Лабораторна робота - визначення елементарного заряду методом електролізу. Методи визначення елементарного електричного заряду.

Однією з фундаментальних постійних у фізиці є елементарний електричний заряд. Це скалярна величина, що характеризує здатність фізичних тіл брати участь у електромагнітному взаємодії.

Елементарним електричним зарядом прийнято вважати найменший позитивний чи негативний заряд, який неможливо поділити. Його величина дорівнює величині заряду електрона.

Те, що будь-який електричний заряд, що зустрічається в природі, завжди дорівнює цілій кількості елементарних зарядів, в 1752 р. припустив відомий політичний діяч Бенджамін Франклін, політик і дипломат, який займався ще і науковою і винахідницькою діяльністю, перший американець, який став членом Російської академії наук.

Бенджамін Франклін

Якщо припущення Франкліна вірно, і електричний заряд будь-якого зарядженого тіла або системи тіл складається з цілого числа елементарних зарядів, цей заряд може змінюватися стрибкоподібно на величину, що містить ціле число зарядів електрона.

Вперше це вдалося підтвердити і досить точно визначити заряд електрона досвідченим шляхом американському вченому, професору університету Чикаго, Роберту Міллікену.

Досвід Міллікена

Схема досвіду Міллікена

Свій перший знаменитий досвід із краплями олії Міллікен провів у 1909 р. разом зі своїм помічником Харві Флетчером. Кажуть, спочатку досвід планували робити за допомогою крапель води, але вони випарувалися за кілька секунд, чого виявилося явно мало, щоб отримати результат. Тоді Міллікен відправив Флетчера в аптеку, де той придбав пульверизатор і пляшечку масла для годинника. Цього виявилося достатньо, щоб досвід удався. Згодом Міллікен отримав за нього Нобелівську премію, а Флетчер - докторський ступінь.

Роберт Міллікен

Харві Флетчер

У чому полягав експеримент Міллікена?

Наелектризована крапелька олії під впливом сили тяжіння падає вниз між двома металевими пластинами. Але якщо між ними створити електричне поле, воно утримає крапельку від падіння. Вимірявши силу електричного поля, можна визначити заряд краплі.

Дві металеві пластини конденсатора експериментатори розташували усередині судини. Туди ж за допомогою пульверизатора вводилися дрібні крапельки олії, які заряджалися негативно під час розбризкування внаслідок їхнього тертя повітря.

Без електричного поля крапелька падає

Під дією сили тяжіння F w = mg крапельки починали падати донизу. Але так вони знаходилися не у вакуумі, а в середовищі, то вільно падати їм заважала сила опору повітря F res = 6πη rv 0 , де η - В'язкість повітря. Коли F w і F res врівноважувалися, падіння ставало рівномірним зі швидкістю v 0 . Вимірявши цю швидкість, вчений визначив радіус краплі.

Крапелька "парить" під дією електричного поля

Якщо в момент падіння крапельки на пластини подавалося напруга таким чином, що верхня пластина отримувала позитивний заряд, а нижня негативний падіння припинялося. Йому перешкоджало електричне поле, що виникло. Краплинки наче зависали. Це відбувалося, коли сила F r врівноважувалась силою, що діє з боку електричного поля F r = eE ,

де F r – результуюча сили тяжіння та сили Архімеда.

F r = 4/3 · πr 3 ( ρ – ρ 0) g

ρ - Щільність краплі олії;

ρ 0 – густина повітря.

r - Радіус краплі.

Знаючи F r і E , можна визначити величину e .

Так як домогтися того, щоб крапелька довго залишалася в нерухомому стані, було дуже складно, то Міллікен і Флетчер створювали таке поле, в якому крапелька після зупинки почала рухатися вгору з малою швидкістю v . В цьому випадку

Досліди повторювалися багаторазово. Заряди крапелькам повідомляли, опромінюючи їх рентгенівською або ультрафіолетовою установкою. Але щоразу загальний заряд краплі завжди дорівнював кільком елементарним зарядам.

У 1911 р. Міллікен встановив, що величина заряду електрона дорівнює 1,5924 (17) х 10 -19 Кл. Вчений помилився лише на 1%. Сучасне значення становить 1,602176487(10) х 10 -19 Кл.

Досвід Йоффе

Абрам Федорович Іоффе

Треба сказати, що одночасно з Мілликеном, але незалежно від цього, подібні досліди проводив російський фізик Абрам Федорович Иоффе. І його експериментальна установка була схожа на установку Міллікена. Але з судини відкачувалося повітря, і в ньому створювався вакуум. А замість крапельок олії Іоффе використав дрібні заряджені частинки цинку. За їхнім рухом спостерігали у мікроскоп.

Установка Іоффе

1- трубка

2-камера

3 - металеві пластини

4 - мікроскоп

5 - ультрафіолетовий випромінювач

Під дію електростатичного поля порошинка цинку робила падіння. Як тільки сила тяжкості порошинки дорівнювала силі, що діє на неї з боку електричного поля, падіння припинялося. Поки заряд порошинки не змінювався, вона продовжувала висіти нерухомо. Але якщо на неї впливали ультрафіолетовим світлом, її заряд зменшувався, і рівновага порушувалося. Вона знову починала падати. Тоді збільшували величину заряду на пластинах. Відповідно збільшувалося електричне поле, і падіння знову зупинялося. Так робили кілька разів. В результаті з'ясували, що кожного разу заряд порошинки змінювався на величину, кратну величині заряду елементарної частки.

Величину заряду цієї частки Іоффе не розрахував. Але, провівши подібний досвід у 1925 р. разом із фізиком Н.І. Добронравовим, дещо видозмінивши дослідну установку та використавши замість цинку порошинки вісмуту, він підтвердив теорію

Міністерство освіти РФ

Амурський Державний Педагогічний університет

Методи визначення елементарного електричного заряду

Виконав студент 151г.

Вензелєв А.А

Перевірив: Черанєва Т.Г

Вступ.

1. Передісторія відкриття електрона

2. Історія відкриття електрона

3. Досліди та методи відкриття електрона

3.1.Досвід Томсона

3.2.Досвід Резерфорда

3.3. Метод Міллікена

3.3.1. коротка біографія

3.3.2. Опис установки

3.3.3. Обчислення елементарного заряду

3.3.4. Висновки з методу

3.4. Метод візуалізації Комптону

Висновок.

Вступ:

ЕЛЕКТРОН - перша за часом відкриття елементарна частка; матеріальний носій найменшої маси та найменшого електричного заряду в природі; складова частина атома.

Заряд електрона - 1,6021892. 10 -19 Кл

4,803242. 10 -10 од. СДСЕ

Маса електрона 9,109534. 10 -31 кг

Питомий заряд e/m e 1,7588047. 10 11 Кл. кг -1

Спин електрона дорівнює 1/2 (в одиницях h) та має дві проекції ±1/2; електрони підпорядковуються статистиці Фермі-Дірака, ферміони. Там діє принцип заборони Паулі.

Магнітний момент електрона дорівнює - 1,00116 м б, де m б - магнетон Бора.

Електронна стабільна частка. Згідно з експериментальними даними, час життя t e > 2 . 10-22 років.

Не бере участі у сильній взаємодії, лептон. Сучасна фізика розглядає електрон як істинно елементарну частинку, що не має структури та розмірів. Якщо останні і відмінні від нуля, то радіус електрона r e< 10 -18 м

1.Предісторія відкриття

Відкриття електрона стало результатом численних експериментів. На початку XX в. існування електрона було встановлено у низці незалежних експериментів. Але, незважаючи на колосальний експериментальний матеріал, накопичений цілими національними школами, електрон залишався гіпотетичною часткою, бо досвід ще не відповів на низку фундаментальних питань. Насправді "відкриття" електрона розтяглося більш ніж на півстоліття і не завершилося 1897 року; в ньому брало участь безліч вчених та винахідників.

Насамперед був жодного досвіду, у якому брали участь окремі електрони. Елементарний заряд обчислювався виходячи з вимірювань мікроскопічного заряду у припущенні справедливості низки гіпотез.

Невизначеність була у принципово важливому пункті. Спочатку електрон з'явився як результат атомістичного тлумачення законів електролізу, потім він був виявлений у газовому розряді. Було не ясно, чи має фізика насправді справу з одним і тим самим об'єктом. Велика група скептично налаштованих натуралістів вважала, що елементарний заряд є статистичним середнім зарядом найрізноманітнішої величини. Тим більше що жоден з дослідів з вимірювання заряду електрона не давав значень, що строго повторюються.
Були скептики, які загалом ігнорували відкриття електрона. Академік О.Ф. Іоффе у спогадах про свого вчителя В.К. Рентгені писав: «До 1906 – 1907 рр. в. слово електрон не мало вимовлятися у фізичному інституті Мюнхенського університету. Рентген вважав його недоведеною гіпотезою, яка застосовується часто без достатніх підстав і без потреби».

Не було вирішено питання про масу електрона, не доведено, що і на провідниках, і діелектриках заряди складаються з електронів. Поняття «електрон» у відсутності однозначного тлумачення, бо експеримент не розкрив ще структури атома (планетарна модель Резерфорда з'явиться 1911 р., а теорія Бора - 1913г.).

Електрон не увійшов ще й до теоретичних побудов. В електронній теорії Лоренца фігурувала безперервно розподілена густина заряду. Теоретично металевої провідності, розвиненої Друде, йшлося про дискретних зарядах, але ці довільні заряди, значення яких не накладалося ніяких обмежень.

Електрон ще не вийшов із рамок «чистої» науки. Нагадаємо, що перша електронна лампа з'явилася лише у 1907 р. Для переходу від віри до переконання необхідно було перш за все ізолювати електрон, винайти метод безпосереднього та точного виміру елементарного заряду.

Вирішення цього завдання не забарилося. У 1752 р. була вперше висловлена ​​думка про дискретність електричного заряду Б. Франкліном. Експериментально дискретність зарядів було обгрунтовано законами електролізу, відкритими М. Фарадеєм в 1834 р. Числове значення елементарного заряду (найменшого електричного заряду, що у природі) було теоретично обчислено виходячи з законів електролізу з допомогою числа Авогадро. Прямий експериментальний вимір елементарного заряду було виконано Р. Міллікеном у класичних дослідах, виконаних у 1908 – 1916 роках. Ці досліди дали також незаперечний доказ атомізму електрики. Згідно з основними уявленнями електронної теорії заряд якого-небудь тіла виникає в результаті зміни кількості електронів, що міститься в ньому (або позитивних іонів, величина заряду яких кратна заряду електрона). Тому заряд будь-якого тіла повинен змінюватися стрибкоподібно і такими порціями, що містять цілу кількість зарядів електрона. Встановивши на досвіді дискретний характер зміни електричного заряду, Р. Міллікен зміг отримати підтвердження існування електронів та визначити величину заряду одного електрона (елементарний заряд), використовуючи метод масляних крапель. В основу методу покладено вивчення руху заряджених крапель олії в однорідному електричному полі відомої напруженості Е.

2. Відкриття електрона:

Якщо відволіктися від того, що передувало відкриттю першої елементарної частки - електрона, і від того, що супроводжувало цю видатну подію, можна сказати коротко: в 1897 відомий англійський фізик ТОМСОН Джозеф Джон (1856-1940 рр.) виміряв питомий заряд q катодно-променевих частинок - "корпускул", як він їх назвав, за відхиленням катодних променів *) в електричному та магнітному полях.

Зі порівняння отриманого числа з відомим на той час питомим зарядом одновалентного іона водню, шляхом непрямих міркувань він дійшов висновку, що маса цих частинок, які отримали пізню назву "електрони", значно менше (більш ніж тисячу разів) маси найлегшого іону водню.

У тому ж, 1897 року він висунув гіпотезу, що електрони є складовою атомів, а катодні промені - не атоми чи електромагнітне випромінювання, як вважали деякі дослідники властивостей променів. Томсон писав: " Таким чином, катодні промені є новим станом речовини, істотно відмінним від звичайного газоподібного стану ...; у цьому новому стані матерія являє собою речовину, з якої побудовані всі елементи ".

З 1897 корпускулярна модель катодних променів стала завойовувати загальне визнання, хоча про природу електрики були найрізноманітніші судження. Так, німецький фізик Е.Віхерт вважав, що "електрика є щось уявне, що існує реально тільки в думках", а відомий англійський фізик лорд Кельвін у тому ж, 1897 писав про електрику як про якусь "безперервну рідину".

Думка Томсона про катодно-променеві корпускули як про основні компоненти атома не була зустрінута з великим ентузіазмом. Деякі його колеги вирішили, що він містифікував їх, коли висловив припущення, що частинки катодних променів слід розглядати як можливі компоненти атома. Справжня роль томсонівських корпускул у структурі атома могла бути зрозуміла у поєднанні з результатами інших досліджень, зокрема, з результатами аналізу спектрів та вивчення радіоактивності.

29 квітня 1897 року Томсон зробив своє знамените повідомлення на засіданні Лондонського королівського товариства. Точний час відкриття електрона - день і годину - неможливо назвати через його своєрідність. Ця подія стала результатом багаторічної роботи Томсона та його співробітників. Ні Томсон, ні будь-хто інший ніколи не спостерігали електрон у буквальному сенсі, нікому не вдалося виділити окрему частинку з пучка катодних променів і виміряти її питомий заряд. Автором відкриття є Дж. Дж. Томсон тому, що його уявлення про електрон були близькі до сучасних. У 1903 році він запропонував одну з перших моделей атома - "пудинг із родзинками", а в 1904 припустив, що електрони в атомі поділяються на групи, утворюючи різні зміни, що зумовлюють періодичність хімічних елементів.

Місце відкриття точно відоме - Кавендіська лабораторія (Кембридж, Великобританія). Створена в 1870 році Дж.К.Максвеллом, у наступні сто років вона стала "колискою" цілого ланцюга блискучих відкриттів у різних галузях фізики, особливо в атомній та ядерній. Директорами її були: Максвелл Дж.К. - З 1871 по 1879 рік, лорд Релей - з 1879 по 1884 рік, Томсон Дж.Дж. - З 1884 по 1919 рік, Резерфорд Е. - з 1919 по 1937 рік, Брег Л. - з 1938 по 1953; заступником директора у 1923-1935 роках – Чедвік Дж.

Наукові експериментальні дослідження проводилося одним вченим чи невеликою групою у атмосфері творчого пошуку. Лоуренс Брегг згадував згодом про свою роботу в 1913 році разом з батьком, Генрі Бреггом: "Це був чудовий час, коли нові захоплюючі результати отримували майже щотижня, подібно до відкриття нових золотоносних районів, де самородки можна підбирати прямо з землі. Це тривало аж до землі. початку війни *), що припинила нашу спільну роботу».

3.Методи відкриття електрона:

3.1.Досвід Томсона

Джозеф Джон ТОМСОН Joseph John Thomson, 1856–1940

Англійський фізик, більш відомий просто як Дж. Дж. Томсон. Народився в Читем-Хіллі (Cheetham Hill), передмісті Манчестера, у сім'ї букініста-антиквара. У 1876 виграв стипендію на навчання в Кембриджі. У 1884-1919 роках - професор кафедри експериментальної фізики Кембриджського університету та за сумісництвом - керівник Кавендіської лабораторії, яка зусиллями Томсона перетворилася на один із найвідоміших науково-дослідних центрів світу. Одночасно у 1905-1918 роках – професор Королівського інституту в Лондоні. Лауреат Нобелівської премії з фізики 1906 з формулюванням «за дослідження проходження електрики через гази», яка, природно, включає і відкриття електрона. Син Томсона Джордж Паджет Томсон (George Paget Thomson, 1892-1975) також згодом став Нобелівським лауреатом з фізики - 1937 року за експериментальне відкриття дифракції електронів на кристалах.

У 1897 році молодий англійський фізик Дж. Дж. Томсон прославився у століттях як першовідкривач електрона. У своєму досвіді Томсон використовував удосконалену катодно-променеву трубку, конструкція якої була доповнена електричними котушками, що створювали (згідно із законом Ампера) всередині трубки магнітне поле, та набором паралельних електричних конденсаторних пластин, що створювали всередині трубки електричне поле. Завдяки цьому з'явилася можливість дослідити поведінку катодних променів під впливом магнітного і електричного поля.

Використовуючи трубку нової конструкції, Томсон послідовно показав, що: (1) катодні промені відхиляються в магнітному полі без електричного; (2) катодні промені відхиляються в електричному полі без магнітного; і (3) при одночасному дії електричного та магнітного полів збалансованої інтенсивності, орієнтованих у напрямках, що викликають окремо відхилення в протилежні сторони, катодні промені поширюються прямолінійно, тобто дія двох полів взаємно врівноважується.

Томсон з'ясував, що співвідношення між електричним та магнітним полями, при якому їхня дія врівноважується, залежить від швидкості, з якої рухаються частки. Провівши низку вимірювань, Томсон зміг визначити швидкість руху катодних променів. Виявилося, що вони рухаються значно повільніше за швидкість світла, з чого випливало, що катодні промені можуть бути тільки частинками, оскільки будь-яке електромагнітне випромінювання, включаючи саме світло, поширюється зі швидкістю світла (див. Спектр електромагнітного випромінювання). Ці невідомі частки. Томсон назвав "корпускулами", але незабаром вони почали називатися "електронами".

Відразу стало ясно, що електрони мають існувати у складі атомів - інакше, звідки вони взялися? 30 квітня 1897 - дата доповіді Томсоном отриманих ним результатів на засіданні Лондонського королівського товариства - вважається днем ​​народження електрона. І цього дня відійшло у минуле уявлення про «неподільність» атомів (див. Атомна теорія будови речовини). Разом з відкриттям атомного ядра, що відбулося через десять з невеликим років (див. Досвід Резерфорда) відкриття електрона заклало основу сучасної моделі атома.

Описані вище «катодні», а точніше, електронно-променеві трубки стали найпростішими попередницями сучасних телевізійних кінескопів і комп'ютерних моніторів, в яких строго контрольовані кількості електронів вибиваються з поверхні розжареного катода, під впливом змінних магнітних полів відхиляються під строго заданими. , утворюючи ними чітке зображення, що у результаті фотоелектричного ефекту, відкриття якого також було б неможливим без нашого знання істинної природи катодних променів.

3.2.Досвід Резерфорда

ЕрнестРЕЗЕРФОРД, БаронРезерфордНельсонський I Ernest Rutherford, First Baron Rutherford of Nelson, 1871-1937

Новозеландський фізик. Народився у Нельсоні, у сім'ї фермера-ремісника. Виграв стипендію для здобуття освіти у Кембриджському університеті в Англії. Після його закінчення отримав призначення в канадський університет Мак-Гілл (McGill University), де спільно з Фредеріком Содді (Frederick Soddy, 1877-1966) встановив основні закономірності явища радіоактивності, за що в 1908 був удостоєний Нобелівської премії з хімії. Невдовзі вчений перебрався до Манчестерського університету, де під його керівництвом Ганс Гейгер (Hans Geiger, 1882–1945) винайшов свій знаменитий лічильник Гейгера, зайнявся дослідженнями будови атома і в 1911 відкрив існування атомного ядра. У роки Першої світової війни займався розробкою сонарів (акустичних радарів) виявлення підводних човнів противника. У 1919 році був призначений професором фізики та директором Кавендіської лабораторії Кембриджського університету і в тому ж році відкрив розпад ядра внаслідок бомбардування важкими частинками високих енергій. На цій посаді Резерфорд залишався до кінця життя, одночасно будучи впродовж багатьох років президентом Королівського наукового товариства. Похований у Вестмінстерському абатстві поряд із Ньютоном, Дарвіном та Фарадеєм.

Ернест Резерфорд – унікальний вчений у тому плані, що свої головні відкриття він зробив уже після здобуття Нобелівської премії. У 1911 році йому вдався експеримент, який не тільки дозволив вченим заглянути вглиб атома і отримати уявлення про його будову, а й став взірцем витонченості та глибини задуму.

І використовуючи природне джерело радіоактивного випромінювання, Резерфорд побудував гармату, що давала спрямований і сфокусований потік частинок. Гармата була свинцевою скринькою з вузьким прорізом, всередину якого був поміщений радіоактивний матеріал. Завдяки цьому частинки (у даному випадку альфа-частинки, що складаються з двох протонів і двох нейтронів), що випускаються радіоактивною речовиною у всіх напрямках, крім одного, поглиналися свинцевим екраном, і лише через проріз вилітав спрямований пучок альфа-частинок.

заданого спрямування. В результаті до мішені підлітав ідеально сфокусований пучок альфа-часток, а сама мішень була найтоншим листом золотої фольги. У неї й ударяв альфа-промінь. Після зіткнення з атомами фольги альфа-частинки продовжували свій шлях і потрапляли на люмінесцентний екран, встановлений за мішені, на якому при попаданні на нього альфа-частинок реєструвалися спалахи. За ними експериментатор міг судити, скільки і наскільки альфа-частинки відхиляються від напряму прямолінійного руху внаслідок зіткнень з атомами фольги.

Резерфорд, однак, зауважив, що ніхто з його попередників навіть не пробував перевірити експериментально, чи не відхиляються деякі альфа-частинки під дуже великими кутами. Модель сітки із родзинками просто не допускала існування в атомі настільки щільних і важких елементів структури, що вони могли б відхиляти швидкі альфа-частинки на значні кути, тому ніхто й не переймався тим, щоб перевірити таку можливість. Резерфорд попросив одного зі своїх студентів переобладнати установку таким чином, щоб можна було спостерігати розсіювання альфа-частинок під великими кутами відхилення - просто для очищення совісті, щоб остаточно унеможливити таку можливість. Як детектор використовувався екран з покриттям з сульфіду натрію - матеріалу, що дає флуоресцентний спалах при попаданні в нього альфа-частинки. Яке ж було здивування не лише студента, який безпосередньо проводив експеримент, а й самого Резерфорда, коли з'ясувалося, що деякі частинки відхиляються на кути аж до 180°!

Картина атома, намальована Резерфордом за наслідками досвіду, нам сьогодні добре знайома. Атом складається із надщільного, компактного ядра, що несе на собі позитивний заряд, і негативно заряджених легких електронів навколо нього. Пізніше вчені підвели під цю картину надійну теоретичну базу, але почалося все з простого експерименту з маленьким зразком радіоактивного матеріалу і шматком золотої фольги.

3.2.МетодМілікена

3.2.1. Коротка біографія:

Роберт Міллікен народився 1868 р. у штаті Іллінойс у бідній родині священика. Дитинство його пройшло у провінційному містечку Маквокета, де багато уваги приділяли спорту та погано вчили. Директор середньої школи, який викладав фізику, говорив, наприклад, своїм молодим слухачам: «Як це можна з хвиль зробити звук? Нісенітниця, хлопчики, все це нісенітниця!

В Обердинському коледжі було не краще, але Міллікену, який не мав матеріальної підтримки, довелося самому викладати фізику в середній школі. В Америці тоді було всього два підручники з фізики, перекладені з французької, і талановитому юнакові не уявило труднощів вивчити їх і з успіхом вести заняття. У 1893 р. він вступає до Колумбійського університету, потім їде вчитися до Німеччини.

Міллікену було 28 років, коли він отримав пропозицію від А. Майкельсона зайняти місце асистента в університеті Чикаго. На початку він займався тут майже виключно педагогічною роботою і лише у сорок років розпочав наукові дослідження, які принесли йому світову славу.

3.2.2. Перші досліди та вирішення проблем:

Перші досліди зводилися до наступного. Між пластинками плоского конденсатора, на які подавалася напруга 4000 В, створювалася хмара, що складалася з крапель води, що осіли на іонах. Спочатку спостерігалося падіння вершини хмари без електричного поля. Потім утворювалася хмара при включеній напрузі. Падіння хмари відбувалося під дією сили тяжіння та електричної сили.
Відношення сили, що діє на краплю у хмарі, до швидкості, яку вона набуває, однаково у першому та у другому випадку. У першому випадку сила дорівнює mg,у другому mg+qE,де q- Заряд краплі, Е- Напруженість електричного поля. Якщо швидкість у першому випадку дорівнює υ 1 у другому υ 2 , то

Знаючи залежність швидкості падіння хмари υ від в'язкості повітря можна обчислити шуканий заряд q.Однак цей метод не давав бажаної точності, тому що містив гіпотетичні припущення, які не піддаються контролю експериментатора.

Щоб збільшити точність вимірювань, необхідно було насамперед знайти спосіб обліку випаровування хмари, яке неминуче відбувалося у процесі виміру.

Розмірковуючи над цією проблемою, Міллікен і прийшов до класичного методу крапель, що відкрив цілу низку несподіваних можливостей. Історію винаходу надамо розповісти самому автору:
«Усвідомлюючи, що швидкість випаровування крапель залишалася невідомою, я спробував придумати спосіб, який би цілком виключив цю невизначену величину. Мій план полягав у наступному. У попередніх дослідах електричне поле могло лише трохи збільшити чи зменшити швидкість падіння верхівки хмари під впливом сили тяжіння. Тепер я хотів це поле посилити настільки, щоб верхня поверхня хмари залишалася на постійній висоті. У цьому випадку з'явилася можливість з точністю визначити швидкість випаровування хмари і взяти її до уваги при обчисленнях».

Для реалізації цієї ідеї Міллікен сконструював невелику за габаритами акумуляторну батарею, що давала напругу до 10 4 (для того часу це було видатним досягненням експериментатора). Вона мала створювати поле, досить сильне, щоб хмара утримувалася, як «труна Магомета», у підвішеному стані. «Коли у мене все було готове, - розповідає Міллікен, і коли утворилася хмара, я повернув вимикач і хмара опинилась в електричному полі. І цієї миті вона на моїх очах розтанула, іншими словами, від цілої хмари не залишилося і маленького шматочка, який можна було б спостерігати за допомогою контрольного оптичного приладу, як це робив Вільсон і збирався робити я. Як мені спочатку здалося, безслідне зникнення хмари в електричному полі між верхньою та нижньою пластинками означало, що експеримент закінчився безрезультатно...» Проте, як це нерідко бувало в історії науки, невдача породила нову ідею. Вона і призвела до знаменитого методу крапель. «Повторні досліди, – пише Міллікен, – показали, що після розсіювання хмари в потужному електричному полі на його місці. можна було розрізнити кілька окремих водяних крапель»(підкреслено мною.- В. Д.).«Невдалий» досвід призвів до відкриття можливості утримувати у рівновазі та спостерігати окремі крапельки протягом досить тривалого часу.

Але за час спостереження маса краплі води суттєво змінилася внаслідок випаровування, і Міллікен після багатоденних пошуків перейшов до експериментів із краплями олії.

Процедура експерименту виявилася простою. Адіабатичним розширенням між пластинами конденсатора утворюється хмара. Воно складається з крапельок, що мають різні по модулю та знаку заряди. При включенні електричного поля краплі, що мають заряди, однойменні із зарядом верхньої пластини конденсатора, швидко падають, а краплі з зарядом протилежним притягуються верхньою пластиною. Але кілька крапель має такий заряд, що сила тяжкості врівноважується електричної силою.

Через 7 чи 8 хв. хмара розсіюється, й у зору залишається невелике число крапель, заряд яких відповідає зазначеному рівновазі сил.

Міллікен спостерігав ці краплі у вигляді яскравих яскравих точок. «Історія цих крапель протікає звичайно так, - пише він. . Потім поле починає переважати, і краплі починають повільно підніматися. Під кінець їхнього життя в просторі між пластинами цей висхідний рух стає дуже прискореним, і вони притягуються з великою швидкістю до верхньої пластини».

3.2.3. Опис установки:

Схема установки Міллікена, з допомогою якої у 1909 р. було отримано вирішальні результати, зображено малюнку 17.

В камері Збув поміщений плоский конденсатор із круглих латунних пластин. Мі Nдіаметром 22 см (відстань між ними було 1,6 см). У центрі верхньої пластини було зроблено маленький отвір р,крізь яке проходили краплі олії. Останні утворювалися при вдуванні струменя олії за допомогою розпилювача. Повітря при цьому попередньо очищалося від пилу шляхом пропускання через трубу зі скляною ватою. Краплі олії мали діаметр близько 10 -4 см.

Про
т акумуляторної батареї Уна пластини конденсатора подавалася напруга 10 4 У. З допомогою перемикача можна було закорочувати пластини і цим зруйнують електричне полі.

Краплі олії, що потрапляли між пластинами Мі N,висвітлювалися сильним джерелом. Перпендикулярно напрямку променів через зорову трубу спостерігалася поведінка крапель.

Іони, необхідні для конденсації крапель, створювалися випромінюванням шматочка радію масою 200 мг, розташованого на відстані від 3 до 10 см збоку від пластин.

За допомогою спеціального пристрою опусканням поршня провадилося розширення газу. Через 1 - 2 після розширення радій видалявся або затулявся свинцевим екраном. Потім включалося електричне поле і починалося спостереження крапель зорову трубу. Труба мала шкалу, якою можна було відраховувати шлях, пройдений краплею за певний проміжок часу. Час фіксувався по точних годинниках з арретиром.

У процесі спостережень Міллікен виявив явище, що стало ключем до всієї серії наступних точних вимірів окремих елементарних зарядів.

«Працюючи над виваженими краплями, – пише Міллікен, – я кілька разів забував закривати їх від променів радію. Тоді мені доводилося помічати, що час від часу одна з крапель раптово змінювала свій заряд і починала рухатися вздовж поля або проти нього, очевидно, захопивши в першому випадку позитивний, а в другому негативний іон. Це відкривало можливість вимірювати з достовірністю як заряди окремих крапель, як це робив до того часу, а й заряд окремого атмосферного іона.

Справді, вимірюючи швидкість однієї й тієї ж краплі двічі, один раз до, а другий раз після захоплення іона, я, очевидно, міг цілком виключити властивості краплі та властивості середовища та оперувати з величиною, пропорційною лише заряду захопленого іона».

3.2.4. Обчислення елементарного заряду:

Елементарний заряд обчислювався Міллікеном на підставі таких міркувань. Швидкість руху краплі пропорційна силі, що діє на неї, і не залежить від заряду краплі.
Якщо крапля падала між пластинами конденсатора під дією лише сили тяжіння зі швидкістю υ , то

υ 1 = kmg (1)

При включенні поля, спрямованого проти сили тяжіння, чинною силою буде різниця qE - mg, де q -заряд краплі, Е -модуль напруги поля.

Швидкість краплі дорівнюватиме:

υ 2 =k(qE-mg) (2)

Якщо розділити рівність (1) на (2) , отримаємо

Про тсюди

Нехай крапля захопила іон і заряд її дорівнював q",а швидкість руху υ 2 . Заряд цього захопленого іона позначимо через e.

Тоді e = q "- q.

Використовуючи (3), отримаємо

Величина - постійна даної краплі.

3.2.5. Висновки з методу Міллікена

Отже, кожен захоплений краплею заряд буде пропорційний різниці швидкостей ( υ " 2 - υ 2 ), Інакше кажучи, пропорційний зміні швидкості краплі внаслідок захоплення іона! Отже, вимір елементарного заряду було зведено до вимірювання шляху, пройденого краплею, і часу, протягом якого цей шлях пройдено. Численні спостереження показали справедливість формули (4). Виявилось, що величина еможе змінюватися лише стрибками! Завжди спостерігаються заряди е, 2е, 3e, 4еі т.д.

«У багатьох випадках, – пише Міллікен, – крапля спостерігалася протягом п'яти чи шести годин, і за цей час вона захоплювала не вісім чи десять іонів, а сотні їх. Загалом я спостерігав таким шляхом захоплення багатьох тисяч іонів, і у всіх випадках захоплений заряд... був або точно дорівнює найменшому з усіх захоплених зарядів, або він дорівнював невеликому цілому кратному цієї величини. У цьому полягає прямий і незаперечний доказ того, що електрон не є «статистичним середнім», але всі електричні заряди на іонах або точно дорівнюють заряду електрона, або представляють невеликі цілі кратні цього заряду».

Отже, атомістичність, дискретність чи, говорячи сучасною мовою, квантованість електричного заряду стала експериментальним фактом. Тепер важливо було показати, що електрон, так би мовити, всюдисущий. Будь-який електричний заряд у тілі будь-якої природи є сумою тих самих елементарних зарядів.

Метод Міллікена дозволив однозначно відповісти на це запитання. У перших дослідах заряди створювалися іонізацією нейтральних молекул газу потоком радіоактивного випромінювання. Вимірювався заряд іонів, захоплених краплями.

При розбризкуванні рідини пульверизатором краплі електризуються завдяки тертю. Це було добре відомо ще у ХІХ ст. Чи є ці заряди також квантованими, як і заряди іонів? Міллікен «зважує» краплі після розбризкування і проводить вимірювання зарядів описаним вище способом. Досвід виявляє таку ж дискретність електричного заряду.

Бризгаючи краплі олії (діелектрика), гліцерину (напівпровідника), ртуті (провідника), Міллікен доводить, що заряди на тілах будь-якої фізичної природи складаються у всіх без винятку випадках з окремих елементарних порцій строго постійної величини. У 1913 р. Міллікен підсумовує результати численних експериментів і дає для елементарного заряду таке значення: е= 4,774. 10 -10 од. заряду СДСЄ. Так було встановлено одну з найважливіших констант сучасної фізики. Визначення електричного заряду стало простим арифметичним завданням.

3.4 Метод візуалізації Комптону:

Велику роль зміцненні думки реальності електрона зіграло відкриття Ч.Т.Р. Вільсоном ефекту конденсації водяної пари на іонах, що призвело до можливості фотографування треків частинок.

Розповідають, що А. Комптон на лекції ніяк не міг переконати скептично налаштованого слухача насправді існування мікрочастинок. Той твердив, що повірить, тільки побачивши їх на власні очі.
Тоді Комптон показав фотографію з треком α-частинки, поруч із яким був відбиток пальця. Чи знаєте ви, що це таке? - Запитав Комптон. "Палець", - відповів слухач. "У такому випадку, - заявив урочисто Комптон, - ця смуга, що світиться, і є частка".
Фотографії треків електронів не лише свідчили про реальність електронів. Вони підтверджували припущення про небагато розмірів електронів та дозволяли порівняти з досвідом результати теоретичних розрахунків, у яких фігурував радіус електрона. Досліди, початок яким було покладено Ленардом щодо проникаючої здатності катодних променів, показали, що дуже швидкі електрони, викидані радіоактивними речовинами, дають треки у газі як прямих ліній. Довжина треку пропорційна енергії електрона. Фотографії треків α-часток великої енергії показують, що треки складаються з великої кількості точок. Кожна точка – водяна крапелька, що виникає на іоні, що утворюється внаслідок зіткнення електрона з атомом. Знаючи розміри атома та їхню концентрацію, ми можемо обчислити число атомів, крізь які має пройти α-частка на даній відстані. Простий розрахунок показує, що α-частка має пройти приблизно 300 атомів, перш ніж вона зустріне на шляху один з електронів, що становлять оболонку атома, і здійснить іонізацію.

Цей факт переконливо свідчить, що обсяг електронів становить мізерно малу частку обсягу атома. Трек електрона, що має малу енергію, викривлений, отже, повільний електрон відхиляється внутрішньоатомним полем. Він справляє своєму шляху більше актів іонізації.

З теорії розсіювання можна отримати дані для оцінки кутів відхилення залежно від енергії електронів. Ці дані добре підтверджуються під час аналізу реальних треків, Збіг теорії з експериментом зміцнило уявлення про електроні, як найдрібнішій частинці речовини.

Висновок:

Вимір елементарного електричного заряду відкрило можливість точного визначення низки найважливіших фізичних констант.
Знання величини еавтоматично дає можливість визначити значення фундаментальної константи – постійної Авогадро. До дослідів Міллікена існували лише грубі оцінки постійної Авогадро, які давалися кінетичною теорією газів. Ці оцінки спиралися на обчислення середнього радіусу молекули повітря і коливалися досить широких межах від 2 . 10 23 до 20 . 10 23 1/моль.

Припустимо, що нам відомий заряд Q,пройшов через розчин електроліту, та кількість речовини М, яка відклалася на електроді. Тоді, якщо заряд іона дорівнює Ze 0 і маса його m 0 , виконується рівність

Якщо маса речовини, що відклалася, дорівнює одному молю,

то Q = F-постійної Фарадея, причому F = N 0 e, звідки:

Очевидно, що точність визначення постійної Авогадро визначається точністю, з якою вимірюється заряд електрона. Практика зажадала збільшення точності визначення фундаментальних констант, і це стало одним із стимулів до продовження вдосконалення методики вимірювань кванта електричного заряду. Робота ця, що носить чисто метрологічний характер, триває досі.

Найбільш точними в даний час є значення:

е= (4,8029 ± 0,0005) 10-10. од. заряду СДСЄ;

N 0 = (6,0230±0,0005) 1023 1/моль.

Знаючи No, Можна визначити число молекул газу в 1 см 3 оскільки обсяг, займаний 1 молем газу, являє собою вже відому постійну величину.

Знання числа молекул газу в 1 см 3 дало можливість визначити середню кінетичну енергію теплового руху молекули. Нарешті, за зарядом електрона можна визначити постійну Планку та постійну Стефана-Больцмана в законі теплового випромінювання.

Міністерство освіти РФ

Амурський Державний Педагогічний університет

Методи визначення елементарного електричного заряду

Виконав студент 151г.

Вензелєв А.А

Перевірив: Черанєва Т.Г

Вступ.

1. Передісторія відкриття електрона

2. Історія відкриття електрона

3. Досліди та методи відкриття електрона

3.1.Досвід Томсона

3.2.Досвід Резерфорда

3.3. Метод Міллікена

3.3.1. коротка біографія

3.3.2. Опис установки

3.3.3. Обчислення елементарного заряду

3.3.4. Висновки з методу

3.4. Метод візуалізації Комптону

Висновок.

Вступ:

ЕЛЕКТРОН - перша за часом відкриття елементарна частка; матеріальний носій найменшої маси та найменшого електричного заряду в природі; складова частина атома.

Заряд електрона - 1,6021892. 10 -19 Кл

4,803242. 10 -10 од. СДСЕ

Маса електрона 9,109534. 10 -31 кг

Питомий заряд e/m e 1,7588047. 10 11 Кл. кг -1

Спин електрона дорівнює 1/2 (в одиницях h) та має дві проекції ±1/2; електрони підпорядковуються статистиці Фермі-Дірака, ферміони. Там діє принцип заборони Паулі.

Магнітний момент електрона дорівнює - 1,00116 м б, де m б - магнетон Бора.

Електронна стабільна частка. Згідно з експериментальними даними, час життя t e > 2 . 10-22 років.

Не бере участі у сильній взаємодії, лептон. Сучасна фізика розглядає електрон як істинно елементарну частинку, що не має структури та розмірів. Якщо останні і відмінні від нуля, то радіус електрона r e< 10 -18 м

1.Предісторія відкриття

Відкриття електрона стало результатом численних експериментів. На початку XX в. існування електрона було встановлено у низці незалежних експериментів. Але, незважаючи на колосальний експериментальний матеріал, накопичений цілими національними школами, електрон залишався гіпотетичною часткою, бо досвід ще не відповів на низку фундаментальних питань. Насправді "відкриття" електрона розтяглося більш ніж на півстоліття і не завершилося 1897 року; в ньому брало участь безліч вчених та винахідників.

Насамперед був жодного досвіду, у якому брали участь окремі електрони. Елементарний заряд обчислювався виходячи з вимірювань мікроскопічного заряду у припущенні справедливості низки гіпотез.

Невизначеність була у принципово важливому пункті. Спочатку електрон з'явився як результат атомістичного тлумачення законів електролізу, потім він був виявлений у газовому розряді. Було не ясно, чи має фізика насправді справу з одним і тим самим об'єктом. Велика група скептично налаштованих натуралістів вважала, що елементарний заряд є статистичним середнім зарядом найрізноманітнішої величини. Тим більше що жоден з дослідів з вимірювання заряду електрона не давав значень, що строго повторюються.
Були скептики, які загалом ігнорували відкриття електрона. Академік О.Ф. Іоффе у спогадах про свого вчителя В.К. Рентгені писав: «До 1906 – 1907 рр. в. слово електрон не мало вимовлятися у фізичному інституті Мюнхенського університету. Рентген вважав його недоведеною гіпотезою, яка застосовується часто без достатніх підстав і без потреби».

Не було вирішено питання про масу електрона, не доведено, що і на провідниках, і діелектриках заряди складаються з електронів. Поняття «електрон» у відсутності однозначного тлумачення, бо експеримент не розкрив ще структури атома (планетарна модель Резерфорда з'явиться 1911 р., а теорія Бора - 1913г.).

Електрон не увійшов ще й до теоретичних побудов. В електронній теорії Лоренца фігурувала безперервно розподілена густина заряду. Теоретично металевої провідності, розвиненої Друде, йшлося про дискретних зарядах, але ці довільні заряди, значення яких не накладалося ніяких обмежень.

Електрон ще не вийшов із рамок «чистої» науки. Нагадаємо, що перша електронна лампа з'явилася лише у 1907 р. Для переходу від віри до переконання необхідно було перш за все ізолювати електрон, винайти метод безпосереднього та точного виміру елементарного заряду.

Вирішення цього завдання не забарилося. У 1752 р. була вперше висловлена ​​думка про дискретність електричного заряду Б. Франкліном. Експериментально дискретність зарядів було обгрунтовано законами електролізу, відкритими М. Фарадеєм в 1834 р. Числове значення елементарного заряду (найменшого електричного заряду, що у природі) було теоретично обчислено виходячи з законів електролізу з допомогою числа Авогадро. Прямий експериментальний вимір елементарного заряду було виконано Р. Міллікеном у класичних дослідах, виконаних у 1908 – 1916 роках. Ці досліди дали також незаперечний доказ атомізму електрики. Згідно з основними уявленнями електронної теорії заряд якого-небудь тіла виникає в результаті зміни кількості електронів, що міститься в ньому (або позитивних іонів, величина заряду яких кратна заряду електрона). Тому заряд будь-якого тіла повинен змінюватися стрибкоподібно і такими порціями, що містять цілу кількість зарядів електрона. Встановивши на досвіді дискретний характер зміни електричного заряду, Р. Міллікен зміг отримати підтвердження існування електронів та визначити величину заряду одного електрона (елементарний заряд), використовуючи метод масляних крапель. В основу методу покладено вивчення руху заряджених крапель олії в однорідному електричному полі відомої напруженості Е.

2. Відкриття електрона:

Якщо відволіктися від того, що передувало відкриттю першої елементарної частки - електрона, і від того, що супроводжувало цю видатну подію, можна сказати коротко: в 1897 відомий англійський фізик ТОМСОН Джозеф Джон (1856-1940 рр.) виміряв питомий заряд q катодно-променевих частинок - "корпускул", як він їх назвав, за відхиленням катодних променів *) в електричному та магнітному полях.

Зі порівняння отриманого числа з відомим на той час питомим зарядом одновалентного іона водню, шляхом непрямих міркувань він дійшов висновку, що маса цих частинок, які отримали пізню назву "електрони", значно менше (більш ніж тисячу разів) маси найлегшого іону водню.

У тому ж, 1897 року він висунув гіпотезу, що електрони є складовою атомів, а катодні промені - не атоми чи електромагнітне випромінювання, як вважали деякі дослідники властивостей променів. Томсон писав: " Таким чином, катодні промені є новим станом речовини, істотно відмінним від звичайного газоподібного стану ...; у цьому новому стані матерія являє собою речовину, з якої побудовані всі елементи ".

З 1897 корпускулярна модель катодних променів стала завойовувати загальне визнання, хоча про природу електрики були найрізноманітніші судження. Так, німецький фізик Е.Віхерт вважав, що "електрика є щось уявне, що існує реально тільки в думках", а відомий англійський фізик лорд Кельвін у тому ж, 1897 писав про електрику як про якусь "безперервну рідину".

Думка Томсона про катодно-променеві корпускули як про основні компоненти атома не була зустрінута з великим ентузіазмом. Деякі його колеги вирішили, що він містифікував їх, коли висловив припущення, що частинки катодних променів слід розглядати як можливі компоненти атома. Справжня роль томсонівських корпускул у структурі атома могла бути зрозуміла у поєднанні з результатами інших досліджень, зокрема, з результатами аналізу спектрів та вивчення радіоактивності.

29 квітня 1897 року Томсон зробив своє знамените повідомлення на засіданні Лондонського королівського товариства. Точний час відкриття електрона - день і годину - неможливо назвати через його своєрідність. Ця подія стала результатом багаторічної роботи Томсона та його співробітників. Ні Томсон, ні будь-хто інший ніколи не спостерігали електрон у буквальному сенсі, нікому не вдалося виділити окрему частинку з пучка катодних променів і виміряти її питомий заряд. Автором відкриття є Дж. Дж. Томсон тому, що його уявлення про електрон були близькі до сучасних. У 1903 році він запропонував одну з перших моделей атома - "пудинг із родзинками", а в 1904 припустив, що електрони в атомі поділяються на групи, утворюючи різні зміни, що зумовлюють періодичність хімічних елементів.

Місце відкриття точно відоме - Кавендіська лабораторія (Кембридж, Великобританія). Створена в 1870 році Дж.К.Максвеллом, у наступні сто років вона стала "колискою" цілого ланцюга блискучих відкриттів у різних галузях фізики, особливо в атомній та ядерній. Директорами її були: Максвелл Дж.К. - З 1871 по 1879 рік, лорд Релей - з 1879 по 1884 рік, Томсон Дж.Дж. - З 1884 по 1919 рік, Резерфорд Е. - з 1919 по 1937 рік, Брег Л. - з 1938 по 1953; заступником директора у 1923-1935 роках – Чедвік Дж.

Наукові експериментальні дослідження проводилося одним вченим чи невеликою групою у атмосфері творчого пошуку. Лоуренс Брегг згадував згодом про свою роботу в 1913 році разом з батьком, Генрі Бреггом: "Це був чудовий час, коли нові захоплюючі результати отримували майже щотижня, подібно до відкриття нових золотоносних районів, де самородки можна підбирати прямо з землі. Це тривало аж до землі. початку війни *), що припинила нашу спільну роботу».

3.Методи відкриття електрона:

3.1.Досвід Томсона

Джозеф Джон ТОМСОН Joseph John Thomson, 1856–1940

Англійський фізик, більш відомий просто як Дж. Дж. Томсон. Народився в Читем-Хіллі (Cheetham Hill), передмісті Манчестера, у сім'ї букініста-антиквара. У 1876 виграв стипендію на навчання в Кембриджі. У 1884-1919 роках - професор кафедри експериментальної фізики Кембриджського університету та за сумісництвом - керівник Кавендіської лабораторії, яка зусиллями Томсона перетворилася на один із найвідоміших науково-дослідних центрів світу. Одночасно у 1905-1918 роках – професор Королівського інституту в Лондоні. Лауреат Нобелівської премії з фізики 1906 з формулюванням «за дослідження проходження електрики через гази», яка, природно, включає і відкриття електрона. Син Томсона Джордж Паджет Томсон (George Paget Thomson, 1892-1975) також згодом став Нобелівським лауреатом з фізики - 1937 року за експериментальне відкриття дифракції електронів на кристалах.

У 1897 році молодий англійський фізик Дж. Дж. Томсон прославився у століттях як першовідкривач електрона. У своєму досвіді Томсон використовував удосконалену катодно-променеву трубку, конструкція якої була доповнена електричними котушками, що створювали (згідно із законом Ампера) всередині трубки магнітне поле, та набором паралельних електричних конденсаторних пластин, що створювали всередині трубки електричне поле. Завдяки цьому з'явилася можливість дослідити поведінку катодних променів під впливом магнітного і електричного поля.

Використовуючи трубку нової конструкції, Томсон послідовно показав, що: (1) катодні промені відхиляються в магнітному полі без електричного; (2) катодні промені відхиляються в електричному полі без магнітного; і (3) при одночасному дії електричного та магнітного полів збалансованої інтенсивності, орієнтованих у напрямках, що викликають окремо відхилення в протилежні сторони, катодні промені поширюються прямолінійно, тобто дія двох полів взаємно врівноважується.

Томсон з'ясував, що співвідношення між електричним та магнітним полями, при якому їхня дія врівноважується, залежить від швидкості, з якої рухаються частки. Провівши низку вимірювань, Томсон зміг визначити швидкість руху катодних променів. Виявилося, що вони рухаються значно повільніше за швидкість світла, з чого випливало, що катодні промені можуть бути тільки частинками, оскільки будь-яке електромагнітне випромінювання, включаючи саме світло, поширюється зі швидкістю світла (див. Спектр електромагнітного випромінювання). Ці невідомі частки. Томсон назвав "корпускулами", але незабаром вони почали називатися "електронами".

Відразу стало ясно, що електрони мають існувати у складі атомів - інакше, звідки вони взялися? 30 квітня 1897 - дата доповіді Томсоном отриманих ним результатів на засіданні Лондонського королівського товариства - вважається днем ​​народження електрона. І цього дня відійшло у минуле уявлення про «неподільність» атомів (див. Атомна теорія будови речовини). Разом з відкриттям атомного ядра, що відбулося через десять з невеликим років (див. Досвід Резерфорда) відкриття електрона заклало основу сучасної моделі атома.

Описані вище «катодні», а точніше, електронно-променеві трубки стали найпростішими попередницями сучасних телевізійних кінескопів і комп'ютерних моніторів, в яких строго контрольовані кількості електронів вибиваються з поверхні розжареного катода, під впливом змінних магнітних полів відхиляються під строго заданими. , утворюючи ними чітке зображення, що у результаті фотоелектричного ефекту, відкриття якого також було б неможливим без нашого знання істинної природи катодних променів.

3.2.Досвід Резерфорда

Ернест Резерфорд, Барон Резерфорд Нельсонський I Ernest Rutherford, First Baron Rutherford of Nelson, 1871-1937

Новозеландський фізик. Народився у Нельсоні, у сім'ї фермера-ремісника. Виграв стипендію для здобуття освіти у Кембриджському університеті в Англії. Після його закінчення отримав призначення в канадський університет Мак-Гілл (McGill University), де спільно з Фредеріком Содді (Frederick Soddy, 1877-1966) встановив основні закономірності явища радіоактивності, за що в 1908 був удостоєний Нобелівської премії з хімії. Невдовзі вчений перебрався до Манчестерського університету, де під його керівництвом Ганс Гейгер (Hans Geiger, 1882–1945) винайшов свій знаменитий лічильник Гейгера, зайнявся дослідженнями будови атома і в 1911 відкрив існування атомного ядра. У роки Першої світової війни займався розробкою сонарів (акустичних радарів) виявлення підводних човнів противника. У 1919 році був призначений професором фізики та директором Кавендіської лабораторії Кембриджського університету і в тому ж році відкрив розпад ядра внаслідок бомбардування важкими частинками високих енергій. На цій посаді Резерфорд залишався до кінця життя, одночасно будучи впродовж багатьох років президентом Королівського наукового товариства. Похований у Вестмінстерському абатстві поряд із Ньютоном, Дарвіном та Фарадеєм.

Ернест Резерфорд – унікальний вчений у тому плані, що свої головні відкриття він зробив уже після здобуття Нобелівської премії. У 1911 році йому вдався експеримент, який не тільки дозволив вченим заглянути вглиб атома і отримати уявлення про його будову, а й став взірцем витонченості та глибини задуму.

Використовуючи природне джерело радіоактивного випромінювання, Резерфорд побудував гармату, що давала спрямований і сфокусований потік частинок. Гармата була свинцевою скринькою з вузьким прорізом, всередину якого був поміщений радіоактивний матеріал. Завдяки цьому частинки (у даному випадку альфа-частинки, що складаються з двох протонів і двох нейтронів), що випускаються радіоактивною речовиною у всіх напрямках, крім одного, поглиналися свинцевим екраном, і лише через проріз вилітав спрямований пучок альфа-частинок.

заданого спрямування. В результаті до мішені підлітав ідеально сфокусований пучок альфа-часток, а сама мішень була найтоншим листом золотої фольги. У неї й ударяв альфа-промінь. Після зіткнення з атомами фольги альфа-частинки продовжували свій шлях і потрапляли на люмінесцентний екран, встановлений за мішені, на якому при попаданні на нього альфа-частинок реєструвалися спалахи. За ними експериментатор міг судити, скільки і наскільки альфа-частинки відхиляються від напряму прямолінійного руху внаслідок зіткнень з атомами фольги.

Резерфорд, однак, зауважив, що ніхто з його попередників навіть не пробував перевірити експериментально, чи не відхиляються деякі альфа-частинки під дуже великими кутами. Модель сітки із родзинками просто не допускала існування в атомі настільки щільних і важких елементів структури, що вони могли б відхиляти швидкі альфа-частинки на значні кути, тому ніхто й не переймався тим, щоб перевірити таку можливість. Резерфорд попросив одного зі своїх студентів переобладнати установку таким чином, щоб можна було спостерігати розсіювання альфа-частинок під великими кутами відхилення - просто для очищення совісті, щоб остаточно унеможливити таку можливість. Як детектор використовувався екран з покриттям з сульфіду натрію - матеріалу, що дає флуоресцентний спалах при попаданні в нього альфа-частинки. Яке ж було здивування не лише студента, який безпосередньо проводив експеримент, а й самого Резерфорда, коли з'ясувалося, що деякі частинки відхиляються на кути аж до 180°!

Картина атома, намальована Резерфордом за наслідками досвіду, нам сьогодні добре знайома. Атом складається із надщільного, компактного ядра, що несе на собі позитивний заряд, і негативно заряджених легких електронів навколо нього. Пізніше вчені підвели під цю картину надійну теоретичну базу, але почалося все з простого експерименту з маленьким зразком радіоактивного матеріалу і шматком золотої фольги.

3.2.Метод Мілікена

3.2.1. Коротка біографія:

Роберт Міллікен народився 1868 р. у штаті Іллінойс у бідній родині священика. Дитинство його пройшло у провінційному містечку Маквокета, де багато уваги приділяли спорту та погано вчили. Директор середньої школи, який викладав фізику, говорив, наприклад, своїм молодим слухачам: «Як це можна з хвиль зробити звук? Нісенітниця, хлопчики, все це нісенітниця!

В Обердинському коледжі було не краще, але Міллікену, який не мав матеріальної підтримки, довелося самому викладати фізику в середній школі. В Америці тоді було всього два підручники з фізики, перекладені з французької, і талановитому юнакові не уявило труднощів вивчити їх і з успіхом вести заняття. У 1893 р. він вступає до Колумбійського університету, потім їде вчитися до Німеччини.

Міллікену було 28 років, коли він отримав пропозицію від А. Майкельсона зайняти місце асистента в університеті Чикаго. На початку він займався тут майже виключно педагогічною роботою і лише у сорок років розпочав наукові дослідження, які принесли йому світову славу.

3.2.2. Перші досліди та вирішення проблем:

Перші досліди зводилися до наступного. Між пластинками плоского конденсатора, на які подавалася напруга 4000 В, створювалася хмара, що складалася з крапель води, що осіли на іонах. Спочатку спостерігалося падіння вершини хмари без електричного поля. Потім утворювалася хмара при включеній напрузі. Падіння хмари відбувалося під дією сили тяжіння та електричної сили.
Відношення сили, що діє на краплю у хмарі, до швидкості, яку вона набуває, однаково у першому та у другому випадку. У першому випадку сила дорівнює mg, у другому mg+qE де q - заряд краплі, Е - напруженість електричного поля. Якщо швидкість у першому випадку дорівнює 1 у другому 2 , то

Знаючи залежність швидкості падіння хмари від в'язкості повітря, можна обчислити шуканий заряд q. Однак цей метод не давав бажаної точності, тому що містив гіпотетичні припущення, які не піддаються контролю експериментатора.

Щоб збільшити точність вимірювань, необхідно було насамперед знайти спосіб обліку випаровування хмари, яке неминуче відбувалося у процесі виміру.

Розмірковуючи над цією проблемою, Міллікен і прийшов до класичного методу крапель, що відкрив цілу низку несподіваних можливостей. Історію винаходу надамо розповісти самому автору:
«Усвідомлюючи, що швидкість випаровування крапель залишалася невідомою, я спробував придумати спосіб, який би цілком виключив цю невизначену величину. Мій план полягав у наступному. У попередніх дослідах електричне поле могло лише трохи збільшити чи зменшити швидкість падіння верхівки хмари під впливом сили тяжіння. Тепер я хотів це поле посилити настільки, щоб верхня поверхня хмари залишалася на постійній висоті. У цьому випадку з'явилася можливість з точністю визначити швидкість випаровування хмари і взяти її до уваги при обчисленнях».

Для реалізації цієї ідеї Міллікен сконструював невелику за габаритами акумуляторну батарею, що давала напругу до 10 4 (для того часу це було видатним досягненням експериментатора). Вона мала створювати поле, досить сильне, щоб хмара утримувалася, як «труна Магомета», у підвішеному стані. «Коли у мене все було готове, - розповідає Міллікен, і коли утворилася хмара, я повернув вимикач і хмара опинилась в електричному полі. І цієї миті вона на моїх очах розтанула, іншими словами, від цілої хмари не залишилося і маленького шматочка, який можна було б спостерігати за допомогою контрольного оптичного приладу, як це робив Вільсон і збирався робити я. Як мені спочатку здалося, безслідне зникнення хмари в електричному полі між верхньою та нижньою пластинками означало, що експеримент закінчився безрезультатно...» Проте, як це нерідко бувало в історії науки, невдача породила нову ідею. Вона і призвела до знаменитого методу крапель. «Повторні досліди, – пише Міллікен, – показали, що після розсіювання хмари в потужному електричному полі на його місці. можна було розрізнити кілька окремих водяних крапель»(підкреслено мною.- В. Д.). «Невдалий» досвід призвів до відкриття можливості утримувати у рівновазі та спостерігати окремі крапельки протягом досить тривалого часу.

Але за час спостереження маса краплі води суттєво змінилася внаслідок випаровування, і Міллікен після багатоденних пошуків перейшов до експериментів із краплями олії.

Процедура експерименту виявилася простою. Адіабатичним розширенням між пластинами конденсатора утворюється хмара. Воно складається з крапельок, що мають різні по модулю та знаку заряди. При включенні електричного поля краплі, що мають заряди, однойменні із зарядом верхньої пластини конденсатора, швидко падають, а краплі з зарядом протилежним притягуються верхньою пластиною. Але кілька крапель має такий заряд, що сила тяжкості врівноважується електричної силою.

Через 7 чи 8 хв. хмара розсіюється, й у зору залишається невелике число крапель, заряд яких відповідає зазначеному рівновазі сил.

Міллікен спостерігав ці краплі у вигляді яскравих яскравих точок. «Історія цих крапель протікає звичайно так, - пише він. . Потім поле починає переважати, і краплі починають повільно підніматися. Під кінець їхнього життя в просторі між пластинами цей висхідний рух стає дуже прискореним, і вони притягуються з великою швидкістю до верхньої пластини».

3.2.3. Опис установки:

Схема установки Міллікена, з допомогою якої у 1909 р. було отримано вирішальні результати, зображено малюнку 17.

У камері був поміщений плоский конденсатор з круглих латунних пластин М і N діаметром 22 см (відстань між ними було 1,6 см). У центрі верхньої пластини було зроблено маленький отвір р, крізь який проходили краплі олії. Останні утворювалися при вдуванні струменя олії за допомогою розпилювача. Повітря при цьому попередньо очищалося від пилу шляхом пропускання через трубу зі скляною ватою. Краплі олії мали діаметр близько 10 -4 см.

Від акумуляторної батареї на пластини конденсатора подавалася напруга 10 4 В. За допомогою перемикача можна було закорочувати пластини і цим зруйнують електричне поле.

Краплі олії, що потрапляли між пластинами М та N, висвітлювалися сильним джерелом. Перпендикулярно напрямку променів через зорову трубу спостерігалася поведінка крапель.

Іони, необхідні для конденсації крапель, створювалися випромінюванням шматочка радію масою 200 мг, розташованого на відстані від 3 до 10 см збоку від пластин.

За допомогою спеціального пристрою опусканням поршня провадилося розширення газу. Через 1 - 2 після розширення радій видалявся або затулявся свинцевим екраном. Потім включалося електричне поле і починалося спостереження крапель зорову трубу. Труба мала шкалу, якою можна було відраховувати шлях, пройдений краплею за певний проміжок часу. Час фіксувався по точних годинниках з арретиром.

У процесі спостережень Міллікен виявив явище, що стало ключем до всієї серії наступних точних вимірів окремих елементарних зарядів.

«Працюючи над виваженими краплями, – пише Міллікен, – я кілька разів забував закривати їх від променів радію. Тоді мені доводилося помічати, що час від часу одна з крапель раптово змінювала свій заряд і починала рухатися вздовж поля або проти нього, очевидно, захопивши в першому випадку позитивний, а в другому негативний іон. Це відкривало можливість вимірювати з достовірністю як заряди окремих крапель, як це робив до того часу, а й заряд окремого атмосферного іона.

Справді, вимірюючи швидкість однієї й тієї ж краплі двічі, один раз до, а другий раз після захоплення іона, я, очевидно, міг цілком виключити властивості краплі та властивості середовища та оперувати з величиною, пропорційною лише заряду захопленого іона».

3.2.4. Обчислення елементарного заряду:

Елементарний заряд обчислювався Міллікеном на підставі таких міркувань. Швидкість руху краплі пропорційна силі, що діє на неї, і не залежить від заряду краплі.
Якщо крапля падала між пластинами конденсатора під дією лише сили тяжіння зі швидкістю υ, то

При включенні поля, спрямованого проти сили тяжіння, силою, що діє, буде різниця qE - mg, де q - заряд краплі, Е - модуль напруженості поля.

Швидкість краплі дорівнюватиме:

υ 2 =k(qE-mg) (2)

Якщо розділити рівність (1) на (2) , отримаємо

Звідси

Нехай крапля захопила іон і її заряд став дорівнює q", а швидкість руху υ 2 . Заряд цього захопленого іона позначимо через e.

Тоді e = q "- q.

Використовуючи (3), отримаємо

Величина - постійна даної краплі.

3.2.5. Висновки з методу Міллікена

Отже, будь-який захоплений краплею заряд буде пропорційний різниці швидкостей (? 2 - ? 2), інакше кажучи, пропорційний зміні швидкості краплі внаслідок захоплення іона! Шлях було пройдено Численні спостереження показали справедливість формули (4) Виявилося, що величина е може змінюватися тільки стрибками!Завжди спостерігаються заряди е, 2е, 3e, 4е і т.д.

«У багатьох випадках, – пише Міллікен, – крапля спостерігалася протягом п'яти чи шести годин, і за цей час вона захоплювала не вісім чи десять іонів, а сотні їх. Загалом я спостерігав таким шляхом захоплення багатьох тисяч іонів, і у всіх випадках захоплений заряд... був або точно дорівнює найменшому з усіх захоплених зарядів, або він дорівнював невеликому цілому кратному цієї величини. У цьому полягає прямий і незаперечний доказ того, що електрон не є «статистичним середнім», але всі електричні заряди на іонах або точно дорівнюють заряду електрона, або представляють невеликі цілі кратні цього заряду».

Отже, атомістичність, дискретність чи, говорячи сучасною мовою, квантованість електричного заряду стала експериментальним фактом. Тепер важливо було показати, що електрон, так би мовити, всюдисущий. Будь-який електричний заряд у тілі будь-якої природи є сумою тих самих елементарних зарядів.

Метод Міллікена дозволив однозначно відповісти на це запитання. У перших дослідах заряди створювалися іонізацією нейтральних молекул газу потоком радіоактивного випромінювання. Вимірювався заряд іонів, захоплених краплями.

При розбризкуванні рідини пульверизатором краплі електризуються завдяки тертю. Це було добре відомо ще у ХІХ ст. Чи є ці заряди також квантованими, як і заряди іонів? Міллікен «зважує» краплі після розбризкування і проводить вимірювання зарядів описаним вище способом. Досвід виявляє таку ж дискретність електричного заряду.

Бризгаючи краплі олії (діелектрика), гліцерину (напівпровідника), ртуті (провідника), Міллікен доводить, що заряди на тілах будь-якої фізичної природи складаються у всіх без винятку випадках з окремих елементарних порцій строго постійної величини. У 1913 р. Міллікен підсумовує результати численних експериментів і дає елементарного заряду таке значення: е = 4,774 . 10 -10 од. заряду СДСЄ. Так було встановлено одну з найважливіших констант сучасної фізики. Визначення електричного заряду стало простим арифметичним завданням.

3.4 Метод візуалізації Комптону:

Велику роль зміцненні думки реальності електрона зіграло відкриття Ч.Т.Р. Вільсоном ефекту конденсації водяної пари на іонах, що призвело до можливості фотографування треків частинок.

Розповідають, що А. Комптон на лекції ніяк не міг переконати скептично налаштованого слухача насправді існування мікрочастинок. Той твердив, що повірить, тільки побачивши їх на власні очі.
Тоді Комптон показав фотографію з треком α-частинки, поруч із яким був відбиток пальця. Чи знаєте ви, що це таке? - Запитав Комптон. "Палець", - відповів слухач. "У такому випадку, - заявив урочисто Комптон, - ця смуга, що світиться, і є частка".
Фотографії треків електронів не лише свідчили про реальність електронів. Вони підтверджували припущення про небагато розмірів електронів та дозволяли порівняти з досвідом результати теоретичних розрахунків, у яких фігурував радіус електрона. Досліди, початок яким було покладено Ленардом щодо проникаючої здатності катодних променів, показали, що дуже швидкі електрони, викидані радіоактивними речовинами, дають треки у газі як прямих ліній. Довжина треку пропорційна енергії електрона. Фотографії треків α-часток великої енергії показують, що треки складаються з великої кількості точок. Кожна точка – водяна крапелька, що виникає на іоні, що утворюється внаслідок зіткнення електрона з атомом. Знаючи розміри атома та їхню концентрацію, ми можемо обчислити число атомів, крізь які має пройти α-частка на даній відстані. Простий розрахунок показує, що α-частка має пройти приблизно 300 атомів, перш ніж вона зустріне на шляху один з електронів, що становлять оболонку атома, і здійснить іонізацію.

Цей факт переконливо свідчить, що обсяг електронів становить мізерно малу частку обсягу атома. Трек електрона, що має малу енергію, викривлений, отже, повільний електрон відхиляється внутрішньоатомним полем. Він справляє своєму шляху більше актів іонізації.

З теорії розсіювання можна отримати дані для оцінки кутів відхилення залежно від енергії електронів. Ці дані добре підтверджуються під час аналізу реальних треків, Збіг теорії з експериментом зміцнило уявлення про електроні, як найдрібнішій частинці речовини.

Висновок:

Вимір елементарного електричного заряду відкрило можливість точного визначення низки найважливіших фізичних констант.
Знання величини е автоматично дає можливість визначити значення фундаментальної константи – постійної Авогадро. До дослідів Міллікена існували лише грубі оцінки постійної Авогадро, які давалися кінетичною теорією газів. Ці оцінки спиралися на обчислення середнього радіусу молекули повітря і коливалися досить широких межах від 2 . 10 23 до 20 . 10 23 1/моль.

Припустимо, що нам відомий заряд Q, що пройшов через розчин електроліту, та кількість речовини М, яка відклалася на електроді. Тоді, якщо заряд іона дорівнює Ze 0 і маса його m 0 виконується рівність

Якщо маса речовини, що відклалася, дорівнює одному молю,

то Q = F-постійна Фарадея, причому F = N 0 e, звідки:

Очевидно, що точність визначення постійної Авогадро визначається точністю, з якою вимірюється заряд електрона. Практика зажадала збільшення точності визначення фундаментальних констант, і це стало одним із стимулів до продовження вдосконалення методики вимірювань кванта електричного заряду. Робота ця, що носить чисто метрологічний характер, триває досі.

Найбільш точними в даний час є значення:

е = (4,8029 ± 0,0005) 10 -10 . од. заряду СДСЄ;

N 0 = (6,0230±0,0005) 1023 1/моль.

Знаючи N o , можна визначити число молекул газу в 1 см 3 оскільки обсяг, займаний 1 молем газу, являє собою вже відому постійну величину.

Знання числа молекул газу в 1 см 3 дало можливість визначити середню кінетичну енергію теплового руху молекули. Нарешті, за зарядом електрона можна визначити постійну Планку та постійну Стефана-Больцмана в законі теплового випромінювання.

ВИЗНАЧЕННЯ ЕЛЕМЕНТАРНОГО

ЕЛЕКТРИЧНОГО ЗАРЯДУ МЕТОДОМ ЕЛЕКТРОЛІЗУ

Обладнання:джерело постійного струму, кювета з електродами з набору «Електроліт», лабораторний вольтметр, резистор, ваги з гирями або електронні, ключ, з'єднувальні дроти, розчин мідного купоросу, секундомір (або годинник з секундною стрілкою).

ПОЯСНЕННЯ ДО РОБОТИ. Для визначення заряду електрона можна скористатися законом електролізу Фарадея, де т - маса речовини, що виділився на катоді; М – молярна маса речовини; п – валентність речовини; е – заряд електрона; Na – постійна Авогадро; I – сила струму в електроліті; ∆t – час проходження струму через електроліт.

З цієї формули видно, що для досягнення мети роботи необхідно знати молярну масу речовини, що виділилася на катоді, його валентність та постійну Авогадро. Крім того, в ході досвіду потрібно виміряти силу струму та час його протікання, а після закінчення електролізу - масу речовини, що виділилася на катоді.

Для проведення досвіду використовується насичений водний розчин мідного купоросу, який наливають у кювету із двома мідними електродами. Один електрод жорстко закріплений у центрі кювети, а інший (знімний) – на її стінці.

У водному розчині відбувається дисоціація молекул як мідного купоросу (CuS04 = Cu2+ + ), а й води (Н20 = Н+ + ОН -), хоча й у слабкою мірою. Таким чином, у водному розчині CuS04 містяться як позитивні іони Си2+ та Н+, так і негативні іони SO2- та ОН-. Якщо між електродами створити електричне поле, то позитивні іони почнуть рухатися до катода, а негативні – до аноду. До катоду підходять іони Си2+ і Н+, але розряджаються в повному обсязі їх. Це пояснюється тим, що атоми міді та воднюлегко переходять у позитивно заряджені іони, втрачаючи зовнішні електрони. Але іон міді легше приєднує електрон ніж іон водню. Тому на катоді розряджаються іони міді.

До анода рухатимуться негативні іони та ВІН-, але жоден з них не розряджатиметься. У цьому мідь почне розчинятися. Це пояснюється тим, що атоми міді легше віддають електрони у зовнішню ділянку електричного ланцюга, ніж іони та ОН - і, ставши позитивними іонами, переходитимуть у розчин: Cu = Cu2+ + 2e-.

Таким чином, при підключенні електродів до джерела постійного струму в розчині мідного купоросу виникне спрямований рух іонів, наслідком якого буде виділення на катоді чистої міді.

Для того щоб шар міді, що виділилася, був щільним і добре утримувався на катоді, електроліз рекомендується проводити при невеликій силі струму в розчині. Оскільки це призведе до великої похибки вимірювання, то замість лабораторного амперметра у роботі використовують резистор і вольтметр. За показанням вольтметра U та опору резистора R (воно зазначено на його корпусі) визначають силу струму I/ Принципова схема експериментальної установки показана на малюнку 12.

Сила струму в електроліті в ході досвіду може змінюватися, тому формулу для визначення заряду підставляють її середнє значення 1ср. Середнє значення сили струму визначають, записуючи через кожні 30 з показання вольтметра протягом всього часу спостереження, потім їх підсумовують і отримане значення поділяють число вимірів. Так знаходять UCP. Потім за законом Ома ділянки ланцюга знаходять Icp. Записи результатів вимірювань напруги зручніше заносити до допоміжної таблиці.

Час перебігу струму вимірюють секундоміром.

ПОРЯДОК ПІДГОТОВКИ ДО РОБОТИ

1. Вкажіть, які фізичні величини підлягають прямому виміру визначення заряду електрона методом, які у даній роботі. За допомогою яких вимірювальних приладів буде проведено вимірювання? Визначте та запишіть межі абсолютних похибок цих приладів.

2. Визначте та запишіть межі абсолютних похибок відліку при використанні механічного секундоміра, вольтметра та ваги.

3. Запишіть формулу для визначення межі абсолютної похибки ∆е.

4. Підготуйте таблицю для запису результатів вимірювань, похибок та обчислень.

Підготуйте допоміжну таблицю для запису показань вольтметра.

ДАЙТЕ ВІДПОВІДЬ НА ПИТАННЯ

Чому час протікання струму в електроліті впливає на похибку результату виміру заряду електрона?

Як концентрація розчину впливає результат вимірювання заряду електрона?

Чому дорівнює валентність міді?

Чому дорівнює молярна маса міді?

Чому дорівнює постійна Авогадро?

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1. Визначте на терезах масу знімного електрода т1.

2. Закріпіть електрод на кюветі та зберіть електричний ланцюг, показаний на малюнку 12. Простежте, щоб знімний електрод виявився підключеним до негативного полюса джерела напруги.

3. Заповніть кювету розчином мідного купоросу, замкніть ключ і через кожні 30 секунд протягом 15 хв записуйте показання вольтметра.

4. Через 15 хв розімкніть ключ, розберіть ланцюг, зніміть електрод, висушіть і визначте його масу т2 разом з міддю, що осіла на ньому.

5. Обчисліть масу міді, що виділилася: т- і межу абсолютної похибки її вимірювання ∆т.

6. Обчисліть середнє значення напруги на резисторі Uср та середнє значення сили струму в електроліті Iпор.

7. Обчисліть заряд електрона е.

8. Обчисліть межу абсолютної похибки визначення заряду електрона ∆е.

9. Запишіть результат визначення заряду з урахуванням межі абсолютної похибки.

10. Порівняйте заряд електрона, визначений за наслідками проведеного досвіду, з табличним значенням.