Új gondolat. Előadás a témában: Fizika
8. jegy. Az atom szerkezete. Ioffe és Millikan kísérletei. Rutherford tapasztalata. Atomszerkezet és periódusos rendszer. A mag felépítése.
Kísérletezzen töltésosztást 2 elektrométeren. Van-e határ a hasadás töltésének? Van egy töltött részecske, amelynek a legkisebb a töltése, amelyet nem lehet szétválasztani. A legkisebb elektromos töltéssel rendelkező legkisebb részecskék létezését számos kísérlet igazolta Ioff És Milliken. BAN BEN Kísérleteik során apró cinkporszemcséket villamosítottak. A porszemcsék töltését többször megváltoztattuk és kiszámítottuk. Ez többször megtörtént. Ebben az esetben a töltés minden alkalommal másnak bizonyult. De az összes változás egész számú alkalommal (azaz 2, 3, 4 stb.) nagyobb volt, mint egy bizonyos minimális töltés. Ez az eredmény csak így magyarázható. Csak a legkisebb töltet (vagy egész számú ilyen töltés) kapcsolódik egy cinkporszemhez, vagy különül el attól. Ez a díj már nem osztódik. A legkisebb töltésű részecskét ún elektron.
Az elektron nagyon kicsi. Az elektron tömege 9,1 x 10-19 kg. Ez a tömeg körülbelül 3700-szor kisebb, mint egy hidrogénmolekula tömege, amely az összes molekula közül a legkisebb.
Az elektromos töltés az elektronok egyik fő tulajdonsága. Lehetetlen elképzelni, hogy ez a töltés eltávolítható egy elektronból. Nem választhatók el egymástól. Az elektron a legkisebb negatív töltésű részecske. Töltése -1,6 10-19 C.
Atomszerkezet
1896 - J. J. Thomson felfedezte az elektront. 1903 - J. J. Thomson feltételezte, hogy az elektron az atom belsejében található. De az atom egésze semleges, ezért a tudós feltételezte, hogy az atomban lévő negatív elektronokat pozitív töltésű anyag veszi körül. Az atom J. Thomson szerint nagyon hasonlít a „mazsolapudinghoz”, ahol a „kása” az atom pozitív töltésű anyaga, az elektronok pedig a „mazsolák”.
https://pandia.ru/text/78/203/images/image002_67.jpg" alt="Épület" align="left" width="103" height="307 src=">!}
Egyes alfa-részecskék átjutottak a fólián, elmosódott foltot képezve a képernyőn, más alfa-részecskék nyomait pedig az oldalsó képernyőkön rögzítették. A tapasztalatok azt mutatják, hogy az atom pozitív töltése nagyon kis térfogatban - a magban - koncentrálódik, és nagy rések vannak az atommagok között.
Rutherford kimutatta, hogy Thomson modellje ütközik kísérleteivel.
A Rutherford atom szerkezetének nukleáris (bolygó) modellje.
1911 - Rutherford egy modern nukleáris (bolygó) modellt javasolt az atom szerkezetére
Rutherford 5 évig járt az atom szerkezetének felfedezésére. Öt hosszú éven keresztül végzett kísérleteket az atom szerkezetének tanulmányozására.
Rutherford megállapította, hogy:
Az atom középpontjában egy mag található, amelynek méretei sokszor kisebbek, mint magának az atomnak a méretei. Az elektronok az atommag körül keringenek.
Az atom szinte teljes tömege a magjában koncentrálódik. Az összes elektron teljes negatív töltése megegyezik az atommag teljes pozitív töltésével, és kompenzálja azt.
Az atommag pozitív töltésű részecskéket tartalmaz. Felhívták őket protonok. Minden proton tömege 1840-szer nagyobb, mint egy elektron tömege.
A proton töltése pozitív, abszolút értékében egyenlő az elektron töltésével.
A protonokon kívül az atommagok is tartalmaznak semleges (töltés nélküli) részecskék. Megkapták a nevet neutronok.
A neutron tömege nem sokkal nagyobb, mint a proton tömege. Így, Az atom felépítése a következő: az atom közepén protonokból és neutronokból álló mag található, az atommag körül elektronok mozognak.
Általában nincs díja semleges, mert magjának pozitív töltése egyenlő az összes elektronjának negatív töltésével.
De az egy vagy több elektront elvesztett atom már nem semleges, hanem pozitív töltésű lesz. Akkor hívják pozitív ion.
Ennek az ellenkezője is igaz. A semleges atomhoz hozzáadódik az extra elektron. Ebben az esetben az atom negatív töltést kap, és azzá válik negatív ion.
Az 1. ábra az A.F. Ioffe kísérletében használt telepítés diagramját mutatja. Egy zárt edényben, amelyből a levegőt nagy vákuumba evakuálták, két fémlemez volt. P, vízszintesen helyezkedik el. A kamerából A a lyukon keresztül RÓL RŐL hogy apró töltött cinkporszemcsék kerültek-e a lemezek közötti térbe. Ezeket a porszemcséket mikroszkóp alatt figyelték meg.
Tegyük fel, hogy a porrészecske negatív töltésű. A gravitáció hatására zuhanni kezd. De az esése késleltethető, ha az alsó lemez negatív, a felső lemez pedig pozitív töltéssel van töltve. A lemezek közötti elektrosztatikus térben \(~\vec F_(el)\) erő hat a porrészecskére, amely arányos a porrészecske töltésével. Ha mg = F el , akkor a porszem a kívánt ideig egyensúlyban marad. Ezután a porrészecske negatív töltését csökkentették ultraibolya fénynek kitéve. A porszem hullani kezdett, ahogy a rá ható \(~\vec F_(el)\) erő csökkent. Azáltal, hogy további töltést adtunk a lemezeknek, és ezáltal növeltük a lemezek közötti elektromos mezőt, a porszemcséket ismét megállítottuk. Ez többször megtörtént.
A kísérletek kimutatták, hogy a porszemcsék töltése mindig hirtelen, az elektron töltésének többszöröse változott. Ebből a kísérletből A.F. Ioffe a következő következtetésre jutott: a porszemcse töltése mindig az elemi töltés egész számú többszöröseként van kifejezve. e. A természetben nincsenek kisebb „részek” az elektromos töltésnek, amely képes lenne egyik testről a másikra mozogni. De a porrészecske töltése az anyagrészecskével együtt távozik. Következésképpen a természetben van egy olyan anyagrészecske, amelynek a legkisebb a töltése, amely így oszthatatlan. Ezt a részecskét hívták elektron.
Az elektrontöltés értékét először R. Millikan amerikai fizikus határozta meg. Kísérleteiben kis olajcseppeket használt, megfigyelve azok mozgását elektrosztatikus térben (2. ábra). Ezekben a kísérletekben két fémlemez között egyenletes elektrosztatikus térben olajcseppek mozgási sebességét mérték. Egy csepp olaj, amelynek a légellenállás és a felhajtóerő miatt nincs elektromos töltése, bizonyos állandó sebességgel esik, mivel \(~m \vec g + \vec F_A + \vec F_c = 0\).
Ha útközben egy csepp találkozik egy ionnal és elektromos töltést kap q, akkor a \(~m \vec g\), \(~\vec F_c\) és \(~\vec F_A\) gravitációs erőn kívül a \(~\vec F_(el )\ ). Ezután egyenletes mozgáshoz \(~m \vec g + \vec F_A + \vec F_c + \vec F_(el) = 0\). A zuhanás sebességének mérésével Millikan meg tudta határozni a töltését.
Irodalom
Aksenovich L. A. Fizika a középiskolában: elmélet. Feladatok. Tesztek: Tankönyv. általános műveltséget nyújtó intézmények támogatása. környezet, oktatás / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Szerk. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - P. 210-211.
Részletek Kategória: Elektromosság és mágnesesség Megjelent 2015.08.06. 05:51 Megtekintések: 5425A fizika egyik alapvető állandója az elemi elektromos töltés. Ez egy skaláris mennyiség, amely a fizikai testek elektromágneses kölcsönhatásban való részvételi képességét jellemzi.
Az elemi elektromos töltés a legkisebb pozitív vagy negatív töltés, amely nem osztható. Értéke megegyezik az elektron töltésével.
Azt a tényt, hogy a természetben előforduló elektromos töltések mindig egész számú elemi töltésnek felelnek meg, 1752-ben javasolta a híres politikus, Benjamin Franklin, a tudományos és feltalálói tevékenységet is folytató politikus és diplomata, az első amerikai, aki az Orosz Tudományos Akadémia tagja.
Benjamin Franklin
Ha Franklin feltevése helyes, és bármely töltött test vagy testrendszer elektromos töltése egész számú elemi töltésből áll, akkor ez a töltés ugrásszerűen megváltozhat egy egész számú elektrontöltést tartalmazó mennyiséggel.
Ezt először Robert Millikan amerikai tudós, a Chicagói Egyetem professzora erősítette meg, és kísérletileg meglehetősen pontosan meghatározta.
Millikan tapasztalat
Millikan kísérlet diagram
Millikan 1909-ben hajtotta végre első híres kísérletét olajcseppekkel asszisztensével, Harvey Fletcherrel. Azt mondják, eleinte vízcseppekkel tervezték a kísérletet, de néhány másodperc alatt elpárologtak, ami nyilvánvalóan nem volt elég az eredményhez. Aztán Milliken elküldte Fletchert a gyógyszertárba, ahol vett egy spray-palackot és egy üveg óraolajat. Ez elég volt a kísérlet sikeréhez. Ezt követően Millikan Nobel-díjat kapott érte, Fletcher pedig doktorált.
Robert Milliken
Harvey Fletcher
Mi volt Millikan kísérlete?
Egy villamosított olajcsepp esik le a gravitáció hatására két fémlemez közé. De ha elektromos mező jön létre közöttük, az megakadályozza, hogy a csepp leessen. Az elektromos tér erősségének mérésével meghatározható a csepp töltése.
A kísérletezők két fém kondenzátorlemezt helyeztek el az edényben. Ott szórófejes flakon segítségével apró olajcseppeket juttattak be, amelyek a levegővel való súrlódásuk következtében permetezés közben negatív töltésűek lettek.
Elektromos tér hiányában a csepp leesik
Az F w = mg gravitáció hatására a cseppek hullani kezdtek. De mivel nem vákuumban, hanem környezetben voltak, a légellenállás ereje megakadályozta, hogy szabadon zuhanjanak Fras = 6πη rv 0 , Ahol η – levegő viszkozitása. Amikor Fw És Fras kiegyensúlyozott, az esés a sebességgel egyenletessé vált v 0 . Ennek a sebességnek a mérésével a tudós meghatározta a csepp sugarát.
Egy csepp „lebeg” elektromos tér hatására
Ha abban a pillanatban, amikor a csepp leesett, a lemezekre olyan feszültséget kapcsoltak, hogy a felső lemez pozitív, az alsó pedig negatív töltést kapott, a leesés megállt. Megakadályozta a kialakuló elektromos tér. A cseppek mintha lebegtek volna. Ez akkor történt, amikor az erő F r kiegyenlítve az elektromos térből ható erővel F r = eE ,
Ahol F r – a gravitáció és Arkhimédész erejének eredője.
F r = 4/3 πr 3 ( ρ – ρ 0) g
ρ - az olajcsepp sűrűsége;
ρ 0 – légsűrűség.
r az esés sugara.
Tudva F r És E , meg tudjuk határozni az értéket e .
Mivel nagyon nehéz volt biztosítani, hogy egy csepp hosszú ideig mozdulatlan maradjon, Millikan és Fletcher olyan mezőt hozott létre, amelyben a csepp megállás után nagyon kis sebességgel elkezdett felfelé mozogni. v . Ebben az esetben
A kísérleteket sokszor megismételték. A cseppeket röntgen- vagy ultraibolya sugárzással sugározták be. De minden alkalommal a csepp teljes töltése mindig több elemi töltéssel egyenlő.
Millikan 1911-ben megállapította, hogy az elektron töltése 1,5924(17) x 10 -19 C. A tudós mindössze 1%-ot tévedett. Modern értéke 1,602176487(10) x 10 -19 C.
Ioff kísérlete
Abram Fedorovich Ioffe
El kell mondanunk, hogy Millikannel szinte egyidőben, de tőle függetlenül hasonló kísérleteket végzett Abram Fedorovich Ioffe orosz fizikus. A kísérleti elrendezése pedig hasonló volt Millikanéhez. De a levegőt kiszivattyúzták az edényből, és vákuum keletkezett benne. Az Ioffe olajcseppek helyett kis töltött cinkrészecskéket használt. Mozgásukat mikroszkóppal figyelték meg.
Ioff telepítés
1- egy cső
2 kamera
3 - fémlemezek
4 - mikroszkóp
5 - ultraibolya sugárzó
Elektrosztatikus tér hatására egy cinkpor hullott le. Amint a porszemcsék gravitációja egyenlővé vált az elektromos térből rá ható erővel, a zuhanás megállt. Amíg a porrészecske töltése nem változott, mozdulatlanul lógott. De ha ultraibolya fénynek volt kitéve, akkor a töltése csökkent, és az egyensúly megbomlott. Újra zuhanni kezdett. Ezután a tányérokon lévő töltés mennyiségét megnöveltük. Ennek megfelelően az elektromos tér megnőtt, és az esés ismét megállt. Ezt többször megtették. Ennek eredményeként azt találták, hogy minden alkalommal, amikor a porszemcse töltése olyan mértékben változott, amely többszöröse az elemi részecske töltésének.
Ioff nem számította ki ennek a részecskenak a töltését. De miután 1925-ben elvégeztek egy hasonló kísérletet fizikussal, N.I. Dobronravov, kissé módosította a kísérleti elrendezést, és cink helyett bizmutporszemcséket használt, megerősítette az elméletet.
Előadás a fizika témábanA. F. Ioffe és R. E. Milliken. Életútjuk. Az Ioffe-Millikan kísérlet teljesen ingyenesen letölthető weboldalunkról. Az előadás tárgya: Fizika. A színes diák és illusztrációk segítenek elkötelezni osztálytársait vagy közönségét. A prezentáció tartalmának megtekintéséhez használja a lejátszót, vagy ha le szeretné tölteni a prezentációt, kattintson a megfelelő szövegre a lejátszó alatt. Az előadás 18 diát tartalmaz.
Bemutató diák
A fizikusok, A.F. Ioffe és R.E. Millikan életútjuk Az Ioffe-Milliken tapasztalata
Felkészítője: 11-A osztályos tanuló, Kosh 125. szám Kristina Konovalova
Ioffe-Milikan kísérlet
A 19. század végére számos igen változatos kísérlet során megállapították, hogy létezik egy bizonyos negatív töltéshordozó, amelyet elektronnak neveztek. Valójában azonban ez egy hipotetikus egység volt, mivel a gyakorlati anyag bősége ellenére egyetlen elektront érintő kísérletet sem végeztek el. Nem tudták, hogy a különböző anyagokhoz léteznek-e különféle elektronok, vagy mindig ugyanazok, milyen töltést hordoz az elektron, vagy hogy a töltés létezhet-e különálló részecskétől. Általában heves viták folytak az elektronról a tudományos közösségben, de nem volt elegendő gyakorlati alap, amely határozottan megállíthatná a vitát.
Az ábrán az A.F. Ioffe kísérletében használt telepítés diagramja látható. Egy zárt edényben, amelyből a levegőt nagy vákuumba pumpálták, két P fémlemez volt, amelyek vízszintesen helyezkedtek el. Az A kamrából az O lyukon keresztül kis töltött cinkpor részecskék kerültek a lemezek közötti térbe. Ezeket a porszemcséket mikroszkóp alatt figyelték meg.
Tehát a vákuumban lévő töltött porrészecskék és cseppek a felső lemezről leesnek, de ez a folyamat megállítható, ha a felső lemez pozitív, az alsó lemez pedig negatívan töltődik. Az így létrejövő elektromos tér Coulomb-erőként hat a töltött részecskékre, megakadályozva azok leesését. A töltés mértékének beállításával biztosították, hogy a porszemcsék középen lebegjenek a lemezek között. Ezt követően a porrészecskék vagy -cseppek töltését csökkentették röntgen- vagy ultraibolya fénnyel történő besugárzással. Töltésüket vesztve a porszemcsék ismét hullani kezdtek, a lemezek töltésének beállításával ismét leállították őket. Ezt a folyamatot többször megismételték, speciális képletekkel számítva ki a cseppek és porszemcsék töltését. E vizsgálatok eredményeként sikerült megállapítani, hogy a porszemcsék vagy -cseppek töltése mindig hirtelen, szigorúan meghatározott értékkel, vagy ennek többszörösével változott.
Abram Fedorovich Ioffe
Abram Fedorovich Ioffe orosz fizikus, aki számos alapvető felfedezést tett, és hatalmas mennyiségű kutatást végzett, többek között az elektronika területén. Kutatásokat végzett a félvezető anyagok tulajdonságaival kapcsolatban, felfedezte a fém-dielektromos átmenet egyenirányító tulajdonságát, amelyet ezt követően az alagúthatás elméletével magyaráztak meg, és felvetette a fény elektromos árammá alakításának lehetőségét.
Abram Fedorovich 1980. október 14-én született Romny városában, Poltava tartományban (ma Poltava régió, Ukrajna), egy kereskedő családjában. Mivel Ábrám apja meglehetősen gazdag ember volt, nem fukarkodott azzal, hogy megfelelő oktatásban részesítse fiát. 1897-ben Ioffe szülővárosa reáliskolájában szerzett középfokú oktatást. 1902-ben diplomázott a szentpétervári műszaki intézetben, és belépett a németországi müncheni egyetemre. Münchenben maga Wilhelm Conrad Roentgen irányítása alatt dolgozik. Wilhelm Conrad, látva a diák szorgalmát és tehetségét, megpróbálja rávenni Abrámot, hogy maradjon Münchenben, és folytassa tudományos munkáját, ám Joffe hazája hazafiának bizonyult. Miután 1906-ban elvégezte az egyetemet, a filozófia doktora címet szerzett, visszatért Oroszországba.
Oroszországban Ioffe a Politechnikai Intézetben kap munkát. 1911-ben kísérletileg meghatározta az elektrontöltés értékét Robert Millikan módszerével (a fémrészecskéket elektromos és gravitációs térben kiegyensúlyozták). Tekintettel arra, hogy Ioffe csak két évvel később publikálta munkáját, az elektrontöltés mérésének felfedezésének dicsősége az amerikai fizikust illeti. Ioffe a töltés meghatározása mellett igazolta az elektronok anyagtól független létezésének valóságát, vizsgálta az elektronáramlás mágneses hatását, és igazolta az elektronok kibocsátásának statikus jellegét a külső fotoelektromos hatás során.
1913-ban Abram Fedorovich megvédte kandidátusi, majd két évvel később fizikai doktori disszertációját, amely a kvarc rugalmas és elektromos tulajdonságait vizsgálta. Az 1916 és 1923 közötti időszakban aktívan tanulmányozta a különböző kristályok elektromos vezetőképességének mechanizmusát. 1923-ban Ioffe kezdeményezésére kezdődtek meg az akkoriban teljesen új anyagok - a félvezetők - tulajdonságainak alapkutatása és tanulmányozása. Az első munka ezen a területen egy orosz fizikus közvetlen részvételével történt, és a félvezető és fém közötti elektromos jelenségek elemzésére vonatkozott. Felfedezte a fém-félvezető átmenet egyenirányító tulajdonságát, amit csak 40 évvel később igazoltak az alagúthatás elméletével.
A félvezetők fotoelektromos hatásának tanulmányozása során Ioffe akkoriban egy meglehetősen merész gondolatot fogalmazott meg, hogy hasonló módon lehetséges lenne a fényenergiát elektromos árammá alakítani. Ez előfeltétele lett a fotovoltaikus generátorok, és különösen a szilícium konverterek későbbi létrehozásának, amelyeket később napelemek részeként használnak. Abram Fedorovich tanítványaival együtt rendszert hoz létre a félvezetők osztályozására, valamint egy módszert alapvető elektromos és fizikai tulajdonságaik meghatározására. A termoelektromos tulajdonságaik tanulmányozása később a félvezető termoelektromos hűtőszekrények létrehozásának alapja lett, amelyeket világszerte széles körben alkalmaznak a rádióelektronika, a műszergyártás és az űrbiológia területén.
Abram Fedorovich Ioffe nagyban hozzájárult a fizika és az elektronika kialakulásához és fejlődéséhez. Tagja volt számos Tudományos Akadémiának (Berlin és Göttingen, amerikai, olasz), valamint tiszteletbeli tagja számos egyetemnek szerte a világon. Eredményeiért és kutatásaiért számos díjjal jutalmazták. Abrám Fedorovics 1960. október 14-én halt meg.
Milliken Robert Andrews
Robert Millikan amerikai fizikus Morrisonban (Illinois) született 1868. március 22-én egy pap családjában. A középiskola elvégzése után Robert belépett az Ohio állambeli Oberlin College-ba. Ott érdeklődése a matematikára és az ókori görögre összpontosult. Pénzkeresés céljából két évig fizikát tanított a főiskolán. 1891-ben Millikan főiskolai, 1893-ban pedig mesteri diplomát szerzett fizikából.
A Columbia Egyetemen Millikan a híres fizikus, M. I. Pupin irányítása alatt tanult. Egy nyarat a Chicagói Egyetemen töltött, ahol a híres kísérleti fizikus, Albert Abraham Michelson irányítása alatt dolgozott.
Az elektromos töltés diszkrétségének gondolatát először B. Franklin fogalmazta meg 1752-ben. Kísérletileg a töltések diszkrétségét az elektrolízis törvényei indokolták, amelyeket M. Faraday fedezett fel 1834-ben. Számszerű érték elemi töltés (a természetben található legkisebb elektromos töltés) elméletileg az elektrolízis törvényei alapján számították ki Avogadro-szám felhasználásával. Az elemi töltés közvetlen kísérleti mérését R. Millikan végezte 1908-1916 között végzett klasszikus kísérletekben. Ezek a kísérletek megcáfolhatatlan bizonyítékokat is szolgáltattak az elektromosság atomizmusa.
Az elektronelmélet alapfogalmai szerint egy test töltése a benne lévő elektronok számának (vagy pozitív ionoknak, amelyek töltésértéke az elektron töltésének többszöröse) változása következtében keletkezik. Ezért bármely test töltésének hirtelen és olyan részekben kell változnia, amelyek egész számú elektrontöltést tartalmaznak.
Minden fizikust érdekelt az elektron elektromos töltésének nagysága, ennek ellenére még nem sikerült megmérni. J. J. Thomson már számos kísérletet tett erre a döntő fontosságú mérésre, de tíz évnyi munka után Thomson asszisztense, G. Wilson arról számolt be, hogy tizenegy különböző mérés után tizenegy különböző eredményt kaptak.
Mielőtt saját módszerével kutatásba kezdett, Millikan a Cambridge-i Egyetemen alkalmazott módszerrel végzett kísérleteket. A kísérlet elméleti része a következő volt: a testsúlyt a gravitáció hatására a test által keltett nyomás mérlegen történő mérésével határoztuk meg. Ha egy végtelenül kicsi anyagrészecskét elektromos töltést adunk, és ha a lefelé irányuló gravitációs erővel egyenlő felfelé irányuló elektromos erőt fejtünk ki, akkor a részecske egyensúlyi állapotba kerül, és a fizikus ki tudja számítani az elektromos töltés nagyságát. Ha ebben az esetben a részecskének egy elektron elektromos töltését adjuk meg, akkor ki lehet számítani ennek a töltésnek a nagyságát.
A cambridge-i elmélet meglehetősen logikus volt, de a fizikusok nem tudtak olyan eszközt létrehozni, amellyel az anyagok egyes részecskéit tanulmányozhatták volna. Meg kellett elégedniük azzal, hogy megfigyeljék egy elektromossággal feltöltött vízcseppfelhő viselkedését. A kamrában, amelyből a levegőt részben eltávolították, gőzfelhő keletkezett. A kamra tetejére áramot vezettek. Egy bizonyos idő elteltével a ködcseppek a felhőben megnyugodtak. Ezután röntgensugarakat engedtek át a ködön, és a vízcseppek elektromos töltést kaptak.
Ugyanakkor a kutatók úgy vélték, hogy a nagyfeszültségű kamra fedelére felfelé irányuló elektromos erő állítólag megakadályozza a cseppek leesését. A valóságban azonban egyetlen olyan összetett feltétel sem teljesült, amelyek mellett és csak amelyek mellett a részecskék egyensúlyi állapotba kerülhettek.
Millikan új módot kezdett keresni a probléma megoldására.
A módszer a töltött olajcseppek ismert E erősségű egyenletes elektromos térben történő mozgásának vizsgálatán alapul.
15.2. ábra Kísérleti beállítási diagram: P – cseppporlasztó; K – kondenzátor; IP – áramforrás; M – mikroszkóp; hn – sugárforrás; P – asztalfelület.
A Millikan egyik telepítésének diagramja a 15.1. Millikan megmérte az elektromos töltést egyes kis gömb alakú cseppekre koncentrálva, amelyek egy P permetezővel jöttek létre, és a permetező falainak súrlódásával villamos töltést szereztek. A lapos K kondenzátor felső lemezén lévő kis lyukon keresztül bejutottak a lemezek közötti térbe. A csepp mozgását M mikroszkópon keresztül figyelték meg.
A cseppek konvekciós légáramoktól való védelme érdekében a kondenzátort védőburkolatba zárják, amelyben a hőmérséklet és a nyomás állandó marad. A kísérletek végrehajtása során a következő követelményeket kell betartani:
A. a cseppeknek mikroszkopikus méretűnek kell lenniük, hogy a cseppekre különböző irányú (fel és le) ható erők nagyságrendileg összehasonlíthatóak legyenek;
b. a csepp töltése, valamint a besugárzás során bekövetkező változásai (ionizáló segítségével) meglehetősen kis számú elemi töltésnek feleltek meg. Ez megkönnyíti a csepptöltés és az elemi töltés többszörösének megállapítását;
V. az r cseppsűrűségnek nagyobbnak kell lennie annak a viszkózus közegnek a sűrűségénél, amelyben mozog (levegő);
d. A csepp tömege nem változhat a kísérlet során. Ehhez a cseppet alkotó olajnak nem szabad elpárolognia (az olaj sokkal lassabban párolog, mint a víz).
Ha a kondenzátorlemezek nem voltak feltöltve (elektromos térerősség E = 0), akkor a csepp lassan leesett, a felső lemezről lefelé haladva. Amint a kondenzátorlemezek feltöltődtek, változások következtek be a csepp mozgásában: a cseppen lévő negatív, a kondenzátor felső lapján a pozitív töltés esetén a csepp esése lelassult, és valamikor az ellenkezőjére változtatta a mozgás irányát - elkezdett emelkedni a felső lemez felé.
Elemi töltés meghatározása számítási kísérlettel.
Ismerve a csepp esési sebességét elektrosztatikus tér hiányában (töltése nem játszott szerepet), valamint a csepp esési sebességét egy adott és ismert elektrosztatikus térben, Millikan ki tudta számítani a csepp töltését.
A viszkózus ellenállás miatt a csepp szinte azonnal a mozgás megkezdése (vagy a mozgási feltételek megváltozása) után állandó (egyenletes) sebességet kap, és egyenletesen mozog. Ennek köszönhetően A= 0, és az esés sebessége megtalálható. Jelöljük az állandó sebesség modulusát elektrosztatikus tér hiányában – v g, akkor:
v g = (m – m 0) g/k (16,5).
Ha lezárja egy kondenzátor elektromos áramkörét (1. ábra), az feltöltődik és elektrosztatikus mezőt hoz létre benne E. Ebben az esetben a töltésre további q· erő hat E, felfelé irányítva. A Newton-törvény az X tengelyre vetítve, és figyelembe véve, hogy a = 0, a következő formában lesz:
-(m – m0) g + q E – k vE = 0 (16,6)
vE = (q·E – (m – m0)·g/k (16,7),
ahol vE a kondenzátor elektrosztatikus mezőjében bekövetkező olajcsepp állandó sebessége; v E > 0, ha a csepp felfelé mozog, v E< 0, если капля движется вниз. Отсюда следует что
q = (vE + |vg|) k/E (16,8),
ebből következik, hogy a vg elektrosztatikus tér hiányában és vE jelenlétében állandósult állapotú sebességek mérésével meg lehet határozni egy csepp töltését, ha a k = 6·p·h·r együtthatót ismerjük.
Úgy tűnik, hogy k meghatározásához elegendő megmérni a csepp sugarát (a levegő viszkozitása más kísérletekből ismert). Közvetlen mikroszkópos mérése azonban lehetetlen. Az esés sugara r = 10 -4 – 10 -6 cm nagyságrendű, ami nagyságrendileg összevethető a fény hullámhosszával. Ezért a mikroszkóp csak diffrakciós képet ad a cseppről, nem teszi lehetővé a tényleges méretek mérését.
A csepp sugaráról az elektrosztatikus tér hiányában történő mozgására vonatkozó kísérleti adatokból nyerhetünk információt. V g ismeretében és annak figyelembevételével
m – m 0 = (r – r 0) 4 p r 3 /3 (16,9),
ahol r az olajcsepp sűrűsége,
r = ((9 h v g)/) 1/2 . (16.10).
Kísérleteiben Millikan úgy változtatta meg a csepp töltését, hogy egy darab rádiumot vitt a kondenzátorba. Ebben az esetben a rádiumsugárzás ionizálta a kamrában lévő levegőt (1. ábra), aminek következtében a csepp további pozitív vagy negatív töltést tudott felfogni. Ha ezt megelőzően a csepp negatív töltésű volt, akkor nyilvánvaló, hogy nagyobb valószínűséggel köt magához pozitív ionokat. Másrészt a hőmozgás miatt nem kizárt a negatív ionok hozzáadása a velük való ütközés következtében. Mindkét esetben változik a csepp töltése és - lépésenként - mozgásának sebessége v E ". A csepp megváltozott töltésének q" értékét a (16.10) szerint a következő összefüggés adja:
q" = (|v g | + v E ") k/E (16,11).
Az (1) és (3) pontból meghatározzuk a csepphez kapcsolt töltés nagyságát:
Dq = |q – q"| = k·|v E – v E "|/E = k·(|Dv E |/E) (16.12).
Ugyanazon csepp töltésértékeinek összehasonlításával ellenőrizni lehetett, hogy a töltés változása és maga a csepp töltése ugyanazon e 0 érték többszöröse - az elemi töltés számos kísérletében különbözőt kapott q és q töltések értékei, de mindig az e 0 = 1,7 érték többszörösét képviselték . 10 -19 C, azaz q = n·е 0, ahol n egész szám. Ebből Millikan arra a következtetésre jutott, hogy az e 0 érték a természetben lehetséges legkisebb villamosenergia-mennyiséget, vagyis az elektromosság egy részét vagy atomját jelenti. Ugyanazon csepp mozgásának megfigyelése, i.e. Millikan minden kísérletben többször megismételte lefelé (elektromos tér hiányában) és felfelé (elektromos tér jelenlétében) történő mozgását, és az elektromos teret kellő időben be- és kikapcsolta. A csepp töltésének mérésének pontossága jelentősen függ a mozgás sebességének mérési pontosságától.
Miután kísérletileg megállapította az elektromos töltés változásának diszkrét jellegét, R. Millikan igazolást tudott szerezni az elektronok létezésére, és olajcsepp módszerrel meghatározta egy elektron töltésének értékét (elemi töltés).
Az elektromosság "atomjának" modern értéke e 0 = 1,602 . 10-19 évfolyam. Ez a mennyiség az elemi elektromos töltés, amelynek hordozói az elektronok e 0 = – 1,602 . 10 -19 C és proton e 0 = +1,602 . 10-19 évfolyam. Millikan munkássága óriási mértékben hozzájárult a fizikához, és óriási lendületet adott a tudományos gondolkodás fejlődésének a jövőben.
Ellenőrző kérdések:
1. Mi a Thomson-módszer lényege?
2. Kísérleti beállítás?
3. Thomson cső?
4. A töltés és a részecsketömeg arányának képletének levezetése?
5. Mi az elektron- és ionoptika fő feladata? És hogy szokták hívni?
6. Mikor fedezték fel a „mágneses fókuszálási módszert”?
7. Mi a lényege?
8. Hogyan határozható meg egy elektron fajlagos töltése?
9. Rajzoljon beépítési rajzot Millikan tapasztalatai alapján?
10. Milyen követelményeket kell betartani a kísérlet végrehajtása során?
11. Elemi töltés meghatározása számítási kísérlettel?
12. A csepp töltésének képletének levezetése a csepp esési sebességén keresztül?
13. Az elektromosság "atomjának" mai jelentése?
Előző cikk: Mekkora a fénysebesség Következő cikk: Harmonikus rezgések Az oszcillációs frekvencia fizikai képlete