В опытах иоффе по определению заряда электрона. Презентация на тему ФизикиА

Ученые прекрасно осознали, что эта частица является фундаментальной составляющей всего материального мира. Соответственно, встал вопрос об изучении и измерении ее свойств. Первое прецизионное измерение электрического заряда электрона — заслуга Роберта Милликена. Его экспериментальная установка представляла собой большой и емкий плоский конденсатор из двух металлических пластин с камерой между ними. На обкладки конденсатора Милликен подавал постоянное напряжение от мощной батареи, создавая на них высокую разность потенциалов, а между обкладками помещал мелко распыленные капли — сначала воды, а затем масла, которое, как выяснилось, ведет себя в электростатическом поле значительно устойчивее, а главное — испаряется гораздо медленнее. Сначала Милликен измерил предельную скорость падения капель — то есть скорость, при которой сила земного притяжения, действующая на капли, уравновешивается силой сопротивления воздуха. По этой скорости ученый определил объем и массу капель аэрозольной взвеси. После этого он распылил идентичный аэрозоль в присутствии электростатического поля, то есть при подключенной батарее. В этом случае масляные капли оставались в подвешенном состоянии достаточно долго, поскольку силы гравитационного притяжения Земли уравновешивались силами электростатического отталкивания между каплями аэрозоля.

Причина, по которой капли масляного аэрозоля электризуются, банальна: это простой электростатический заряд, подобный тому, который накапливается, скажем, на белье, которое мы достаем из сушильной центрифуги, в результате того что ткань трется о ткань — он возникает в результате трения капель о воздух, заполняющий камеру. Однако из-за микроскопического размера масляных капель в камере они не могут получить большого заряда, а величина заряда капель будет кратна единичному заряду электрона. Значит, постепенно понижая внешнее напряжение, мы будем наблюдать, как капли масла периодически «выпадают в осадок», и по градациям шкалы напряжения, при которых осаждается очередная порция аэрозоля, мы можем судить об абсолютной величине единичного заряда, поскольку дробного заряда наэлектризованные капли нести на себе не могут.

Кроме того, Милликен облучал масляную взвесь рентгеновскими лучами и дополнительно ионизировал ее органические молекулы, чтобы повысить их электризацию и продлить время экспериментального наблюдения, одновременно повышая напряжение в камере, и делал так многократно для уточнения полученных данных. Наконец, накопив достаточно экспериментальных данных для статистической обработки, Милликен вычислил величину единичного заряда и опубликовал полученные результаты, которые содержали максимально точно для тех лет рассчитанный заряд электрона.

Опыт Милликена был крайне трудоемок. Ученому приходилось, в частности, постоянно измерять и учитывать влажность воздуха и атмосферное давление — и так на протяжении всех пяти лет непрерывного наблюдения за своей установкой. Наградой за титанический труд стала Нобелевская премия по физике за 1923 год, присужденная Милликену за публикацию 1913 года. Интересно, что при всей кажущейся простоте камеры Милликена она не стала музейным экспонатом. Уже в 1960-е годы, когда появилась гипотеза кварков (см. Стандартная модель), были построены современные, усовершенствованные установки, работающие по вышеописанному принципу, на которых ученые безуспешно искали свободные кварки. Поскольку обнаружить таковые не удалось (кварки различных типов должны иметь электрические заряды, равные 1/3 и 2/3 заряда электрона), это послужило дополнительным подтверждением теории, согласно которой кварки в свободном виде в современной природе не встречаются и всегда находятся в связанном состоянии внутри других элементарных частиц.

Robert Andrews Millikan, 1868-1953

Американский физик. Родился в г. Моррисон, штат Иллинойс, в семье священника-конгрегационалиста и учительницы приходской женской школы. Окончив Оберлинский колледж в Огайо, некоторое время преподавал греческий язык и, по совместительству, физику в начальной школе. Увлекшись последней, поступил на физический факультет Колумбийского университета, после окончания которого прошел годичную практику в ведущих лабораториях Европы, а затем был зачислен в преподавательский штат Чикагского университета. Там он получил всеобщее признание как авторитетный педагог (в частности, долгие годы по его учебникам преподавали физику в американских школах). Там же, в Чикаго, он и проводил на протяжении ряда лет свой знаменитый опыт, позволивший впервые определить с достаточной точностью заряд электрона и выдвинувший Милликена в первые ряды представителей американской науки. В то же время ученый занимался активной общественной деятельностью и, в какой-то мере, способствовал формированию нового облика социально активного интеллектуала в сознании массового читателя.

В годы Первой мировой войны в звании полковника Милликен возглавлял войска связи США. Ученый много времени уделял организации научно-исследовательских учреждений и в 1921 году фактически возглавил только что созданный Калифорнийский технологический институт в Пасадене. При этом Милликен не оставлял и исследовательской деятельности, будучи одним из пионеров физики космических лучей. В итоге он стал олицетворенным символом своего поколения ученых, продолжив традиции англичан Джона Тиндаля и Майкла Фарадея, и предвосхитил появление таких выдающихся ученых-популяризаторов, как Карл Саган.

> Опыт Милликена

В чем заключается опыт Милликена – эксперимент с масляной каплей. Читайте детальное описание опыта и выводы, уравнения, заряд электрона, предельная скорость.

В 1911 году при помощи заряженных капелек масла Роберт Милликен смог сформировать заряд электрона.

Задача обучения

• Разобраться в отличии реального заряда электрона и созданного Милликеном.

Основные пункты

• В эксперименте участвовали ионизирующие капли масла. Попав в воздух, они балансируют силой тяжести с силой электрического поля.
• Милликен не смог напрямую подсчитать количество электронов в каждой масляной капле, но выявил общий знаменатель – 1.5924 (17) х 10 -19 С (заряд электрона).
• Полученное значение отличается от принятого на 1% – 1.602176487 (40) х 10 -19 С.

Термины

• Электрическое поле – участок вокруг заряженной частички или между двумя напряжениями.
• Напряжение – количество электростатического потенциала между двумя точками в пространстве.
• Предельная скорость – скорость, с которой объект в свободном падении останавливает ускорение вниз, потому что сила тяжести равна и противоположна сопротивлению.

Эксперимент с масляной каплей

Это одно из наиболее значимых исследований в истории физической науки. За его осуществление принялись Роберт Милликен и Харви Флетчер в 1911 году. Они хотели определить заряд одного электрона.

Для этого Милликен использовал распылитель для создания тумана крошечных масляных капель в камере, где было отверстие. Некоторые капли проваливались в дыру и камеру, где ученые вычисляли финальную скорость и массу

Далее Милликен обнажил капли до рентгеновских лучей, ионизирующих молекулы в воздухе и заставляющих электроны прикрепляться к масляным каплям. Это привело к заряду. Верх и низ камеры подключались к батарее, а разность потенциалов представляла электрическое поле.

Милликену удалось уравновесить силу тяжести и силу электрического поля, из-за чего масляные капли оказались подвершенными в воздухе.

В устройстве есть параллельная пара горизонтальных металлических пластин. В пространстве между ними формируется равномерное электрическое поле. Кольцо обладает тремя отверстиями для подвески и одним для наблюдения в микроскоп. В камеру распыляется специальное масло, где капли электрически заряжаются. Капли поступают в пространство между пластинами и могут управляться через изменение напряжения на пластинах

Он располагал массой масляных капель и ускорением силы тяжести (9.81 м/с 2), а также энергией рентгеновских лучей, благодаря чему и вычислил заряд.

Заряд каждой капли оставался загадкой, поэтому Милликен скорректировал силу рентгеновских лучей, ионизирующих воздух, а также вычислил остальные значения. В каждом случае заряд достигал 1.5924 (17) х 10 -19 С. Результаты были очень точными и отличались всего на 1% от того, что используется сейчас – 1.602176487 (40) х 10 -19 С.

Этот эксперимент был крайне важным для определения заряда электрона и доказательства существования частичек, меньше атома.

К концу ХIХ века в ряде самых разнообразных опытов было установлено, что существует некий носитель отрицательного заряда, который назвали электроном.

Однако это была фактически гипотетическая единица, поскольку, несмотря на обилие практического материала, не было проведено ни одного эксперимента с участием одиночного электрона.

Не было известно, существуют ли разновидности электронов для разных веществ или он одинаков всегда, какой заряд несет на себе электрон, может ли заряд существовать отдельно от частицы.

В общем, в научной среде по поводу электрона ходили горячие споры, а достаточной практической базы, которая бы однозначно прекратила все дебаты, не было.

Исследование электрона Иоффе и Милликеном: как это было

Чтобы найти ответы на вопросы независимо друг от друга два ученых в 1910-1911 годах провели эксперименты по исследованию поведения одиночных электронов. Это были русский физик Абрам Иоффе и американский ученый Роберт Милликен.

В своих опытах они применяли немного отличающиеся установки, но суть и принцип были одинаковыми. Итак, они взяли закрытый сосуд, из которого откачали воздух до состояния вакуума.

Внутри сосуда находились две металлические пластины, которым можно было сообщать некий заряд, а также облако капелек масла или пылинок, заряженных отрицательно, за которыми можно было наблюдать через специально подведенный микроскоп.

Итак, заряженные пылинки и капельки в вакууме будут падать с верхней пластины на нижнюю, однако этот процесс можно остановить, если зарядить верхнюю пластину положительно, а нижнюю отрицательно.

Возникшее электрическое поле будет действовать кулоновскими силами на заряженные частички, препятствуя их падению. Регулируя величину заряда, добивались того, что пылинки парили посередине между пластинами.

Далее уменьшали заряд пылинок или капель, облучая их рентгеном или ультрафиолетом. Теряя заряд, пылинки начинали падать вновь, их вновь останавливали, регулируя заряд пластин. Такой процесс повторяли несколько раз, вычисляя заряд капель и пылинок по специальным формулам.

В результате этих исследований удалось установить, что заряд пылинок или капель всегда изменялся скачками, на строго определенную величину, либо же на размер, кратный это величине.

Суть эксперимента минимальный отрицательный заряд

Эта минимальная величина минимальный или элементарный отрицательный электрический заряд. Этот заряд всегда уходил не сам по себе, а вместе с частицей вещества.

Так и был сделан вывод о существовании маленькой частицы вещества, несущей на себе неделимый электрический заряд, заряд электрона.

Гипотетическое существование электрона получило практическое подтверждение, прекратив все споры, так как теперь даже самые ярые скептики не могли отрицать существования электрона со строго определенным зарядом, одинаковым для разных веществ, так как это было доказано экспериментально независимыми исследованиями.

На рисунке 1 изображена схема установки, использованной в опыте А. Ф. Иоффе. В закрытом сосуде, воздух из которого откачан до высокого вакуума, находились две металлические пластины П , расположенные горизонтально. Из камеры А через отверстие О в пространство между пластинами попала ли мелкие заряженные пылинки цинка. Эти пылинки наблюдали в микроскоп.

Предположим, что пылинка заряжена отрицательно. Под действием силы тяжести она начинает падать вниз. Но ее падение можно задержать, если нижнюю пластину зарядить отрицательным зарядом, а верхнюю - положительным. В электростатическом поле между пластинами на пылинку станет действовать сила \(~\vec F_{el}\), которая пропорциональна заряду пылинки. Если mg = F el , то пылинка будет находиться в равновесии сколь угодно долго. Затем отрицательный заряд пылинки уменьшали, действуя на нее ультрафиолетовым светом. Пылинка начинала падать, так как сила \(~\vec F_{el}\), действовавшая на нее, уменьшалась. Сообщая пластинам дополнительный заряд и этим усиливая электрическое поле между пластинами, пылинку снова останавливали. Так поступали несколько раз.

Опыты показали, что заряд пылинки изменялся всегда скачкообразно, кратно заряду электрона. Из этого опыта А. Ф. Иоффе сделал следующий вывод: заряд пылинки всегда выражается целыми кратными значениями элементарного заряда е . Меньших "порций" электрического заряда, способных переходить от одного тела к другому, в природе нет. Но заряд пылинки уходит вместе с частицей вещества. Следовательно, в природе существует такая частица вещества, которая имеет самый маленький заряд, далее уже неделимый. Эту частицу назвали электроном .

Значение заряда электрона впервые определил американский физик Р. Милликен. В своих опытах он пользовался мелкими капельками масла, наблюдая за их движением в электростатическом поле (рис. 2). В этих опытах измерялась скорость движения капель масла в однородном электростатическом поле между двумя металлическими пластинками. Капля масла, не имеющая электрического заряда из-за сопротивления воздуха и выталкивающей силы, падает с некоторой постоянной скоростью, так как \(~m \vec g + \vec F_A + \vec F_c = 0\).

Если на своем пути капля встречается с ионом и приобретает электрический заряд q , то на нее, кроме силы тяжести \(~m \vec g\), \(~\vec F_c\) и \(~\vec F_A\), действует со стороны электростатического поля сила \(~\vec F_{el}\). Тогда при установившемся движении \(~m \vec g + \vec F_A + \vec F_c + \vec F_{el} = 0\). Измеряя скорость капли, Милликен смог определить ее заряд.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 210-211.

Одна из фундаментальных постоянных в физике – элементарный электрический заряд. Это скалярная величина, характеризующая способность физических тел принимать участие в электромагнитном взаимодействии.

Элементарным электрическим зарядом принято считать наименьший положительный или отрицательный заряд, который невозможно разделить. Его величина равна величине заряда электрона.

То, что любой встречающийся в природе электрический заряд всегда равен целому числу элементарных зарядов, в 1752 г. предположил известный политический деятель Бенджамин Франклин, политик и дипломат, занимавшийся ещё и научной и изобретательской деятельностью, первый американец, который стал членом Российской академии наук.

Бенджамин Франклин

Если предположение Франклина верно, и электрический заряд любого заряженного тела или системы тел состоит из целого числа элементарных зарядов, то этот заряд может изменяться скачкообразно на величину, содержащую целое число зарядов электрона.

Впервые это удалось подтвердить и довольно точно определить заряд электрона опытным путём американскому учёному, профессору Чикагского университета, Роберту Милликену.

Опыт Милликена

Схема опыта Милликена

Свой первый знаменитый опыт с каплями масла Милликен провёл в 1909 г. вместе со своим помощником Харви Флетчером. Говорят, что вначале опыт планировали делать с помощью капель воды, но они испарились за несколько секунд, чего оказалось явно мало, чтобы получить результат. Тогда Милликен отправил Флэтчера в аптеку, где тот приобрёл пульверизатор и пузырёк масла для часов. Этого оказалось достаточно, чтобы опыт удался. Впоследствии Милликен получил за него Нобелевскую премию, а Флэтчер докторскую степень.

Роберт Милликен

Харви Флетчер

В чём же заключался эксперимент Милликена?

Наэлектризованная капелька масла под воздействием силы тяжести падает вниз между двумя металлическими пластинами. Но если между ними создать электрическое поле, то оно удержит капельку от падения. Измерив силу электрического поля, можно определить заряд капли.

Две металлические пластины конденсатора экспериментаторы расположили внутри сосуда. Туда же с помощью пульверизатора вводились мельчайшие капельки масла, которые заряжались отрицательно во время разбрызгивания в результате их трения о воздух.

В отсутствии электрического поля капелька падает

Под действием силы тяжести F w = mg капельки начинали падать вниз. Но так они находилась не в вакууме, а в среде, то свободно падать им мешала сила сопротивления воздуха F res = 6πη rv 0 , где η – вязкость воздуха. Когда F w и F res уравновешивались, падение становилось равномерным со скоростью v 0 . Измерив эту скорость, учёный определил радиус капли.

Капелька "парит" под действием электрического поля

Если в момент падения капельки на пластины подавалось напряжение таким образом, что верхняя пластина получала положительный заряд, а нижняя отрицательный, падение прекращалось. Ему препятствовало возникшее электрическое поле. Капельки словно зависали. Это происходило, когда сила F r уравновешивалась силой, действующей со стороны электрического поля F r = eE ,

где F r – результирующая силы тяжести и силы Архимеда.

F r = 4/3· πr 3 ( ρ – ρ 0) g

ρ - плотность капли масла;

ρ 0 – плотность воздуха.

r – радиус капли.

Зная F r и E , можно определить величину e .

Так как добиться того, чтобы капелька долго оставалась в неподвижном состоянии, было очень сложно, то Милликен и Флетчер создавали такое поле, в котором капелька после остановки начинала двигаться вверх с очень малой скоростью v . В этом случае

Опыты повторялись многократно. Заряды капелькам сообщали, облучая их рентгеновской или ультрафиолетовой установкой. Но всякий раз общий заряд капли всегда был равен нескольким элементарным зарядам.

В 1911 г. Милликен установил, что величина заряда электрона равна 1,5924(17) х 10 -19 Кл. Учёный ошибся всего на 1%. Современное его значение составляет 1,602176487(10) х 10 -19 Кл.

Опыт Иоффе

Абрам Фёдорович Иоффе

Нужно сказать, что практически одновременно с Милликеном, но независимо от него, подобные опыты проводил русский физик Абрам Федорович Иоффе. И его экспериментальная установка была похожа на установку Милликена. Но из сосуда откачивался воздух, и в нём создавался вакуум. А вместо капелек масла Иоффе использовал мелкие заряженные частички цинка. За их движением наблюдали в микроскоп.

Установка Иоффе

1- трубка

2- камера

3 - металлические пластины

4 - микроскоп

5 - ультрафиолетовый излучатель

Под действие электростатического поля пылинка цинка совершала падение. Как только сила тяжести пылинки становилась равна силе, действующей на неё со стороны электрического поля, падение прекращалось. Пока заряд пылинки не менялся, она продолжала висеть неподвижно. Но если на неё воздействовали ультрафиолетовым светом, то её заряд уменьшался, и равновесие нарушалось. Она снова начинала падать. Тогда увеличивали величину заряда на пластинах. Соответственно увеличивалось электрическое поле, и падение снова останавливалось. Так делали несколько раз. В результате выяснили, что каждый раз заряд пылинки изменялся на величину, кратную величине заряда элементарной частицы.

Величину заряда этой частицы Иоффе не рассчитал. Но, проведя подобный опыт в 1925 г. вместе с физиком Н.И. Добронравовым, несколько видоизменив опытную установку и использовав вместо цинка пылинки висмута, он подтвердил теорию