I början av XX-talet. förekomsten av elektroner har fastställts i ett antal oberoende experiment. Men trots det stora experimentella material som samlats av olika vetenskapliga skolor, förblev elektronen strängt taget en hypotetisk partikel. Anledningen är att det inte fanns ett enda experiment där enstaka elektroner skulle delta.
Först dök elektroner upp som en bekväm hypotes för att förklara elektrolyslagarna, sedan upptäcktes de i en gasurladdning, vilket bekräftade deras existens i alla kroppar. Det var dock inte klart om fysiken har att göra med samma elektron, samma för alla ämnen och kroppar, eller om egenskaperna hos en elektron är genomsnittliga egenskaper hos en mängd olika "elektronbröder".

För att svara på denna fråga 1910-1911 gjorde den amerikanske vetenskapsmannen Robert Andrews Milliken och den sovjetiske fysikern Abram Fedorovich Ioffe oberoende exakta experiment, där det var möjligt att observera enstaka elektroner.
I deras experiment, i ett slutet kärl 1, varifrån luften evakuerades av en pump till ett högvakuum, fanns det två horisontellt placerade metallplattor 2. Ett moln av laddade metalldammpartiklar eller oljedroppar placerades mellan dem genom rör 3. De observerades under ett mikroskop 4 med en speciell skala, som gjorde det möjligt att observera hur de sätter sig (faller) ner.
Låt oss anta att dammpartiklar eller -droppar var negativt laddade innan de placerades mellan plattorna. Därför kan deras sedimentering (fall) stoppas om den nedre plattan laddas negativt och den övre positivt. Så gjorde de, och uppnådde jämvikten hos en dammpartikel (droppe), som observerades under ett mikroskop.


Då minskades laddningen av dammpartiklar (droppar) genom att verka på dem med ultraviolett eller röntgenstrålar. Dammpartiklar (droppar) började falla, eftersom den stödjande elektriska kraften minskade. Att informera metallplattorna en extra kostnad och därigenom stärka elektriskt fält, stoppades dammpartikeln igen. Detta gjordes flera gånger, varje gång med hjälp av en speciell formel för att beräkna laddningen av dammpartiklar.
Millikan och Ioffes experiment visade att laddningarna av droppar och dammpartiklar alltid förändras stegvis. Den minsta "delen" av elektrisk laddning är elementär elektrisk laddning, lika med e = 1,6 10-19 C. Laddningen av ett dammkorn lämnar dock inte av sig självt, utan tillsammans med en partikel av materia. Följaktligen finns det i naturen en sådan partikel av materia som har den minsta laddningen, då redan odelbar - laddningen av en elektron. Tack vare Ioffe-Milliken-experimenten förvandlades elektronens existens från en hypotes till ett vetenskapligt bekräftat faktum.
För närvarande finns information om existensen elementarpartiklar(kvarkar) med elektriska bråkladdningar lika med 1/Ze och 2/Ze. Emellertid är den elektriska laddningen för varje kropp alltid en heltalsmultipel av den elementära elektriska laddningen; andra "delar" av elektrisk laddning, som kan passera från en kropp till en annan, har ännu inte upptäckts experimentellt i naturen.

Millikan erfarenhet- erfarenhet av mätning elementär elektrisk laddning(avgift elektron) utförd Robert Milliken och Harvey Fletcher(Engelsk) ryskaår 1909 .

Tanken med experimentet är att hitta en balans mellan allvar, Stokes kraft och elektrisk avstötning. Genom att kontrollera kraften i det elektriska fältet höll Milliken och Fletcher små oljedroppar inne mekanisk balans. Genom att upprepa experimentet för flera droppar, bekräftade forskarna att droppens totala laddning består av flera elementära laddningar. Värdet på elektronladdningen i experimentet 1911 visade sig vara lika med Cl, vilket skiljer sig med 1 % från det aktuella värdet i Cl.

Förutsättningar

År 1913 Professor University of Chicago R. Milliken medförfattarskap med H. Fletcher publicerade ett utkast av deras erfarenhet.

I detta experiment mättes styrkan på det elektriska fältet, som kan hålla en laddad droppe olja mellan två elektroder. Laddningen av droppen mättes från värdet av detta fält. Själva dropparna elektrifierades under sprutningen. I tider av erfarenhet var det inte självklart att det fanns subatomära partiklar och de flesta fysiska fenomen [ Vad? ] skulle kunna förklaras genom att anta att avgiften är en ständigt föränderlig mängd.

Så kallade elementär laddning e är en av de grundläggande fysiska konstanter och känner honom exakt värde väldigt viktigt. 1923 fick Millikan Nobelpriset på fysik delvis för detta experiment.

Beskrivning av erfarenhet

I utrymmet mellan två strömsatta plattor (in i en kondensator) injicerade Millikan små laddade droppar olja, som kunde vara stationära i ett visst elektriskt fält. Jämvikt kom under villkoret , där

De resulterande gravitationskrafterna och Archimedes krafter;

, där i sin tur

Densiteten av en oljedroppe;

Dess radie under antagandet att droppen är sfärisk;

Luftdensitet

Från dessa formler, att veta och, vi kan hitta. För att bestämma droppradien mätte vi hastigheten för droppens enhetliga fall i frånvaro av ett fält, eftersom enhetlig rörelse etableras när tyngdkraften balanseras av luftmotståndets kraft, där är luftens viskositet.

Det var svårt att fixa droppens orörlighet vid den tiden, därför användes ett fält i stället för ett fält som uppfyller villkoret, under påverkan av vilket droppen började röra sig uppåt med låg hastighet. Uppenbarligen, om stigningshastigheten är lika, då

Under upplevelsens gång, viktigt faktum: alla värden som erhölls av Millikan visade sig vara multiplar av samma värde. Således visades det experimentellt att laddningen är en diskret storhet.

Utarbetad av en elev i årskurs 11-A KOSH No. 125 Konovalova Kristina

glida 2

Upplevelsen av Ioffe - Millikan Abram Fedorovich Ioffe Robert AndrewsMilliken

glida 3

Ioffe-Milliken erfarenhet

I slutet av 1800-talet, i ett antal mycket olika experiment, slogs det fast att det finns en viss bärare av en negativ laddning, som kallades en elektron. Men detta var faktiskt en hypotetisk enhet, eftersom, trots överflöd praktiskt material, inte ett enda experiment som involverar en enda elektron har utförts. Det var inte känt om det fanns varianter av elektroner för olika ämnen eller det är alltid samma, vilken laddning elektronen bär, om laddningen kan existera separat från partikeln. I allmänhet var det heta debatter om elektronen i forskarsamhället, och det fanns ingen tillräcklig praktisk grund som otvetydigt skulle stoppa alla debatter.

glida 4

Figuren visar ett diagram över installationen som användes i experimentet av A. F. Ioffe. I ett slutet kärl, från vilket luften evakuerades till högvakuum, fanns två metallplattor P placerade horisontellt. Från kammare A genom hål O in i utrymmet mellan plattorna kom små laddade dammpartiklar av zink. Dessa dammpartiklar observerades under ett mikroskop.

glida 5

Så laddade dammpartiklar och droppar i ett vakuum kommer att falla från toppplattan till botten, men denna process kan stoppas om toppplattan laddas positivt och bottenplattan är negativt laddad. Det resulterande elektriska fältet kommer att verka av Coulomb-krafter på laddade partiklar, vilket förhindrar dem från att falla. Genom att justera mängden laddning såg de till att dammpartiklarna svävade i mitten mellan plattorna. Därefter reducerades laddningen av dammpartiklar eller droppar genom att bestråla dem med röntgenstrålar eller ultraviolett ljus. Genom att förlora laddningen började dammpartiklarna falla igen, de stoppades igen genom att justera plattornas laddning. Denna process upprepades flera gånger och beräknade laddningen av droppar och dammpartiklar med hjälp av speciella formler. Som ett resultat av dessa studier var det möjligt att fastställa att laddningen av dammkorn eller droppar alltid ändrades i hopp, med ett strikt definierat värde eller med en storlek som är en multipel av detta värde.

glida 6

Abram Fedorovich Ioffe

Abram Fedorovich Ioffe är en rysk fysiker som gjorde många grundläggande upptäckter och utförde en enorm mängd forskning, inklusive inom elektronikområdet. Han forskade om egenskaperna hos halvledarmaterial, upptäckte den likriktande egenskapen hos metall-dielektrisk övergång, vilket senare förklarades med hjälp av tunneleffektteorin, föreslog möjligheten att omvandla ljus till elektricitet.

Bild 7

Abram Fedorovich föddes den 14 oktober 1980 i staden Romny, Poltava-provinsen (nu Poltava-regionen, Ukraina) i familjen till en köpman. Eftersom Abrams far var en ganska rik man var han inte snål med att ge en bra utbildning till sin son. 1897 fick Ioffe sin gymnasieutbildning i en riktig skola i sin hemstad. 1902 tog han examen från St. Petersburg tekniska institutet och kom in på universitetet i München i Tyskland. I München arbetar han under ledning av Wilhelm Conrad Roentgen själv. Wilhelm Conrad, som ser flitigheten och inte i alla fall vilken talang hos studenten, försöker övertala Abram att stanna i München och fortsätta vetenskaplig verksamhet, men Ioffe visade sig vara en patriot i sitt land. Efter examen från universitetet 1906, efter att ha erhållit grad PhD, han återvänder till Ryssland.

Bild 8

I Ryssland får Ioffe jobb på Polytechnic Institute. 1911 bestämmer han experimentellt storleken på elektronladdningen med samma metod som Robert Milliken (metallpartiklar balanserades i elektriska och gravitationsfält). På grund av det faktum att Ioffe publicerade sitt arbete bara två år senare, gick äran att upptäcka mätningen av elektronladdningen till den amerikanske fysikern. Förutom att bestämma laddningen, bevisade Ioffe verkligheten av existensen av elektroner oavsett materia, undersökte magnetisk verkan elektronflöde, bevisade den statiska karaktären hos emissionen av elektroner med en extern fotoelektrisk effekt.

Bild 9

År 1913 försvarade Abram Fedorovich sin magisterexamen och två år senare sin doktorsavhandling i fysik, som var studiet av kvarts elastiska och elektriska egenskaper. Under perioden 1916 till 1923 studerade han aktivt mekanismen elektrisk konduktivitet olika kristaller. 1923 var det på initiativ av Ioffe som grundforskning och studier av egenskaperna hos material som var helt nya på den tiden började – halvledare. Det första arbetet inom detta område utfördes med direkt deltagande av en rysk fysiker och gällde analysen elektriska fenomen mellan halvledare och metall. Han upptäckte den likriktande egenskapen hos metall-halvledarövergången, vilket underbyggdes bara 40 år senare med hjälp av teorin om tunneleffekten.

Bild 10

Ioffe undersökte den fotoelektriska effekten i halvledare och uttryckte då en ganska djärv idé att det skulle vara möjligt att omvandla ljusenergi till elektrisk ström på liknande sätt. Detta blev en förutsättning i framtiden för skapandet av fotovoltaiska generatorer, och i synnerhet kiselomvandlare, som senare används som en del av solpaneler. Tillsammans med sina elever skapar Abram Fedorovich ett system för klassificering av halvledare, samt en metod för att bestämma deras huvudsakliga elektriska och fysikaliska egenskaper. I synnerhet blev studierna av deras termoelektriska egenskaper sedan grunden för skapandet av termoelektriska halvledarkylskåp, som används i stor utsträckning över hela världen inom områdena radioelektronik, instrumentering och rymdbiologi.

glida 11

Abram Fedorovich Ioffe gjorde ett stort bidrag till bildandet och utvecklingen av fysik och elektronik. Han var medlem i många vetenskapsakademier (Berlin och Goetingen, amerikanska, italienska), samt hedersmedlem vid många universitet runt om i världen. Han har mottagit många utmärkelser för sina prestationer och forskning. Abram Fedorovich dog den 14 oktober 1960.

glida 12

Milliken Robert Andrus

Den amerikanske fysikern Robert Milliken föddes i Morrison (Illinois) den 22 mars 1868 i en prästfamilj. Efter studenten gymnasium Robert går in på Oberlin College i Ohio. Där var hans intressen fokuserade på matematik och antikens grekiska. För att tjäna pengar förklarade han fysik på college i två år. 1891 fick Millikan sin kandidatexamen och 1893 sin magisterexamen i fysik.

glida 13

Vid Columbia University studerade Milliken under ledning av den berömda fysikern M.I. Pupin. Han tillbringade en sommar vid University of Chicago, där han arbetade under den berömde experimentfysikern Albert Abraham Michelson.

Bild 14

1895 försvarade han sin doktorsavhandling vid Columbia University om studiet av ljusets polarisering. Milliken tillbringade nästa år i Europa, där han träffade Henri Becquerel, Max Planck, Walter Nernst, A. Poincaré.

glida 15

1896 återvände Millikan till University of Chicago, där han blev Michelsons assistent. Under de följande tolv åren skrev Milliken flera läroböcker i fysik, som accepterades som läroböcker för högskolor och gymnasier (med tillägg förblev de så i över 50 år). 1910 utnämndes Millikan till professor i fysik.

glida 16

Robert Millikan utvecklade droppmetoden, som gjorde det möjligt att mäta laddningen av enskilda elektroner och protoner (1910 - 1914) Ett stort antal experiment om den exakta beräkningen av elektronladdningen. Således bevisade han experimentellt diskretiteten hos den elektriska laddningen och bestämde för första gången exakt dess värde (4,774 * 10^-10 elektrostatiska enheter). Kollade Einsteins ekvation för den fotoelektriska effekten i det synliga och ultravioletta strålar, bestämde Plancks konstant (1914).

Bild 17

1921 utsågs Milliken till direktör för det nya Bridgesive Physical Laboratory och ordförande för den verkställande kommittén för California Institute of Technology. Här utförde han en stor serie studier av kosmisk strålning, i synnerhet experiment (1921 - 1922) med luftskivor med självregistrerande elektroskop på höjder av 15 500 m. ".

Bild 18

Under 1925-1927. Millikan visade att den joniserande effekten av kosmisk strålning minskar med djupet och bekräftade det utomjordiska ursprunget för dessa "kosmiska strålar". Han utforskade de kosmiska partiklarnas banor och avslöjade alfapartiklar, snabba elektroner, protoner, neutroner, positroner och gammakvanta i dem. Oberoende av Vernov upptäckte han den latitudinella effekten av kosmiska strålar i stratosfären.

Visa alla bilder

Idén om den elektriska laddningens diskrethet uttrycktes först av B. Franklin 1752. Experimentellt underbyggdes laddningarnas diskrethet av elektrolyslagarna som upptäcktes av M. Faraday 1834. Numeriskt värde elementär laddning (den minsta elektriska laddningen som finns i naturen) beräknades teoretiskt utifrån elektrolysens lagar med hjälp av Avogadros tal. direkt experimentell mätning elementär laddning utfördes av R. Millikan i klassiska experiment utförda 1908 - 1916. Dessa experiment gav också obestridliga bevis elektricitetens atomism.

Enligt de grundläggande begreppen i elektronisk teori uppstår laddningen av en kropp som ett resultat av en förändring av antalet elektroner som finns i den (eller positiva joner, vars laddning är en multipel av elektronens laddning). Därför måste laddningen av någon kropp ändras abrupt och i sådana delar som innehåller ett heltal av elektronladdningar.

Alla fysiker var intresserade av storleken på elektronens elektriska laddning, och ändå har det hittills inte varit möjligt att mäta den. Många försök att genomföra denna avgörande mätning hade redan gjorts av J. J. Thomson, men tio års arbete hade förflutit, och Thomsons assistent G. Wilson rapporterade att de efter elva olika mätningar hade fått elva olika resultat.

Innan han började forska enligt sin egen metod satte Millikan upp experiment enligt den metod som används vid Cambridge University. Den teoretiska delen av experimentet var följande: kroppens massa bestämdes genom att mäta det tryck som kroppen producerade under påverkan av gravitationen på vågen. Om en oändligt liten materia partikel ges en elektrisk laddning och om en uppåtgående elektrisk kraft appliceras, lika med styrka gravitation nedåt, då kommer denna partikel att vara i jämvikt, och fysikern kan beräkna storleken på den elektriska laddningen. Om i detta fall den elektriska laddningen av en elektron överförs till partikeln, kommer det att vara möjligt att beräkna storleken på denna laddning.

Cambridge-teorin var ganska logisk, men fysiker kunde inte skapa en anordning med vilken det skulle vara möjligt att studera enskilda partiklar av ämnen. De fick nöja sig med att observera beteendet hos ett moln av vattendroppar laddade med elektricitet. I kammaren, från vilken luften delvis avlägsnades, skapades ett moln av ånga. Ström applicerades till toppen av kammaren. Genom särskild tid dimdropparna i molnet lugnade ner sig. Sedan fördes röntgenstrålar genom dimman, och vattendropparna fick en elektrisk laddning.

Samtidigt trodde forskarna att den elektriska kraften som riktas uppåt mot kammarlocket under hög spänning borde hålla dropparna från att falla. Men ingen av de svåra förhållanden, under vilka, och endast under vilka, partiklar kan vara i ett tillstånd av jämvikt.

Milliken började leta nytt sätt problemlösning.

Metoden är baserad på studiet av rörelsen av laddade oljedroppar i ett enhetligt elektriskt fält med känd styrka E.

Figur 15.2 Schema för experimentuppställningen: P - droppspruta; K - kondensator; IP - strömförsörjning; M - mikroskop; hn är strålningskällan; P - ytan på bordet.

Ett diagram över en av Millikans installationer visas i figur 15.1. Millikan mätte den elektriska laddningen koncentrerad på enskilda små sfäriska droppar som bildades av sprutan P och fick en elektrisk laddning genom elektrifiering genom friktion mot sprutans väggar. Genom ett litet hål i den övre plattan på den platta kondensatorn K föll de ner i utrymmet mellan plattorna. Droppens rörelse observerades under ett mikroskop av M.

För att skydda droppar från konvektionsluftflöden är kondensorn innesluten i ett skyddande hölje, vars temperatur och tryck hålls konstant. När du utför experiment måste följande krav följas:

a. droppar måste vara mikroskopiska i storlek så att krafterna som verkar på droppen i olika riktningar (upp och ner) är jämförbara i storlek;

b. droppens laddning, såväl som dess förändringar under bestrålning (med en jonisator), var lika med ett ganska litet antal elementära laddningar. Detta gör det lättare att fastställa mångfalden av droppens laddning till den elementära laddningen;

i. droppens r densitet måste vara större än densiteten för det viskösa mediet r 0 i vilket den rör sig (luft);

d. Droppens massa bör inte ändras under hela experimentet. För att göra detta bör oljan som utgör droppen inte avdunsta (olja avdunstar mycket långsammare än vatten).

Om kondensatorplattorna inte laddades (elektrisk fältstyrka E = 0), föll droppen långsamt och flyttade från den övre plattan till den nedre. Så snart kondensatorplattorna laddades, inträffade förändringar i droppens rörelse: vid en negativ laddning på droppen och en positiv laddning på kondensatorns övre platta, avtog droppens fall, och kl. någon gång ändrade den rörelseriktningen till den motsatta - den började stiga mot den övre plattan.

Bestämning av elementarladdningen med hjälp av ett beräkningsexperiment.

Att känna till fallhastigheten för nedgången i frånvaron elektrostatiskt fält(dess laddning spelade ingen roll) och fallhastigheten för fallet i ett givet och känt elektrostatiskt fält, kunde Millikan beräkna laddningen för fallet.

På grund av det viskösa motståndet får droppen en konstant (stabil) hastighet nästan omedelbart efter rörelsestart (eller en förändring i rörelseförhållandena) och rör sig jämnt. På grund av detta a= 0, och fallets hastighet kan hittas. Vi betecknar modulen för den konstanta hastigheten i frånvaro av ett elektrostatiskt fält - v g , då:

v g = (m – m 0) g/k (16,5).

Om du stänger kondensatorns elektriska krets (fig. 1), kommer den att laddas och ett elektrostatiskt fält skapas i den E. I detta fall kommer anklagelsen att åtgärdas av en ytterligare kraft q E pekar uppåt. Newtons lag i projektionen på X-axeln och med hänsyn till att a = 0 kommer att ha formen:

-(m – m0) g + q E – k vE = 0 (16,6)

vE = (q E – (m – m0) g/k (16,7),

där vE är den konstanta hastigheten för oljefallet i kondensatorns elektrostatiska fält; v E > 0 om droppen rör sig uppåt, v E< 0, если капля движется вниз. Отсюда следует что

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

Det följer att genom att mäta stationära hastigheter i frånvaro av ett elektrostatiskt fält vg och i dess närvaro vE, kan man bestämma laddningen för en droppe om koefficienten k = 6 p h r är känd.

Det verkar som att för att hitta k är det tillräckligt att mäta droppens radie (luftens viskositet är känd från andra experiment). Dess direkta mätning med ett mikroskop är dock omöjlig. Fallradien är av storleksordningen r = 10 -4 – 10 -6 cm, vilket i storleksordning är jämförbart med ljusets våglängd. Därför ger mikroskopet endast en diffraktionsbild av droppen, vilket inte tillåter att mäta dess faktiska dimensioner.

Information om fallradien kan erhållas från experimentella data om dess rörelse i frånvaro av ett elektrostatiskt fält. Att veta v g och ta hänsyn till det

m - m 0 \u003d (r - r 0) 4 p r 3/3 (16.9),

där r är oljedroppens densitet,

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

I sina experiment ändrade Millikan laddningen av droppen genom att föra en bit radium till en kondensator. I detta fall joniserade radiumstrålningen luften i kammaren (fig. 1), vilket resulterade i att droppen kunde fånga en ytterligare positiv eller negativ laddning. Om droppen innan dess var negativt laddad, så är det tydligt att det är mer sannolikt att det fäster positiva joner till sig själv. Å andra sidan, pga termisk rörelse tillägg av negativa joner som ett resultat av kollision med dem är inte uteslutet. I båda fallen kommer droppens laddning att ändras och - plötsligt - hastigheten för dess rörelse v E ". Värdet q" för den ändrade laddningen av droppen i enlighet med (16.10) ges av relationen:

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

Från (1) och (3) bestäms värdet på laddningen som är fäst vid droppen:

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

Genom att jämföra laddningsvärdena för samma droppe, skulle man kunna se till att förändringen i laddningen och laddningen av själva droppen är multiplar av samma värde e 0 - den elementära laddningen. I sina många experiment erhöll Milliken olika betydelser laddningar q och q", men de representerade alltid en multipel av e 0 = 1,7 . 10-19 Cl, dvs q = ne0, där n är ett heltal. Av detta drog Millikan slutsatsen att värdet av e 0 representerar den minsta mängd elektricitet som är möjlig i naturen, det vill säga en "del", eller en atom av elektricitet. Observation av rörelsen av samma droppe, dvs. för dess rörelse nedåt (i frånvaro av ett elektriskt fält) och uppåt (i närvaro av ett elektriskt fält) i varje experiment, upprepade Millikan många gånger och slog på och av det elektriska fältet i tid. Noggrannheten för att mäta laddningen av en droppe beror i huvudsak på noggrannheten i att mäta dess hastighet.

Efter att ha fastställt genom erfarenhet den diskreta karaktären av förändringen i elektrisk laddning, kunde R. Milliken bekräfta förekomsten av elektroner och bestämma laddningen av en elektron (elementär laddning) med hjälp av oljedroppemetoden.

Modern mening"atom" av elektricitet e 0 = 1,602 . 10-19 C. Detta värde är den elementära elektriska laddningen, vars bärare är elektronen e 0 = - 1,602 . 10-19 C och proton e0 = +1,602 . 10-19 C. Millikans arbete gav ett enormt bidrag till fysiken och gav en enorm impuls till utvecklingen av vetenskapligt tänkande i framtiden.

testfrågor:

1. Vad är kärnan i Thomson-metoden?

2. Experimentell setup-schema?

3. Thomson-rör?

4. Härledning av formeln för förhållandet mellan laddning och massa av en partikel?

5. Vilken är elektron- och jonoptikens huvuduppgift? Och vad brukar de kallas?

6. När upptäcktes den "magnetiska fokuseringsmetoden"?

7. Vad är dess essens?

8. Hur bestäms den specifika laddningen av en elektron?

9. Rita ett diagram över installationen enligt Millikans erfarenhet?

10. Vilka krav måste följas när man utför experimentet?

11. Bestämning av elementärladdningen genom ett beräkningsexperiment?

12. Härledning av droppladdningsformeln i termer av fallfallshastigheten?

13. Vad är den moderna betydelsen av "atomen" av elektricitet?

Detaljer Kategori: Elektricitet och magnetism Upplagd 2015-08-06 05:51 Visningar: 5425

En av de grundläggande konstanterna i fysiken är den elementära elektriska laddningen. Detta är skalär kännetecknande av fysiska kroppars förmåga att delta i elektromagnetisk interaktion.

Den elementära elektriska laddningen anses vara den minsta positiva eller negativa laddningen som inte kan delas. Dess värde är lika med värdet på elektronladdningen.

Det faktum att varje naturligt förekommande elektrisk laddning alltid är lika med ett heltal av elementära laddningar föreslogs 1752 av den berömda politikern Benjamin Franklin, en politiker och diplomat som också var engagerad i vetenskapliga och uppfinningsrika aktiviteter, den första amerikanen som blev medlem av Ryska akademin Vetenskaper.

Benjamin Franklin

Om Franklins antagande är korrekt, och den elektriska laddningen av någon laddad kropp eller system av kroppar består av ett heltal av elementära laddningar, då kan denna laddning ändras abrupt med ett värde som innehåller ett heltal av elektronladdningar.

För första gången bekräftades detta och ganska exakt bestämdes av en amerikansk vetenskapsman, professor vid University of Chicago, Robert Milliken.

Millikan erfarenhet

Schema för Millikan-experimentet

Millikan gjorde sitt första berömda oljedroppsexperiment 1909 med sin assistent Harvey Fletcher. De säger att de först planerade att göra experimentet med hjälp av vattendroppar, men de avdunstade på några sekunder, vilket uppenbarligen inte var tillräckligt för att få ett resultat. Sedan skickade Milliken Fletcher till apoteket, där han köpte en sprayflaska och en flaska med klockolja. Detta var tillräckligt för att göra upplevelsen till en framgång. Därefter fick Millikan för honom Nobelpriset och Fletchers Ph.D.

Robert Milliken

Harvey Fletcher

Vad var Millikan-experimentet?

En elektrifierad oljedroppe faller ner under påverkan av gravitationen mellan två metallplattor. Men om ett elektriskt fält skapas mellan dem kommer det att hindra droppen från att falla. Genom att mäta styrkan på det elektriska fältet kan man bestämma droppens laddning.

Försöksledarna placerade två metallplattor av kondensatorn inuti kärlet. Där fördes de minsta oljedroppar in med hjälp av en sprutpistol, som under sprutningen blev negativt laddade till följd av deras friktion mot luft.

I frånvaro av ett elektriskt fält faller droppen

Under inverkan av gravitationen F w = mg började dropparna falla ner. Men eftersom de inte var i ett vakuum, utan i ett medium, hindrade luftmotståndets kraft dem från att falla fritt Fres = 6πη rv 0 , var η är luftens viskositet. När F w och F res balanserat blev fallet enhetligt med en fart v0 . Genom att mäta denna hastighet bestämde forskaren radien på droppen.

En droppe "flyter" under påverkan av ett elektriskt fält

Om i det ögonblick som droppen föll, applicerades spänning på plattorna på ett sådant sätt att den övre plattan fick en positiv laddning och den nedre en negativ, stoppade droppen. Han förhindrades av det framväxande elektriska fältet. Dropparna verkade flyta. Detta hände när makten F r balanseras av kraften som verkar från det elektriska fältet F r = eE ,

var F r- den resulterande gravitationskraften och Archimedes kraft.

F r = 4/3 pr 3 ( ρ – ρ 0) g

ρ är oljedroppens densitet;

ρ 0 – luftdensitet.

r är droppens radie.

Menande F r och E , är det möjligt att bestämma värdet e .

Eftersom det var mycket svårt att säkerställa att droppen förblev stillastående under lång tid skapade Milliken och Fletcher ett fält där droppen, efter att ha stannat, började röra sig uppåt med mycket låg hastighet. v . I detta fall

Experimenten upprepades många gånger. Laddningarna gavs till dropparna genom att bestråla dem med en röntgen- eller ultraviolett anordning. Men varje gång var droppens totala laddning alltid lika med flera elementära laddningar.

År 1911 fann Milliken att laddningen av en elektron är 1,5924(17) x 10 -19 C. Forskaren hade bara 1 % fel. Dess moderna värde är 1,602176487 (10) x 10 -19 C.

Ioffe erfarenhet

Abram Fedorovich Ioffe

Det måste sägas att nästan samtidigt med Millikan, men oberoende av honom, utfördes sådana experiment av den ryske fysikern Abram Fedorovich Ioffe. Och hans experimentupplägg liknade Millikans. Men luft pumpades ut ur kärlet och ett vakuum skapades i det. Och istället för droppar olja använde Ioffe små laddade partiklar av zink. Deras rörelse observerades under ett mikroskop.

Ioffe installation

1- ett rör

2-kamera

3 - metallplattor

4 - mikroskop

5 - ultraviolett strålare

Under inverkan av ett elektrostatiskt fält gjorde ett korn av zink ett fall. Så snart dammkornets tyngdkraft blev lika med kraften som verkade på det från det elektriska fältet, upphörde fallet. Så länge dammpartikelns laddning inte förändrades fortsatte den att hänga orörlig. Men om den exponerades för ultraviolett ljus, minskade dess laddning och balansen stördes. Hon började falla igen. Sedan ökades mängden laddning på plattorna. Följaktligen ökade det elektriska fältet och fallet upphörde igen. Detta gjordes flera gånger. Som ett resultat fann man att varje gång laddningen av en dammpartikel ändrades med en multipel av laddningen av en elementarpartikel.

Ioffe beräknade inte storleken på laddningen av denna partikel. Men efter att ha genomfört ett liknande experiment 1925, tillsammans med fysikern N.I. Dobronravov, efter att ha modifierat pilotanläggningen något och använt vismutdammpartiklar istället för zink, bekräftade han teorin