Entro l'inizio del XX secolo. l'esistenza degli elettroni è stata stabilita in una serie di esperimenti indipendenti. Ma, nonostante il vasto materiale sperimentale accumulato dai vari scuole scientifiche, l'elettrone è rimasto, a rigor di termini, un'ipotetica particella. Il motivo è che non c'è stato un solo esperimento a cui avrebbero partecipato singoli elettroni.
In primo luogo, gli elettroni sono apparsi come un'ipotesi conveniente per spiegare le leggi dell'elettrolisi, poi sono stati scoperti in una scarica di gas, che ha confermato la loro esistenza in tutti i corpi. Tuttavia, non era chiaro se la fisica avesse a che fare con lo stesso elettrone, lo stesso per tutte le sostanze e i corpi, o se le proprietà di un elettrone fossero caratteristiche medie di un'ampia varietà di "fratelli di elettroni".

Per rispondere a questa domanda nel 1910-1911, lo scienziato americano Robert Andrews Milliken e il fisico sovietico Abram Fedorovich Ioffe fecero indipendentemente esperimenti precisi, in cui è stato possibile osservare singoli elettroni.
Nei loro esperimenti, in un recipiente chiuso 1, l'aria da cui era stata evacuata da una pompa ad alto vuoto, c'erano due posizionati orizzontalmente lastre di metallo 2. Una nuvola di particelle di polvere metallica carica o goccioline di olio è stata collocata tra di loro attraverso il tubo 3. Sono stati osservati al microscopio 4 con una scala speciale, che ha permesso di osservare il loro assestamento (caduta) verso il basso.
Assumiamo che particelle di polvere o goccioline siano state caricate negativamente prima di essere poste tra le piastre. Pertanto, il loro assestamento (caduta) può essere interrotto se la piastra inferiore è caricata negativamente e quella superiore positivamente. Così hanno fatto, raggiungendo l'equilibrio di una particella di polvere (gocciolina), che è stata osservata al microscopio.


Quindi la carica delle particelle di polvere (goccioline) è stata ridotta agendo su di esse con raggi ultravioletti o raggi X. Le particelle di polvere (goccioline) iniziarono a cadere, poiché la forza elettrica di supporto diminuiva. Informando le piastre metalliche una carica aggiuntiva e quindi rafforzandole campo elettrico, la particella di polvere è stata nuovamente fermata. Questo è stato fatto più volte, ogni volta utilizzando una formula speciale per calcolare la carica delle particelle di polvere.
Gli esperimenti di Millikan e Ioffe hanno mostrato che le cariche di gocce e particelle di polvere cambiano sempre gradualmente. La "porzione" minima di carica elettrica è elementare carica elettrica, uguale a e = 1,6 10-19 C. Tuttavia, la carica di un granello di polvere non parte da sola, ma insieme a una particella di materia. Di conseguenza, in natura esiste una tale particella di materia che ha la carica più piccola, quindi già indivisibile: la carica di un elettrone. Grazie agli esperimenti Ioffe-Milliken, l'esistenza dell'elettrone si è trasformata da ipotesi in un fatto scientificamente confermato.
Attualmente, ci sono informazioni sull'esistenza particelle elementari(quark) con cariche elettriche frazionarie pari a 1/Ze e 2/Ze. Tuttavia, la carica elettrica di qualsiasi corpo è sempre un multiplo intero della carica elettrica elementare; altre "porzioni" di carica elettrica, in grado di passare da un corpo all'altro, non sono ancora state rilevate sperimentalmente in natura.

Esperienza Millikan- esperienza di misurazione carica elettrica elementare(caricare elettrone) eseguito Robert Milliken e Harvey Fletcher(Inglese) russo nel 1909 .

L'idea dell'esperimento è di trovare un equilibrio tra gravità, Attira la forza e repulsione elettrica. Controllando la potenza del campo elettrico, Milliken e Fletcher hanno mantenuto piccole goccioline d'olio equilibrio meccanico. Ripetendo l'esperimento per diverse gocce, gli scienziati hanno confermato che la carica totale della goccia è composta da diverse cariche elementari. Il valore della carica dell'elettrone nell'esperimento del 1911 si è rivelato uguale a cl, che differisce dell'1% dal valore attuale in Cl.

Prerequisiti

Nel 1913 Professore Università di Chicago R. Milliken co-autorialità con H. Fletcher ha pubblicato una bozza della loro esperienza.

In questo esperimento è stata misurata l'intensità del campo elettrico, che può trattenere una goccia di olio carica tra due elettrodi. La carica della goccia è stata misurata dal valore di questo campo. Le gocce stesse sono state elettrificate durante la spruzzatura. In tempi di esperienza non era ovvia l'esistenza particelle subatomiche, e la maggior parte dei fenomeni fisici [ che cosa? ] potrebbe essere spiegato supponendo che l'addebito sia una quantità in continua evoluzione.

Cosiddetto carica elementare e è uno dei fondamentali costanti fisiche e conoscerlo valore esatto molto importante. Nel 1923 Millikan ricevette premio Nobel su fisica in parte per questo esperimento.

Descrizione dell'esperienza

Nello spazio tra due piastre energizzate (in un condensatore), Millikan ha iniettato minuscole gocce di olio cariche, che potrebbero essere stazionarie in un determinato campo elettrico. L'equilibrio è arrivato nella condizione , dove

Le forze di gravità risultanti e le forze di Archimede;

, dove a sua volta

Densità di una goccia d'olio;

Il suo raggio nell'ipotesi che la goccia sia sferica;

Densità dell'aria

Da queste formule, conoscere e, possiamo trovare. Per determinare il raggio della goccia, abbiamo misurato la velocità di caduta uniforme della goccia in assenza di un campo, poiché moto uniforme si stabilisce quando la forza di gravità è bilanciata dalla forza di resistenza dell'aria, dove è la viscosità dell'aria.

Era difficile correggere l'immobilità della caduta in quel momento, quindi, invece di un campo che soddisfacesse la condizione, è stato utilizzato un campo, sotto l'influenza del quale la goccia ha iniziato a muoversi verso l'alto a bassa velocità. Ovviamente, se la velocità di salita è uguale, allora

Nel corso dell'esperienza, fatto importante: tutti i valori ottenuti da Millikan si sono rivelati multipli dello stesso valore. Pertanto, è stato dimostrato sperimentalmente che la carica è una quantità discreta.

Preparato da uno studente di grado 11-A KOSH n. 125 Konovalova Kristina

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L'esperienza di Ioffe - Millikan Abram Fedorovich Ioffe Robert AndrewsMilliken

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Esperienza Ioffe-Milliken

Entro la fine del 19° secolo, in una serie di esperimenti molto diversi, è stato stabilito che esiste un certo portatore di carica negativa, che è stato chiamato elettrone. Tuttavia, questa era in realtà un'unità ipotetica, poiché, nonostante l'abbondanza materiale pratico, non è stato effettuato un solo esperimento che coinvolga un singolo elettrone. Non si sapeva se esistessero varietà di elettroni per sostanze diverse oppure è sempre lo stesso, quale carica trasporta l'elettrone, se la carica può esistere separatamente dalla particella. In generale, ci sono stati accesi dibattiti sull'elettrone nella comunità scientifica e non c'erano basi pratiche sufficienti che avrebbero fermato inequivocabilmente tutti i dibattiti.

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La figura mostra uno schema dell'impianto utilizzato nell'esperimento di A. F. Ioffe. In un recipiente chiuso, l'aria da cui veniva evacuata in alto vuoto, c'erano due piastre metalliche P, disposte orizzontalmente. Dalla camera A attraverso il foro O nello spazio tra le piastre sono arrivate piccole particelle di polvere carica di zinco. Queste particelle di polvere sono state osservate al microscopio.

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Quindi, le particelle di polvere cariche e le goccioline nel vuoto cadranno dalla piastra superiore verso il basso, ma questo processo può essere interrotto se la piastra superiore è caricata positivamente e la piastra inferiore è caricata negativamente. Il campo elettrico risultante agirà dalle forze di Coulomb sulle particelle cariche, impedendo loro di cadere. Regolando la quantità di carica, hanno assicurato che le particelle di polvere si librassero nel mezzo tra le piastre. Successivamente, la carica di particelle o gocce di polvere è stata ridotta irradiandole con raggi X o luce ultravioletta. Perdendo la carica, le particelle di polvere hanno ricominciato a cadere, sono state nuovamente fermate regolando la carica delle piastre. Questo processo è stato ripetuto più volte, calcolando la carica di gocce e particelle di polvere utilizzando formule speciali. Come risultato di questi studi, è stato possibile stabilire che la carica dei granelli di polvere o delle gocce cambiava sempre a salti, di un valore rigorosamente definito, o di una dimensione che è un multiplo di tale valore.

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Abram Fedorovich Ioffe

Abram Fedorovich Ioffe è un fisico russo che ha fatto molte scoperte fondamentali e condotto un'enorme quantità di ricerche, anche nel campo dell'elettronica. Ha condotto ricerche sulle proprietà dei materiali semiconduttori, ha scoperto la proprietà rettificante della transizione metallo-dielettrico, che è stata poi spiegata utilizzando la teoria dell'effetto tunnel, ha suggerito la possibilità di convertire la luce in elettricità.

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Abram Fedorovich è nato il 14 ottobre 1980 nella città di Romny, provincia di Poltava (ora regione di Poltava, Ucraina) nella famiglia di un mercante. Poiché il padre di Abramo era un uomo abbastanza ricco, non era avaro di dare una buona educazione a suo figlio. Nel 1897 Ioffe ricevette gli studi secondari in una vera scuola nella sua città natale. Nel 1902 si laureò a San Pietroburgo istituto tecnologico ed è entrato all'Università di Monaco di Baviera in Germania. A Monaco lavora sotto la direzione dello stesso Wilhelm Conrad Roentgen. Wilhelm Conrad, vedendo la diligenza e non comunque quale talento dello studente, sta cercando di convincere Abram a rimanere a Monaco e continuare attività scientifica, ma Ioffe si è rivelato un patriota del suo paese. Dopo la laurea all'università nel 1906, dopo aver ricevuto livello PhD, torna in Russia.

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In Russia, Ioffe trova lavoro al Politecnico. Nel 1911, determina sperimentalmente l'entità della carica dell'elettrone usando lo stesso metodo di Robert Milliken (le particelle di metallo erano bilanciate nei campi elettrici e gravitazionali). A causa del fatto che Ioffe pubblicò il suo lavoro solo due anni dopo, la gloria di scoprire la misurazione della carica dell'elettrone andò al fisico americano. Oltre a determinare la carica, Ioffe ha dimostrato la realtà dell'esistenza degli elettroni indipendentemente dalla materia, indagata azione magnetica flusso di elettroni, ha dimostrato la natura statica dell'emissione di elettroni con effetto fotoelettrico esterno.

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Nel 1913 Abram Fedorovich difese il suo master e due anni dopo la sua tesi di dottorato in fisica, che era lo studio delle proprietà elastiche ed elettriche del quarzo. Nel periodo dal 1916 al 1923 studiò attivamente il meccanismo conduttività elettrica vari cristalli. Nel 1923, su iniziativa di Ioffe, iniziò la ricerca fondamentale e lo studio delle proprietà dei materiali che all'epoca erano completamente nuovi: i semiconduttori. Il primo lavoro in quest'area è stato svolto con la partecipazione diretta di un fisico russo e ha riguardato l'analisi fenomeni elettrici tra semiconduttore e metallo. Ha scoperto la proprietà rettificante della transizione metallo-semiconduttore, che è stata confermata solo 40 anni dopo utilizzando la teoria dell'effetto tunnel.

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Indagando sull'effetto fotoelettrico nei semiconduttori, Ioffe espresse a quel tempo un'idea piuttosto audace che sarebbe stato possibile convertire l'energia luminosa in corrente elettrica in un modo simile. Questo è diventato un prerequisito in futuro per la realizzazione di generatori fotovoltaici, ed in particolare convertitori al silicio, successivamente utilizzati nell'ambito di pannelli solari. Insieme ai suoi studenti, Abram Fedorovich crea un sistema per classificare i semiconduttori, nonché un metodo per determinare i loro principali circuiti elettrici e Proprietà fisiche. In particolare, lo studio delle loro proprietà termoelettriche è diventato successivamente la base per la realizzazione di frigoriferi termoelettrici a semiconduttore, ampiamente utilizzati in tutto il mondo nei campi della radioelettronica, della strumentazione e della biologia spaziale.

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Abram Fedorovich Ioffe ha dato un enorme contributo alla formazione e allo sviluppo della fisica e dell'elettronica. È stato membro di molte Accademie delle Scienze (Berlino e Goetingen, americana, italiana), nonché membro onorario di molte università del mondo. Ha ricevuto numerosi riconoscimenti per i suoi successi e ricerche. Abram Fedorovich morì il 14 ottobre 1960.

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Milliken Robert Andrus

Il fisico americano Robert Milliken nacque a Morrison (Illinois) il 22 marzo 1868 nella famiglia di un prete. Dopo la laurea Scuola superiore Robert entra all'Oberlin College in Ohio. Lì, i suoi interessi si concentrarono sulla matematica e sul greco antico. Per guadagnare soldi, ha insegnato fisica al college per due anni. 1891 Millikan ha conseguito la laurea e nel 1893 il master in fisica.

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Alla Columbia University, Milliken studiò sotto la guida del famoso fisico M.I. Pupin. Trascorse un'estate all'Università di Chicago, dove lavorò sotto il famoso fisico sperimentale Albert Abraham Michelson.

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Nel 1895 difese la sua tesi di dottorato alla Columbia University sullo studio della polarizzazione della luce. Milliken trascorse l'anno successivo in Europa, dove incontrò Henri Becquerel, Max Planck, Walter Nernst, A. Poincaré.

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1896 Millikan tornò all'Università di Chicago, dove divenne assistente di Michelson. Nei dodici anni successivi, Milliken scrisse diversi libri di testo di fisica che furono accettati come libri di testo per college e scuole superiori (con aggiunte, rimasero tali per oltre 50 anni). 1910 Millikan è nominato professore di fisica.

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Robert Millikan ha sviluppato il metodo della goccia, che ha permesso di misurare la carica di singoli elettroni e protoni (1910 - 1914) un gran numero di esperimenti sul calcolo esatto della carica elettronica. Dimostrò quindi sperimentalmente la discrezionalità della carica elettrica e per la prima volta ne determinò accuratamente il valore (4,774 * 10^-10 unità elettrostatiche). Verificata l'equazione di Einstein per l'effetto fotoelettrico nel visibile e raggi ultravioletti, determinò la costante di Planck (1914).

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1921 Milliken viene nominato direttore del nuovo Bridgesive Physical Laboratory e presidente del comitato esecutivo del California Institute of Technology. Qui eseguì una vasta serie di studi sui raggi cosmici, in particolare esperimenti (1921 - 1922) con covoni d'aria con elettroscopi ad autoregistrazione ad altitudini di 15.500 m.”.

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Nel periodo 1925-1927. Millikan ha dimostrato che l'effetto ionizzante delle radiazioni cosmiche diminuisce con la profondità e ha confermato l'origine extraterrestre di questi "raggi cosmici". Esplorando le traiettorie delle particelle cosmiche, ha rivelato in esse particelle alfa, elettroni veloci, protoni, neutroni, positroni e quanti gamma. Indipendentemente da Vernov, scoprì l'effetto latitudinale dei raggi cosmici nella stratosfera.

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L'idea della discrezione della carica elettrica fu espressa per la prima volta da B. Franklin nel 1752. Sperimentalmente, la discrezione delle cariche fu sostanziata dalle leggi dell'elettrolisi scoperte da M. Faraday nel 1834. Valore numerico carica elementare (la più piccola carica elettrica trovata in natura) è stata calcolata teoricamente in base alle leggi dell'elettrolisi utilizzando il numero di Avogadro. diretto misurazione sperimentale la carica elementare è stata eseguita da R. Millikan in esperimenti classici eseguiti nel 1908 - 1916. Questi esperimenti hanno anche fornito una prova inconfutabile atomismo dell'elettricità.

Secondo i concetti base della teoria elettronica, la carica di un corpo sorge come risultato di una variazione del numero di elettroni in esso contenuti (o ioni positivi, la cui carica è un multiplo della carica dell'elettrone). Pertanto, la carica di qualsiasi corpo deve cambiare bruscamente e in quelle porzioni che contengono un numero intero di cariche di elettroni.

Tutti i fisici erano interessati all'entità della carica elettrica dell'elettrone e, tuttavia, finora non è stato possibile misurarla. Molti tentativi di eseguire questa misurazione decisiva erano già stati fatti da J. J. Thomson, ma erano passati dieci anni di lavoro e l'assistente di Thomson, G. Wilson, riferì che dopo undici misurazioni diverse avevano ottenuto undici risultati diversi.

Prima di iniziare la ricerca secondo il proprio metodo, Millikan ha avviato esperimenti secondo il metodo utilizzato all'Università di Cambridge. La parte teorica dell'esperimento è stata la seguente: la massa del corpo è stata determinata misurando la pressione prodotta dal corpo sotto l'influenza della gravità sulla bilancia. Se a una particella infinitesimale di materia viene data una carica elettrica e se viene applicata una forza elettrica verso l'alto, uguale a forza gravità verso il basso, allora questa particella sarà in equilibrio e il fisico può calcolare l'intensità della carica elettrica. Se in questo caso viene impartita alla particella la carica elettrica di un elettrone, sarà possibile calcolare l'entità di tale carica.

La teoria di Cambridge era abbastanza logica, ma i fisici non potevano creare un dispositivo con il quale sarebbe possibile studiare singole particelle di sostanze. Dovevano accontentarsi di osservare il comportamento di una nuvola di gocce d'acqua cariche di elettricità. Nella camera, l'aria da cui era stata parzialmente rimossa, si creava una nuvola di vapore. La corrente è stata applicata alla parte superiore della camera. Attraverso certo tempo le goccioline di nebbia nella nuvola si calmarono. Quindi i raggi X sono stati fatti passare attraverso la nebbia e le gocce d'acqua hanno ricevuto una carica elettrica.

Allo stesso tempo, i ricercatori credevano che la forza elettrica diretta verso l'alto verso il coperchio della camera ad alta tensione avrebbe dovuto impedire la caduta delle gocce. Tuttavia, nessuno dei condizioni difficili, sotto il quale, e solo sotto il quale, le particelle potrebbero trovarsi in uno stato di equilibrio.

Milliken iniziò a cercare nuovo modo risoluzione dei problemi.

Il metodo si basa sullo studio del movimento di goccioline di olio cariche in un campo elettrico uniforme di intensità nota E.

Figura 15.2 Schema dell'impianto sperimentale: P - spruzzatore a goccia; K - condensatore; IP - alimentazione; M - microscopio; hn è la sorgente di radiazione; P - la superficie del tavolo.

Un diagramma di una delle installazioni di Millikan è mostrato nella Figura 15.1. Millikan ha misurato la carica elettrica concentrata su singole piccole goccioline sferiche che sono state formate dallo spruzzatore P e hanno acquisito una carica elettrica mediante elettrificazione per attrito contro le pareti dello spruzzatore. Attraverso un piccolo foro nella piastra superiore del condensatore piatto K, sono caduti nello spazio tra le piastre. Il movimento della goccia è stato osservato al microscopio da M.

Per proteggere le goccioline dai flussi d'aria di convezione, il condensatore è racchiuso in un involucro protettivo, la cui temperatura e pressione sono mantenute costanti. Quando si eseguono esperimenti, è necessario osservare i seguenti requisiti:

un. le gocce devono essere di dimensioni microscopiche in modo che le forze che agiscono sulla goccia in diverse direzioni (su e giù) siano di grandezza comparabile;

b. la carica della goccia, così come le sue variazioni durante l'irradiazione (mediante uno ionizzatore), erano pari a un numero abbastanza ridotto di cariche elementari. Ciò rende più facile stabilire la molteplicità della carica della goccia alla carica elementare;

in. la densità della goccia r deve essere maggiore della densità del mezzo viscoso r 0 in cui si muove (aria);

d. La massa della goccia non dovrebbe cambiare durante l'intero esperimento. Per fare questo, l'olio che compone la goccia non deve evaporare (l'olio evapora molto più lentamente dell'acqua).

Se le piastre del condensatore non erano cariche (intensità del campo elettrico E = 0), la caduta è caduta lentamente, spostandosi dalla piastra superiore a quella inferiore. Non appena le piastre del condensatore sono state caricate, si sono verificati cambiamenti nel movimento della goccia: nel caso di una carica negativa sulla goccia e di una carica positiva sulla piastra superiore del condensatore, la caduta della goccia è rallentata e a a un certo punto ha cambiato la direzione del movimento nell'opposto - ha iniziato a salire verso la piastra superiore.

Determinazione della carica elementare mediante un esperimento computazionale.

Conoscere il tasso di caduta della goccia in assenza campo elettrostatico(la sua carica non giocava un ruolo) e la velocità di caduta della goccia in un dato e noto campo elettrostatico, Millikan poteva calcolare la carica della goccia.

A causa della resistenza viscosa, la goccia acquisisce una velocità costante (costante) quasi immediatamente dopo l'inizio del movimento (o un cambiamento delle condizioni di movimento) e si muove in modo uniforme. A causa di ciò un= 0, e si può trovare la velocità della goccia. Indichiamo il modulo della velocità costante in assenza di un campo elettrostatico - v g , quindi:

v g = (m – m 0) g/k (16,5).

Se chiudi il circuito elettrico del condensatore (Fig. 1), verrà caricato e verrà creato un campo elettrostatico al suo interno e. In questo caso, l'addebito sarà agito da una forza aggiuntiva q e puntando verso l'alto. La legge di Newton nella proiezione sull'asse X e tenendo conto che a = 0, assumerà la forma:

-(m – m0) g + q E – k vE = 0 (16.6)

vE = (q E – (m – m0) g/k (16,7),

dove vE è la velocità costante della goccia d'olio nel campo elettrostatico del condensatore; v E > 0 se la goccia si sposta verso l'alto, v E< 0, если капля движется вниз. Отсюда следует что

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

ne consegue che misurando velocità stazionarie in assenza di un campo elettrostatico vg ed in sua presenza vE, si può determinare la carica di una goccia se è noto il coefficiente k = 6 p hr.

Sembrerebbe che per trovare k basti misurare il raggio della goccia (la viscosità dell'aria è nota da altri esperimenti). Tuttavia, la sua misurazione diretta al microscopio è impossibile. Il raggio di caduta è dell'ordine di grandezza r = 10 -4 – 10 -6 cm, che è paragonabile in ordine di grandezza alla lunghezza d'onda della luce. Pertanto, il microscopio fornisce solo un'immagine di diffrazione della goccia, non consentendo di misurarne la dimensione effettiva.

Informazioni sul raggio di caduta possono essere ottenute da dati sperimentali sul suo moto in assenza di un campo elettrostatico. Conoscere v g e tenerne conto

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

dove r è la densità della goccia d'olio,

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

Nei suoi esperimenti, Millikan ha cambiato la carica della goccia portando un pezzo di radio a un condensatore. In questo caso, la radiazione di radio ionizzava l'aria nella camera (Fig. 1), per cui la goccia poteva catturare una carica aggiuntiva positiva o negativa. Se prima la goccia era carica negativamente, allora è chiaro che è più probabile che leghi ioni positivi a se stessa. D'altra parte, a causa di moto termico non è esclusa l'aggiunta di ioni negativi a seguito di collisione con essi. In entrambi i casi cambierà la carica della goccia e - bruscamente - la velocità del suo movimento v E ". Il valore q" della carica modificata della goccia secondo (16.10) è dato dalla relazione:

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

Da (1) e (3) si determina il valore della carica attaccata alla gocciolina:

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

Confrontando i valori di carica della stessa goccia, ci si potrebbe accertare che la variazione di carica e la carica della goccia stessa siano multipli dello stesso valore e 0 - la carica elementare.Nei suoi numerosi esperimenti Milliken ottenne vari significati cariche q e q", ma rappresentavano sempre un multiplo di e 0 = 1,7 . 10 -19 Cl, ovvero q = n e 0 , dove n è un numero intero. Da ciò, Millikan ha concluso che il valore di e 0 rappresenta la più piccola quantità di elettricità possibile in natura, cioè una "porzione", o un atomo di elettricità. Osservazione del movimento della stessa goccia, cioè per il suo movimento verso il basso (in assenza di un campo elettrico) e verso l'alto (in presenza di un campo elettrico) in ogni esperimento, Millikan ha ripetuto molte volte, accendendo e spegnendo il campo elettrico in modo tempestivo. L'accuratezza della misurazione della carica di una goccia dipende essenzialmente dall'accuratezza della misurazione della sua velocità.

Avendo stabilito per esperienza la natura discreta della variazione della carica elettrica, R. Milliken è stato in grado di confermare l'esistenza degli elettroni e determinare la carica di un elettrone (carica elementare) utilizzando il metodo della goccia d'olio.

Significato moderno"atomo" di elettricità e 0 = 1.602 . 10 -19 C. Questo valore è la carica elettrica elementare, i cui portatori sono l'elettrone e 0 = - 1.602 . 10 -19 C e protone e 0 = +1.602 . 10 -19 C. Il lavoro di Millikan ha dato un enorme contributo alla fisica e ha dato un enorme impulso allo sviluppo del pensiero scientifico in futuro.

domande di prova:

1. Qual è l'essenza del metodo Thomson?

2. Schema di configurazione sperimentale?

3. Tubo Thomson?

4. Derivazione della formula per il rapporto tra la carica e la massa di una particella?

5. Qual è il compito principale dell'ottica elettronica e ionica? E come si chiamano di solito?

6. Quando è stato scoperto il "metodo di focalizzazione magnetica"?

7. Qual è la sua essenza?

8. Come viene determinata la carica specifica di un elettrone?

9. Disegnare un diagramma dell'installazione secondo l'esperienza di Millikan?

10. Quali requisiti devono essere osservati durante l'esecuzione dell'esperimento?

11. Determinazione della carica elementare attraverso un esperimento computazionale?

12. Derivazione della formula del drop charge in termini di drop fall rate?

13. Qual è il significato moderno di "atomo" di elettricità?

Dettagli Categoria: Elettricità e magnetismo Inserito il 06/08/2015 05:51 Visualizzazioni: 5425

Una delle costanti fondamentali in fisica è la carica elettrica elementare. Questo è scalare caratterizzare la capacità dei corpi fisici di prendere parte all'interazione elettromagnetica.

La carica elettrica elementare è considerata la più piccola carica positiva o negativa che non può essere divisa. Il suo valore è uguale al valore della carica dell'elettrone.

Il fatto che ogni carica elettrica presente in natura sia sempre uguale a un numero intero di cariche elementari fu suggerito nel 1752 dal famoso politico Benjamin Franklin, politico e diplomatico impegnato anche in attività scientifiche e creative, il primo americano che ne divenne membro di Accademia Russa Scienze.

Benjamin Franklin

Se l'ipotesi di Franklin è corretta e la carica elettrica di qualsiasi corpo o sistema di corpi caricato consiste in un numero intero di cariche elementari, allora questa carica può cambiare bruscamente di un valore contenente un numero intero di cariche di elettroni.

Per la prima volta, questo è stato confermato e determinato in modo abbastanza accurato da uno scienziato americano, un professore dell'Università di Chicago, Robert Milliken.

Esperienza Millikan

Schema dell'esperimento Millikan

Millikan fece il suo primo famoso esperimento di gocce d'olio nel 1909 con il suo assistente Harvey Fletcher. Dicono che all'inizio avevano pianificato di fare l'esperimento con l'aiuto di gocce d'acqua, ma sono evaporati in pochi secondi, il che chiaramente non è stato sufficiente per ottenere un risultato. Quindi Milliken mandò Fletcher in farmacia, dove comprò un flacone spray e una fiala di olio per orologi. Questo è stato sufficiente per rendere l'esperienza un successo. Successivamente, Millikan ha ricevuto per lui premio Nobel, e il dottorato di ricerca di Fletcher.

Robert Milliken

Harvey Fletcher

Qual è stato l'esperimento Millikan?

Una goccia d'olio elettrificata cade sotto l'influenza della gravità tra due piastre metalliche. Ma se si crea un campo elettrico tra di loro, impedirà alla goccia di cadere. Misurando l'intensità del campo elettrico, si può determinare la carica della goccia.

Gli sperimentatori hanno posizionato due piastre metalliche del condensatore all'interno del recipiente. Le più piccole goccioline di olio sono state introdotte lì con l'aiuto di una pistola a spruzzo, che durante la spruzzatura sono state caricate negativamente a causa del loro attrito contro l'aria.

In assenza di un campo elettrico, la gocciolina cade

Sotto l'azione della gravità F w = mg, le goccioline hanno cominciato a cadere. Ma poiché non erano nel vuoto, ma in un mezzo, la forza della resistenza dell'aria ha impedito loro di cadere liberamente Fres = 6πη rv 0 , dove η è la viscosità dell'aria. quando Fw e Fres equilibrato, la caduta divenne uniforme con una velocità v0 . Misurando questa velocità, lo scienziato ha determinato il raggio della caduta.

Una gocciolina "galleggia" sotto l'influenza di un campo elettrico

Se nel momento in cui la goccia cadeva, la tensione veniva applicata alle piastre in modo tale che la piastra superiore ricevesse una carica positiva e quella inferiore una negativa, la caduta si fermò. È stato impedito dal campo elettrico emergente. Le gocce sembravano galleggiare. Questo è successo quando il potere Fr bilanciato dalla forza che agisce dal campo elettrico F r = eE ,

dove Fr- la risultante forza di gravità e la forza di Archimede.

F r = 4/3 pr 3 ( ρ – ρ 0) g

ρ è la densità della goccia d'olio;

ρ 0 – densità dell'aria.

r è il raggio della goccia.

Conoscere Fr e e , è possibile determinare il valore e .

Poiché era molto difficile garantire che la goccia rimanesse ferma a lungo, Milliken e Fletcher hanno creato un campo in cui la goccia, dopo essersi fermata, ha iniziato a muoversi verso l'alto a velocità molto bassa. v . In questo caso

Gli esperimenti sono stati ripetuti molte volte. Le cariche sono state impartite alle goccioline irradiandole con un dispositivo a raggi X o ultravioletti. Ma ogni volta la carica totale della goccia era sempre uguale a più cariche elementari.

Nel 1911, Milliken scoprì che la carica di un elettrone è 1,5924(17) x 10 -19 C. Lo scienziato aveva torto solo dell'1%. Il suo valore moderno è 1.602176487 (10) x 10 -19 C.

Esperienza Ioffe

Abram Fedorovich Ioffe

Va detto che quasi contemporaneamente a Millikan, ma indipendentemente da lui, tali esperimenti furono condotti dal fisico russo Abram Fedorovich Ioffe. E la sua configurazione sperimentale era simile a quella di Millikan. Ma l'aria è stata pompata fuori dal recipiente e al suo interno è stato creato il vuoto. E invece di goccioline di olio, Ioffe usava piccole particelle cariche di zinco. Il loro movimento è stato osservato al microscopio.

Installazione Ioffe

1- un tubo

2 telecamere

3 - piastre di metallo

4 - microscopio

5 - emettitore di raggi ultravioletti

Sotto l'azione di un campo elettrostatico, un granello di zinco cadde. Non appena la gravità del granello di polvere è diventata uguale alla forza che agisce su di esso dal campo elettrico, la caduta si è interrotta. Finché la carica della particella di polvere non è cambiata, ha continuato a rimanere immobile. Ma se è stato esposto alla luce ultravioletta, la sua carica è diminuita e l'equilibrio è stato disturbato. Ha ricominciato a cadere. Quindi l'importo della carica sui piatti è stato aumentato. Di conseguenza, il campo elettrico aumentò e la caduta si fermò di nuovo. Questo è stato fatto più volte. Di conseguenza, si è riscontrato che ogni volta la carica di una particella di polvere cambiava di un multiplo della carica di una particella elementare.

Ioffe non ha calcolato l'entità della carica di questa particella. Ma, dopo aver condotto un esperimento simile nel 1925, insieme al fisico N.I. Dobronravov, dopo aver leggermente modificato l'impianto pilota e utilizzando particelle di polvere di bismuto al posto dello zinco, ha confermato la teoria