Lucrări de laborator de măsurare a sarcinii electrice elementare. Metode de determinare a sarcinii electrice elementare - abstracte

Notă metodologică. Elevii cunosc deja electronul de la cursul de chimie și secțiunea corespunzătoare din programa de clasa a VII-a. Acum trebuie să ne aprofundăm înțelegerea primei particule elementare de materie, să ne amintim ceea ce am învățat, să o conectăm cu primul subiect al secțiunii „Electrostatică” și să trecem la un nivel superior de interpretare a sarcinii elementare. Ar trebui să țineți cont de complexitatea conceptului de sarcină electrică. Excursia propusă poate ajuta la dezvăluirea acestui concept și de a ajunge la miezul problemei.

Electronul are o istorie complexă. Pentru a atinge scopul în cel mai scurt mod posibil, este recomandabil să conduceți povestea după cum urmează.

În primul rând, nu a existat un singur experiment care să implice electroni individuali. Sarcina elementară a fost calculată pe baza măsurătorilor sarcinii microscopice, presupunând valabilitatea unui număr de ipoteze.

Au fost sceptici care, în general, ignorau descoperirea electronului. Academicianul A.F. Ioffe, în memoriile sale despre profesorul său V.K Roentgen, scria: „Până în 1906-1907, cuvântul electron nu ar fi trebuit să fie pronunțat la Institutul de Fizică al Universității din München, a considerat-o o ipoteză nedovedită, adesea folosită fără suficient temei și fără nevoi”.

Problema masei electronului nu a fost rezolvată și nu s-a dovedit că sarcinile atât pe conductori, cât și pe dielectrici sunt formate din electroni. Conceptul de „electron” nu a avut o interpretare clară, deoarece experimentul nu dezvăluise încă structura atomului (modelul planetar al lui Rutherford a apărut în 1911, iar teoria lui Bohr în 1913).

Electronul nu a intrat încă în construcții teoretice. Teoria electronică a lui Lorentz a prezentat o densitate de sarcină distribuită continuu. Teoria conductivității metalice, dezvoltată de Drude, s-a ocupat de sarcini discrete, dar acestea erau sarcini arbitrare, asupra cărora nu s-au impus restricții.

Electronul nu a părăsit încă cadrul științei „pure”. Să ne amintim că primul tub cu vid a apărut abia în 1907.

Pentru a trece de la credință la convingere, a fost necesară în primul rând izolarea electronului, inventarea unei metode de măsurare directă și precisă a sarcinii elementare.

Această problemă a fost rezolvată de către fizicianul american Robert Millikan (1868-1953) într-o serie de experimente subtile care au început în 1906.

Robert Milliken s-a născut în 1868 în Illinois într-o familie de preoți săraci. Și-a petrecut copilăria în orașul de provincie Maquoketa, unde s-a acordat multă atenție sportului și predării slabe. Un director de liceu care a predat fizică le-a spus, de exemplu, tinerilor săi ascultători: „Cum puteți face sunet din valuri, băieți, toate sunt prostii!”

Colegiul Oberdeen nu era mai bun, dar Milliken, care nu avea sprijin financiar, a trebuit să predea singur fizica la liceu. În America, la acea vreme, existau doar două manuale de fizică, traduse din franceză, iar tânărul talentat nu avea nicio dificultate în a le studia și a le preda cu succes. În 1893 a intrat la Universitatea Columbia, apoi a plecat să studieze în Germania.

Milliken avea 28 de ani când a primit o ofertă de la A. Michelson de a ocupa un post de asistent la Universitatea din Chicago. La început s-a angajat aici aproape exclusiv în activitatea didactică și a început abia la vârsta de patruzeci de ani Cercetare științifică, care i-a adus faima mondială.

Raportul dintre forța care acționează asupra unei picături dintr-un nor și viteza pe care o dobândește este același în primul și al doilea caz. În primul caz, forța este egală cu mg, în al doilea mg + qE, unde q este sarcina picăturii, E este puterea câmpului electric. Dacă viteza în primul caz este v 1 în al doilea caz v 2, atunci

Cunoscând dependența vitezei de cădere a norului v de vâscozitatea aerului, putem calcula sarcina necesară q. Cu toate acestea, această metodă nu a furnizat acuratețea dorită, deoarece conținea presupuneri ipotetice dincolo de controlul experimentatorului.

Pentru a crește acuratețea măsurătorilor, a fost necesar în primul rând să se găsească o modalitate de a lua în considerare evaporarea norului, care a avut loc inevitabil în timpul procesului de măsurare.

Reflectând la această problemă, Millikan a venit cu metoda clasică de drop, care a deschis o serie de posibilități neașteptate. Îl lăsăm pe autorul însuși să spună povestea invenției:

„Dându-mi seama că rata de evaporare a picăturilor a rămas necunoscută, am încercat să găsesc o metodă care să elimine complet această valoare incertă. Planul meu a fost următorul. În experimentele anterioare, câmpul electric nu putea decât să crească sau să scadă ușor viteza de căderea vârfului norului sub influența gravitației Acum „Am vrut să întăresc acel câmp atât de mult încât suprafața superioară a norului a rămas la o înălțime constantă În acest caz, a devenit posibil să se determine cu exactitate rata de evaporare nor și ține cont de el în calcule.” Pentru a implementa această idee, Millikan a proiectat o baterie reîncărcabilă de dimensiuni mici, care producea o tensiune de până la 104 V (pentru acea vreme aceasta a fost o realizare remarcabilă a unui experimentator). Trebuia să creeze un câmp suficient de puternic pentru a menține norul suspendat, precum „sicriul lui Mahomed”.

„Când aveam totul pregătit”, spune Millikan, „și când norul s-a format, am răsucit întrerupătorul și norul era într-un câmp electric Și în acel moment s-a topit în fața ochilor mei, cu alte cuvinte, nu o bucată mică a rămas din întregul nor, care a putut fi observat cu ajutorul unui dispozitiv optic de control, așa cum a făcut Wilson și urma să fac, așa cum mi s-a părut la început, dispariția norului fără urmă în câmpul electric dintre partea superioară și. plăcile inferioare au însemnat că experimentul s-a încheiat în zadar... "

Totuși, așa cum sa întâmplat adesea în istoria științei, eșecul a dat naștere unei noi idei. A dus la faimoasa metodă de drop. „Experimentele repetate”, scrie Millikan, „au arătat că, după ce norul s-a disipat într-un câmp electric puternic, mai multe picături individuale de apă au putut fi distinse în locul său” (subliniere adăugată - V.D.).

Experimentul „nereușit” a condus la descoperirea posibilității de a menține picăturile individuale în echilibru și de a le observa o perioadă destul de lungă.

Dar în timpul observației, masa unei picături de apă s-a schimbat semnificativ ca urmare a evaporării, iar Millikan, după multe zile de căutare, a trecut la experimente cu picături de ulei.

Procedura experimentală s-a dovedit a fi simplă. Expansiunea adiabatică formează un nor între plăcile condensatorului. Este format din picături cu sarcini de mărime și semn diferit. Când câmpul electric este pornit, picăturile cu sarcini identice cu sarcina plăcii superioare a condensatorului cad rapid, iar picăturile cu sarcina opusă sunt atrase de placa superioară. Dar un anumit număr de picături au o astfel de sarcină încât forța gravitației este echilibrată de forța electrică.

După 7 sau 8 minute, norul se risipește, iar în câmpul vizual rămân un număr mic de picături, a căror sarcină corespunde echilibrului de forțe menționat.

Millikan a observat aceste picături ca puncte strălucitoare distincte. „Istoria acestor picături de obicei decurge așa”, scrie el „În cazul unei ușoare predominări a gravitației asupra forței câmpului, ele încep să cadă încet, dar din moment ce se evaporă treptat, mișcarea lor în jos se oprește curând. devin nemișcați pentru o perioadă destul de lungă, apoi câmpul începe să domine, iar picăturile încep să se ridice încet. la farfuria superioară”.

O diagramă a instalației lui Millikan, cu care s-au obținut rezultate decisive în 1909, este prezentată în Figura 17.

În camera C a fost plasat un condensator plat din plăci rotunde de alamă M și N cu diametrul de 22 cm (distanța dintre ele era de 1,6 cm). În centrul plăcii superioare a fost făcută o mică gaură p, prin care au trecut picături de ulei. Acestea din urmă au fost formate prin injectarea unui curent de ulei cu ajutorul unui pulverizator. Aerul a fost curățat anterior de praf prin trecerea lui printr-o țeavă cu vată de sticlă. Picăturile de ulei aveau un diametru de aproximativ 10-4 cm.

O tensiune de 104 V a fost furnizată de la bateria B la plăcile condensatorului. Folosind un comutator, a fost posibilă scurtcircuitarea plăcilor și, prin urmare, distrugerea câmpului electric.

Picăturile de ulei care cădeau între plăcile M și N au fost iluminate de o sursă puternică. Comportamentul picăturilor a fost observat perpendicular pe direcția razelor prin telescop.

Ionii necesari condensării picăturilor au fost creați prin radiația dintr-o bucată de radiu cu o greutate de 200 mg, situată la o distanță de 3 până la 10 cm de lateralul plăcilor.

Conducta avea o scară pe care era posibil să se numere drumul parcurs de picătură într-o anumită perioadă de timp. Timpul a fost înregistrat folosind un ceas precis, cu un lacăt.

În timpul observațiilor sale, Millikan a descoperit un fenomen care a servit drept cheie pentru întreaga serie de măsurători precise ulterioare ale sarcinilor elementare individuale.

„În timp ce lucram la picături suspendate”, scrie Millikan, „am uitat de mai multe ori să le protejez de razele de radiu. Apoi am observat că din când în când una dintre picături și-a schimbat brusc încărcătura și a început să se miște de-a lungul câmpului sau. împotriva ei, aparent captând în primul caz, un ion pozitiv, iar în al doilea caz, un ion negativ. Acest lucru a deschis posibilitatea de a măsura cu certitudine nu numai sarcinile picăturilor individuale, așa cum făcusem până atunci, ci și. sarcina unui ion atmosferic individual.

De fapt, măsurând viteza aceleiași picături de două ori, o dată înainte și o dată după captarea ionului, aș putea în mod evident să exclud complet proprietățile picăturii și proprietățile mediului și să operez cu o valoare proporțională doar cu sarcina. a ionului capturat”.

Dacă o picătură a căzut între plăcile unui condensator sub influența gravitației numai cu viteza v 1, atunci

Când câmpul îndreptat împotriva gravitației este pornit, forță care acționează va exista o diferență qE = mg, unde q este sarcina picăturii, E este modulul intensității câmpului.

Viteza căderii va fi egală cu:

v 2 = k (qE - mg) (2)

Dacă împărțim egalitatea (1) la (2), obținem

Lasă picătura să captureze un ion și sarcina acestuia să devină egală cu q′ și viteza de mișcare v 2′. Notăm sarcina acestui ion prins cu e. Atunci e = q′ - q.

Folosind (3), obținem

Valoarea este constantă pentru o picătură dată.

În consecință, orice sarcină captată de picătură va fi proporțională cu diferența de viteză (v′ 2 -v 2), cu alte cuvinte, proporțională cu modificarea vitezei picăturii datorată captării ionului!

Deci, măsurarea sarcinii elementare s-a redus la măsurarea traseului parcurs de picătură și a timpului în care a fost parcurs această cale.

Numeroase observații au arătat validitatea formulei (4). S-a dovedit că valoarea lui e se poate schimba doar în salturi! Încărcăturile e, 2e, 3e, 4e etc. sunt întotdeauna respectate.

„În multe cazuri”, scrie Millikan, „scăderea a fost observată timp de cinci sau șase ore și, în acest timp, a capturat nu opt sau zece ioni, ci sute dintre ei, în total, am observat capturarea a multor mii de ioni în acest fel, și în toate cazurile, sarcina capturată... a fost fie exact egală cu cea mai mică dintre toate sarcinile capturate, fie a fost egală cu un mic multiplu întreg al acestei valori. Aceasta este o dovadă directă și de necontestat că electronul nu este o „medie statistică”, dar că toate sarcinile electrice sunt pornite fie sunt exact egale cu sarcina electronului, fie reprezintă multipli mici întregi ai acelei sarcini.

Deci, atomist, discret sau, vorbind limbaj modern, cuantificarea sarcinii electrice a devenit un fapt experimental. Acum era important să arătăm că electronul este, ca să spunem așa, omniprezent. Orice sarcină electrică dintr-un corp de orice natură este suma acelorași sarcini elementare.

Metoda lui Millikan a făcut posibil să se răspundă fără ambiguitate la această întrebare.

În primele experimente, încărcăturile au fost create prin ionizarea moleculelor de gaz neutru printr-un flux de radiații radioactive. S-a măsurat încărcarea ionilor captați de picături.

Millikan „cântărește” picăturile după pulverizare și măsoară încărcăturile în modul descris mai sus. Experiența dezvăluie aceeași discreție a sarcinii electrice.

În 1913, Millikan a rezumat rezultatele a numeroase experimente și a dat următoarea valoare pentru sarcina elementară: e = 4,774·10 -10 unități. Taxa SGSE.

Așa s-a stabilit una dintre cele mai importante constante ale fizicii moderne. Determinarea sarcinii electrice a devenit o simplă problemă aritmetică.

Vizualizarea electronilor. Un rol major în consolidarea ideii realității electronului l-a jucat descoperirea lui G. A. Wilson a efectului condensării vaporilor de apă asupra ionilor, ceea ce a condus la posibilitatea fotografierii urmelor de particule.

Apoi Compton a arătat o fotografie a pistei de particule α, lângă care era o amprentă. "Stii ce e asta?" - a întrebat Compton. „Deget”, a răspuns ascultătorul. — În acest caz, spuse Compton solemn, această dungă luminoasă este particula.

Fotografiile urmelor de electroni nu doar mărturiseau realitatea electronilor. Ei au confirmat ipoteza dimensiunii mici a electronilor și au făcut posibilă compararea rezultatelor calculelor teoretice, care au inclus raza electronilor, cu experimentul. Experimentele, care au început cu studiul lui Lenard asupra puterii de penetrare a razelor catodice, au arătat că electronii foarte rapizi emiși de substanțele radioactive produc urme în gaz sub formă de linii drepte. Lungimea pistei este proporțională cu energia electronilor. Fotografiile cu urmele particulelor α de înaltă energie arată că urmele constau dintr-un număr mare de puncte. Fiecare punct este o picătură de apă care apare pe un ion, care se formează ca urmare a ciocnirii unui electron cu un atom. Cunoscând dimensiunea unui atom și concentrația acestuia, putem calcula numărul de atomi prin care o particulă α trebuie să treacă la o anumită distanță. Un calcul simplu arată că o particulă alfa trebuie să călătorească aproximativ 300 de atomi înainte de a întâlni unul dintre electronii care formează învelișul atomului pe drum și să producă ionizare.

Acest fapt indică în mod convingător că volumul electronilor este o fracțiune neglijabilă din volumul unui atom. Urma unui electron cu energie scăzută este curbată, prin urmare, electronul lent este deviat de câmpul intra-atomic. Produce mai multe evenimente de ionizare de-a lungul drumului său.

Din teoria împrăștierii se pot obține date pentru estimarea unghiurilor de deviere în funcție de energia electronilor. Aceste date sunt bine confirmate prin analiza pistelor reale. Acordul dintre teorie și experiment a întărit ideea electronului ca cea mai mică particulă de materie.

Măsurarea sarcinii electrice elementare a deschis posibilitatea de a determina cu exactitate un număr de constante fizice importante.

Cunoașterea valorii lui e face posibilă determinarea valorii constantei fundamentale - constanta lui Avogadro. Înainte de experimentele lui Millikan, existau doar estimări aproximative ale constantei lui Avogadro, care erau date de teoria cinetică a gazelor. Aceste estimări s-au bazat pe calcule ale razei medii a unei molecule de aer și au variat într-un interval destul de larg de la 2·10 23 la 20.10 23 1/mol.

Să presupunem că știm sarcina Q care a trecut prin soluția de electrolit și cantitatea de substanță M care a fost depusă pe electrod. Atunci, dacă sarcina ionului este Ze 0 și masa sa m 0, egalitatea este valabilă

Dacă masa substanței depuse este egală cu un mol, atunci Q = F este constanta lui Faraday și F = N 0 e, de unde N 0 = F/e. Evident, acuratețea determinării constantei lui Avogadro este determinată de precizia cu care este măsurată sarcina electronului.

Practica a necesitat o creștere a preciziei determinării constantelor fundamentale, iar acesta a fost unul dintre stimulentele pentru a continua îmbunătățirea tehnicii de măsurare a cuantumului sarcinii electrice. Această lucrare, care acum este de natură pur metrologică, continuă până în zilele noastre.

Cele mai precise valori în prezent sunt:

e = (4,8029±0,0005) 10 -10 unități. taxa SGSE;

N0 = (6,0230±0,0005) 10 23 1/mol.

Cunoscând N 0, este posibil să se determine numărul de molecule de gaz în 1 cm 3, deoarece volumul ocupat de 1 mol de gaz este o valoare constantă deja cunoscută.

Cunoașterea numărului de molecule de gaz în 1 cm 3 a făcut posibilă, la rândul său, determinarea energiei cinetice medii a mișcării termice a unei molecule.

În sfârșit, din sarcina electronului se poate determina constanta Planck și constanta Stefan-Boltzmann în legea radiației termice.

DEFINIȚIA ELEMENTARĂ

ÎNCĂRCARE ELECTRICĂ PRIN METODĂ ELECTROLIZĂ

Echipament: sursă curent continuu, o cuvă cu electrozi din setul Electroliți, un voltmetru de laborator, un rezistor, cântare cu greutăți sau electronice, o cheie, fire de legătură, o soluție de sulfat de cupru, un cronometru (sau un ceas cu mâna a doua).

EXPLICATII PENTRU LUCRARE. Pentru a determina sarcina unui electron, puteți folosi legea electrolizei lui Faraday, unde m este masa substanței eliberate la catod; M este masa molară a substanței; n este valența substanței; e - sarcina electronilor; Na este constanta lui Avogadro; I este puterea curentului în electrolit; ∆t este timpul necesar pentru trecerea curentului prin electrolit.

Din această formulă este clar că, pentru a atinge scopul lucrării, este necesar să se cunoască masa molară a substanței eliberate la catod, valența acesteia și constanta lui Avogadro. În plus, în timpul experimentului este necesar să se măsoare puterea curentului și timpul în care curge, iar după terminarea electrolizei, masa substanței eliberată la catod.

Pentru a efectua experimentul, se folosește o soluție apoasă saturată de sulfat de cupru, care este turnată într-o cuvă cu doi electrozi de cupru. Un electrod este fixat rigid în centrul cuvei, iar celălalt (detașabil) este pe peretele acesteia.

Într-o soluție apoasă are loc disocierea moleculelor nu numai de sulfat de cupru (CuS04 = Cu2+ +), ci și de apă (H20 = H+ + OH -), deși într-o măsură slabă. Astfel, o soluție apoasă de CuS04 conține atât ioni pozitivi de Cu2+ și H+, cât și ioni negativi de SO2- și OH-. Dacă se creează un câmp electric între electrozi, atunci ionii pozitivi vor începe să se miște spre catod, iar ionii negativi către anod. Ionii Cu2+ și H+ se apropie de catod, dar nu toți sunt descărcați. Acest lucru se explică prin faptul că atomii de cupru și hidrogen se transformă ușor în ioni încărcați pozitiv, pierzându-și electronii exteriori. Dar ionul de cupru atașează un electron mai ușor decât ionul de hidrogen. Prin urmare, ionii de cupru sunt descărcați la catod.

Ionii negativi și OH- se vor deplasa spre anod, dar niciunul dintre ei nu va fi descărcat. În acest caz, cuprul va începe să se dizolve. Acest lucru se explică prin faptul că atomii de cupru renunță mai ușor electroni la partea externă a circuitului electric decât ionii și OH - și, devenind ioni pozitivi, vor intra în soluție: Cu = Cu2+ + 2e-.

Astfel, atunci când electrozii sunt conectați la o sursă de curent continuu, se va produce o mișcare direcționată a ionilor în soluția de sulfat de cupru, ceea ce va duce la eliberarea de cupru pur la catod.

Pentru ca stratul de cupru eliberat să fie dens și bine reținut pe catod, se recomandă efectuarea electroliza la un curent scăzut în soluție. Și deoarece acest lucru va duce la o eroare mare de măsurare, în loc de un ampermetru de laborator, în lucrare se utilizează un rezistor și un voltmetru. Pe baza citirii voltmetrului U și a rezistenței rezistorului R (este indicat pe corpul acestuia), se determină puterea curentului I/ Diagramă schematică Configurația experimentală este prezentată în Figura 12.

Puterea curentului în electrolit se poate modifica în timpul experimentului, astfel încât valoarea sa medie 1sr este înlocuită în formula pentru determinarea sarcinii. Valoarea medie a curentului este determinată prin înregistrarea citirilor voltmetrului la fiecare 30 de secunde pe parcursul întregului timp de observare, apoi acestea sunt însumate și valoarea rezultată este împărțită la numărul de măsurători. Așa se găsește Ucp. Apoi, conform legii lui Ohm, Icp este găsit pentru o secțiune a circuitului. Este mai convenabil să înregistrați rezultatele măsurătorilor de tensiune într-un tabel auxiliar.

Timpul fluxului de curent este măsurat cu un cronometru.

PROCEDURA DE PREGATIRE PENTRU LUCRARE

1. Indicați care mărimi fizice sunt supuse măsurătorilor directe pentru a determina sarcina electronilor prin metoda utilizată în această lucrare. Ce instrumente de măsurare vor fi folosite pentru a efectua măsurători? Determinați și notați limitele erorilor absolute ale acestor instrumente.

2. Determinați și notați limitele erorilor absolute de citire atunci când utilizați un cronometru mecanic, voltmetru și cântare.

3. Notați formula pentru determinarea limitei de eroare absolută ∆е.

4. Pregătiți un tabel pentru a vă înregistra măsurătorile, erorile și calculele.

Pregătiți un tabel de ajutor pentru a înregistra citirile voltmetrului.

RĂSPUNDE LA ÎNTREBĂRILE

De ce timpul de curgere a curentului în electrolit afectează eroarea rezultatului măsurării sarcinii electronilor?

Cum afectează concentrația unei soluții rezultatul măsurării sarcinii unui electron?

Care este valența cuprului?

Care este masa molară a cuprului?

Care este constanta lui Avogadro?

PROCEDURA DE EFECTUAREA LUCRĂRII

1. Determinați masa electrodului detașabil t1 pe scară.

2. Atașați electrodul la cuvă și asamblați circuitul electric prezentat în Figura 12. Asigurați-vă că electrodul detașabil este conectat la polul negativ al sursei de tensiune.

3. Umpleți cuva cu soluție de sulfat de cupru, închideți cheia și înregistrați citirile voltmetrului la fiecare 30 de secunde timp de 15 minute.

4. După 15 minute, deschideți cheia, dezasamblați circuitul, scoateți electrodul, uscați-l și determinați-i masa m2 împreună cu cuprul depus pe acesta.

5. Calculați masa cuprului eliberat: t- și limita erorii absolute de măsurare a acestuia ∆t.

6. Calculați tensiunea medie pe rezistorul Uav și curentul mediu în electrolit eu mier

7. Calculați sarcina electronului e.

8. Calculați limita de eroare absolută pentru determinarea sarcinii electronilor ∆е.

9. Notați rezultatul determinării taxei, ținând cont de limita de eroare absolută.

10. Comparați sarcina electronilor determinată din rezultatele experimentului cu valoarea din tabel.

Lucrarea de laborator nr. 7 „Determinarea sarcinii unui electron”

Scopul lucrării:Învățați să determinați experimental sarcina unui electron.

Diagrama configurației de măsurare este prezentată în figură.

Pentru a efectua experimentul, puteți utiliza o soluție apoasă de sulfat de cupru ( CuSO4), iar plăcile de cupru sunt folosite ca electrozi. Sarcina unui electron poate fi determinată prin formula:

derivat din legea lui Faraday pentru electroliză. Aici m- masa de substanță eliberată pe electrod, M- masa molară a substanței, n- valența acestei substanțe, N / A- constanta lui Avogadro, eu- puterea curentului care trece prin soluția de electrolit, t- timpul de trecere curent.

Masa de cupru eliberată la catod este determinată prin cântărirea catodului înainte și după experiment. De aceea m=m2 +m1, iar formula pentru determinarea sarcinii electronului va lua forma:

Pentru a măsura curentul, se folosește un ampermetru de școală, timpul este măsurat cu un ceas. Un reostat în circuit este necesar pentru a regla curentul.

Exemplu de execuție

Folosim următoarele formule pentru a completa tabelul:

1) Δ și m - eroare absolută

Δ și m = 0,00001 kg

Δ 0 m - eroare absolută de citire

Ministerul Educației al Federației Ruse

Universitatea Pedagogică de Stat din Amur

Metode de determinare a sarcinii electrice elementare

Completat de student 151g.

Venzelev A.A.

Verificat de: Cheraneva T.G.

Introducere.

1. Contextul descoperirii electronului

2. Istoria descoperirii electronului

3. Experimente și metode de descoperire a electronului

3.1.Experimentul lui Thomson

3.2.Experienta lui Rutherford

3.3. Metoda Millikan

3.3.1. scurtă biografie

3.3.2. Descrierea instalatiei

3.3.3. Calculul sarcinii elementare

3.3.4. Concluzii din metoda

3.4. Metoda de imagistică Compton

Concluzie.

Introducere:

ELECTRON - prima particulă elementară descoperită; purtătorul material al celei mai mici mase și al celei mai mici sarcini electrice din natură; componentă atom.

Sarcina electronului este 1,6021892. 10 -19 Cl

4,803242. 10 -10 unități SSSE

Masa electronului este 9,109534. 10 -31 kg

Tarif specific e/m e 1.7588047. 10 11 Cl. kg -1

Spinul electronului este egal cu 1/2 (în unități de h) și are două proiecții ±1/2; electronii se supun statisticilor Fermi-Dirac, fermionilor. Ele sunt supuse principiului excluderii Pauli.

Momentul magnetic al unui electron este egal cu - 1,00116 m b, unde m b este magnetonul Bohr.

Electronul este o particulă stabilă. Conform datelor experimentale, durata de viață t e > 2. 10 22 de ani.

Nu participă la interacțiunea puternică, lepton. Fizica modernă consideră electronul ca o particulă cu adevărat elementară care nu are structură sau dimensiune. Dacă acestea din urmă sunt diferite de zero, atunci raza electronului r e< 10 -18 м

1. Fundalul deschiderii

Descoperirea electronului a fost rezultatul a numeroase experimente. Până la începutul secolului al XX-lea. existenţa electronului a fost stabilită printr-o serie de experimente independente. Dar, în ciuda materialului experimental colosal acumulat de școli naționale întregi, electronul a rămas o particulă ipotetică, deoarece experiența nu a răspuns încă la o serie de întrebări fundamentale. În realitate, „descoperirea” electronului a durat mai bine de jumătate de secol și nu s-a încheiat până în 1897; Mulți oameni de știință și inventatori au luat parte la ea.

A existat incertitudine într-un punct fundamental important. Electronul a apărut mai întâi ca urmare a unei interpretări atomice a legilor electrolizei, apoi a fost descoperit într-o descărcare gazoasă. Nu era clar dacă fizica avea de-a face cu același obiect. Un grup mare de oameni de știință natural sceptici credeau că sarcina elementară este o medie statistică a sarcinilor de cele mai variate dimensiuni. Mai mult, niciunul dintre experimentele care măsoară sarcina electronilor nu a dat valori strict repetabile.
Au fost sceptici care, în general, ignorau descoperirea electronului. Academicianul A.F. Ioffe în amintirile sale despre profesorul său V.K. Roentgene a scris: „Până în 1906 - 1907. cuvântul electron nu ar fi trebuit să fie rostit la Institutul de Fizică al Universității din München. Roentgen a considerat-o o ipoteză nedovedită, adesea folosită fără temeiuri suficiente și inutil.”

Electronul nu a părăsit încă cadrul științei „pure”. Să ne amintim că primul tub de electroni a apărut abia în 1907. Pentru a trece de la credință la convingere a fost necesar, în primul rând, izolarea electronului și inventarea unei metode de măsurare directă și precisă a sarcinii elementare.

Soluția la această problemă nu a întârziat să apară. În 1752, ideea de discreție a sarcinii electrice a fost exprimată pentru prima dată de B. Franklin. Experimental, discretitatea sarcinilor a fost justificată de legile electrolizei, descoperite de M. Faraday în 1834. Valoarea numerică a sarcinii elementare (cea mai mică sarcină electrică găsită în natură) a fost calculată teoretic pe baza legile electrolizei folosind numărul lui Avogadro. . Măsurarea experimentală directă a încărcăturii elementare a fost efectuată de R. Millikan în experimente clasice efectuate în 1908 - 1916. Aceste experimente au oferit, de asemenea, dovada de nerefuzat a atomismului electricității. Conform conceptelor de bază ale teoriei electronice, sarcina unui corp apare ca urmare a unei modificări a numărului de electroni conținute în acesta (sau ionii pozitivi, a căror valoare de sarcină este un multiplu al sarcinii electronului). Prin urmare, sarcina oricărui corp trebuie să se schimbe brusc și în astfel de porțiuni care conțin un număr întreg de sarcini electronice. După ce a stabilit experimental natura discretă a modificării sarcinii electrice, R. Millikan a reușit să obțină confirmarea existenței electronilor și să determine valoarea sarcinii unui electron (sarcină elementară) folosind metoda picăturii de ulei. Metoda se bazează pe studiul mișcării picăturilor de ulei încărcate într-un câmp electric uniform de putere cunoscută E.

2.Descoperirea electronului:

Dacă ignorăm ceea ce a precedat descoperirea primei particule elementare - electronul și ceea ce a însoțit acest eveniment remarcabil, putem spune pe scurt: în 1897, celebrul fizician englez THOMSON Joseph John (1856-1940) a măsurat sarcina specifică q/m particule de raze catodice - „corpuscule”, așa cum le-a numit el, în funcție de deviația razelor catodice *) în electricitate și campuri magnetice.

Comparând numărul obținut cu sarcina specifică a ionului de hidrogen monovalent cunoscut la acea vreme, prin raționament indirect, a ajuns la concluzia că masa acestor particule, care ulterior au primit denumirea de „electroni”, este semnificativ mai mică (mai mult decât de o mie de ori) decât masa celui mai ușor ion de hidrogen.

În același an, 1897, el a emis ipoteza că electronii sunt o parte integrantă a atomilor, iar razele catodice nu sunt atomi sau radiații electromagnetice, așa cum credeau unii cercetători ai proprietăților razelor. Thomson a scris: „Astfel, razele catodice reprezintă o nouă stare a materiei, în esență diferită de starea gazoasă obișnuită...; în această nouă stare, materia este substanța din care sunt construite toate elementele”.

Din 1897, modelul corpuscular al razelor catodice a început să câștige acceptare generală, deși exista o mare varietate de opinii despre natura electricității. Astfel, fizicianul german E. Wichert credea că „electricitatea este ceva imaginar, care există cu adevărat doar în gânduri”, iar faimosul fizician englez Lord Kelvin în același an, 1897, a scris despre electricitate ca pe un fel de „fluid continuu”.

Ideea lui Thomson despre corpusculii catodici ca componente de bază ale atomului nu a fost întâmpinată cu mult entuziasm. Unii dintre colegii săi au crezut că el i-a mistificat când a sugerat că particulele de raze catodice ar trebui considerate posibile componente ale atomului. Adevăratul rol al corpusculilor Thomson în structura atomului ar putea fi înțeles în combinație cu rezultatele altor studii, în special cu rezultatele analizei spectrelor și studiului radioactivității.

Pe 29 aprilie 1897, Thomson a făcut celebrul său mesaj la o întâlnire a Societății Regale din Londra. Ora exactă a descoperirii electronului - ziua și ora - nu poate fi numită din cauza unicității sale. Acest eveniment a fost rezultatul multor ani de muncă a lui Thomson și a angajaților săi. Nici Thomson, nici nimeni altcineva nu observase vreodată un electron, nici nimeni nu a putut să izoleze o singură particulă dintr-un fascicul de raze catodice și să-i măsoare sarcina specifică. Autorul descoperirii este J.J Thomson, deoarece ideile sale despre electron erau apropiate de cele moderne. În 1903, a propus unul dintre primele modele ale atomului - „budinca de stafide”, iar în 1904 a propus ca electronii dintr-un atom să fie împărțiți în grupuri, formând diferite configurații care determină periodicitatea elementelor chimice.

Locația descoperirii este cunoscută cu precizie - Laboratorul Cavendish (Cambridge, Marea Britanie). Creat în 1870 de J.C. Maxwell, în următoarele sute de ani a devenit „leagănul” unui întreg lanț de descoperiri strălucitoare în diverse domenii ale fizicii, în special în fizica atomică și nucleară. Directorii săi au fost: Maxwell J.K. - din 1871 până în 1879, Lord Rayleigh - din 1879 până în 1884, Thomson J.J. - din 1884 până în 1919, Rutherford E. - din 1919 până în 1937, Bragg L. - din 1938 până în 1953; Director adjunct 1923-1935 - Chadwick J.

Cercetarea științifică experimentală a fost efectuată de un om de știință sau un grup mic într-o atmosferă de explorare creativă. Lawrence Bragg și-a amintit mai târziu de munca sa în 1913 cu tatăl său, Henry Bragg: „A fost o perioadă minunată când aproape în fiecare săptămână s-au obținut noi rezultate interesante, cum ar fi descoperirea de noi zone purtătoare de aur, unde pepitele pot fi culese direct de pe pământ. Aceasta a continuat până la începutul războiului *), care a oprit munca noastră comună”.

3.Metode pentru deschiderea unui electron:

3.1.Experimentul lui Thomson

Joseph John Thomson Joseph John Thomson, 1856–1940

Fizician englez, cunoscut mai simplu ca J. J. Thomson. Născut în Cheetham Hill, o suburbie din Manchester, în familia unui anticariat la mâna a doua. În 1876 a câștigat o bursă la Cambridge. În 1884-1919, a fost profesor la Departamentul de Fizică Experimentală de la Universitatea din Cambridge și, în același timp, șeful Laboratorului Cavendish, care, prin eforturile lui Thomson, a devenit unul dintre cele mai cunoscute centre de cercetare din lume. În același timp, în 1905-1918, a fost profesor la Institutul Regal din Londra. Câștigător al Premiului Nobel pentru Fizică în 1906 cu formularea „pentru studiile sale despre trecerea electricității prin gaze”, care, în mod natural, include descoperirea electronului. Fiul lui Thomson, George Paget Thomson (1892-1975) a devenit, în cele din urmă, laureat al premiului Nobel pentru fizică - în 1937 pentru descoperirea experimentală a difracției electronilor prin cristale.

În 1897, tânărul fizician englez J. J. Thomson a devenit faimos de-a lungul secolelor ca descoperitorul electronului. În experimentul său, Thomson a folosit un tub catodic îmbunătățit, al cărui design a fost completat de bobine electrice care creau (conform legii lui Ampere) un câmp magnetic în interiorul tubului și un set de plăci de condensatoare electrice paralele care creau un câmp electric în interior. tubul. Datorită acestui fapt, a devenit posibil să se studieze comportamentul razelor catodice sub influența câmpurilor magnetice și electrice.

Folosind un nou design de tub, Thomson a arătat succesiv că: (1) razele catodice sunt deviate într-un câmp magnetic în absența unuia electric; (2) razele catodice sunt deviate într-un câmp electric în absența unui câmp magnetic; și (3) sub acțiunea simultană a câmpurilor electrice și magnetice de intensitate echilibrată, orientate în direcții care provoacă separat abateri în părți opuse, razele catodice se propagă rectiliniu, adică acțiunea celor două câmpuri este echilibrată reciproc.

Thomson a descoperit că relația dintre câmpurile electrice și magnetice la care efectele lor sunt echilibrate depinde de viteza cu care se mișcă particulele. După efectuarea unei serii de măsurători, Thomson a reușit să determine viteza de mișcare a razelor catodice. S-a dovedit că se mișcă mult mai lent decât viteza luminii, ceea ce însemna că razele catodice ar putea fi doar particule, deoarece orice radiație electromagnetică, inclusiv lumina însăși, călătorește cu viteza luminii (vezi Spectrul radiației electromagnetice). Aceste particule necunoscute. Thomson i-a numit „corpusculi”, dar în curând au devenit cunoscuți ca „electroni”.

A devenit imediat clar că electronii trebuie să existe ca parte a atomilor - altfel, de unde ar proveni? 30 aprilie 1897 - data raportului lui Thomson cu privire la rezultatele sale la o reuniune a Societății Regale din Londra - este considerată ziua de naștere a electronului. Și în această zi, ideea „indivizibilității” atomilor a devenit un lucru din trecut (vezi Teoria atomică a structurii materiei). Odată cu descoperirea nucleului atomic care a urmat puțin peste zece ani mai târziu (vezi experimentul lui Rutherford), descoperirea electronului a pus bazele modelului modern al atomului.

Tuburile „catodice” descrise mai sus, sau mai precis, tuburile cu raze catodice, au devenit cei mai simpli predecesori ai tuburilor moderne de televiziune și ai monitoarelor de calculator, în care cantități strict controlate de electroni sunt eliminate de pe suprafața unui catod fierbinte, sub influența de câmpuri magnetice alternative sunt deviate la unghiuri strict specificate și bombardează celulele fosforescente ale ecranelor, formând asupra lor o imagine clară rezultată din efectul fotoelectric, a cărui descoperire ar fi, de asemenea, imposibilă fără cunoștințele noastre despre adevărata natură a catodului. razele.

3.2.Experienta lui Rutherford

Ernest RUTHERFORD, baronul Rutherford din Nelson I Ernest Rutherford, primul baron Rutherford din Nelson, 1871–1937

fizician din Noua Zeelandă. Născut în Nelson, fiul unui fermier artizan. A câștigat o bursă pentru a studia la Universitatea Cambridge din Anglia. După absolvire, a fost numit la Universitatea McGill din Canada, unde, împreună cu Frederick Soddy (1877–1966), a stabilit legile de bază ale fenomenului radioactivității, pentru care a primit Premiul Nobel pentru Chimie în 1908. Curând, omul de știință s-a mutat la Universitatea din Manchester, unde, sub conducerea sa, Hans Geiger (1882–1945) a inventat faimosul său contor Geiger, a început să cerceteze structura atomului și, în 1911, a descoperit existența nucleului atomic. În timpul Primului Război Mondial, a fost implicat în dezvoltarea sonarelor (radare acustice) pentru a detecta submarinele inamice. În 1919 a fost numit profesor de fizică și director al Laboratorului Cavendish de la Universitatea din Cambridge și în același an a descoperit dezintegrarea nucleară ca urmare a bombardamentului cu particule grele de înaltă energie. Rutherford a rămas în această funcție până la sfârșitul vieții, fiind în același timp mulți ani președinte al Societății Științifice Regale. A fost înmormântat în Westminster Abbey lângă Newton, Darwin și Faraday.

Ernest Rutherford este un om de știință unic în sensul că și-a făcut principalele descoperiri după ce a primit Premiul Nobel. În 1911, el a reușit un experiment care nu numai că a permis oamenilor de știință să privească adânc în atom și să obțină o perspectivă asupra structurii acestuia, dar a devenit și un model de grație și profunzime de design.

ȘI Folosind o sursă naturală de radiații radioactive, Rutherford a construit un tun care a produs un flux de particule direcționat și focalizat. Pistolul era o cutie de plumb cu o fantă îngustă, în interiorul căreia era plasat material radioactiv. Datorită acestui fapt, particulele (în acest caz particulele alfa, constând din doi protoni și doi neutroni) emise de substanța radioactivă în toate direcțiile, cu excepția uneia, au fost absorbite de ecranul de plumb și doar un fascicul de particule alfa a fost eliberat prin fantă. .

direcție dată. Drept urmare, un fascicul de particule alfa perfect focalizat a zburat către țintă, iar ținta în sine era o foaie subțire de folie de aur. Raza alfa a fost cea care a lovit-o. După ce s-au ciocnit cu atomii de folie, particulele alfa și-au continuat drumul și au lovit un ecran luminiscent instalat în spatele țintei, pe care au fost înregistrate fulgerări atunci când particulele alfa au lovit-o. Din ele, experimentatorul ar putea judeca în ce cantitate și cât de mult particulele alfa se abat de la direcția mișcării rectilinie ca urmare a ciocnirilor cu atomii din folie.

Rutherford, totuși, a observat că niciunul dintre predecesorii săi nu a încercat măcar să testeze experimental dacă unele particule alfa au fost deviate la unghiuri foarte mari. Modelul grilei de stafide pur și simplu nu a permis existența unor elemente structurale în atom atât de dense și grele încât ar putea devia particulele alfa rapide la unghiuri semnificative, așa că nimeni nu s-a obosit să testeze această posibilitate. Rutherford i-a cerut unuia dintre studenții săi să reechipeze instalația în așa fel încât să fie posibil să se observe împrăștierea particulelor alfa la unghiuri mari de deviere - doar pentru a-și curăța conștiința, pentru a exclude în final această posibilitate. Detectorul era un ecran acoperit cu sulfură de sodiu, un material care produce un flash fluorescent atunci când o particulă alfa îl lovește. Imaginează-ți surpriza nu numai a studentului care a efectuat direct experimentul, ci și a lui Rutherford însuși când s-a dovedit că unele particule au fost deviate la unghiuri de până la 180°!

Imaginea atomului desenată de Rutherford pe baza rezultatelor experimentului său ne este bine cunoscută astăzi. Un atom este format dintr-un nucleu compact super-dens care poartă o sarcină pozitivă și electroni de lumină încărcați negativ în jurul lui. Mai târziu, oamenii de știință au oferit o bază teoretică fiabilă pentru această imagine (vezi Atomul lui Bohr), dar totul a început cu un experiment simplu cu o mică probă de material radioactiv și o bucată de folie de aur.

3.2.MetodaMilliken

3.2.1. Scurtă biografie:

Robert Milliken s-a născut în 1868 în Illinois într-o familie de preoți săraci. Și-a petrecut copilăria în orașul de provincie Maquoketa, unde s-a acordat multă atenție sportului și predării slabe. Un director de liceu care preda fizică le-a spus, de exemplu, tinerilor săi elevi: „Cum este posibil să scoți sunet din valuri? Prostii, băieți, toate sunt prostii!”

Milliken avea 28 de ani când a primit o ofertă de la A. Michelson de a ocupa un post de asistent la Universitatea din Chicago. La început, el s-a angajat aici aproape exclusiv în muncă pedagogică și abia la vârsta de patruzeci de ani a început cercetările științifice, care i-au adus faima mondială.

3.2.2. Primele experiențe și soluții la probleme:

Primele experimente s-au rezumat la următoarele. Între plăcile unui condensator plat, căruia i s-a aplicat o tensiune de 4000 V, s-a creat un nor, format din picături de apă depuse pe ioni. În primul rând, s-a observat că vârful norilor cădea în absența unui câmp electric. Apoi a fost creat un nor în timp ce tensiunea era pornită. Căderea norului s-a produs sub influența gravitației și a forței electrice.
Raportul dintre forța care acționează asupra unei picături dintr-un nor și viteza pe care o dobândește este același în primul și al doilea caz. În primul caz, forța este egală mg, in secunda mg+qE, Unde q- taxa de picătură, E- intensitatea câmpului electric. Dacă viteza în primul caz este egală υ 1 in secunda υ 2 , Acea

Cunoscând dependența vitezei de cădere a norilor υ din vâscozitatea aerului, puteți calcula încărcătura necesară q. Cu toate acestea, această metodă nu a furnizat acuratețea dorită, deoarece conținea presupuneri ipotetice dincolo de controlul experimentatorului.

Reflectând la această problemă, Millikan a venit cu metoda clasică de drop, care a deschis o serie de posibilități neașteptate. Îl lăsăm pe autorul însuși să spună povestea invenției:
„Dându-mi seama că rata de evaporare a picăturilor a rămas necunoscută, am încercat să găsesc o metodă care să elimine complet această valoare incertă. Planul meu a fost următorul. În experimentele anterioare, câmpul electric nu a putut decât să crească sau să scadă puțin viteza de cădere a vârfului norilor sub influența gravitației. Acum am vrut să întăresc acest câmp atât de mult încât suprafața superioară a norului a rămas la o înălțime constantă. În acest caz, a devenit posibil să se determine cu exactitate rata de evaporare a norilor și să se ia în considerare în calcule.”

Pentru a implementa această idee, Millikan a proiectat o baterie reîncărcabilă de dimensiuni mici, care producea o tensiune de până la 104 V (pentru acea vreme aceasta a fost o realizare remarcabilă a unui experimentator). Trebuia să creeze un câmp suficient de puternic pentru a menține norul suspendat, precum „sicriul lui Mahomed”. „Când aveam totul pregătit”, spune Milliken, iar când norul s-a format, am răsucit întrerupătorul și norul a fost într-un câmp electric. Și în acel moment s-a topit în fața ochilor mei, cu alte cuvinte, nu a rămas nici măcar o bucată mică din tot norul care să poată fi observat cu ajutorul unui instrument optic de control, așa cum a făcut Wilson și urma să fac. După cum mi s-a părut la început, dispariția norului fără urmă în câmpul electric dintre plăcile superioare și inferioare a însemnat că experimentul s-a încheiat fără rezultate...” Cu toate acestea, așa cum s-a întâmplat adesea în istoria științei, eșecul a dat naște-te la o idee nouă. A dus la faimoasa metodă de drop. „Experimentele repetate”, scrie Millikan, „au arătat că, după ce un nor se disipă într-un câmp electric puternic, în locul său se puteau distinge mai multe picături de apă individuale„(sublinierea adăugată de mine.- V.D.). Experimentul „nereușit” a condus la descoperirea posibilității de a menține picăturile individuale în echilibru și de a le observa o perioadă destul de lungă.

Dar în timpul observației, masa unei picături de apă s-a schimbat semnificativ ca urmare a evaporării, iar Millikan, după multe zile de căutare, a trecut la experimente cu picături de ulei.

După 7 sau 8 minute. norul se risipește, iar în câmpul vizual rămân un număr mic de picături, a căror sarcină corespunde echilibrului de forțe indicat.

Millikan a observat aceste picături ca puncte strălucitoare distincte. „Istoria acestor picături de obicei decurge așa”, scrie el „În cazul unei ușoare predominări a gravitației asupra forței câmpului, ele încep să cadă încet, dar din moment ce se evaporă treptat, mișcarea lor în jos se oprește curând. rămâne nemișcat destul de mult timp.” Apoi câmpul începe să domine și picăturile încep să se ridice încet. La sfârșitul vieții lor în spațiul dintre plăci, această mișcare ascendentă devine foarte puternic accelerată și sunt atrași cu mare viteză de placa superioară.”

3.2.3. Descrierea instalării:

O diagramă a instalației lui Millikan, cu care s-au obținut rezultate decisive în 1909, este prezentată în Figura 17.

În celulă CU s-a pus un condensator plat din plăci rotunde de alamă MȘi N cu diametrul de 22 cm (distanța dintre ele era de 1,6 cm). O mică gaură a fost făcută în centrul plăcii superioare R, prin care treceau picături de ulei. Acestea din urmă au fost formate prin injectarea unui curent de ulei cu ajutorul unui pulverizator. Aerul a fost curățat anterior de praf prin trecerea lui printr-o țeavă cu vată de sticlă. Picăturile de ulei aveau un diametru de aproximativ 10 -4 cm.

DESPRE
t baterie ÎN pe plăcile condensatorului a fost aplicată o tensiune de 10 4 V. Folosind un comutator, a fost posibilă scurtcircuitarea plăcilor, ceea ce ar distruge câmpul electric.

Picături de ulei care cad între plăci MȘi N, iluminat de o sursă puternică. Comportamentul picăturilor a fost observat perpendicular pe direcția razelor prin telescop.

Ionii necesari condensării picăturilor au fost creați prin radiația dintr-o bucată de radiu cu o greutate de 200 mg, situată la o distanță de 3 până la 10 cm de lateralul plăcilor.

Folosind un dispozitiv special, coborârea pistonului a extins gazul. La 1 - 2 s după extindere, radiul a fost îndepărtat sau ascuns de un ecran de plumb. Apoi câmpul electric a fost pornit și a început observarea picăturilor în telescop. Conducta avea o scară pe care era posibil să se numere drumul parcurs de picătură într-o anumită perioadă de timp. Timpul a fost înregistrat folosind un ceas precis, cu un lacăt.

În timpul observațiilor sale, Millikan a descoperit un fenomen care a servit drept cheie pentru întreaga serie de măsurători precise ulterioare ale sarcinilor elementare individuale.

„În timp ce lucram la picături suspendate”, scrie Millikan, „am uitat de câteva ori să le protejez de razele radiului. Apoi s-a întâmplat să observ că din când în când una dintre picături și-a schimbat brusc încărcătura și a început să se miște de-a lungul câmpului sau împotriva lui, captând aparent în primul caz un ion pozitiv, iar în al doilea un ion negativ. Acest lucru a deschis posibilitatea de a măsura în mod fiabil nu numai sarcinile picăturilor individuale, așa cum făcusem până atunci, ci și încărcarea unui ion atmosferic individual.

Într-adevăr, măsurând viteza aceleiași picături de două ori, o dată înainte și o dată după captarea ionului, aș putea în mod evident exclude complet proprietățile picăturii și proprietățile mediului și să operez cu o valoare proporțională doar cu sarcina de ionul capturat.”

3.2.4. Calculul taxei elementare:

Sarcina elementară a fost calculată de Millikan pe baza următoarelor considerații. Viteza de mișcare a unei picături este proporțională cu forța care acționează asupra acesteia și nu depinde de sarcina picăturii.
Dacă între plăcile unui condensator a căzut o picătură doar sub influența gravitației cu o viteză υ , Acea

υ 1 = kmg (1)

Când un câmp îndreptat împotriva gravitației este pornit, forța care acționează va fi diferența qE - mg, Unde q- scăderea taxei, E - modulul de intensitate a câmpului.

Viteza căderii va fi egală cu:

υ 2 =k(qE-mg) (2)

Dacă împărțim egalitatea (1) la (2), obținem

DESPRE Aici

Lăsați picătura să captureze un ion și sarcina acestuia să devină egală cu q",și viteza de mișcare υ 2 . Sarcina acestui ion prins va fi notata cu e.

Apoi e= q"- q.

Folosind (3), obținem

Valoarea este constantă pentru o picătură dată.

3.2.5. Concluzii din metoda Millikan

În consecință, orice sarcină capturată de cădere va fi proporțională cu diferența de viteză ( υ " 2 - υ 2 ), cu alte cuvinte, este proporțională cu modificarea vitezei de picătură din cauza captării ionilor! Deci, măsurarea sarcinii elementare s-a redus la măsurarea traseului parcurs de picătură și a timpului în care a fost parcurs această cale. Numeroase observații au arătat validitatea formulei (4). S-a dovedit că valoarea e se poate schimba doar la salturi! Taxele sunt întotdeauna respectate e, 2e, 3e, 4e etc.

„În multe cazuri”, scrie Millikan, „scăderea a fost observată timp de cinci sau șase ore și, în acest timp, a capturat nu opt sau zece ioni, ci sute dintre ei. În total, am observat capturarea a multor mii de ioni în acest fel și, în toate cazurile, încărcătura capturată... a fost fie exact egală cu cea mai mică dintre toate încărcăturile capturate, fie a fost egală cu un mic multiplu întreg al acesteia. valoare. Aceasta este o dovadă directă și de nerefuzat că electronul nu este o „medie statistică”, ci că toate sarcinile electrice ale ionilor sunt fie exact egale cu sarcina electronului, fie reprezintă multipli mici întregi ai acelei sarcini.”

Deci, atomicitatea, discretitatea sau, în limbajul modern, cuantizarea sarcinii electrice a devenit un fapt experimental. Acum era important să arătăm că electronul este, ca să spunem așa, omniprezent. Orice sarcină electrică dintr-un corp de orice natură este suma acelorași sarcini elementare.

Metoda lui Millikan a făcut posibil să se răspundă fără ambiguitate la această întrebare. În primele experimente, încărcăturile au fost create prin ionizarea moleculelor de gaz neutru printr-un flux de radiații radioactive. S-a măsurat încărcarea ionilor captați de picături.

Când un lichid este pulverizat cu o sticlă de pulverizare, picăturile devin electrificate din cauza frecării. Acest lucru era bine cunoscut încă din secolul al XIX-lea. Sunt și aceste sarcini cuantificate, ca și sarcinile ionice? Millikan „cântărește” picăturile după pulverizare și măsoară încărcăturile în modul descris mai sus. Experiența dezvăluie aceeași discreție a sarcinii electrice.

Stropind picături de ulei (dielectric), glicerină (semiconductor), mercur (conductor), Millikan demonstrează că sarcinile asupra corpurilor de orice natură fizică constau în toate cazurile, fără excepție, din porțiuni elementare individuale de mărime strict constantă. În 1913, Millikan a rezumat rezultatele a numeroase experimente și a dat următoarea valoare pentru încărcătura elementară: e= 4,774. 10 -10 unități Taxa SGSE. Așa s-a stabilit una dintre cele mai importante constante ale fizicii moderne. Determinarea sarcinii electrice a devenit o simplă problemă aritmetică.

3.4 Metoda de imagistică Compton:

Descoperirea C.T.R a jucat un rol major în întărirea ideii de realitate a electronului. Wilson, efectul condensului vaporilor de apă asupra ionilor, care a condus la posibilitatea fotografierii urmelor de particule.

Ei spun că A. Compton în timpul unei prelegeri nu a putut convinge un ascultător sceptic de realitatea existenței microparticulelor. A insistat că va crede numai după ce le va vedea cu ochii lui.
Apoi Compton a arătat o fotografie cu o urmă de particule alfa, lângă care era o amprentă. "Stii ce e asta?" - a întrebat Compton. „Deget”, a răspuns ascultătorul. — În acest caz, spuse Compton solemn, această dungă luminoasă este particula.
Fotografiile urmelor de electroni nu doar mărturiseau realitatea electronilor. Ei au confirmat ipoteza dimensiunii mici a electronilor și au făcut posibilă compararea rezultatelor calculelor teoretice, care au inclus raza electronilor, cu experimentul. Experimentele, care au început cu studiul lui Lenard asupra puterii de penetrare a razelor catodice, au arătat că electronii foarte rapizi emiși de substanțele radioactive produc urme în gaz sub formă de linii drepte. Lungimea pistei este proporțională cu energia electronilor. Fotografiile cu urmele particulelor α de înaltă energie arată că urmele constau dintr-un număr mare de puncte. Fiecare punct este o picătură de apă care apare pe un ion, care se formează ca urmare a ciocnirii unui electron cu un atom. Cunoscând dimensiunea unui atom și concentrația acestuia, putem calcula numărul de atomi prin care o particulă α trebuie să treacă la o anumită distanță. Un calcul simplu arată că o particulă alfa trebuie să călătorească aproximativ 300 de atomi înainte de a întâlni unul dintre electronii care alcătuiesc învelișul atomului pe drum și să producă ionizare.

Din teoria împrăștierii se pot obține date pentru estimarea unghiurilor de deviere în funcție de energia electronilor. Aceste date sunt bine confirmate de analiza pistelor reale Coincidența teoriei cu experimentul a întărit ideea unui electron ca cea mai mică particulă de materie.

Concluzie:

Măsurarea sarcinii electrice elementare a deschis posibilitatea de a determina cu exactitate un număr de constante fizice importante.
Cunoașterea mărimii e face automat posibilă determinarea valorii constantei fundamentale - constanta lui Avogadro. Înainte de experimentele lui Millikan, existau doar estimări aproximative ale constantei lui Avogadro, care erau date de teoria cinetică a gazelor. Aceste estimări s-au bazat pe calcule ale razei medii a unei molecule de aer și au variat într-un interval destul de larg de la 2. 10 23 până la 20 . 10 23 1/mol.

Să presupunem că știm taxa Q, trecut prin soluția de electrolit și cantitatea de substanță M care a fost depusă pe electrod. Atunci, dacă sarcina ionului este Ze 0 și masa ei m 0, egalitatea este satisfăcută

Dacă masa substanței depuse este egală cu un mol,

Acea Q=F- constanta lui Faraday și F=N 0 e, Unde:

Evident, acuratețea determinării constantei lui Avogadro este determinată de precizia cu care este măsurată sarcina electronului. Practica a necesitat o creștere a preciziei determinării constantelor fundamentale, iar acesta a fost unul dintre stimulentele pentru a continua îmbunătățirea metodologiei de măsurare a cuantumului sarcinii electrice. Această lucrare, care acum este de natură pur metrologică, continuă până în zilele noastre.

Cele mai precise valori în prezent sunt:

e= (4,8029±0,0005) 10 -10 . unitati taxa SGSE;

N 0 = (6,0230±0,0005) 10 23 1/mol.

știind No, este posibil să se determine numărul de molecule de gaz în 1 cm 3, deoarece volumul ocupat de 1 mol de gaz este o valoare constantă deja cunoscută.

Cunoașterea numărului de molecule de gaz în 1 cm 3 a făcut posibilă, la rândul său, determinarea energiei cinetice medii a mișcării termice a unei molecule. În sfârșit, din sarcina electronului se poate determina constanta Planck și constanta Stefan-Boltzmann în legea radiației termice.

Detalii Categorie: Electricitate și magnetism Publicat 06.08.2015 05:51 Vizualizări: 6694

Una dintre constantele fundamentale în fizică este sarcina electrică elementară. Aceasta este o mărime scalară care caracterizează capacitatea corpurilor fizice de a lua parte la interacțiunea electromagnetică.

Sarcina electrică elementară este considerată a fi cea mai mică sarcină pozitivă sau negativă care nu poate fi împărțită. Valoarea sa este egală cu sarcina electronului.

Faptul că orice sarcină electrică găsită în natură este întotdeauna egală cu un număr întreg de sarcini elementare a fost sugerat în 1752 de celebrul personaj politic Benjamin Franklin, un politician și diplomat care a fost, de asemenea, implicat în activități științifice și inventive, primul american care a devenit membru al Academiei Ruse de Științe.

Benjamin Franklin

Dacă ipoteza lui Franklin este corectă și sarcina electrică a oricărui corp încărcat sau a unui sistem de corpuri constă dintr-un număr întreg de sarcini elementare, atunci această sarcină se poate schimba brusc cu o cantitate care conține un număr întreg de sarcini de electroni.

Pentru prima dată, acest lucru a fost confirmat și destul de precis determinat experimental de către omul de știință american, profesor la Universitatea din Chicago, Robert Millikan.

Experiența Millikan

Diagrama experimentului Millikan

Millikan a efectuat primul său experiment faimos cu picături de ulei în 1909 împreună cu asistentul său Harvey Fletcher. Ei spun că la început au plănuit să facă experimentul folosind picături de apă, dar s-au evaporat în câteva secunde, ceea ce clar nu a fost suficient pentru a obține rezultatul. Apoi Milliken l-a trimis pe Fletcher la farmacie, de unde a cumpărat o sticlă cu spray și o sticlă de ulei de ceas. Acest lucru a fost suficient pentru ca experimentul să fie un succes. Ulterior, Millikan a primit Premiul Nobel pentru aceasta, iar Fletcher și-a luat doctoratul.

Robert Milliken

Harvey Fletcher

Care a fost experimentul lui Millikan?

O picătură electrificată de ulei cade sub influența gravitației între două plăci metalice. Dar dacă se creează un câmp electric între ele, acesta va împiedica picătura să cadă. Măsurând puterea câmpului electric, se poate determina sarcina picăturii.

Experimentatorii au plasat două plăci metalice de condensator în interiorul vasului. Acolo, folosind o sticlă de pulverizare, au fost introduse mici picături de ulei, care s-au încărcat negativ în timpul pulverizării ca urmare a frecării lor cu aerul.

În absența unui câmp electric, picătura cade

Sub influența gravitației Fw = mg, picăturile au început să cadă. Dar din moment ce nu erau în vid, ci într-un mediu, forța de rezistență a aerului le-a împiedicat să cadă liber. Fras = 6πη rv 0 , Unde η – vâscozitatea aerului. Când Fw Și Fras echilibrată, căderea s-a uniformizat cu viteza v 0 . Măsurând această viteză, omul de știință a determinat raza căderii.

O picătură „plutește” sub influența unui câmp electric

Dacă, în momentul în care picătura a căzut, plăcilor li s-a aplicat tensiune în așa fel încât placa de sus a primit o sarcină pozitivă și placa de jos a primit o sarcină negativă, picătura a încetat. A fost împiedicată de câmpul electric rezultat. Picăturile păreau să plutească. Acest lucru sa întâmplat când forța F r echilibrat de forța care acționează din câmpul electric F r = eE ,

Unde F r – rezultanta gravitaţiei şi forţa lui Arhimede.

F r = 4/3 πr 3 ( ρ – ρ 0) g

ρ - densitatea unei picaturi de ulei;

ρ 0 – densitatea aerului.

r este raza picăturii.

știind F r Și E , putem determina valoarea e .

Deoarece era foarte dificil să se asigure că o picătură rămâne staționară mult timp, Millikan și Fletcher au creat un câmp în care picătura, după oprire, a început să se miște în sus cu o viteză foarte mică. v . În acest caz

Experimentele au fost repetate de multe ori. Încărcăturile au fost transmise picăturilor prin iradierea lor cu o instalație de raze X sau ultraviolete. Dar de fiecare dată, sarcina totală a picăturii a fost întotdeauna egală cu mai multe sarcini elementare.

În 1911, Millikan a stabilit că sarcina unui electron este 1,5924(17) x 10 -19 C. Omul de știință a greșit doar cu 1%. Valoarea sa modernă este 1,602176487(10) x 10 -19 C.

experimentul lui Ioffe

Abram Fedorovici Ioffe

Trebuie spus că aproape simultan cu Millikan, dar independent de el, au fost efectuate experimente similare de către fizicianul rus Abram Fedorovich Ioffe. Și configurația lui experimentală a fost similară cu cea a lui Millikan. Dar aerul a fost pompat din vas și s-a creat un vid în el. Și în loc de picături de ulei, Ioffe a folosit particule mici încărcate de zinc. Mișcarea lor a fost observată la microscop.

Instalare Ioffe

1- un metrou

2 camere

3 - plăci metalice

4 - microscop

5 - emițător de ultraviolete

Sub influența unui câmp electrostatic, a căzut o bucată de praf de zinc. De îndată ce gravitația boabelor de praf a devenit egală cu forța care acționează asupra acestuia din cauza câmpului electric, căderea a încetat. Atâta timp cât încărcătura particulei de praf nu s-a schimbat, aceasta a continuat să atârne nemișcată. Dar dacă a fost expus la lumină ultravioletă, atunci sarcina sa a scăzut și echilibrul a fost perturbat. Începea să cadă din nou. Apoi, cantitatea de încărcare de pe plăci a fost crescută. În consecință, câmpul electric a crescut, iar căderea s-a oprit din nou. Acest lucru a fost făcut de mai multe ori. Ca rezultat, s-a constatat că de fiecare dată încărcătura bobulului de praf s-a schimbat cu o cantitate care era un multiplu al sarcinii particulei elementare.

Ioffe nu a calculat încărcătura acestei particule. Dar, după ce a efectuat un experiment similar în 1925 împreună cu fizicianul N.I. Dobronravov, modificând ușor configurația experimentală și folosind particule de praf de bismut în loc de zinc, el a confirmat teoria