Līdz XX gadsimta sākumam. elektronu esamība ir noskaidrota vairākos neatkarīgos eksperimentos. Bet, neskatoties uz milzīgo eksperimentālo materiālu, ko uzkrājuši dažādi zinātniskās skolas, elektrons, stingri runājot, palika hipotētiska daļiņa. Iemesls ir tāds, ka nebija neviena eksperimenta, kurā piedalītos atsevišķi elektroni.
Vispirms elektroni parādījās kā ērta hipotēze elektrolīzes likumu skaidrošanai, pēc tam tie tika atklāti gāzizlādē, kas apstiprināja to esamību visos ķermeņos. Tomēr nebija skaidrs, vai fizika nodarbojas ar vienu un to pašu elektronu, vienādu visām vielām un ķermeņiem, vai arī elektronu īpašības ir dažādu "elektronu brāļu" vidējās īpašības.

Lai atbildētu uz šo jautājumu 1910.–1911. gadā, amerikāņu zinātnieks Roberts Endrjūss Millikens un padomju fiziķis Ābrams Fjodorovičs Jofs neatkarīgi veica precīzi eksperimenti, kurā bija iespējams novērot atsevišķus elektronus.
Viņu eksperimentos slēgtā traukā 1, no kura gaiss ar sūkni tika evakuēts augstā vakuumā, atradās divi horizontāli metāla plāksnes 2. Caur cauruli 3 starp tām tika ievietots uzlādētu metāla putekļu daļiņu vai eļļas pilienu mākonis. Tie tika novēroti mikroskopā 4 ar īpašu skalu, kas ļāva novērot to nosēšanos (krišanu).
Pieņemsim, ka putekļu daļiņas vai pilieni bija negatīvi uzlādēti pirms ievietošanas starp plāksnēm. Tāpēc to nosēdināšanu (krišanu) var apturēt, ja apakšējā plāksne ir negatīvi uzlādēta, bet augšējā - pozitīvi. Tā viņi arī izdarīja, panākot putekļu daļiņu (pilienu) līdzsvaru, ko novēroja mikroskopā.


Tad putekļu daļiņu (pilienu) lādiņš tika samazināts, iedarbojoties uz tām ar ultravioleto vai rentgenstari. Samazinoties atbalsta elektriskajam spēkam, sāka kristies putekļu daļiņas (pilieni). Informējot metāla plāksnes par papildu maksu un tādējādi stiprinot elektriskais lauks, putekļu daļiņa atkal tika apturēta. Tas tika darīts vairākas reizes, katru reizi izmantojot īpašu formulu, lai aprēķinātu putekļu daļiņu lādiņu.
Millikan un Ioffe eksperimenti parādīja, ka pilienu un putekļu daļiņu lādiņi vienmēr mainās pakāpeniski. Elektriskā lādiņa minimālā "daļa" ir elementāra elektriskais lādiņš, vienāds ar e = 1,6 10-19 C. Taču putekļu graudiņa lādiņš neiziet pats no sevis, bet kopā ar matērijas daļiņu. Līdz ar to dabā ir tāda matērijas daļiņa, kurai ir mazākais lādiņš, tad jau nedalāms - elektrona lādiņš. Pateicoties Ioffe-Milliken eksperimentiem, elektrona esamība no hipotēzes pārvērtās par zinātniski apstiprinātu faktu.
Šobrīd ir informācija par eksistenci elementārdaļiņas(kvarki) ar daļējiem elektriskajiem lādiņiem, kas vienādi ar 1/Ze un 2/Ze. Tomēr jebkura ķermeņa elektriskais lādiņš vienmēr ir elementārā elektriskā lādiņa vesels skaitlis; citas elektriskā lādiņa "daļas", kas spēj pāriet no viena ķermeņa uz otru, dabā vēl nav eksperimentāli atklātas.

Millikāna pieredze- mērījumu pieredze elementārais elektriskais lādiņš(maksa elektrons) veikts Roberts Millikens un Hārvijs Flečers(Angļu) krievu valoda 1909. gadā .

Eksperimenta ideja ir atrast līdzsvaru starp smagums, Stoksa spēks un elektriskā atgrūšana. Kontrolējot elektriskā lauka jaudu, Millikens un Flečers turēja iekšā mazus eļļas pilienus mehāniskais līdzsvars. Atkārtojot eksperimentu vairākiem pilieniem, zinātnieki apstiprināja, ka kopējo piliena lādiņu veido vairāki elementāri lādiņi. Elektronu lādiņa vērtība 1911. gada eksperimentā izrādījās vienāda ar kl, kas atšķiras par 1% no pašreizējās vērtības Cl.

Priekšnoteikumi

1913. gadā Profesors Čikāgas Universitāte R. Millikens līdzautorība kopā ar H. Flečeru publicēja savas pieredzes uzmetumu.

Šajā eksperimentā tika mērīts elektriskā lauka stiprums, kas spēj noturēt uzlādētu eļļas pilienu starp diviem elektrodiem. Piliena lādiņš tika mērīts no šī lauka vērtības. Paši pilieni izsmidzināšanas laikā tika elektrificēti. Pieredzes laikos eksistence nebija acīmredzama subatomiskās daļiņas, un lielākā daļa fizisko parādību [ kas? ] varētu izskaidrot, pieņemot, ka lādiņš ir nepārtraukti mainīgs lielums.

Tā saucamais elementārais lādiņš e ir viens no galvenajiem fiziskās konstantes un pazīt viņu precīza vērtībaļoti svarīgs. 1923. gadā Millikāns saņēma Nobela prēmija ieslēgts fizika daļēji šim eksperimentam.

Pieredzes apraksts

Telpā starp divām spriegumam pakļautām plāksnēm (kondensatorā) Millikans injicēja mazus lādētus eļļas pilienus, kas varētu būt nekustīgi noteiktā elektriskā laukā. Līdzsvars iestājās ar nosacījumu , kur

Rezultējošie gravitācijas spēki un Arhimēda spēki;

, kur savukārt

Eļļas piliena blīvums;

Tā rādiuss, pieņemot, ka piliens ir sfērisks;

Gaisa blīvums

No šīm formulām, zinot un, mēs varam atrast. Lai noteiktu pilienu rādiusu, mēs izmērījām piliena vienmērīgas krišanas ātrumu, ja nav lauka, jo vienmērīga kustība tiek noteikts, kad gravitācijas spēku līdzsvaro gaisa pretestības spēks, kur ir gaisa viskozitāte.

Piliena nekustīgumu tobrīd bija grūti fiksēt, tādēļ stāvoklim atbilstoša lauka vietā tika izmantots lauks, kura ietekmē piliens sāka kustēties uz augšu ar nelielu ātrumu. Acīmredzot, ja kāpuma ātrums ir vienāds, tad

Pieredzes gaitā, svarīgs fakts: visas Millikana iegūtās vērtības izrādījās vienas un tās pašas vērtības reizinātāji. Tādējādi eksperimentāli tika parādīts, ka lādiņš ir diskrēts lielums.

Sagatavoja 11-A klases skolniece KOSH Nr.125 Konovalova Kristīna

2. slaids

Džofa pieredze - Millikans Ābrams Fedorovičs Jofs Roberts Endrjūss Millikens

3. slaids

Ioffe-Milliken pieredze

Līdz 19. gadsimta beigām vairākos ļoti dažādos eksperimentos tika noskaidrots, ka pastāv zināms negatīva lādiņa nesējs, ko sauca par elektronu. Tomēr šī faktiski bija hipotētiska vienība, jo, neskatoties uz pārpilnību praktisks materiāls, nav veikts neviens eksperiments ar vienu elektronu. Nebija zināms, vai pastāv elektronu šķirnes dažādas vielas vai vienmēr ir viens un tas pats, kādu lādiņu nes elektrons, vai lādiņš var pastāvēt atsevišķi no daļiņas. Kopumā zinātnieku aprindās bija karstas diskusijas par elektronu, un nebija pietiekama praktiska pamata, kas viennozīmīgi apturētu visas debates.

4. slaids

Attēlā parādīta A. F. Ioffa eksperimentā izmantotās instalācijas shēma. Slēgtā traukā, no kura gaiss tika evakuēts augstā vakuumā, atradās divas metāla plāksnes P, kas novietotas horizontāli. No kameras A caur caurumu O telpā starp plāksnēm nokļuva nelielas lādētas cinka putekļu daļiņas. Šīs putekļu daļiņas tika novērotas mikroskopā.

5. slaids

Tātad, lādētas putekļu daļiņas un pilieni vakuumā nokritīs no augšējās plāksnes uz leju, taču šo procesu var apturēt, ja augšējā plāksne ir uzlādēta pozitīvi, bet apakšējā plāksne ir negatīvi uzlādēta. Iegūtais elektriskais lauks iedarbosies uz lādētām daļiņām ar Kulona spēkiem, neļaujot tām nokrist. Regulējot lādiņa apjomu, viņi nodrošināja, ka putekļu daļiņas lidinās vidū starp plāksnēm. Pēc tam putekļu daļiņu vai pilienu lādiņš tika samazināts, apstarojot tos ar rentgena stariem vai ultravioleto gaismu. Zaudējot lādiņu, putekļu daļiņas atkal sāka kristies, tās atkal tika apturētas, regulējot plākšņu lādiņu. Šis process tika atkārtots vairākas reizes, aprēķinot pilienu un putekļu daļiņu lādiņu, izmantojot īpašas formulas. Šo pētījumu rezultātā bija iespējams konstatēt, ka putekļu daļiņu vai pilienu lādiņš vienmēr mainījās lēcienā, pēc stingri noteiktas vērtības vai lieluma, kas ir šīs vērtības vairākkārtējs.

6. slaids

Ābrams Fedorovičs Jofs

Ābrams Fedorovičs Jofs ir krievu fiziķis, kurš veica daudzus fundamentālus atklājumus un veica milzīgu pētījumu apjomu, tostarp elektronikas jomā. Viņš veica pētījumus par pusvadītāju materiālu īpašībām, atklāja metāla-dielektriskās pārejas rektifikācijas īpašību, kas vēlāk tika izskaidrota, izmantojot tuneļa efekta teoriju, ierosināja iespēju pārvērst gaismu elektrība.

7. slaids

Ābrams Fedorovičs dzimis 1980. gada 14. oktobrī Poltavas provinces Romnijas pilsētā (tagad Poltavas apgabals, Ukraina) tirgotāja ģimenē. Tā kā Ābrama tēvs bija diezgan bagāts vīrs, viņš nebija skops ar ziedošanu laba izglītība savam dēlam. 1897. gadā Ioffe ieguva vidējo izglītību reālskolā savā dzimtajā pilsētā. 1902. gadā absolvējis Pēterburgu tehnoloģiskais institūts gadā un iestājās Minhenes Universitātē Vācijā. Minhenē viņš strādā paša Vilhelma Konrāda Rentgena vadībā. Vilhelms Konrāds, redzot skolēna centību un ne tik un tā talantu, mēģina pārliecināt Ābramu palikt Minhenē un turpināt zinātniskā darbība, bet Ioffe izrādījās savas valsts patriots. Pēc universitātes beigšanas 1906. gadā, saņemot grāds PhD, viņš atgriežas Krievijā.

8. slaids

Krievijā Ioffe iegūst darbu Politehniskajā institūtā. 1911. gadā viņš eksperimentāli nosaka elektronu lādiņa lielumu, izmantojot to pašu metodi kā Roberts Millikens (metāla daļiņas tika līdzsvarotas elektriskajos un gravitācijas laukos). Sakarā ar to, ka Ioffe savu darbu publicēja tikai divus gadus vēlāk, elektronu lādiņa mērījumu atklāšanas slava tika amerikāņu fiziķim. Papildus lādiņa noteikšanai Ioffe pierādīja elektronu pastāvēšanas realitāti neatkarīgi no matērijas, pētīja magnētiskā darbība elektronu plūsma, pierādīja elektronu emisijas statisko raksturu ar ārēju fotoelektrisku efektu.

9. slaids

1913. gadā Ābrams Fedorovičs aizstāvēja maģistra, bet divus gadus vēlāk doktora disertāciju fizikā, kas bija kvarca elastīgo un elektrisko īpašību izpēte. Laika posmā no 1916. līdz 1923. gadam viņš aktīvi pētīja mehānismu elektrovadītspēja dažādi kristāli. 1923. gadā pēc Ioffa iniciatīvas sākās tolaik pilnīgi jaunu materiālu - pusvadītāju - fundamentālie pētījumi un īpašību izpēte. Pirmais darbs šajā jomā tika veikts ar tiešu krievu fiziķa līdzdalību un attiecās uz analīzi elektriskās parādības starp pusvadītāju un metālu. Viņš atklāja metāla-pusvadītāju pārejas rektifikācijas īpašību, kas tika pamatota tikai 40 gadus vēlāk, izmantojot tuneļa efekta teoriju.

10. slaids

Pētot fotoelektrisko efektu pusvadītājos, Ioffe toreiz izteica visai drosmīgu domu, ka līdzīgā veidā būtu iespējams gaismas enerģiju pārvērst elektriskajā strāvā. Tas kļuva par priekšnoteikumu nākotnē, lai radītu fotoelektriskos ģeneratorus un jo īpaši silīcija pārveidotājus, kurus vēlāk izmantoja kā daļu no saules paneļi. Kopā ar saviem studentiem Ābrams Fedorovičs izveido sistēmu pusvadītāju klasificēšanai, kā arī metodi to galveno elektrisko un fizikālās īpašības. Jo īpaši to termoelektrisko īpašību izpēte kļuva par pamatu pusvadītāju termoelektrisko ledusskapju izveidei, ko plaši izmanto visā pasaulē radioelektronikas, instrumentu un kosmosa bioloģijas jomās.

11. slaids

Ābrams Fedorovičs Jofs sniedza milzīgu ieguldījumu fizikas un elektronikas veidošanā un attīstībā. Viņš bija daudzu Zinātņu akadēmiju biedrs (Berlīnes un Gētingenes, amerikāņu, itāļu), kā arī goda biedrs daudzās pasaules universitātēs. Viņš ir saņēmis neskaitāmas balvas par saviem sasniegumiem un pētījumiem. Ābrams Fjodorovičs nomira 1960. gada 14. oktobrī.

12. slaids

Millikens Roberts Andruss

Amerikāņu fiziķis Roberts Millikens dzimis Morisonā (Ilinoisā) 1868. gada 22. martā priestera ģimenē. Pēc absolvēšanas vidusskola Roberts iestājas Oberlinas koledžā Ohaio štatā. Tur viņa intereses bija vērstas uz matemātiku un seno grieķu valodu. Lai nopelnītu naudu, viņš divus gadus skaidroja fiziku koledžā. 1891. gadā Millikans ieguva bakalaura grādu un 1893. gadā maģistra grādu fizikā.

13. slaids

Kolumbijas universitātē Millikens mācījās slavenā fiziķa M. I. Pupina vadībā. Vienu vasaru viņš pavadīja Čikāgas Universitātē, kur strādāja pie slavenā eksperimentālā fiziķa Alberta Abrahama Miķelsona.

14. slaids

1895. gadā viņš Kolumbijas universitātē aizstāvēja doktora disertāciju par gaismas polarizācijas izpēti. Nākamo gadu Millikens pavadīja Eiropā, kur tikās ar Anrī Bekerelu, Maksu Planku, Valteru Nernstu, A. Puankarē.

15. slaids

1896 Millikans atgriezās Čikāgas Universitātē, kur kļuva par Miķelsona asistentu. Nākamo divpadsmit gadu laikā Millikens uzrakstīja vairākas fizikas mācību grāmatas, kuras tika pieņemtas kā mācību grāmatas koledžām un vidusskolām (ar papildinājumiem tās palika vairāk nekā 50 gadus). 1910 Millikans tika iecelts par fizikas profesoru.

16. slaids

Roberts Millikans izstrādāja pilienu metodi, kas ļāva izmērīt atsevišķu elektronu un protonu lādiņu (1910 - 1914) liels skaits Eksperimenti par precīzu elektronu lādiņa aprēķinu. Tādējādi viņš eksperimentāli pierādīja elektriskā lādiņa diskrētumu un pirmo reizi precīzi noteica tā vērtību (4,774 * 10^-10 elektrostatiskās vienības). Pārbaudīja Einšteina vienādojumu fotoelektriskajam efektam redzamajā un ultravioletie stari, noteica Planka konstanti (1914).

17. slaids

1921. gads Millikens tika iecelts par jaunās Bridgesive Physical Laboratory direktoru un Kalifornijas Tehnoloģiju institūta izpildkomitejas priekšsēdētāju. Šeit viņš veica lielu kosmisko staru pētījumu sēriju, jo īpaši eksperimentus (1921–1922) ar gaisa skrituļiem ar pašreģistrējošiem elektroskopiem 15 500 m augstumā.

18. slaids

Laikā 1925.-1927. Millikans pierādīja, ka kosmiskā starojuma jonizējošā iedarbība samazinās līdz ar dziļumu, un apstiprināja šo "kosmisko staru" ārpuszemes izcelsmi. Pētot kosmisko daļiņu trajektorijas, viņš atklāja tajos alfa daļiņas, ātros elektronus, protonus, neitronus, pozitronus un gamma kvantus. Neatkarīgi no Vernova viņš atklāja kosmisko staru platuma ietekmi stratosfērā.

Skatīt visus slaidus

Ideju par elektriskā lādiņa diskrētumu pirmo reizi izteica B. Franklins 1752. gadā. Eksperimentāli lādiņu diskrētumu pamatoja M. Faradeja 1834. gadā atklātie elektrolīzes likumi. Skaitliskā vērtība elementārais lādiņš (mazākais dabā sastopamais elektriskais lādiņš) teorētiski tika aprēķināts, balstoties uz elektrolīzes likumiem, izmantojot Avogadro skaitli. tiešā veidā eksperimentāls mērījums elementāro lādiņu veica R. Millikāns klasiskajos eksperimentos, kas veikti 1908. - 1916. gadā. Šie eksperimenti sniedza arī neapgāžamus pierādījumus elektrības atomisms.

Saskaņā ar elektroniskās teorijas pamatjēdzieniem ķermeņa lādiņš rodas tajā esošo elektronu skaita izmaiņu rezultātā (vai pozitīvo jonu, kuru lādiņš ir elektrona lādiņa daudzkārtnis). Tāpēc jebkura ķermeņa lādiņam ir jāmainās strauji un tādās daļās, kas satur veselu skaitu elektronu lādiņu.

Visus fiziķus interesēja elektrona elektriskā lādiņa lielums, un, neskatoties uz to, līdz šim to nav bijis iespējams izmērīt. Daudzus mēģinājumus veikt šo izšķirošo mērījumu jau bija veicis J. J. Tomsons, taču bija pagājuši desmit darba gadi, un Tomsona palīgs G. Vilsons ziņoja, ka pēc vienpadsmit dažādiem mērījumiem ir iegūti vienpadsmit dažādi rezultāti.

Pirms uzsākt pētījumus pēc savas metodes, Millikans veica eksperimentus pēc Kembridžas universitātē izmantotās metodes. Eksperimenta teorētiskā daļa bija šāda: ķermeņa masu noteica, mērot spiedienu, ko ķermenis rada gravitācijas ietekmē uz svariem. Ja bezgalīgi mazai vielas daļiņai tiek dots elektriskais lādiņš un tiek pielikts augšup vērsts elektriskais spēks, vienāds ar spēku lejupvērsta gravitācija, tad šī daļiņa būs līdzsvarā, un fiziķis var aprēķināt elektriskā lādiņa lielumu. Ja šajā gadījumā daļiņai tiek nodots viena elektrona elektriskais lādiņš, būs iespējams aprēķināt šī lādiņa lielumu.

Kembridžas teorija bija diezgan loģiska, taču fiziķi nevarēja izveidot ierīci, ar kuru būtu iespējams pētīt atsevišķas vielu daļiņas. Viņiem bija jāapmierinās ar elektrības uzlādētu ūdens pilienu mākoņa uzvedības novērošanu. Kamerā, no kuras daļēji tika izvadīts gaiss, izveidojās tvaika mākonis. Strāva tika pievadīta kameras augšpusē. Caur noteikts laiks miglas pilieni mākonī nomierinājās. Tad cauri miglai tika izlaisti rentgena stari, un ūdens pilieni saņēma elektrisko lādiņu.

Tajā pašā laikā pētnieki uzskatīja, ka elektriskajam spēkam, kas ir vērsts uz augšu uz kameras vāku zem augsta sprieguma, vajadzētu atturēt pilienus no krišanas. Tomēr neviens no grūti apstākļi, zem kura un tikai zem kuras daļiņas varētu atrasties līdzsvara stāvoklī.

Millikens sāka meklēt jauns veids problēmu risināšana.

Metodes pamatā ir lādētu eļļas pilienu kustības izpēte vienmērīgā zināmā stipruma E elektriskajā laukā.

15.2.attēls Eksperimentālās uzstādīšanas shēma: P - pilienu smidzinātājs; K - kondensators; IP - barošanas avots; M - mikroskops; hn ir starojuma avots; P - galda virsma.

Kādas Millikan instalācijas shēma ir parādīta 15.1. attēlā. Millikan mērīja elektrisko lādiņu, kas koncentrēts uz atsevišķiem maziem sfēriskiem pilieniem, ko veidoja smidzinātājs P, un ieguva elektrisko lādiņu, elektrificējoties ar berzi pret smidzinātāja sienām. Caur nelielu caurumu plakanā kondensatora K augšējā plāksnē tie iekrita telpā starp plāksnēm. Piliena kustību mikroskopā novēroja M.

Lai pasargātu pilienus no konvekcijas gaisa straumēm, kondensators ir ievietots aizsargapvalkā, kura temperatūra un spiediens tiek uzturēts nemainīgs. Veicot eksperimentus, jāievēro šādas prasības:

a. pilieniem jābūt mikroskopiskiem izmēriem, lai spēki, kas iedarbojas uz pilienu dažādos virzienos (augšup un lejup), būtu salīdzināmi pēc lieluma;

b. piliena lādiņš, kā arī tā izmaiņas apstarošanas laikā (izmantojot jonizatoru) bija vienādas ar diezgan nelielu elementāru lādiņu skaitu. Tādējādi ir vieglāk noteikt kritiena lādiņa daudzveidību līdz elementārlādiņam;

iekšā. piliena r blīvumam jābūt lielākam par viskozās vides blīvumu r 0, kurā tas kustas (gaiss);

d) Piliena masai nevajadzētu mainīties visa eksperimenta laikā. Lai to izdarītu, eļļa, kas veido pilienu, nedrīkst iztvaikot (eļļa iztvaiko daudz lēnāk nekā ūdens).

Ja kondensatora plāksnes nebija uzlādētas (elektriskā lauka stiprums E = 0), tad piliens lēnām krita, virzoties no augšējās plāksnes uz apakšējo. Tiklīdz kondensatora plāksnes tika uzlādētas, notika izmaiņas piliena kustībā: negatīva lādiņa gadījumā un pozitīva lādiņa gadījumā uz kondensatora augšējās plāksnes, piliena kritums palēninājās, un plkst. kādā brīdī tas mainīja kustības virzienu uz pretējo - sāka celties uz augšējo plāksni.

Elementārā lādiņa noteikšana ar skaitļošanas eksperimentu.

Zinot krituma ātrumu prombūtnes laikā elektrostatiskais lauks(tā lādiņam nebija nozīmes) un krituma krituma ātrumu noteiktā un zināmā elektrostatiskā laukā Millikan varēja aprēķināt krituma lādiņu.

Viskozās pretestības dēļ piliens iegūst nemainīgu (vienmērīgu) ātrumu gandrīz uzreiz pēc kustības sākuma (vai kustības apstākļu maiņas) un kustas vienmērīgi. Šī dēļ a= 0, un var atrast kritiena ātrumu. Mēs apzīmējam vienmērīgā ātruma moduli, ja nav elektrostatiskā lauka - v g , tad:

v g = (m – m 0) g/k (16,5).

Ja aizverat kondensatora elektrisko ķēdi (1. att.), tad tas tiks uzlādēts un tajā tiks izveidots elektrostatiskais lauks. E. Šajā gadījumā uz lādiņu iedarbosies papildu spēks q E norādot uz augšu. Ņūtona likums projekcijā uz X asi un, ņemot vērā, ka a = 0, iegūs šādu formu:

-(m – m0) g + q E – k vE = 0 (16,6)

vE = (q E – (m – m0) g/k (16,7),

kur vE ir vienmērīgs eļļas piliena ātrums kondensatora elektrostatiskajā laukā; v E > 0, ja piliens virzās uz augšu, v E< 0, если капля движется вниз. Отсюда следует что

q = (vE + |vg|)k/E (16,8),

no tā izriet, ka, mērot līdzsvara stāvokļa ātrumus, ja nav elektrostatiskā lauka vg un tā klātbūtnē vE, var noteikt piliena lādiņu, ja zināms koeficients k = 6 p h r.

Šķiet, ka, lai atrastu k, pietiek izmērīt piliena rādiusu (gaisa viskozitāte ir zināma no citiem eksperimentiem). Tomēr tā tieša mērīšana ar mikroskopu nav iespējama. Kritiena rādiuss ir r = 10 -4 – 10 -6 cm, kas pēc lieluma ir salīdzināms ar gaismas viļņa garumu. Tāpēc mikroskops sniedz tikai piliena difrakcijas attēlu, neļaujot izmērīt tā faktisko izmēru.

Informāciju par kritiena rādiusu var iegūt no eksperimentāliem datiem par tā kustību, ja nav elektrostatiskā lauka. Zinot v g un ņemot vērā to

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

kur r ir eļļas piliena blīvums,

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

Savos eksperimentos Millikans mainīja piliena lādiņu, kondensatorā ienesot rādija gabalu. Šajā gadījumā rādija starojums jonizēja gaisu kamerā (1. att.), kā rezultātā piliens varēja uztvert papildu pozitīvu vai negatīvu lādiņu. Ja pirms tam piliens bija negatīvi lādēts, tad skaidrs, ka tas, visticamāk, piesaistīs sev pozitīvos jonus. No otras puses, sakarā ar termiskā kustība nav izslēgta negatīvo jonu pievienošanās sadursmes rezultātā ar tiem. Abos gadījumos mainīsies piliena lādiņš un - pēkšņi - tā kustības ātrums v E ". Izmainītā kritiena lādiņa vērtību q" saskaņā ar (16.10) uzrāda sakarība:

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

No (1) un (3) nosaka pilienam pievienotā lādiņa vērtību:

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

Salīdzinot viena un tā paša piliena lādiņa vērtības, varētu pārliecināties, ka lādiņa izmaiņas un paša piliena lādiņš ir vienas un tās pašas vērtības e 0 - elementārā lādiņa - daudzkārtņi. Savos daudzajos eksperimentos Millikens ieguva dažādas nozīmes lādiņi q un q", bet tie vienmēr pārstāvēja e 0 = 1,7 daudzkārtni . 10 -19 Cl, t.i., q = n e 0, kur n ir vesels skaitlis. No tā Millikans secināja, ka vērtība e 0 atspoguļo mazāko iespējamo elektroenerģijas daudzumu dabā, tas ir, "daļiņu" vai elektrības atomu. Viena un tā paša piliena kustības novērošana, t.i. tā pārvietošanos uz leju (ja nav elektriskā lauka) un uz augšu (ja elektriskā lauka klātbūtnē) katrā eksperimentā Millikan atkārtoja daudzas reizes, laicīgi ieslēdzot un izslēdzot elektrisko lauku. Piliena lādiņa mērīšanas precizitāte būtībā ir atkarīga no tā ātruma mērīšanas precizitātes.

Pēc pieredzes konstatējis elektriskā lādiņa izmaiņu diskrēto raksturu, R. Millikens spēja apstiprināt elektronu esamību un noteikt viena elektrona lādiņu (elementārais lādiņš), izmantojot eļļas pilienu metodi.

Mūsdienu nozīme elektrības "atoms" e 0 = 1,602 . 10-19 C. Šī vērtība ir elementārais elektriskais lādiņš, kura nesēji ir elektrons e 0 = - 1,602 . 10 -19 C un protonu e 0 = +1,602 . 10-19 C. Millikana darbs sniedza milzīgu ieguldījumu fizikā un deva milzīgu impulsu zinātniskās domas attīstībai nākotnē.

testa jautājumi:

1. Kāda ir Tomsona metodes būtība?

2. Eksperimentālās uzstādīšanas shēma?

3. Thomson caurule?

4. Formulas atvasināšana daļiņas lādiņa attiecībai pret masu?

5. Kāds ir elektronu un jonu optikas galvenais uzdevums? Un kā tos parasti sauc?

6. Kad tika atklāta "magnētiskās fokusēšanas metode"?

7. Kāda ir tā būtība?

8. Kā tiek noteikts elektrona īpatnējais lādiņš?

9. Uzzīmējiet instalācijas shēmu pēc Millikana pieredzes?

10. Kādas prasības jāievēro, veicot eksperimentu?

11. Elementārā lādiņa noteikšana ar skaitļošanas eksperimentu?

12. Nokrišanas lādiņa formulas atvasināšana kritiena krituma ātruma izteiksmē?

13. Kāda ir elektroenerģijas "atoma" mūsdienu nozīme?

Detaļas Kategorija: Elektrība un magnētisms Ievietots 06/08/2015 05:51 Skatījumi: 5425

Viena no fizikas pamatkonstantēm ir elementārais elektriskais lādiņš. Tas ir skalārs kas raksturo fizisko ķermeņu spēju piedalīties elektromagnētiskajā mijiedarbībā.

Elementāro elektrisko lādiņu uzskata par mazāko pozitīvo vai negatīvo lādiņu, ko nevar sadalīt. Tā vērtība ir vienāda ar elektronu lādiņa vērtību.

To, ka jebkurš dabā sastopams elektriskais lādiņš vienmēr ir vienāds ar veselu elementāro lādiņu skaitu, 1752. gadā ierosināja slavenais politiķis Bendžamins Franklins, politiķis un diplomāts, kurš arī nodarbojās ar zinātnisku un izgudrojumu darbību, pirmais amerikānis, kurš kļuva par locekli. no Krievijas akadēmija Zinātnes.

Bendžamins Franklins

Ja Franklina pieņēmums ir pareizs un jebkura uzlādēta ķermeņa vai ķermeņu sistēmas elektriskais lādiņš sastāv no vesela skaita elementāru lādiņu, tad šis lādiņš var krasi mainīties par vērtību, kas satur veselu elektronu lādiņu skaitu.

Pirmo reizi to apstiprināja un diezgan precīzi noteica amerikāņu zinātnieks, Čikāgas universitātes profesors Roberts Millikens.

Millikāna pieredze

Millikana eksperimenta shēma

Millikans veica savu pirmo slaveno eļļas pilienu eksperimentu 1909. gadā kopā ar savu palīgu Hārviju Flečeru. Viņi stāsta, ka sākumā plānojuši eksperimentu veikt ar ūdens pilienu palīdzību, taču tie iztvaikojuši dažu sekunžu laikā, kas acīmredzami nebija pietiekami, lai iegūtu rezultātu. Tad Millikens nosūtīja Flečeru uz aptieku, kur viņš nopirka smidzināšanas pudeli un flakonu ar pulksteņu eļļu. Ar to pietika, lai pieredze būtu veiksmīga. Pēc tam Millikans saņēma par viņu Nobela prēmija, un Flečera doktora grādu.

Roberts Millikens

Hārvijs Flečers

Kas bija Millikana eksperiments?

Elektrificēts eļļas piliens gravitācijas ietekmē nokrīt starp divām metāla plāksnēm. Bet, ja starp tām tiek izveidots elektriskais lauks, tas neļaus pilienam nokrist. Mērot elektriskā lauka stiprumu, var noteikt kritiena lādiņu.

Eksperimenta veicēji ievietoja divas kondensatora metāla plāksnes trauka iekšpusē. Tur ar smidzināšanas pistoles palīdzību tika ievadīti mazākie eļļas pilieni, kas izsmidzināšanas laikā berzes rezultātā pret gaisu tika negatīvi uzlādēti.

Ja nav elektriskā lauka, piliens nokrīt

Smaguma spēka F w = mg ietekmē pilieni sāka krist uz leju. Bet tā kā tie atradās nevis vakuumā, bet vidē, tad gaisa pretestības spēks neļāva tiem brīvi krist Fres = 6πη rv 0 , kur η ir gaisa viskozitāte. Kad Fw un F res sabalansēts, kritiens kļuva vienmērīgs ar ātrumu v0 . Izmērot šo ātrumu, zinātnieks noteica kritiena rādiusu.

Elektriskā lauka ietekmē "peld" piliens

Ja brīdī, kad piliens nokrita, plāksnēm tika pielikts spriegums tā, ka augšējā plāksne saņēma pozitīvu lādiņu, bet apakšējā - negatīvu, piliens apstājās. Viņu neļāva radītais elektriskais lauks. Šķita, ka pilieni peld. Tas notika, kad jauda F r līdzsvarots ar spēku, kas iedarbojas no elektriskā lauka F r = eE ,

kur F r- rezultējošais gravitācijas spēks un Arhimēda spēks.

F r = 4/3 pr 3 ( ρ – ρ 0) g

ρ ir eļļas piliena blīvums;

ρ 0 – gaisa blīvums.

r ir kritiena rādiuss.

Zinot F r un E , ir iespējams noteikt vērtību e .

Tā kā bija ļoti grūti nodrošināt, lai piliens ilgstoši paliktu nekustīgs, Millikens un Flečers izveidoja lauku, kurā piliens pēc apstāšanās sāka virzīties uz augšu ar ļoti mazu ātrumu. v . Šajā gadījumā

Eksperimenti tika atkārtoti daudzkārt. Lādiņi tika pārnesti uz pilieniem, apstarojot tos ar rentgena vai ultravioleto ierīci. Bet katru reizi kopējais kritiena lādiņš vienmēr bija vienāds ar vairākiem elementārlādiņiem.

1911. gadā Millikens atklāja, ka elektrona lādiņš ir 1,5924(17) x 10 -19 C. Zinātnieks kļūdījās tikai par 1%. Tā mūsdienu vērtība ir 1,602176487 (10) x 10 -19 C.

Ioff pieredze

Ābrams Fedorovičs Jofs

Jāteic, ka gandrīz vienlaikus ar Millikanu, bet neatkarīgi no viņa, šādus eksperimentus veica krievu fiziķis Ābrams Fedorovičs Jofe. Un viņa eksperimentālais uzstādījums bija līdzīgs Millikanam. Bet no trauka tika izsūknēts gaiss, un tajā tika izveidots vakuums. Un eļļas pilienu vietā Ioffe izmantoja mazas lādētas cinka daļiņas. Viņu kustība tika novērota zem mikroskopa.

Ioff uzstādīšana

1- caurule

2-kamera

3 - metāla plāksnes

4 - mikroskops

5 - ultravioletais starotājs

Elektrostatiskā lauka iedarbībā nokrita cinka graudiņš. Tiklīdz putekļu graudu smagums kļuva vienāds ar spēku, kas uz to iedarbojas no elektriskā lauka, kritiens apstājās. Kamēr putekļu daļiņas lādiņš nemainījās, tā turpināja karāties nekustīgi. Bet, ja tas tika pakļauts ultravioletajai gaismai, tad tā lādiņš samazinājās, un līdzsvars tika izjaukts. Viņa atkal sāka krist. Pēc tam tika palielināts lādiņu daudzums uz plāksnēm. Attiecīgi palielinājās elektriskais lauks, un kritiens atkal apstājās. Tas tika darīts vairākas reizes. Rezultātā tika konstatēts, ka katru reizi putekļu daļiņas lādiņš mainījās par elementārdaļiņas lādiņa daudzkārtni.

Džofs nav aprēķinājis šīs daļiņas lādiņa lielumu. Bet, veicot līdzīgu eksperimentu 1925. gadā, kopā ar fiziķi N.I. Dobronravovs, nedaudz pārveidojis izmēģinājuma iekārtu un cinka vietā izmantojot bismuta putekļu daļiņas, viņš apstiprināja teoriju