour la première fois, cela a été confirmé et déterminé assez précisément par un scientifique américain, professeur à l'Université de Chicago, Robert Milliken.

Expérience Millikan

Schéma de l'expérience Millikan

Millikan a fait sa première expérience célèbre de goutte d'huile en 1909 avec son assistant Harvey Fletcher. Ils disent qu'au début, ils avaient prévu de faire l'expérience à l'aide de gouttes d'eau, mais elles se sont évaporées en quelques secondes, ce qui n'était clairement pas suffisant pour obtenir un résultat. Puis Milliken a envoyé Fletcher à la pharmacie, où il a acheté un flacon pulvérisateur et un flacon d'huile de montre. C'était suffisant pour que l'expérience soit un succès. Par la suite, Millikan a reçu pour lui prix Nobel, et le doctorat de Fletcher.

Robert Milliken

Harvey Flecher

Quelle était l'expérience Millikan ?

Une gouttelette d'huile électrifiée tombe sous l'effet de la gravité entre deux plaques métalliques. Mais si un champ électrique est créé entre eux, il empêchera la goutte de tomber. En mesurant l'intensité du champ électrique, on peut déterminer la charge de la goutte.

Les expérimentateurs ont placé deux plaques métalliques du condensateur à l'intérieur du récipient. Les plus petites gouttelettes d'huile y étaient introduites à l'aide d'un pistolet pulvérisateur, qui étaient chargées négativement lors de la pulvérisation en raison de leur frottement contre l'air.

En l'absence de champ électrique, la goutte tombe

Sous l'action de la gravité F w = mg, les gouttelettes ont commencé à tomber. Mais comme ils n'étaient pas dans le vide, mais dans un milieu, la force de la résistance de l'air les empêchait de tomber librement Fres = 6πη rv 0 , où η est la viscosité de l'air. Lorsque Fw et F res équilibré, la chute est devenue uniforme avec une vitesse v0 . En mesurant cette vitesse, le scientifique a déterminé le rayon de la goutte.

Une goutte "flotte" sous l'influence d'un champ électrique

Si au moment où la goutte tombait, une tension était appliquée aux plaques de manière à ce que la plaque supérieure reçoive une charge positive et la inférieure une charge négative, la chute s'arrêtait. Il a été empêché par le champ électrique émergent. Les gouttes semblaient flotter. Cela s'est produit lorsque le pouvoir F r équilibré par la force agissant du champ électrique F r = eE ,

où F r- la force de gravité résultante et la force d'Archimède.

F r = 4/3 pr 3 ( ρ – ρ 0) g

ρ est la densité de la goutte d'huile ;

ρ 0 – densité de l'air.

r est le rayon de la goutte.

Connaissance F r et E , il est possible de déterminer la valeur e .

Comme il était très difficile de s'assurer que la goutte restait stationnaire pendant longtemps, Milliken et Fletcher ont créé un champ dans lequel la goutte, après s'être arrêtée, a commencé à se déplacer vers le haut à une vitesse très faible. v . Dans ce cas

Les expériences ont été répétées plusieurs fois. Les charges ont été conférées aux gouttelettes en les irradiant avec un appareil à rayons X ou ultraviolet. Mais à chaque fois la charge totale de la goutte était toujours égale à plusieurs charges élémentaires.

En 1911, Milliken découvrit que la charge d'un électron était de 1,5924(17) x 10 -19 C. Le scientifique s'est trompé de seulement 1 %. Sa valeur moderne est de 1,602176487 (10) x 10 -19 C.

Expérience Ioffe

Abram Fedorovitch Ioffe

Il faut dire que presque simultanément avec Millikan, mais indépendamment de lui, de telles expériences ont été menées par le physicien russe Abram Fedorovich Ioffe. Et sa configuration expérimentale était similaire à celle de Millikan. Mais l'air a été pompé hors du récipient et un vide y a été créé. Et au lieu de gouttelettes d'huile, Ioffe a utilisé de petites particules chargées de zinc. Leur mouvement a été observé au microscope.

Installation Ioffe

1- un tube

2 caméras

3 - plaques métalliques

4 - microscope

5 - émetteur ultraviolet

Sous l'action d'un champ électrostatique, un grain de zinc a fait une chute. Dès que la gravité du grain de poussière est devenue égale à la force agissant sur lui à partir du champ électrique, la chute s'est arrêtée. Tant que la charge de la particule de poussière ne changeait pas, elle restait immobile. Mais s'il était exposé à la lumière ultraviolette, sa charge diminuait et l'équilibre était perturbé. Elle a recommencé à tomber. Ensuite, la quantité de charge sur les plaques a été augmentée. En conséquence, le champ électrique a augmenté et la chute s'est de nouveau arrêtée. Cela a été fait plusieurs fois. En conséquence, il a été constaté qu'à chaque fois la charge d'une particule de poussière changeait d'un multiple de la charge d'une particule élémentaire.

Ioffe n'a pas calculé l'ampleur de la charge de cette particule. Mais, après avoir mené une expérience similaire en 1925, avec le physicien N.I. Dobronravov, ayant légèrement modifié l'usine pilote et utilisant des particules de poussière de bismuth au lieu de zinc, il a confirmé la théorie