Koulujen tietosanakirja. Tiivistelmä: Menetelmät alkusähkövarauksen määrittämiseksi Laboratoriotyö elektronin varauksen määrittämiseksi elektrolyysillä

Venäjän federaation opetusministeriö

Amurin osavaltion pedagoginen yliopisto

Menetelmät perussähkövarauksen määrittämiseksi

Täydennetty opiskelija 151g.

Venzelev A.A.

Tarkastettu: Cheraneva T.G.

Johdanto.

1. Tausta elektronin löytämiselle

2. Elektronin löytämisen historia

3. Kokeet ja menetelmät elektronin löytämiseksi

3.1.Thomsonin kokeilu

3.2. Rutherfordin kokemus

3.3. Millikan menetelmä

3.3.1. lyhyt elämäkerta

3.3.2. Asennuksen kuvaus

3.3.3. Perusmaksulaskenta

3.3.4. Päätelmät menetelmästä

3.4. Compton-kuvausmenetelmä

Johtopäätös.

Esittely:

ELEKTRONI - ensimmäinen löydetty alkuainehiukkanen; materiaalin kantaja, jolla on pienin massa ja pienin sähkövaraus luonnossa; atomin komponentti.

Elektronin varaus on 1,6021892. 10-19 Cl

4.803242. 10-10 yksikköä SSSE

Elektronin massa on 9,109534. 10-31 kg

Ominaisveloitus e/m e 1,7588047. 10 11 Cl. kg -1

Elektronin spin on yhtä suuri kuin 1/2 (h-yksiköissä) ja sillä on kaksi projektiota ±1/2; elektronit tottelevat Fermi-Diracin tilastoja, fermionit. Heihin sovelletaan Paulin poissulkemisperiaatetta.

Elektronin magneettinen momentti on -1,00116 m b, missä m b on Bohrin magnetoni.

Elektroni on stabiili hiukkanen. Kokeellisten tietojen mukaan elinikä t e > 2. 10 22 vuotta vanha.

Ei osallistu vahvaan vuorovaikutukseen, leptoniin. Nykyaikainen fysiikka pitää elektronia todella alkeishiukkasena, jolla ei ole rakennetta tai kokoa. Jos jälkimmäiset ovat nollasta poikkeavia, niin elektronin säde r e< 10 -18 м

1.Aukon tausta

Elektronin löytäminen oli lukuisten kokeiden tulos. 1900-luvun alkuun mennessä. elektronin olemassaolo vahvistettiin useissa riippumattomissa kokeissa. Mutta huolimatta kokonaisten kansallisten koulujen keräämästä valtavasta kokeellisesta materiaalista, elektroni jäi hypoteettiseksi hiukkaseksi, koska kokemus ei ollut vielä vastannut useisiin peruskysymyksiin. Todellisuudessa elektronin "löytö" kesti yli puoli vuosisataa eikä päättynyt vuoteen 1897; Monet tiedemiehet ja keksijät osallistuivat siihen.

Ensinnäkin, ei ollut yhtä koetta, jossa olisi mukana yksittäisiä elektroneja. Alkuainevaraus laskettiin mikroskooppisen varauksen mittausten perusteella olettaen useiden hypoteesien pätevyyttä.

Epävarmuus oli pohjimmiltaan tärkeässä kohdassa. Elektroni ilmestyi ensin elektrolyysin lakien atomitulkinnan seurauksena, sitten se löydettiin kaasupurkauksesta. Ei ollut selvää, käsittelikö fysiikka todella samaa objektia. Suuri joukko skeptisiä luonnontieteilijöitä uskoi, että alkeisvaraus on tilastollinen keskiarvo erikokoisista varauksista. Lisäksi yksikään elektronin varausta mittaavista kokeista ei antanut tarkasti toistettavia arvoja.
Oli skeptikkoja, jotka yleensä jättivät elektronin löytämisen huomiotta. Akateemikko A.F. Ioff muistoissaan opettajastaan ​​V.K. Roentgene kirjoitti: "Vuosiin 1906 - 1907 asti. sanaa elektroni ei olisi pitänyt lausua Münchenin yliopiston fysiikan instituutissa. Roentgen piti sitä todistamattomana hypoteesina, jota käytettiin usein ilman riittävää perustetta ja tarpeettomasti.

Kysymystä elektronin massasta ei ole ratkaistu, eikä ole todistettu, että sekä johtimien että eristeiden varaukset koostuvat elektroneista. Käsitteellä "elektroni" ei ollut yksiselitteistä tulkintaa, koska koe ei ollut vielä paljastanut atomin rakennetta (Rutherfordin planeettamalli ilmestyi vuonna 1911 ja Bohrin teoria vuonna 1913).

Elektroni ei ole vielä päässyt teoreettisiin rakenteisiin. Lorentzin elektroniikkateoriassa oli jatkuvasti jakautunut varaustiheys. Druden kehittämä metallinjohtavuuden teoria käsitteli diskreettejä varauksia, mutta nämä olivat mielivaltaisia ​​varauksia, joiden arvolle ei asetettu rajoituksia.

Elektroni ei ole vielä poistunut "puhtaan" tieteen kehyksestä. Muistakaamme, että ensimmäinen elektroniputki ilmestyi vasta vuonna 1907. Siirtyäkseen uskosta vakaumukseen oli ensinnäkin tarpeen eristää elektroni ja keksiä menetelmä alkeisvarauksen suoraa ja tarkkaa mittausta varten.

Ratkaisu tähän ongelmaan ei odottanut kauan. Vuonna 1752 ajatuksen sähkövarauksen diskreettisuudesta ilmaisi ensimmäisenä B. Franklin. Kokeellisesti varausten diskreetti perusteltiin elektrolyysin laeilla, jotka M. Faraday löysi vuonna 1834. Alkuainevarauksen (pienin luonnossa esiintyvä sähkövaraus) numeerinen arvo laskettiin teoreettisesti elektrolyysin lakien perusteella käyttäen Avogadron lukua. . Alkuainevarauksen suoran kokeellisen mittauksen suoritti R. Millikan klassisissa kokeissa, jotka suoritettiin vuosina 1908 - 1916. Nämä kokeet antoivat myös kiistattoman todisteen sähkön atomismista. Elektroniikkateorian peruskäsitteiden mukaan kappaleen varaus syntyy sen sisältämien elektronien (tai positiivisten ionien, joiden varausarvo on elektronin varauksen monikerta) lukumäärän muutoksen seurauksena. Siksi minkä tahansa kappaleen varauksen täytyy muuttua äkillisesti ja sellaisissa osissa, jotka sisältävät kokonaislukumäärän elektronivarauksia. Todettuaan kokeellisesti sähkövarauksen muutoksen diskreetin luonteen R. Millikan pystyi saamaan vahvistuksen elektronien olemassaolosta ja määrittämään yhden elektronin varauksen arvon (alkuainevaraus) öljypisaramenetelmällä. Menetelmä perustuu varautuneiden öljypisaroiden liikkeen tutkimukseen tunnetun voimakkuuden E tasaisessa sähkökentässä.

2. Elektronin löytäminen:

Jos jätämme huomiotta sen, mikä edelsi ensimmäisen alkuainehiukkasen - elektronin - löytymistä ja mikä seurasi tätä merkittävää tapahtumaa, voimme sanoa lyhyesti: vuonna 1897 kuuluisa englantilainen fyysikko THOMSON Joseph John (1856-1940) mittasi ominaisvarauksen q/m. katodisädehiukkaset - "korpuskkelit", kuten hän kutsui niitä, jotka perustuvat katodisäteiden *) taipumiseen sähkö- ja magneettikentissä.

Vertaamalla saatua lukua tuolloin tunnetun yksiarvoisen vetyionin ominaisvaraukseen epäsuoran päättelyn avulla hän päätyi siihen tulokseen, että näiden hiukkasten, jotka myöhemmin saivat nimen "elektroneja", massa on huomattavasti pienempi (enemmän kuin tuhat kertaa) kuin kevyimmän vetyionin massa.

Samana vuonna 1897 hän oletti, että elektronit ovat olennainen osa atomeja ja katodisäteet eivät ole atomeja tai sähkömagneettista säteilyä, kuten jotkut säteiden ominaisuuksien tutkijat uskoivat. Thomson kirjoitti: "Näin katodisäteet edustavat uutta aineen tilaa, joka olennaisesti eroaa tavallisesta kaasumaisesta tilasta...; tässä uudessa tilassa aine on aine, josta kaikki alkuaineet on rakennettu."

Vuodesta 1897 lähtien katodisäteiden korpuskulaarinen malli alkoi saada yleistä hyväksyntää, vaikka sähkön luonteesta vallitsi monenlaisia ​​mielipiteitä. Näin ollen saksalainen fyysikko E. Wichert uskoi, että "sähkö on jotain kuvitteellista, joka on olemassa vain ajatuksissa", ja kuuluisa englantilainen fyysikko Lord Kelvin kirjoitti samana vuonna 1897 sähköstä eräänlaisena "jatkuvana nesteenä".

Thomsonin ajatus katodisädesoluista atomin peruskomponentteina ei saanut suurta innostusta. Jotkut hänen kollegoistaan ​​ajattelivat, että hän oli mystifioinut heidät ehdottaessaan, että katodisädehiukkasia tulisi pitää mahdollisina atomin komponentteina. Thomson-solujen todellinen rooli atomin rakenteessa voitaisiin ymmärtää yhdessä muiden tutkimusten tulosten kanssa, erityisesti spektrianalyysin ja radioaktiivisuustutkimuksen tulosten kanssa.

29. huhtikuuta 1897 Thomson esitti kuuluisan viestinsä Lontoon kuninkaallisen seuran kokouksessa. Elektronin tarkkaa löytöaikaa - päivä ja tunti - ei voida nimetä sen ainutlaatuisuuden vuoksi. Tämä tapahtuma oli tulosta Thomsonin ja hänen työntekijöidensä monivuotisesta työstä. Thomson tai kukaan muu ei ollut koskaan varsinaisesti havainnut elektronia, eikä kukaan ollut kyennyt eristämään yhtäkään hiukkasta katodisäteen säteestä ja mittaamaan sen ominaisvarauksen. Löydön kirjoittaja on J.J. Thomson, koska hänen käsityksensä elektronista olivat lähellä nykyaikaisia. Vuonna 1903 hän ehdotti yhtä ensimmäisistä atomimalleista - "rusinavanukas", ja vuonna 1904 hän ehdotti, että atomin elektronit jaetaan ryhmiin, jotka muodostavat erilaisia ​​​​konfiguraatioita, jotka määrittävät kemiallisten alkuaineiden jaksollisuuden.

Löytön sijainti on tarkasti tiedossa - Cavendishin laboratorio (Cambridge, Iso-Britannia). J.C. Maxwellin vuonna 1870 luomasta siitä tuli seuraavan sadan vuoden aikana "kehto" loistaville löytöille fysiikan eri aloilla, erityisesti atomi- ja ydinfysiikassa. Sen johtajat olivat Maxwell J.K. - 1871 - 1879, Lord Rayleigh - 1879 - 1884, Thomson J.J. - 1884 - 1919, Rutherford E. - 1919 - 1937, Bragg L. - 1938 - 1953; Varajohtaja 1923-1935 - Chadwick J.

Tieteellistä kokeellista tutkimusta teki yksi tiedemies tai pieni ryhmä luovan etsinnän ilmapiirissä. Lawrence Bragg muisteli myöhemmin työstään vuonna 1913 isänsä Henry Braggin kanssa: ”Se oli hienoa aikaa, jolloin lähes joka viikko saatiin uusia jännittäviä tuloksia, kuten uusia kultaa sisältäviä alueita, joista voi poimia kimpaleita suoraan maasta. . Tämä jatkui sodan alkuun asti *), mikä pysäytti yhteisen työmme."

3. Menetelmät elektronin avaamiseksi:

3.1.Thomsonin kokeilu

Joseph John Thomson Joseph John Thomson, 1856–1940

Englantilainen fyysikko, joka tunnetaan paremmin nimellä J. J. Thomson. Syntynyt Cheetham Hillissä, Manchesterin esikaupunkialueella, käytettyjen antiikkikauppiaan perheessä. Vuonna 1876 hän voitti stipendin Cambridgeen. Vuosina 1884-1919 hän toimi professorina Cambridgen yliopiston kokeellisen fysiikan laitoksella ja samalla Cavendish-laboratorion johtajana, josta Thomsonin ponnisteluilla tuli yksi maailman tunnetuimmista tutkimuskeskuksista. Samaan aikaan, vuosina 1905-1918, hän toimi professorina Lontoon Royal Institutessa. Hän sai fysiikan Nobelin palkinnon vuonna 1906 sanamuodolla "sähkön kulkeutumista kaasujen läpi koskevista tutkimuksistaan", joka luonnollisesti sisältää elektronin löytämisen. Myös Thomsonin pojasta George Paget Thomsonista (1892-1975) tuli lopulta fysiikan Nobel-palkinto - vuonna 1937 kiteiden elektronidiffraktion kokeellisesta löydöstä.

Vuonna 1897 nuori englantilainen fyysikko J. J. Thomson tuli tunnetuksi vuosisatojen ajan elektronin löytäjänä. Thomson käytti kokeessaan parannettua katodisädeputkea, jonka suunnittelua täydennettiin sähkökäämillä, jotka loivat (Amperen lain mukaan) magneettikentän putken sisään, ja sarjaa rinnakkaisia ​​sähkökondensaattorilevyjä, jotka loivat sähkökentän sisälle. putki. Tämän ansiosta tuli mahdolliseksi tutkia katodisäteiden käyttäytymistä sekä magneetti- että sähkökenttien vaikutuksesta.

Käyttämällä uutta putkirakennetta Thomson osoitti peräkkäin, että: (1) katodisäteet poikkeutetaan magneettikentässä sähköisen puuttuessa; (2) katodisäteet poikkeutetaan sähkökentässä magneettikentän puuttuessa; ja (3) sähkö- ja magneettikenttien, joiden intensiteetti on tasapainoinen ja jotka on suunnattu suuntiin, jotka erikseen aiheuttavat poikkeamia vastakkaisiin suuntiin, samanaikaisen vaikutuksen alaisena katodisäteet etenevät suoraviivaisesti, eli näiden kahden kentän toiminta on keskenään tasapainossa.

Thomson havaitsi, että sähkö- ja magneettikenttien välinen suhde, jossa niiden vaikutukset ovat tasapainossa, riippuu hiukkasten liikkumisnopeudesta. Suoritettuaan sarjan mittauksia, Thomson pystyi määrittämään katodisäteiden liikenopeuden. Kävi ilmi, että ne liikkuvat paljon valon nopeutta hitaammin, mikä tarkoitti, että katodisäteet saattoivat olla vain hiukkasia, koska mikä tahansa sähkömagneettinen säteily, mukaan lukien itse valo, kulkee valon nopeudella (katso Sähkömagneettisen säteilyn spektri). Nämä tuntemattomat hiukkaset. Thomson kutsui niitä "soluiksi", mutta pian ne tunnettiin "elektroneina".

Heti kävi selväksi, että elektronien on oltava osa atomeja - muuten mistä ne tulisivat? 30. huhtikuuta 1897 - päivämäärä, jolloin Thomson raportoi tuloksistaan ​​Lontoon kuninkaallisen seuran kokouksessa - pidetään elektronin syntymäpäivänä. Ja tänä päivänä ajatus atomien "jakamattomuudesta" tuli menneisyyteen (katso aineen rakenteen atomiteoria). Yhdessä hieman yli kymmenen vuotta myöhemmin seuranneen atomiytimen löytämisen kanssa (katso Rutherfordin koe) elektronin löytö loi perustan nykyaikaiselle atomin mallille.

Yllä kuvatuista "katodiputkista" tai tarkemmin sanottuna katodisädeputkista tuli nykyaikaisten televisiokuvaputkien ja tietokonenäyttöjen yksinkertaisimmat edeltäjät, joissa tiukasti kontrolloituja määriä elektroneja lyödään ulos kuuman katodin pinnasta vaikutuksen alaisena. vaihtuvista magneettikentistä ne poikkeutetaan tarkasti määritellyissä kulmissa ja pommittavat ruutujen fosforoivia kennoja muodostaen niihin valosähköisestä vaikutuksesta johtuvan selkeän kuvan, jonka löytäminen olisi myös mahdotonta ilman tietämystämme katodin todellisesta luonteesta säteet.

3.2. Rutherfordin kokemus

Ernest Rutherford, Nelsonin ensimmäinen paroni Rutherford, 1871–1937

Uusiseelantilainen fyysikko. Syntynyt Nelsonissa käsityöläisen maanviljelijän poikana. Voitti stipendin opiskellakseen Cambridgen yliopistossa Englannissa. Valmistuttuaan hänet nimitettiin kanadalaiseen McGill-yliopistoon, jossa hän yhdessä Frederick Soddyn (1877–1966) kanssa loi radioaktiivisuusilmiön peruslait, josta hänelle myönnettiin Nobelin kemian palkinto vuonna 1908. Pian tiedemies muutti Manchesterin yliopistoon, jossa hänen johdollaan Hans Geiger (1882–1945) keksi kuuluisan Geiger-laskurinsa, alkoi tutkia atomin rakennetta ja vuonna 1911 löysi atomiytimen olemassaolon. Ensimmäisen maailmansodan aikana hän oli mukana kehittämässä kaikuluotaimia (akustisia tutkoja) vihollisen sukellusveneiden havaitsemiseksi. Vuonna 1919 hänet nimitettiin fysiikan professoriksi ja Cavendish-laboratorion johtajaksi Cambridgen yliopistoon, ja samana vuonna hän löysi ydinvoiman hajoamisen, joka johtuu korkeaenergisten raskaiden hiukkasten pommituksista. Rutherford pysyi tässä tehtävässä elämänsä loppuun asti, samalla kun hän oli monta vuotta Royal Scientific Societyn puheenjohtaja. Hänet haudattiin Westminster Abbeyyn Newtonin, Darwinin ja Faradayn viereen.

Ernest Rutherford on ainutlaatuinen tiedemies siinä mielessä, että hän teki tärkeimmät löytönsä saatuaan Nobel-palkinnon. Vuonna 1911 hän onnistui kokeessa, joka ei vain antanut tutkijoille mahdollisuuden kurkistaa syvälle atomiin ja saada käsityksen sen rakenteesta, vaan siitä tuli myös mallin armo ja suunnittelun syvyys.

Käyttämällä luonnollista radioaktiivisen säteilyn lähdettä Rutherford rakensi tykin, joka tuotti suunnatun ja fokusoidun hiukkasvirran. Ase oli lyijylaatikko, jossa oli kapea rako, jonka sisään oli sijoitettu radioaktiivista materiaalia. Tästä johtuen radioaktiivisen aineen kaikkiin suuntiin yhtä lukuun ottamatta säteilemät hiukkaset (tässä tapauksessa alfahiukkaset, jotka koostuvat kahdesta protonista ja kahdesta neutronista) absorboituivat lyijysuulakkeeseen ja raon läpi vapautui vain suunnattu alfahiukkassäde. .

annettu suunta. Tämän seurauksena täydellisesti fokusoitu alfahiukkasten säde lensi kohti kohdetta, ja itse kohde oli ohut kultakalvo. Se oli alfasäde, joka osui häneen. Törmäyksen jälkeen folioatomien kanssa alfahiukkaset jatkoivat polkuaan ja osuivat kohteen taakse asennettuun luminoivaan näyttöön, jolle tallennettiin välähdyksiä alfahiukkasten osuessa siihen. Niiden perusteella kokeilija saattoi arvioida, kuinka paljon ja kuinka paljon alfahiukkasia poikkeaa suoraviivaisen liikkeen suunnasta törmäysten seurauksena folioatomien kanssa.

Rutherford kuitenkin huomautti, että yksikään hänen edeltäjistään ei ollut edes yrittänyt testata kokeellisesti, olivatko jotkin alfahiukkaset taipuneet hyvin suuriin kulmiin. Rusinaverkkomalli ei yksinkertaisesti sallinut rakenteellisten elementtien olemassaoloa atomissa niin tiheinä ja raskaita, että ne voisivat kääntää nopeita alfahiukkasia merkittävissä kulmissa, joten kukaan ei vaivautunut testaamaan tätä mahdollisuutta. Rutherford pyysi yhtä oppilaistaan ​​varustamaan laitteiston uudelleen siten, että oli mahdollista havaita alfa-hiukkasten sirontaa suurilla poikkeutuskulmilla - vain omantuntonsa tyhjentämiseksi, tämän mahdollisuuden sulkemiseksi lopulta pois. Ilmaisin oli natriumsulfidilla päällystetty näyttö, materiaali, joka tuottaa fluoresoivan salaman, kun alfahiukkanen osuu siihen. Kuvittele kokeen suorittaneen opiskelijan lisäksi myös itse Rutherfordin yllätys, kun kävi ilmi, että jotkin hiukkaset poikkesivat jopa 180°:n kulmissa!

Rutherfordin kokeensa tulosten perusteella piirtämä kuva atomista on meille nykyään hyvin tuttu. Atomi koostuu supertiheästä, kompaktista ytimestä, joka kantaa positiivista varausta, ja negatiivisesti varautuneista valoelektroneista ympärillään. Myöhemmin tiedemiehet tarjosivat tälle kuvalle luotettavan teoreettisen perustan (katso Bohrin atomi), mutta kaikki alkoi yksinkertaisella kokeella pienellä näytteellä radioaktiivista materiaalia ja kultafolion palalla.

3.2.Menetelmä Milliken

3.2.1. Lyhyt elämäkerta:

Robert Milliken syntyi vuonna 1868 Illinoisissa köyhän papin perheeseen. Hän vietti lapsuutensa Maquoketan provinssissa, jossa urheiluun ja huonoon opetukseen kiinnitettiin paljon huomiota. Fysiikkaa opettanut lukion rehtori sanoi esimerkiksi nuorille oppilailleen: ”Kuinka on mahdollista saada ääntä aalloista? Hölynpölyä, pojat, kaikki on hölynpölyä!"

Oberdeen College ei ollut parempi, mutta Milliken, jolla ei ollut taloudellista tukea, joutui opettamaan lukion fysiikkaa itse. Amerikassa oli tuolloin vain kaksi ranskasta käännettyä fysiikan oppikirjaa, eikä lahjakkaalla nuorella miehellä ollut vaikeuksia opiskella ja opettaa niitä menestyksekkäästi. Vuonna 1893 hän tuli Columbian yliopistoon ja meni sitten opiskelemaan Saksaan.

Milliken oli 28-vuotias, kun hän sai A. Michelsonilta tarjouksen assistentin virkaan Chicagon yliopistoon. Aluksi hän harjoitti täällä lähes yksinomaan pedagogista työtä, ja vasta 40-vuotiaana aloitti tieteellisen tutkimuksen, joka toi hänelle maailmankuulun.

3.2.2. Ensimmäiset kokemukset ja ratkaisut ongelmiin:

Ensimmäiset kokeet kiteytyivät seuraavaan. Litteän kondensaattorin levyjen väliin, johon syötettiin 4000 V jännite, syntyi pilvi, joka koostui ioneille kerrostuneista vesipisaroista. Ensinnäkin pilven huipun havaittiin putoavan ilman sähkökenttää. Sitten syntyi pilvi, kun jännite oli päällä. Pilven putoaminen tapahtui painovoiman ja sähkövoiman vaikutuksesta.
Pilven pisaraan vaikuttavan voiman suhde sen saavuttamaan nopeuteen on sama ensimmäisessä ja toisessa tapauksessa. Ensimmäisessä tapauksessa voima on mg, toisessa mg + qE, missä q on pisaran varaus, E on sähkökentän voimakkuus. Jos nopeus ensimmäisessä tapauksessa on υ 1 toisessa υ 2, niin

Kun tiedämme pilven putoamisnopeuden υ riippuvuuden ilman viskositeetista, voimme laskea tarvittavan varauksen q. Tämä menetelmä ei kuitenkaan antanut haluttua tarkkuutta, koska se sisälsi hypoteettisia oletuksia, jotka eivät olleet kokeen tekijän hallinnassa.

Mittausten tarkkuuden lisäämiseksi oli ensisijaisesti löydettävä tapa ottaa huomioon pilven haihtuminen, jota väistämättä tapahtui mittausprosessin aikana.

Tätä ongelmaa pohtiessaan Millikan keksi klassisen pudotusmenetelmän, joka avasi joukon odottamattomia mahdollisuuksia. Annamme kirjoittajan itsensä kertoa tarinan keksinnöstä:
”Ymmärsin, että pisaroiden haihtumisnopeus jäi tuntemattomaksi, yritin keksiä menetelmän, joka eliminoisi tämän epävarman arvon kokonaan. Suunnitelmani oli seuraava. Aiemmissa kokeissa sähkökenttä pystyi vain hieman lisäämään tai vähentämään painovoiman vaikutuksesta putoavan pilven huipun nopeutta. Nyt halusin vahvistaa tätä kenttää niin paljon, että pilven yläpinta pysyi tasaisella korkeudella. Tässä tapauksessa tuli mahdolliseksi määrittää tarkasti pilven haihtumisnopeus ja ottaa se huomioon laskelmissa."

Tämän idean toteuttamiseksi Millikan suunnitteli pienen kokoisen ladattavan akun, joka tuotti jopa 10 4 V:n jännitteen (silloin tämä oli kokeilijan erinomainen saavutus). Sen piti luoda tarpeeksi vahva kenttä pitääkseen pilven riippuvana, kuten "Muhammedin arkun". "Kun minulla oli kaikki valmiina", Milliken sanoo, ja kun pilvi muodostui, käänsin kytkintä ja pilvi oli sähkökentässä. Ja sillä hetkellä se suli silmieni edessä, toisin sanoen koko pilvestä ei ollut enää pienikään palanen, jota olisi voinut tarkkailla ohjausoptisen instrumentin avulla, kuten Wilson teki ja minä aioin tehdä. Kuten minusta aluksi näytti, pilven häviäminen jälkiä jättämättä sähkökentässä ylemmän ja alemman levyn välissä merkitsi sitä, että koe päättyi ilman tuloksia...” Kuitenkin, kuten tieteen historiassa usein tapahtui, epäonnistuminen antoi nousta uudelle ajatukselle. Se johti kuuluisaan pudotusmenetelmään. "Toistetut kokeet", kirjoittaa Millikan, "osoittivat, että kun pilvi hajoaa voimakkaassa sähkökentässä, sen sijaan useita yksittäisiä vesipisaroita voitiin erottaa"(korostus lisään - V.D.). "Epäonnistunut" koe johti siihen, että löydettiin mahdollisuus pitää yksittäiset pisarat tasapainossa ja tarkkailla niitä melko pitkään.

Mutta havainnoinnin aikana vesipisaran massa muuttui merkittävästi haihtumisen seurauksena, ja Millikan siirtyi useiden päivien etsinnän jälkeen kokeisiin öljypisaroilla.

Kokeellinen menettely osoittautui yksinkertaiseksi. Adiabaattinen laajeneminen muodostaa pilven kondensaattorilevyjen väliin. Se koostuu pisaroista, joissa on eri suuruisia ja eri merkkisiä varauksia. Kun sähkökenttä kytketään päälle, pisarat, joiden varaus on identtinen kondensaattorin ylälevyn varauksen kanssa, putoaa nopeasti, ja ylempi levy vetää puoleensa pisaroita, joilla on vastakkainen varaus. Mutta tietyllä määrällä pisaroita on sellainen varaus, että sähkövoima tasapainottaa painovoiman.

7 tai 8 minuutin kuluttua. pilvi hajoaa ja näkökenttään jää pieni määrä pisaroita, joiden varaus vastaa ilmoitettua voimien tasapainoa.

Millikan havaitsi nämä pisarat erillisinä kirkkaina pisteinä. "Näiden pisaroiden historia menee yleensä näin", hän kirjoittaa. "Jos painovoimalla on lievä ylivoima kenttävoimaan nähden, ne alkavat pudota hitaasti, mutta koska ne vähitellen haihtuvat, niiden alaspäin suuntautuva liike pysähtyy pian ja ne muuttua liikkumattomaksi melko pitkäksi aikaa." Sitten kenttä alkaa hallita ja pisarat alkavat hitaasti nousta. Levyjen välisessä tilassa käyttöikänsä lopussa tämä ylöspäin suuntautuva liike kiihtyy erittäin voimakkaasti ja ne houkuttelevat suurella nopeudella ylempään levyyn."

3.2.3. Asennuskuvaus:

Kaavio Millikanin asennuksesta, jolla saatiin ratkaisevia tuloksia vuonna 1909, on esitetty kuvassa 17.

Kammioon C sijoitettiin pyöreistä messinkilevyistä M ja N valmistettu litteä kondensaattori, jonka halkaisija oli 22 cm (niiden välinen etäisyys oli 1,6 cm). Ylälevyn keskelle tehtiin pieni reikä p, jonka läpi öljypisarat kulkivat. Jälkimmäiset muodostettiin ruiskuttamalla öljyvirta ruiskulla. Ilma puhdistettiin aiemmin pölystä ohjaamalla se lasivillaputken läpi. Öljypisaroiden halkaisija oli noin 10-4 cm.

Kondensaattorilevyihin syötettiin 10 4 V jännite akusta B. Kytkimen avulla levyt saatiin oikosulkemaan ja tämä tuhoaisi sähkökentän.

Levyjen M ja N väliin putoavat öljypisarat valaistiin voimakkaalla lähteellä. Pisaroiden käyttäytymistä havaittiin kohtisuorassa kaukoputken läpi kulkevien säteiden suuntaan.

Pisarakondensaatioon tarvittavat ionit luotiin säteilyllä 200 mg:n radiumipalasta, joka sijaitsee 3-10 cm:n etäisyydellä levyjen sivusta.

Erityistä laitetta käyttämällä männän laskeminen laajensi kaasua. 1 - 2 s laajennuksen jälkeen radium poistettiin tai peitettiin lyijyseulalla. Sitten sähkökenttä käynnistettiin ja putoamisen havainnointi teleskooppiin aloitettiin. Putkessa oli asteikko, jolla oli mahdollista laskea pisaran kulkema reitti tietyn ajanjakson aikana. Aika tallennettiin tarkalla lukolla varustetulla kellolla.

Havaintojensa aikana Millikan löysi ilmiön, joka toimi avaimena koko sarjaan myöhempiä yksittäisten alkuainevarausten tarkkoja mittauksia.

Millikan kirjoittaa, että työskennellessäni roikkuvien pisaroiden parissa unohdin useita kertoja suojata ne radiumsäteilyltä. Sitten satuin huomaamaan, että aika ajoin yksi pisaroista yhtäkkiä vaihtoi varaustaan ​​ja alkoi liikkua kenttää pitkin tai sitä vastaan, ilmeisesti vangiten ensimmäisessä tapauksessa positiivisen ja toisessa tapauksessa negatiivisen ionin. Tämä avasi mahdollisuuden mitata luotettavasti paitsi yksittäisten pisaroiden varauksia, kuten olin tehnyt siihen asti, myös yksittäisen ilmakehän ionin varausta.

Todellakin, mittaamalla saman pisaran nopeuden kahdesti, kerran ennen ionin sieppaamista ja kerran sen jälkeen, voisin tietysti sulkea pois pisaran ominaisuudet ja väliaineen ominaisuudet ja toimia arvolla, joka on verrannollinen vain ionin varaukseen. vangittu ioni."

3.2.4. Perusmaksulaskenta:

Millikan laski perusvarauksen seuraavien näkökohtien perusteella. Pisaran liikenopeus on verrannollinen siihen vaikuttavaan voimaan, eikä se riipu pisaran varauksesta.
Jos pisara putosi kondensaattorin levyjen väliin pelkän painovoiman vaikutuksesta nopeudella v, niin

Kun painovoimaa vastaan ​​suunnattu kenttä kytketään päälle, vaikuttava voima on erotus qE - mg, missä q on pisaran varaus, E on kentänvoimakkuuden moduuli.

Pudotusnopeus on yhtä suuri kuin:

υ 2 =k(qE-mg) (2)

Jos jaamme yhtälön (1) luvulla (2), saamme

Täältä

Olkoon pisara nappaamaan ionin ja sen varauksesta tulee yhtä suuri kuin q", ja liikkeen nopeus υ 2. Merkitään tämän siepatun ionin varausta e:llä.

Sitten e = q" - q.

Käyttämällä (3) saamme

Arvo on vakio tietylle pudotukselle.

3.2.5. Johtopäätökset Millikanin menetelmästä

Näin ollen mikä tahansa pisaran vangitsema varaus on verrannollinen nopeuseroon (υ " 2 - υ 2), toisin sanoen verrannollinen ionin sieppaamisesta johtuvaan pisaran nopeuden muutokseen! alkeisvarauksen mittaus rajoittui pisaran kulkeman reitin ja sen läpikulkuajan mittaamiseen Lukuisat havainnot osoittivat kaavan (4) paikkansapitävyyden. Osoittautui, että e:n arvo voi muuttua vain äkillisesti! Varaukset e, 2e, 3e, 4e jne. huomioidaan aina.

"Monissa tapauksissa", kirjoittaa Millikan, "pudotusta havaittiin viisi tai kuusi tuntia, ja tänä aikana se ei vanginnut kahdeksan tai kymmentä ionia, vaan satoja niistä. Kaiken kaikkiaan olen havainnut useiden tuhansien ionien sieppaamisen tällä tavalla, ja kaikissa tapauksissa siepattu varaus... oli joko täsmälleen yhtä suuri kuin pienin kaikista siepatuista varauksista tai se oli yhtä suuri kuin tämän pieni kokonaislukukerrannainen arvo. Tämä on suora ja kiistämätön todiste siitä, että elektroni ei ole "tilastollinen keskiarvo", vaan että kaikki ionien sähkövaraukset ovat joko täsmälleen yhtä suuria kuin elektronin varaus tai edustavat tuon varauksen pieniä kokonaislukukertoja.

Joten sähkövarauksen atomisuudesta, diskreettisyydestä tai nykykielellä kvantisoinnista on tullut kokeellinen tosiasia. Nyt oli tärkeää osoittaa, että elektroni on niin sanotusti kaikkialla läsnä. Mikä tahansa sähkövaraus minkä tahansa luonteisessa kappaleessa on samojen alkuvarausten summa.

Millikanin menetelmä mahdollisti yksiselitteisen vastauksen tähän kysymykseen. Ensimmäisissä kokeissa varaukset luotiin ionisoimalla neutraaleja kaasumolekyylejä radioaktiivisen säteilyn virralla. Pisaroiden vangitsemien ionien varaus mitattiin.

Kun nestettä ruiskutetaan suihkepullolla, pisarat sähköistyvät kitkan vuoksi. Tämä tiedettiin hyvin jo 1800-luvulla. Ovatko nämä varaukset myös kvantisoituja, kuten ionivaraukset? Millikan "punnitsee" pisarat ruiskutuksen jälkeen ja mittaa varaukset edellä kuvatulla tavalla. Kokemus paljastaa saman sähkövarauksen diskreettisyyden.

Ripottelemalla öljyä (dielektristä), glyseriiniä (puolijohde), elohopeaa (johde) Millikan todistaa, että minkä tahansa fyysisen luonteen kappaleiden varaukset koostuvat kaikissa tapauksissa poikkeuksetta yksittäisistä alkuaineosista, joiden suuruus on tiukasti vakio. Vuonna 1913 Millikan tiivisti lukuisten kokeiden tulokset ja antoi seuraavan arvon alkuvaraukselle: e = 4,774. 10-10 yksikköä SGSE-maksu. Näin perustettiin yksi modernin fysiikan tärkeimmistä vakioista. Sähkövarauksen määrittämisestä tuli yksinkertainen aritmeettinen tehtävä.

3.4 Compton-kuvausmenetelmä:

C.T.R.:n löydöllä oli tärkeä rooli elektronin todellisuuden ajatuksen vahvistamisessa. Wilson, vesihöyryn tiivistymisen vaikutus ioneihin, mikä johti mahdollisuuteen valokuvata hiukkasten jälkiä.

He sanovat, että A. Compton ei voinut luennolla vakuuttaa skeptistä kuuntelijaa mikrohiukkasten olemassaolon todellisuudesta. Hän vaati uskovansa vasta nähtyään ne omin silmin.
Sitten Compton näytti valokuvan, jossa oli alfahiukkasrata, jonka vieressä oli sormenjälki. "Tiedätkö mitä tämä on?" - kysyi Compton. "Sormi", vastasi kuuntelija. "Siinä tapauksessa", Compton sanoi juhlallisesti, "tämä valoraita on hiukkanen."
Valokuvat elektronien jäljistä eivät ainoastaan ​​todistaneet elektronien todellisuudesta. Ne vahvistivat oletuksen elektronien pienestä koosta ja mahdollistivat teoreettisten laskelmien, jotka sisälsivät elektronin säteen, tuloksia verrata kokeeseen. Kokeet, jotka alkoivat Lenardin tutkimuksella katodisäteiden läpäisyvoimasta, osoittivat, että radioaktiivisten aineiden lähettämät erittäin nopeat elektronit tuottavat kaasuun raitoja suorina viivoina. Radan pituus on verrannollinen elektronin energiaan. Valokuvat korkeaenergisten α-hiukkasten jäljestä osoittavat, että jäljet ​​koostuvat suuresta määrästä pisteitä. Jokainen piste on vesipisara, joka ilmestyy ionille, joka muodostuu elektronin törmäyksen seurauksena atomin kanssa. Kun tiedämme atomin koon ja sen pitoisuuden, voimme laskea atomien lukumäärän, jonka läpi α-hiukkasen täytyy kulkea tietyllä etäisyydellä. Yksinkertainen laskelma osoittaa, että alfahiukkasen täytyy kulkea noin 300 atomia, ennen kuin se kohtaa matkallaan yhden atomin kuoren muodostavista elektroneista ja tuottaa ionisaation.

Tämä tosiasia osoittaa vakuuttavasti, että elektronien tilavuus on mitätön murto-osa atomin tilavuudesta. Matalaenergiaisen elektronin rata on kaareva, joten hidas elektroni poikkeaa atominsisäisen kentän vaikutuksesta. Se tuottaa enemmän ionisaatiotapahtumia matkallaan.

Sirontateoriasta voidaan saada dataa elektronin energiasta riippuvien taipumakulmien arvioimiseksi. Nämä tiedot vahvistavat hyvin todellisten jälkien analyysi. Teorian yhteensopivuus kokeen kanssa vahvisti käsitystä elektronista aineen pienimpänä hiukkasena.

Johtopäätös:

Alkuperäisen sähkövarauksen mittaus avasi mahdollisuuden määrittää tarkasti useita tärkeitä fyysisiä vakioita.
e:n arvon tunteminen mahdollistaa automaattisesti perusvakion – Avogadron vakion – arvon määrittämisen. Ennen Millikanin kokeita Avogadron vakiosta oli olemassa vain karkeita arvioita, jotka saatiin kaasujen kineettisellä teorialla. Nämä arviot perustuivat laskelmiin ilmamolekyylin keskimääräisestä säteestä ja vaihtelivat melko laajalla alueella 2:sta. 10 23-20 . 10 23 1/mol.

Oletetaan, että tiedämme elektrolyyttiliuoksen läpi kulkeneen varauksen Q ja elektrodille kertyneen aineen M määrän. Silloin, jos ionin varaus on Ze 0 ja sen massa m 0, yhtälö pätee

Jos kerrostuneen aineen massa on yhtä moolia,

sitten Q = F- Faradayn vakio ja F = N 0 e, josta:

On selvää, että Avogadron vakion määrittämisen tarkkuus määräytyy sen tarkkuuden mukaan, jolla elektronin varaus mitataan. Käytäntö on vaatinut perusvakioiden määritystarkkuuden lisäämistä, ja tämä oli yksi kannustimia jatkaa sähkövarauksen kvanttimittausmetodologian kehittämistä. Tämä nyt puhtaasti metrologinen työ jatkuu tähän päivään asti.

Tällä hetkellä tarkimmat arvot ovat:

e = (4,8029±0,0005) 10-10. yksiköitä SGSE maksu;

N 0 = (6,0230 ± 0,0005) 10 23 1/mol.

Tietäen N o:n on mahdollista määrittää kaasumolekyylien lukumäärä 1 cm 3:ssä, koska 1 kaasumoolin viemä tilavuus on jo tunnettu vakioarvo.

Kaasumolekyylien lukumäärän tietäminen 1 cm 3:ssä mahdollisti puolestaan ​​molekyylin lämpöliikkeen keskimääräisen kineettisen energian määrittämisen. Lopuksi elektronin varauksesta voidaan määrittää Planckin vakio ja Stefan-Boltzmannin vakio lämpösäteilyn laissa.

Venäjän federaation opetusministeriö

Amurin osavaltion pedagoginen yliopisto

Menetelmät perussähkövarauksen määrittämiseksi

Täydennetty opiskelija 151g.

Venzelev A.A.

Tarkastettu: Cheraneva T.G.

Johdanto.

1. Tausta elektronin löytämiselle

2. Elektronin löytämisen historia

3. Kokeet ja menetelmät elektronin löytämiseksi

3.1.Thomsonin kokeilu

3.2. Rutherfordin kokemus

3.3. Millikan menetelmä

3.3.1. lyhyt elämäkerta

3.3.2. Asennuksen kuvaus

3.3.3. Perusmaksulaskenta

3.3.4. Päätelmät menetelmästä

3.4. Compton-kuvausmenetelmä

Johtopäätös.

Esittely:

ELEKTRONI - ensimmäinen löydetty alkuainehiukkanen; materiaalin kantaja, jolla on pienin massa ja pienin sähkövaraus luonnossa; atomin komponentti.

Elektronin varaus on 1,6021892. 10-19 Cl

4.803242. 10-10 yksikköä SSSE

Elektronin massa on 9,109534. 10-31 kg

Ominaisveloitus e/m e 1,7588047. 10 11 Cl. kg -1

Elektronin spin on yhtä suuri kuin 1/2 (h-yksiköissä) ja sillä on kaksi projektiota ±1/2; elektronit tottelevat Fermi-Diracin tilastoja, fermionit. Heihin sovelletaan Paulin poissulkemisperiaatetta.

Elektronin magneettinen momentti on -1,00116 m b, missä m b on Bohrin magnetoni.

Elektroni on stabiili hiukkanen. Kokeellisten tietojen mukaan elinikä t e > 2. 10 22 vuotta vanha.

Ei osallistu vahvaan vuorovaikutukseen, leptoniin. Nykyaikainen fysiikka pitää elektronia todella alkeishiukkasena, jolla ei ole rakennetta tai kokoa. Jos jälkimmäiset ovat nollasta poikkeavia, niin elektronin säde r e< 10 -18 м

1.Aukon tausta

Elektronin löytäminen oli lukuisten kokeiden tulos. 1900-luvun alkuun mennessä. elektronin olemassaolo vahvistettiin useissa riippumattomissa kokeissa. Mutta huolimatta kokonaisten kansallisten koulujen keräämästä valtavasta kokeellisesta materiaalista, elektroni jäi hypoteettiseksi hiukkaseksi, koska kokemus ei ollut vielä vastannut useisiin peruskysymyksiin. Todellisuudessa elektronin "löytö" kesti yli puoli vuosisataa eikä päättynyt vuoteen 1897; Monet tiedemiehet ja keksijät osallistuivat siihen.

Ensinnäkin, ei ollut yhtä koetta, jossa olisi mukana yksittäisiä elektroneja. Alkuainevaraus laskettiin mikroskooppisen varauksen mittausten perusteella olettaen useiden hypoteesien pätevyyttä.

Epävarmuus oli pohjimmiltaan tärkeässä kohdassa. Elektroni ilmestyi ensin elektrolyysin lakien atomitulkinnan seurauksena, sitten se löydettiin kaasupurkauksesta. Ei ollut selvää, käsittelikö fysiikka todella samaa objektia. Suuri joukko skeptisiä luonnontieteilijöitä uskoi, että alkeisvaraus on tilastollinen keskiarvo erikokoisista varauksista. Lisäksi yksikään elektronin varausta mittaavista kokeista ei antanut tarkasti toistettavia arvoja.
Oli skeptikkoja, jotka yleensä jättivät elektronin löytämisen huomiotta. Akateemikko A.F. Ioff muistoissaan opettajastaan ​​V.K. Roentgene kirjoitti: "Vuosiin 1906 - 1907 asti. sanaa elektroni ei olisi pitänyt lausua Münchenin yliopiston fysiikan instituutissa. Roentgen piti sitä todistamattomana hypoteesina, jota käytettiin usein ilman riittävää perustetta ja tarpeettomasti.

Kysymystä elektronin massasta ei ole ratkaistu, eikä ole todistettu, että sekä johtimien että eristeiden varaukset koostuvat elektroneista. Käsitteellä "elektroni" ei ollut yksiselitteistä tulkintaa, koska koe ei ollut vielä paljastanut atomin rakennetta (Rutherfordin planeettamalli ilmestyi vuonna 1911 ja Bohrin teoria vuonna 1913).

Elektroni ei ole vielä päässyt teoreettisiin rakenteisiin. Lorentzin elektroniikkateoriassa oli jatkuvasti jakautunut varaustiheys. Druden kehittämä metallinjohtavuuden teoria käsitteli diskreettejä varauksia, mutta nämä olivat mielivaltaisia ​​varauksia, joiden arvolle ei asetettu rajoituksia.

Elektroni ei ole vielä poistunut "puhtaan" tieteen kehyksestä. Muistakaamme, että ensimmäinen elektroniputki ilmestyi vasta vuonna 1907. Siirtyäkseen uskosta vakaumukseen oli ensinnäkin tarpeen eristää elektroni ja keksiä menetelmä alkeisvarauksen suoraa ja tarkkaa mittausta varten.

Ratkaisu tähän ongelmaan ei odottanut kauan. Vuonna 1752 ajatuksen sähkövarauksen diskreettisuudesta ilmaisi ensimmäisenä B. Franklin. Kokeellisesti varausten diskreetti perusteltiin elektrolyysin laeilla, jotka M. Faraday löysi vuonna 1834. Alkuainevarauksen (pienin luonnossa esiintyvä sähkövaraus) numeerinen arvo laskettiin teoreettisesti elektrolyysin lakien perusteella käyttäen Avogadron lukua. . Alkuainevarauksen suoran kokeellisen mittauksen suoritti R. Millikan klassisissa kokeissa, jotka suoritettiin vuosina 1908 - 1916. Nämä kokeet antoivat myös kiistattoman todisteen sähkön atomismista. Elektroniikkateorian peruskäsitteiden mukaan kappaleen varaus syntyy sen sisältämien elektronien (tai positiivisten ionien, joiden varausarvo on elektronin varauksen monikerta) lukumäärän muutoksen seurauksena. Siksi minkä tahansa kappaleen varauksen täytyy muuttua äkillisesti ja sellaisissa osissa, jotka sisältävät kokonaislukumäärän elektronivarauksia. Todettuaan kokeellisesti sähkövarauksen muutoksen diskreetin luonteen R. Millikan pystyi saamaan vahvistuksen elektronien olemassaolosta ja määrittämään yhden elektronin varauksen arvon (alkuainevaraus) öljypisaramenetelmällä. Menetelmä perustuu varautuneiden öljypisaroiden liikkeen tutkimukseen tunnetun voimakkuuden E tasaisessa sähkökentässä.

2. Elektronin löytäminen:

Jos jätämme huomiotta sen, mikä edelsi ensimmäisen alkuainehiukkasen - elektronin - löytymistä ja mikä seurasi tätä merkittävää tapahtumaa, voimme sanoa lyhyesti: vuonna 1897 kuuluisa englantilainen fyysikko THOMSON Joseph John (1856-1940) mittasi ominaisvarauksen q/m. katodisädehiukkaset - "korpuskkelit", kuten hän kutsui niitä, jotka perustuvat katodisäteiden *) taipumiseen sähkö- ja magneettikentissä.

Vertaamalla saatua lukua tuolloin tunnetun yksiarvoisen vetyionin ominaisvaraukseen epäsuoran päättelyn avulla hän päätyi siihen tulokseen, että näiden hiukkasten, jotka myöhemmin saivat nimen "elektroneja", massa on huomattavasti pienempi (enemmän kuin tuhat kertaa) kuin kevyimmän vetyionin massa.

Samana vuonna 1897 hän oletti, että elektronit ovat olennainen osa atomeja ja katodisäteet eivät ole atomeja tai sähkömagneettista säteilyä, kuten jotkut säteiden ominaisuuksien tutkijat uskoivat. Thomson kirjoitti: "Näin katodisäteet edustavat uutta aineen tilaa, joka olennaisesti eroaa tavallisesta kaasumaisesta tilasta...; tässä uudessa tilassa aine on aine, josta kaikki alkuaineet on rakennettu."

Vuodesta 1897 lähtien katodisäteiden korpuskulaarinen malli alkoi saada yleistä hyväksyntää, vaikka sähkön luonteesta vallitsi monenlaisia ​​mielipiteitä. Näin ollen saksalainen fyysikko E. Wichert uskoi, että "sähkö on jotain kuvitteellista, joka on olemassa vain ajatuksissa", ja kuuluisa englantilainen fyysikko Lord Kelvin kirjoitti samana vuonna 1897 sähköstä eräänlaisena "jatkuvana nesteenä".

Thomsonin ajatus katodisädesoluista atomin peruskomponentteina ei saanut suurta innostusta. Jotkut hänen kollegoistaan ​​ajattelivat, että hän oli mystifioinut heidät ehdottaessaan, että katodisädehiukkasia tulisi pitää mahdollisina atomin komponentteina. Thomson-solujen todellinen rooli atomin rakenteessa voitaisiin ymmärtää yhdessä muiden tutkimusten tulosten kanssa, erityisesti spektrianalyysin ja radioaktiivisuustutkimuksen tulosten kanssa.

29. huhtikuuta 1897 Thomson esitti kuuluisan viestinsä Lontoon kuninkaallisen seuran kokouksessa. Elektronin tarkkaa löytöaikaa - päivä ja tunti - ei voida nimetä sen ainutlaatuisuuden vuoksi. Tämä tapahtuma oli tulosta Thomsonin ja hänen työntekijöidensä monivuotisesta työstä. Thomson tai kukaan muu ei ollut koskaan varsinaisesti havainnut elektronia, eikä kukaan ollut kyennyt eristämään yhtäkään hiukkasta katodisäteen säteestä ja mittaamaan sen ominaisvarauksen. Löydön kirjoittaja on J.J. Thomson, koska hänen käsityksensä elektronista olivat lähellä nykyaikaisia. Vuonna 1903 hän ehdotti yhtä ensimmäisistä atomimalleista - "rusinavanukas", ja vuonna 1904 hän ehdotti, että atomin elektronit jaetaan ryhmiin, jotka muodostavat erilaisia ​​​​konfiguraatioita, jotka määrittävät kemiallisten alkuaineiden jaksollisuuden.

Löytön sijainti on tarkasti tiedossa - Cavendishin laboratorio (Cambridge, Iso-Britannia). J.C. Maxwellin vuonna 1870 luomasta siitä tuli seuraavan sadan vuoden aikana "kehto" loistaville löytöille fysiikan eri aloilla, erityisesti atomi- ja ydinfysiikassa. Sen johtajat olivat Maxwell J.K. - 1871 - 1879, Lord Rayleigh - 1879 - 1884, Thomson J.J. - 1884 - 1919, Rutherford E. - 1919 - 1937, Bragg L. - 1938 - 1953; Varajohtaja 1923-1935 - Chadwick J.

Tieteellistä kokeellista tutkimusta teki yksi tiedemies tai pieni ryhmä luovan etsinnän ilmapiirissä. Lawrence Bragg muisteli myöhemmin työstään vuonna 1913 isänsä Henry Braggin kanssa: ”Se oli hienoa aikaa, jolloin lähes joka viikko saatiin uusia jännittäviä tuloksia, kuten uusia kultaa sisältäviä alueita, joista voi poimia kimpaleita suoraan maasta. . Tämä jatkui sodan alkuun asti *), mikä pysäytti yhteisen työmme."

3. Menetelmät elektronin avaamiseksi:

3.1.Thomsonin kokeilu

Joseph John Thomson Joseph John Thomson, 1856–1940

Englantilainen fyysikko, joka tunnetaan paremmin nimellä J. J. Thomson. Syntynyt Cheetham Hillissä, Manchesterin esikaupunkialueella, käytettyjen antiikkikauppiaan perheessä. Vuonna 1876 hän voitti stipendin Cambridgeen. Vuosina 1884-1919 hän toimi professorina Cambridgen yliopiston kokeellisen fysiikan laitoksella ja samalla Cavendish-laboratorion johtajana, josta Thomsonin ponnisteluilla tuli yksi maailman tunnetuimmista tutkimuskeskuksista. Samaan aikaan, vuosina 1905-1918, hän toimi professorina Lontoon Royal Institutessa. Hän sai fysiikan Nobelin palkinnon vuonna 1906 sanamuodolla "sähkön kulkeutumista kaasujen läpi koskevista tutkimuksistaan", joka luonnollisesti sisältää elektronin löytämisen. Myös Thomsonin pojasta George Paget Thomsonista (1892-1975) tuli lopulta fysiikan Nobel-palkinto - vuonna 1937 kiteiden elektronidiffraktion kokeellisesta löydöstä.

Vuonna 1897 nuori englantilainen fyysikko J. J. Thomson tuli tunnetuksi vuosisatojen ajan elektronin löytäjänä. Thomson käytti kokeessaan parannettua katodisädeputkea, jonka suunnittelua täydennettiin sähkökäämillä, jotka loivat (Amperen lain mukaan) magneettikentän putken sisään, ja sarjaa rinnakkaisia ​​sähkökondensaattorilevyjä, jotka loivat sähkökentän sisälle. putki. Tämän ansiosta tuli mahdolliseksi tutkia katodisäteiden käyttäytymistä sekä magneetti- että sähkökenttien vaikutuksesta.

Käyttämällä uutta putkirakennetta Thomson osoitti peräkkäin, että: (1) katodisäteet poikkeutetaan magneettikentässä sähköisen puuttuessa; (2) katodisäteet poikkeutetaan sähkökentässä magneettikentän puuttuessa; ja (3) sähkö- ja magneettikenttien, joiden intensiteetti on tasapainoinen ja jotka on suunnattu suuntiin, jotka erikseen aiheuttavat poikkeamia vastakkaisiin suuntiin, samanaikaisen vaikutuksen alaisena katodisäteet etenevät suoraviivaisesti, eli näiden kahden kentän toiminta on keskenään tasapainossa.

Thomson havaitsi, että sähkö- ja magneettikenttien välinen suhde, jossa niiden vaikutukset ovat tasapainossa, riippuu hiukkasten liikkumisnopeudesta. Suoritettuaan sarjan mittauksia, Thomson pystyi määrittämään katodisäteiden liikenopeuden. Kävi ilmi, että ne liikkuvat paljon valon nopeutta hitaammin, mikä tarkoitti, että katodisäteet saattoivat olla vain hiukkasia, koska mikä tahansa sähkömagneettinen säteily, mukaan lukien itse valo, kulkee valon nopeudella (katso Sähkömagneettisen säteilyn spektri). Nämä tuntemattomat hiukkaset. Thomson kutsui niitä "soluiksi", mutta pian ne tunnettiin "elektroneina".

Heti kävi selväksi, että elektronien on oltava osa atomeja - muuten mistä ne tulisivat? 30. huhtikuuta 1897 - päivämäärä, jolloin Thomson raportoi tuloksistaan ​​Lontoon kuninkaallisen seuran kokouksessa - pidetään elektronin syntymäpäivänä. Ja tänä päivänä ajatus atomien "jakamattomuudesta" tuli menneisyyteen (katso aineen rakenteen atomiteoria). Yhdessä hieman yli kymmenen vuotta myöhemmin seuranneen atomiytimen löytämisen kanssa (katso Rutherfordin koe) elektronin löytö loi perustan nykyaikaiselle atomin mallille.

Yllä kuvatuista "katodiputkista" tai tarkemmin sanottuna katodisädeputkista tuli nykyaikaisten televisiokuvaputkien ja tietokonenäyttöjen yksinkertaisimmat edeltäjät, joissa tiukasti kontrolloituja määriä elektroneja lyödään ulos kuuman katodin pinnasta vaikutuksen alaisena. vaihtuvista magneettikentistä ne poikkeutetaan tarkasti määritellyissä kulmissa ja pommittavat ruutujen fosforoivia kennoja muodostaen niihin valosähköisestä vaikutuksesta johtuvan selkeän kuvan, jonka löytäminen olisi myös mahdotonta ilman tietämystämme katodin todellisesta luonteesta säteet.

3.2. Rutherfordin kokemus

Ernest RUTHERFORD, Nelsonin paroni Rutherford Minä Ernest Rutherford, Nelsonin ensimmäinen paroni Rutherford, 1871–1937

Uusiseelantilainen fyysikko. Syntynyt Nelsonissa käsityöläisen maanviljelijän poikana. Voitti stipendin opiskellakseen Cambridgen yliopistossa Englannissa. Valmistuttuaan hänet nimitettiin kanadalaiseen McGill-yliopistoon, jossa hän yhdessä Frederick Soddyn (1877–1966) kanssa loi radioaktiivisuusilmiön peruslait, josta hänelle myönnettiin Nobelin kemian palkinto vuonna 1908. Pian tiedemies muutti Manchesterin yliopistoon, jossa hänen johdollaan Hans Geiger (1882–1945) keksi kuuluisan Geiger-laskurinsa, alkoi tutkia atomin rakennetta ja vuonna 1911 löysi atomiytimen olemassaolon. Ensimmäisen maailmansodan aikana hän oli mukana kehittämässä kaikuluotaimia (akustisia tutkoja) vihollisen sukellusveneiden havaitsemiseksi. Vuonna 1919 hänet nimitettiin fysiikan professoriksi ja Cavendish-laboratorion johtajaksi Cambridgen yliopistoon, ja samana vuonna hän löysi ydinvoiman hajoamisen, joka johtuu korkeaenergisten raskaiden hiukkasten pommituksista. Rutherford pysyi tässä tehtävässä elämänsä loppuun asti, samalla kun hän oli monta vuotta Royal Scientific Societyn puheenjohtaja. Hänet haudattiin Westminster Abbeyyn Newtonin, Darwinin ja Faradayn viereen.

Ernest Rutherford on ainutlaatuinen tiedemies siinä mielessä, että hän teki tärkeimmät löytönsä saatuaan Nobel-palkinnon. Vuonna 1911 hän onnistui kokeessa, joka ei vain antanut tutkijoille mahdollisuuden kurkistaa syvälle atomiin ja saada käsityksen sen rakenteesta, vaan siitä tuli myös mallin armo ja suunnittelun syvyys.

JA Käyttämällä luonnollista radioaktiivisen säteilyn lähdettä Rutherford rakensi tykin, joka tuotti suunnatun ja fokusoidun hiukkasvirran. Ase oli lyijylaatikko, jossa oli kapea rako, jonka sisään oli sijoitettu radioaktiivista materiaalia. Tästä johtuen radioaktiivisen aineen kaikkiin suuntiin yhtä lukuun ottamatta säteilemät hiukkaset (tässä tapauksessa alfahiukkaset, jotka koostuvat kahdesta protonista ja kahdesta neutronista) absorboituivat lyijysuulakkeeseen ja raon läpi vapautui vain suunnattu alfahiukkassäde. .

annettu suunta. Tämän seurauksena täydellisesti fokusoitu alfahiukkasten säde lensi kohti kohdetta, ja itse kohde oli ohut kultakalvo. Se oli alfasäde, joka osui häneen. Törmäyksen jälkeen folioatomien kanssa alfahiukkaset jatkoivat polkuaan ja osuivat kohteen taakse asennettuun luminoivaan näyttöön, jolle tallennettiin välähdyksiä alfahiukkasten osuessa siihen. Niiden perusteella kokeilija saattoi arvioida, kuinka paljon ja kuinka paljon alfahiukkasia poikkeaa suoraviivaisen liikkeen suunnasta törmäysten seurauksena folioatomien kanssa.

Rutherford kuitenkin huomautti, että yksikään hänen edeltäjistään ei ollut edes yrittänyt testata kokeellisesti, olivatko jotkin alfahiukkaset taipuneet hyvin suuriin kulmiin. Rusinaverkkomalli ei yksinkertaisesti sallinut rakenteellisten elementtien olemassaoloa atomissa niin tiheinä ja raskaita, että ne voisivat kääntää nopeita alfahiukkasia merkittävissä kulmissa, joten kukaan ei vaivautunut testaamaan tätä mahdollisuutta. Rutherford pyysi yhtä oppilaistaan ​​varustamaan laitteiston uudelleen siten, että oli mahdollista havaita alfa-hiukkasten sirontaa suurilla poikkeutuskulmilla - vain omantuntonsa tyhjentämiseksi, tämän mahdollisuuden sulkemiseksi lopulta pois. Ilmaisin oli natriumsulfidilla päällystetty näyttö, materiaali, joka tuottaa fluoresoivan salaman, kun alfahiukkanen osuu siihen. Kuvittele kokeen suorittaneen opiskelijan lisäksi myös itse Rutherfordin yllätys, kun kävi ilmi, että jotkin hiukkaset poikkesivat jopa 180°:n kulmissa!

Rutherfordin kokeensa tulosten perusteella piirtämä kuva atomista on meille nykyään hyvin tuttu. Atomi koostuu supertiheästä, kompaktista ytimestä, joka kantaa positiivista varausta, ja negatiivisesti varautuneista valoelektroneista ympärillään. Myöhemmin tiedemiehet tarjosivat tälle kuvalle luotettavan teoreettisen perustan (katso Bohrin atomi), mutta kaikki alkoi yksinkertaisella kokeella pienellä näytteellä radioaktiivista materiaalia ja kultafolion palalla.

3.2.MenetelmäMilliken

3.2.1. Lyhyt elämäkerta:

Robert Milliken syntyi vuonna 1868 Illinoisissa köyhän papin perheeseen. Hän vietti lapsuutensa Maquoketan provinssissa, jossa urheiluun ja huonoon opetukseen kiinnitettiin paljon huomiota. Fysiikkaa opettanut lukion rehtori sanoi esimerkiksi nuorille oppilailleen: ”Kuinka on mahdollista saada ääntä aalloista? Hölynpölyä, pojat, kaikki on hölynpölyä!"

Oberdeen College ei ollut parempi, mutta Milliken, jolla ei ollut taloudellista tukea, joutui opettamaan lukion fysiikkaa itse. Amerikassa oli tuolloin vain kaksi ranskasta käännettyä fysiikan oppikirjaa, eikä lahjakkaalla nuorella miehellä ollut vaikeuksia opiskella ja opettaa niitä menestyksekkäästi. Vuonna 1893 hän tuli Columbian yliopistoon ja meni sitten opiskelemaan Saksaan.

Milliken oli 28-vuotias, kun hän sai A. Michelsonilta tarjouksen assistentin virkaan Chicagon yliopistoon. Aluksi hän harjoitti täällä lähes yksinomaan pedagogista työtä, ja vasta 40-vuotiaana aloitti tieteellisen tutkimuksen, joka toi hänelle maailmankuulun.

3.2.2. Ensimmäiset kokemukset ja ratkaisut ongelmiin:

Ensimmäiset kokeet kiteytyivät seuraavaan. Litteän kondensaattorin levyjen väliin, johon syötettiin 4000 V jännite, syntyi pilvi, joka koostui ioneille kerrostuneista vesipisaroista. Ensinnäkin pilven huipun havaittiin putoavan ilman sähkökenttää. Sitten syntyi pilvi, kun jännite oli päällä. Pilven putoaminen tapahtui painovoiman ja sähkövoiman vaikutuksesta.
Pilven pisaraan vaikuttavan voiman suhde sen saavuttamaan nopeuteen on sama ensimmäisessä ja toisessa tapauksessa. Ensimmäisessä tapauksessa voima on yhtä suuri mg, toisessa mg+qE, Missä q- pudotuksen lataus, E- sähkökentän voimakkuus. Jos nopeus ensimmäisessä tapauksessa on sama υ 1 toisessa υ 2 , Että

Pilven putoamisnopeuden riippuvuuden tunteminen υ ilman viskositeetista voit laskea tarvittavan latauksen q. Tämä menetelmä ei kuitenkaan antanut haluttua tarkkuutta, koska se sisälsi hypoteettisia oletuksia, jotka eivät olleet kokeen tekijän hallinnassa.

Mittausten tarkkuuden lisäämiseksi oli ensisijaisesti löydettävä tapa ottaa huomioon pilven haihtuminen, jota väistämättä tapahtui mittausprosessin aikana.

Tätä ongelmaa pohtiessaan Millikan keksi klassisen pudotusmenetelmän, joka avasi joukon odottamattomia mahdollisuuksia. Annamme kirjoittajan itsensä kertoa tarinan keksinnöstä:
”Ymmärsin, että pisaroiden haihtumisnopeus jäi tuntemattomaksi, yritin keksiä menetelmän, joka eliminoisi tämän epävarman arvon kokonaan. Suunnitelmani oli seuraava. Aiemmissa kokeissa sähkökenttä pystyi vain hieman lisäämään tai vähentämään painovoiman vaikutuksesta putoavan pilven huipun nopeutta. Nyt halusin vahvistaa tätä kenttää niin paljon, että pilven yläpinta pysyi tasaisella korkeudella. Tässä tapauksessa tuli mahdolliseksi määrittää tarkasti pilven haihtumisnopeus ja ottaa se huomioon laskelmissa."

Tämän idean toteuttamiseksi Millikan suunnitteli pienen kokoisen ladattavan akun, joka tuotti jopa 10 4 V:n jännitteen (silloin tämä oli kokeilijan erinomainen saavutus). Sen piti luoda tarpeeksi vahva kenttä pitääkseen pilven riippuvana, kuten "Muhammedin arkun". "Kun minulla oli kaikki valmiina", Milliken sanoo, ja kun pilvi muodostui, käänsin kytkintä ja pilvi oli sähkökentässä. Ja sillä hetkellä se suli silmieni edessä, toisin sanoen koko pilvestä ei ollut enää pienikään palanen, jota olisi voinut tarkkailla ohjausoptisen instrumentin avulla, kuten Wilson teki ja minä aioin tehdä. Kuten minusta aluksi näytti, pilven häviäminen jälkiä jättämättä sähkökentässä ylemmän ja alemman levyn välissä merkitsi sitä, että koe päättyi ilman tuloksia...” Kuitenkin, kuten tieteen historiassa usein tapahtui, epäonnistuminen antoi nousta uudelle ajatukselle. Se johti kuuluisaan pudotusmenetelmään. "Toistetut kokeet", kirjoittaa Millikan, "osoittivat, että kun pilvi hajoaa voimakkaassa sähkökentässä, sen sijaan useita yksittäisiä vesipisaroita voitiin erottaa"(korostus lisäsin.- V.D.)."Epäonnistunut" koe johti siihen, että löydettiin mahdollisuus pitää yksittäiset pisarat tasapainossa ja tarkkailla niitä melko pitkään.

Mutta havainnoinnin aikana vesipisaran massa muuttui merkittävästi haihtumisen seurauksena, ja Millikan siirtyi useiden päivien etsinnän jälkeen kokeisiin öljypisaroilla.

Kokeellinen menettely osoittautui yksinkertaiseksi. Adiabaattinen laajeneminen muodostaa pilven kondensaattorilevyjen väliin. Se koostuu pisaroista, joissa on eri suuruisia ja eri merkkisiä varauksia. Kun sähkökenttä kytketään päälle, pisarat, joiden varaus on identtinen kondensaattorin ylälevyn varauksen kanssa, putoaa nopeasti, ja ylempi levy vetää puoleensa pisaroita, joilla on vastakkainen varaus. Mutta tietyllä määrällä pisaroita on sellainen varaus, että sähkövoima tasapainottaa painovoiman.

7 tai 8 minuutin kuluttua. pilvi hajoaa ja näkökenttään jää pieni määrä pisaroita, joiden varaus vastaa ilmoitettua voimien tasapainoa.

Millikan havaitsi nämä pisarat erillisinä kirkkaina pisteinä. "Näiden pisaroiden historia menee yleensä näin", hän kirjoittaa. "Jos painovoimalla on lievä ylivoima kenttävoimaan nähden, ne alkavat pudota hitaasti, mutta koska ne vähitellen haihtuvat, niiden alaspäin suuntautuva liike pysähtyy pian ja ne muuttua liikkumattomaksi melko pitkäksi aikaa." Sitten kenttä alkaa hallita ja pisarat alkavat hitaasti nousta. Levyjen välisessä tilassa käyttöikänsä lopussa tämä ylöspäin suuntautuva liike kiihtyy erittäin voimakkaasti ja ne houkuttelevat suurella nopeudella ylempään levyyn."

3.2.3. Asennuskuvaus:

Kaavio Millikanin asennuksesta, jolla saatiin ratkaisevia tuloksia vuonna 1909, on esitetty kuvassa 17.

Solussa KANSSA asetettiin pyöreistä messinkilevyistä valmistettu litteä kondensaattori M Ja N joiden halkaisija on 22 cm (niiden välinen etäisyys oli 1,6 cm). Ylälevyn keskelle tehtiin pieni reikä R, jonka läpi öljypisarat kulkivat. Jälkimmäiset muodostettiin ruiskuttamalla öljyvirta ruiskulla. Ilma puhdistettiin aiemmin pölystä ohjaamalla se lasivillaputken läpi. Öljypisaroiden halkaisija oli noin 10-4 cm.

NOIN
t akku SISÄÄN kondensaattorilevyihin laitettiin jännite 10 4 V. Kytkimen avulla levyt saatiin oikosulkemaan ja tämä tuhoaisi sähkökentän.

Levyjen väliin putoavia öljypisaroita M Ja N, valaisee voimakkaasta lähteestä. Pisaroiden käyttäytymistä havaittiin kohtisuorassa kaukoputken läpi kulkevien säteiden suuntaan.

Pisarakondensaatioon tarvittavat ionit luotiin säteilyllä 200 mg:n radiumipalasta, joka sijaitsee 3-10 cm:n etäisyydellä levyjen sivusta.

Erityistä laitetta käyttämällä männän laskeminen laajensi kaasua. 1 - 2 s laajennuksen jälkeen radium poistettiin tai peitettiin lyijyseulalla. Sitten sähkökenttä käynnistettiin ja putoamisen havainnointi teleskooppiin aloitettiin. Putkessa oli asteikko, jolla oli mahdollista laskea pisaran kulkema reitti tietyn ajanjakson aikana. Aika tallennettiin tarkalla lukolla varustetulla kellolla.

Havaintojensa aikana Millikan löysi ilmiön, joka toimi avaimena koko sarjaan myöhempiä yksittäisten alkuainevarausten tarkkoja mittauksia.

Millikan kirjoittaa, että työskennellessäni roikkuvien pisaroiden parissa unohdin useita kertoja suojata ne radiumsäteilyltä. Sitten satuin huomaamaan, että aika ajoin yksi pisaroista yhtäkkiä vaihtoi varaustaan ​​ja alkoi liikkua kenttää pitkin tai sitä vastaan, ilmeisesti vangiten ensimmäisessä tapauksessa positiivisen ja toisessa tapauksessa negatiivisen ionin. Tämä avasi mahdollisuuden mitata luotettavasti paitsi yksittäisten pisaroiden varauksia, kuten olin tehnyt siihen asti, myös yksittäisen ilmakehän ionin varausta.

Todellakin, mittaamalla saman pisaran nopeuden kahdesti, kerran ennen ionin sieppaamista ja kerran sen jälkeen, voisin tietysti sulkea pois pisaran ominaisuudet ja väliaineen ominaisuudet ja toimia arvolla, joka on verrannollinen vain ionin varaukseen. vangittu ioni."

3.2.4. Perusmaksulaskenta:

Millikan laski perusvarauksen seuraavien näkökohtien perusteella. Pisaran liikenopeus on verrannollinen siihen vaikuttavaan voimaan, eikä se riipu pisaran varauksesta.
Jos pisara putoaa kondensaattorin levyjen väliin pelkän painovoiman vaikutuksesta nopeudella υ , Että

υ 1 = kmg (1)

Kun painovoimaa vastaan ​​suunnattu kenttä kytketään päälle, vaikuttava voima on ero qE - mg, Missä q- pudota lataus, E - kentänvoimakkuusmoduuli.

Pudotusnopeus on yhtä suuri kuin:

υ 2 =k(qE-mg) (2)

Jos jaamme yhtälön (1) luvulla (2), saamme

NOIN tässä

Anna pisaran vangita ioni ja sen varauksesta tulee yhtä suuri kuin q", ja liikkeen nopeus υ 2 . Tämän loukkuun jääneen ionin varausta merkitään e.

Sitten e = q" - q.

Käyttämällä (3) saamme

Arvo on vakio tietylle pudotukselle.

3.2.5. Johtopäätökset Millikanin menetelmästä

Näin ollen mikä tahansa pudotuksen keräämä varaus on verrannollinen nopeuseroon ( υ " 2 - υ 2 ), toisin sanoen, on verrannollinen ionien sieppauksesta johtuvaan pisaran nopeuden muutokseen! Niinpä perusvarauksen mittaus supistettiin pisaran kulkeman reitin ja ajan mittaamiseen, jonka aikana tämä reitti kulki. Lukuisat havainnot ovat osoittaneet kaavan (4) pätevyyden. Kävi ilmi, että arvo e voi muuttua vain harppauksin! Maksuja noudatetaan aina e, 2e, 3e, 4e jne.

"Monissa tapauksissa", kirjoittaa Millikan, "pudotusta havaittiin viisi tai kuusi tuntia, ja tänä aikana se ei vanginnut kahdeksan tai kymmentä ionia, vaan satoja niistä. Kaiken kaikkiaan olen havainnut useiden tuhansien ionien sieppaamisen tällä tavalla, ja kaikissa tapauksissa siepattu varaus... oli joko täsmälleen yhtä suuri kuin pienin kaikista siepatuista varauksista tai se oli yhtä suuri kuin tämän pieni kokonaislukukerrannainen arvo. Tämä on suora ja kiistämätön todiste siitä, että elektroni ei ole "tilastollinen keskiarvo", vaan että kaikki ionien sähkövaraukset ovat joko täsmälleen yhtä suuria kuin elektronin varaus tai edustavat tuon varauksen pieniä kokonaislukukertoja.

Joten sähkövarauksen atomisuudesta, diskreettisyydestä tai nykykielellä kvantisoinnista on tullut kokeellinen tosiasia. Nyt oli tärkeää osoittaa, että elektroni on niin sanotusti kaikkialla läsnä. Mikä tahansa sähkövaraus minkä tahansa luonteisessa kappaleessa on samojen alkuvarausten summa.

Millikanin menetelmä mahdollisti yksiselitteisen vastauksen tähän kysymykseen. Ensimmäisissä kokeissa varaukset luotiin ionisoimalla neutraaleja kaasumolekyylejä radioaktiivisen säteilyn virralla. Pisaroiden vangitsemien ionien varaus mitattiin.

Kun nestettä ruiskutetaan suihkepullolla, pisarat sähköistyvät kitkan vuoksi. Tämä tiedettiin hyvin jo 1800-luvulla. Ovatko nämä varaukset myös kvantisoituja, kuten ionivaraukset? Millikan "punnitsee" pisarat ruiskutuksen jälkeen ja mittaa varaukset edellä kuvatulla tavalla. Kokemus paljastaa saman sähkövarauksen diskreettisyyden.

Ripottelemalla öljyä (dielektristä), glyseriiniä (puolijohde), elohopeaa (johde) Millikan todistaa, että minkä tahansa fyysisen luonteen kappaleiden varaukset koostuvat kaikissa tapauksissa poikkeuksetta yksittäisistä alkuaineosista, joiden suuruus on tiukasti vakio. Vuonna 1913 Millikan tiivisti lukuisten kokeiden tulokset ja antoi seuraavan arvon alkuvaraukselle: e= 4,774. 10-10 yksikköä SGSE-maksu. Näin perustettiin yksi modernin fysiikan tärkeimmistä vakioista. Sähkövarauksen määrittämisestä tuli yksinkertainen aritmeettinen tehtävä.

3.4 Compton-kuvausmenetelmä:

C.T.R.:n löydöllä oli tärkeä rooli elektronin todellisuuden ajatuksen vahvistamisessa. Wilson, vesihöyryn tiivistymisen vaikutus ioneihin, mikä johti mahdollisuuteen valokuvata hiukkasten jälkiä.

He sanovat, että A. Compton ei voinut luennolla vakuuttaa skeptistä kuuntelijaa mikrohiukkasten olemassaolon todellisuudesta. Hän vaati uskovansa vasta nähtyään ne omin silmin.
Sitten Compton näytti valokuvan, jossa oli alfahiukkasrata, jonka vieressä oli sormenjälki. "Tiedätkö mitä tämä on?" - kysyi Compton. "Sormi", vastasi kuuntelija. "Siinä tapauksessa", Compton sanoi juhlallisesti, "tämä valoraita on hiukkanen."
Valokuvat elektronien jäljistä eivät ainoastaan ​​todistaneet elektronien todellisuudesta. Ne vahvistivat oletuksen elektronien pienestä koosta ja mahdollistivat teoreettisten laskelmien, jotka sisälsivät elektronin säteen, tuloksia verrata kokeeseen. Kokeet, jotka alkoivat Lenardin tutkimuksella katodisäteiden läpäisyvoimasta, osoittivat, että radioaktiivisten aineiden lähettämät erittäin nopeat elektronit tuottavat kaasuun raitoja suorina viivoina. Radan pituus on verrannollinen elektronin energiaan. Valokuvat korkeaenergisten α-hiukkasten jäljestä osoittavat, että jäljet ​​koostuvat suuresta määrästä pisteitä. Jokainen piste on vesipisara, joka ilmestyy ionille, joka muodostuu elektronin törmäyksen seurauksena atomin kanssa. Kun tiedämme atomin koon ja sen pitoisuuden, voimme laskea atomien lukumäärän, jonka läpi α-hiukkasen täytyy kulkea tietyllä etäisyydellä. Yksinkertainen laskelma osoittaa, että alfahiukkasen täytyy kulkea noin 300 atomia, ennen kuin se kohtaa matkallaan yhden atomin kuoren muodostavista elektroneista ja tuottaa ionisaation.

Tämä tosiasia osoittaa vakuuttavasti, että elektronien tilavuus on mitätön murto-osa atomin tilavuudesta. Matalaenergiaisen elektronin rata on kaareva, joten hidas elektroni poikkeaa atominsisäisen kentän vaikutuksesta. Se tuottaa enemmän ionisaatiotapahtumia matkallaan.

Sirontateoriasta voidaan saada dataa elektronin energiasta riippuvien taipumakulmien arvioimiseksi. Nämä tiedot vahvistavat hyvin todellisten jälkien analyysi. Teorian yhteensopivuus kokeen kanssa vahvisti käsitystä elektronista aineen pienimpänä hiukkasena.

Johtopäätös:

Alkuperäisen sähkövarauksen mittaus avasi mahdollisuuden määrittää tarkasti useita tärkeitä fyysisiä vakioita.
Suuruuden tuntemus e mahdollistaa automaattisesti perusvakion - Avogadron vakion - arvon määrittämisen. Ennen Millikanin kokeita Avogadron vakiosta oli olemassa vain karkeita arvioita, jotka saatiin kaasujen kineettisellä teorialla. Nämä arviot perustuivat laskelmiin ilmamolekyylin keskimääräisestä säteestä ja vaihtelivat melko laajalla alueella 2:sta. 10 23-20 . 10 23 1/mol.

Oletetaan, että tiedämme maksun Q, kulki elektrolyyttiliuoksen läpi, ja aineen M määrä, joka oli kerrostunut elektrodille. Sitten, jos ionin varaus on Ze 0 ja sen massa m 0 , tasa-arvo täyttyy

Jos kerrostuneen aineen massa on yhtä moolia,

Että Q=F- Faradayn vakio ja F=N 0 e, missä:

On selvää, että Avogadron vakion määrittämisen tarkkuus määräytyy sen tarkkuuden mukaan, jolla elektronin varaus mitataan. Käytäntö on vaatinut perusvakioiden määritystarkkuuden lisäämistä, ja tämä oli yksi kannustimia jatkaa sähkövarauksen kvanttimittausmetodologian kehittämistä. Tämä nyt puhtaasti metrologinen työ jatkuu tähän päivään asti.

Tällä hetkellä tarkimmat arvot ovat:

e= (4,8029±0,0005) 10-10 . yksiköitä SGSE maksu;

N 0 = (6,0230±0,0005) 10 23 1/mol.

Tietäen No, on mahdollista määrittää kaasumolekyylien lukumäärä 1 cm 3:ssä, koska 1 kaasumoolin viemä tilavuus on jo tunnettu vakioarvo.

Kaasumolekyylien lukumäärän tietäminen 1 cm 3:ssä mahdollisti puolestaan ​​molekyylin lämpöliikkeen keskimääräisen kineettisen energian määrittämisen. Lopuksi elektronin varauksesta voidaan määrittää Planckin vakio ja Stefan-Boltzmannin vakio lämpösäteilyn laissa.

Metodologinen huomautus. Opiskelijat tietävät elektronin jo kemian kurssilta ja sitä vastaavalta VII luokan oppimäärän osa-alueelta. Nyt meidän on syvennettävä ymmärrystämme aineen ensimmäisestä alkeishiukkasesta, muistettava oppimamme, yhdistettävä se "Sähköstaattinen" -osion ensimmäiseen aiheeseen ja siirryttävä alkeisvarauksen korkeammalle tulkintatasolle. On syytä pitää mielessä sähkövarauksen käsitteen monimutkaisuus. Ehdotettu retki voi auttaa paljastamaan tämän käsitteen ja pääsemään asian ytimeen.

Elektronilla on monimutkainen historia. Tavoitteen saavuttamiseksi mahdollisimman lyhyellä tavalla on suositeltavaa toteuttaa tarina seuraavasti.

Elektronin löytäminen oli lukuisten kokeiden tulos. 1900-luvun alkuun mennessä. elektronin olemassaolo vahvistettiin useissa riippumattomissa kokeissa. Mutta huolimatta kokonaisten kansallisten koulujen keräämästä valtavasta kokeellisesta materiaalista, elektroni jäi hypoteettiseksi hiukkaseksi, koska kokemus ei ollut vielä vastannut useisiin peruskysymyksiin.

Ensinnäkin, ei ollut yhtä koetta, jossa olisi mukana yksittäisiä elektroneja. Alkuainevaraus laskettiin mikroskooppisen varauksen mittausten perusteella olettaen useiden hypoteesien pätevyyttä.

Epävarmuus oli pohjimmiltaan tärkeässä kohdassa. Elektroni ilmestyi ensin elektrolyysin lakien atomitulkinnan seurauksena, sitten se löydettiin kaasupurkauksesta. Ei ollut selvää, käsittelikö fysiikka todella samaa objektia. Suuri joukko skeptisiä luonnontieteilijöitä uskoi, että alkeisvaraus on tilastollinen keskiarvo erikokoisista varauksista. Lisäksi yksikään elektronin varausta mittaavista kokeista ei antanut tarkasti toistettavia arvoja.

Oli skeptikkoja, jotka yleensä jättivät elektronin löytämisen huomiotta. Akateemikko A.F. Ioffe kirjoitti muistelmissaan opettajastaan ​​V.K. Roentgenista: "Vuoteen 1906-1907 asti sanaa elektroni ei olisi pitänyt lausua Münchenin yliopiston fysiikan instituutissa. Roentgen piti sitä todistamattomana hypoteesina, jota käytettiin usein riittämättömästi. perustein ja ilman tarvetta".

Kysymystä elektronin massasta ei ole ratkaistu, eikä ole todistettu, että sekä johtimien että eristeiden varaukset koostuvat elektroneista. Käsitteellä "elektroni" ei ollut yksiselitteistä tulkintaa, koska koe ei ollut vielä paljastanut atomin rakennetta (Rutherfordin planeettamalli ilmestyi vuonna 1911 ja Bohrin teoria vuonna 1913).

Elektroni ei ole vielä päässyt teoreettisiin rakenteisiin. Lorentzin elektroniikkateoriassa oli jatkuvasti jakautunut varaustiheys. Druden kehittämä metallinjohtavuuden teoria käsitteli diskreettejä varauksia, mutta nämä olivat mielivaltaisia ​​varauksia, joiden arvolle ei asetettu rajoituksia.

Elektroni ei ole vielä poistunut "puhtaan" tieteen kehyksestä. Muistakaamme, että ensimmäinen tyhjiöputki ilmestyi vasta vuonna 1907.

Siirtyäkseen uskosta vakaumukseen oli ensinnäkin tarpeen eristää elektroni, keksiä menetelmä alkeisvarauksen suoraa ja tarkkaa mittaamista varten.

Tämän ongelman ratkaisi amerikkalainen fyysikko Robert Millikan (1868-1953) vuonna 1906 alkaneilla hienovaraisilla kokeilla.

Robert Milliken syntyi vuonna 1868 Illinoisissa köyhän papin perheeseen. Hän vietti lapsuutensa Maquoketan provinssissa, jossa urheiluun ja huonoon opetukseen kiinnitettiin paljon huomiota. Fysiikkaa opettanut lukion rehtori sanoi esimerkiksi nuorille kuuntelijoilleen: "Kuinka voit tehdä ääntä aalloista? Hölynpölyä, pojat, kaikki on hölynpölyä!"

Oberdeen College ei ollut parempi, mutta Milliken, jolla ei ollut taloudellista tukea, joutui opettamaan lukion fysiikkaa itse. Amerikassa oli tuolloin vain kaksi ranskasta käännettyä fysiikan oppikirjaa, eikä lahjakkaalla nuorella miehellä ollut vaikeuksia opiskella ja opettaa niitä menestyksekkäästi. Vuonna 1893 hän tuli Columbian yliopistoon ja meni sitten opiskelemaan Saksaan.

Milliken oli 28-vuotias, kun hän sai A. Michelsonilta tarjouksen assistentin virkaan Chicagon yliopistoon. Aluksi hän harjoitti täällä lähes yksinomaan pedagogista työtä, ja vasta 40-vuotiaana aloitti tieteellisen tutkimuksen, joka toi hänelle maailmankuulun.

Ensimmäiset kokeet kiteytyivät seuraavaan. Litteän kondensaattorin levyjen väliin, johon syötettiin 4000 V jännite, syntyi pilvi, joka koostui ioneille kerrostuneista vesipisaroista. Ensinnäkin pilven huipun havaittiin putoavan ilman sähkökenttää. Sitten syntyi pilvi, kun jännite oli päällä. Pilven putoaminen tapahtui painovoiman ja sähkövoiman vaikutuksesta.

Pilven pisaraan vaikuttavan voiman suhde sen saavuttamaan nopeuteen on sama ensimmäisessä ja toisessa tapauksessa. Ensimmäisessä tapauksessa voima on mg, toisessa mg + qE, missä q on pisaran varaus, E on sähkökentän voimakkuus. Jos nopeus ensimmäisessä tapauksessa on v 1 toisessa tapauksessa v 2, niin

Kun tiedämme pilven putoamisnopeuden v riippuvuuden ilman viskositeetista, voimme laskea tarvittavan varauksen q. Tämä menetelmä ei kuitenkaan antanut haluttua tarkkuutta, koska se sisälsi hypoteettisia oletuksia, jotka eivät olleet kokeen tekijän hallinnassa.

Mittausten tarkkuuden lisäämiseksi oli ensisijaisesti löydettävä tapa ottaa huomioon pilven haihtuminen, jota väistämättä tapahtui mittausprosessin aikana.

Tätä ongelmaa pohtiessaan Millikan keksi klassisen pudotusmenetelmän, joka avasi joukon odottamattomia mahdollisuuksia. Annamme kirjoittajan itsensä kertoa tarinan keksinnöstä:

"Ymmärsin, että pisaroiden haihtumisnopeus jäi tuntemattomaksi, yritin keksiä menetelmän, joka eliminoi tämän epävarman arvon kokonaan. Suunnitelmani oli seuraava. Aiemmissa kokeissa sähkökenttä pystyi vain hieman lisäämään tai vähentämään pilven huipun putoaminen painovoiman vaikutuksesta. Nyt "Halusin vahvistaa sitä kenttää niin paljon, että pilven yläpinta pysyi vakiokorkeudella. Tässä tapauksessa tuli mahdolliseksi määrittää tarkasti pilven haihtumisnopeus pilvi ja ota se huomioon laskelmissa." Tämän idean toteuttamiseksi Millikan suunnitteli pienen kokoisen ladattavan akun, joka tuotti jopa 104 V:n jännitteen (silloin tämä oli kokeilijan erinomainen saavutus). Sen piti luoda tarpeeksi vahva kenttä pitääkseen pilven riippuvana, kuten "Muhammedin arkun".

"Kun minulla oli kaikki valmiina", Millikan kertoo, "ja kun pilvi muodostui, käänsin kytkintä ja pilvi oli sähkökentässä. Ja sillä hetkellä se suli silmieni edessä, eli ei pieni pala koko pilvestä jäi jäljelle, jota voitiin tarkkailla ohjausoptisella instrumentilla, kuten Wilson teki ja aioin tehdä. Kuten aluksi näytti, pilven katoaminen jälkiä jättämättä sähkökentässä ylä- ja alemmat levyt tarkoittivat, että kokeilu päättyi turhaan..."

Kuitenkin, kuten tieteen historiassa on usein tapahtunut, epäonnistuminen synnytti uuden idean. Se johti kuuluisaan pudotusmenetelmään. "Toistetut kokeet", kirjoittaa Millikan, "osoittivat, että sen jälkeen kun pilvi hajosi voimakkaassa sähkökentässä, sen tilalle voitiin erottaa useita yksittäisiä vesipisaroita" (korostus lisätty - V.D.).

"Epäonnistunut" koe johti siihen, että löydettiin mahdollisuus pitää yksittäiset pisarat tasapainossa ja tarkkailla niitä melko pitkään.

Mutta havainnoinnin aikana vesipisaran massa muuttui merkittävästi haihtumisen seurauksena, ja Millikan siirtyi useiden päivien etsinnän jälkeen kokeisiin öljypisaroilla.

Kokeellinen menettely osoittautui yksinkertaiseksi. Adiabaattinen laajeneminen muodostaa pilven kondensaattorilevyjen väliin. Se koostuu pisaroista, joissa on eri suuruisia ja eri merkkisiä varauksia. Kun sähkökenttä kytketään päälle, pisarat, joiden varaus on identtinen kondensaattorin ylälevyn varauksen kanssa, putoaa nopeasti, ja ylempi levy vetää puoleensa pisaroita, joilla on vastakkainen varaus. Mutta tietyllä määrällä pisaroita on sellainen varaus, että sähkövoima tasapainottaa painovoiman.

7 tai 8 minuutin kuluttua pilvi hajoaa ja näkökenttään jää pieni määrä pisaroita, joiden varaus vastaa mainittua voimatasapainoa.

Millikan havaitsi nämä pisarat erillisinä kirkkaina pisteinä. "Näiden pisaroiden historia menee yleensä näin", hän kirjoittaa. "Jos painovoimalla on lievä ylivoima kenttävoimaan nähden, ne alkavat pudota hitaasti, mutta koska ne vähitellen haihtuvat, niiden alaspäin suuntautuva liike pysähtyy pian ja ne muuttua liikkumattomaksi melko pitkäksi aikaa. "Sitten kenttä alkaa hallita ja pisarat alkavat hitaasti nousta. Elinikänsä loppua kohti levyjen välisessä tilassa tämä ylöspäin suuntautuva liike kiihtyy ja ne houkuttelevat suurella nopeudella ylälevylle."

Kaavio Millikanin asennuksesta, jolla saatiin ratkaisevia tuloksia vuonna 1909, on esitetty kuvassa 17.

Kammioon C sijoitettiin pyöreistä messinkilevyistä M ja N valmistettu litteä kondensaattori, jonka halkaisija oli 22 cm (niiden välinen etäisyys oli 1,6 cm). Ylälevyn keskelle tehtiin pieni reikä p, jonka läpi öljypisarat kulkivat. Jälkimmäiset muodostettiin ruiskuttamalla öljyvirta ruiskulla. Ilma puhdistettiin aiemmin pölystä ohjaamalla se lasivillaputken läpi. Öljypisaroiden halkaisija oli noin 10-4 cm.

Kondensaattorilevyihin syötettiin 104 V jännite akusta B. Kytkimen avulla levyt pystyttiin oikosulkemaan ja siten tuhota sähkökenttä.

Levyjen M ja N väliin putoavat öljypisarat valaistiin voimakkaalla lähteellä. Pisaroiden käyttäytymistä havaittiin kohtisuorassa kaukoputken läpi kulkevien säteiden suuntaan.

Pisarakondensaatioon tarvittavat ionit luotiin säteilyllä 200 mg:n radiumipalasta, joka sijaitsee 3-10 cm:n etäisyydellä levyjen sivusta.

Erityistä laitetta käyttämällä männän laskeminen laajensi kaasua. 1-2 s laajentamisen jälkeen radium poistettiin tai peitettiin lyijyseulalla. Sitten sähkökenttä käynnistettiin ja pisaroiden havainnointi teleskoopin läpi aloitettiin.

Putkessa oli asteikko, jolla oli mahdollista laskea pisaran kulkema reitti tietyn ajanjakson aikana. Aika tallennettiin tarkalla lukolla varustetulla kellolla.

Havaintojensa aikana Millikan löysi ilmiön, joka toimi avaimena koko sarjaan myöhempiä yksittäisten alkuainevarausten tarkkoja mittauksia.

"Työskennellessäni ripustettujen pisaroiden parissa", kirjoittaa Millikan, "uhan useita kertoja suojata ne radiumsäteilyltä. Sitten satuin huomaamaan, että ajoittain yksi pisaroista yhtäkkiä vaihtoi varaustaan ​​ja alkoi liikkua pitkin kenttää tai sitä vastaan, ilmeisesti vangitsemalla ensimmäisessä tapauksessa positiivisen ionin ja toisessa tapauksessa negatiivisen ionin. Tämä avasi mahdollisuuden mitata varmuudella paitsi yksittäisten pisaroiden varauksia, kuten olin tehnyt siihen asti, myös varausta yksittäisestä ilmakehän ionista.

Itse asiassa mittaamalla saman pisaran nopeuden kahdesti, kerran ennen ja kerran ionin sieppauksen jälkeen, voisin ilmeisesti sulkea pois pisaran ominaisuudet ja väliaineen ominaisuudet ja toimia vain varaukseen verrannollisella arvolla. siepatusta ionista."

Millikan laski perusvarauksen seuraavien näkökohtien perusteella. Pisaran liikenopeus on verrannollinen siihen vaikuttavaan voimaan, eikä se riipu pisaran varauksesta.

Jos pisara putoaa kondensaattorin levyjen väliin painovoiman vaikutuksesta vain nopeudella v 1, niin

Kun painovoimaa vastaan ​​suunnattu kenttä kytketään päälle, vaikuttava voima on erotus qE = mg, missä q on pisaran varaus, E on kentänvoimakkuuden moduuli.

Pudotusnopeus on yhtä suuri kuin:

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

Jos jaamme yhtälön (1) luvulla (2), saamme

Anna pisara vangita ionin ja sen varauksesta tulee yhtä suuri kuin q′ ja liikkeen nopeus v 2′. Tämän loukkuun jääneen ionin varausta merkitään e. Silloin e = q′ - q.

Käyttämällä (3) saamme

Arvo on vakio tietylle pudotukselle.

Näin ollen mikä tahansa pisaran vangitsema varaus on verrannollinen nopeuseroon (v′ 2 -v 2), toisin sanoen verrannollinen ionin sieppaamisesta johtuvaan pudotuksen nopeuden muutokseen!

Niinpä perusvarauksen mittaus supistettiin pisaran kulkeman reitin ja ajan mittaamiseen, jonka aikana tämä reitti kulki.

Lukuisat havainnot ovat osoittaneet kaavan (4) pätevyyden. Kävi ilmi, että e:n arvo voi muuttua vain hyppyissä! Varaukset e, 2e, 3e, 4e jne. huomioidaan aina.

"Monissa tapauksissa", kirjoittaa Millikan, "pudotusta havainnoitiin viisi tai kuusi tuntia, ja tänä aikana se ei vanginnut kahdeksaa tai kymmentä ionia, vaan satoja niistä. Kaiken kaikkiaan havaitsin useiden tuhansien ionien sieppaamisen tällä tavalla ja kaikissa tapauksissa siepattu varaus... oli joko täsmälleen yhtä suuri kuin pienin kaikista siepatuista varauksista tai se oli yhtä suuri kuin tämän arvon pieni kokonaislukukerrannainen. Tämä on suora ja kiistämätön todiste siitä, että elektroni ei ole "tilastollinen keskiarvo", vaan että kaikki ionien sähkövaraukset ovat joko täsmälleen yhtä suuria kuin elektronin varaus tai edustavat tuon varauksen pieniä kokonaislukukertoja."

Joten sähkövarauksen atomisuudesta, diskreettisyydestä tai nykykielellä kvantisoinnista on tullut kokeellinen tosiasia. Nyt oli tärkeää osoittaa, että elektroni on niin sanotusti kaikkialla läsnä. Mikä tahansa sähkövaraus minkä tahansa luonteisessa kappaleessa on samojen alkuvarausten summa.

Millikanin menetelmä mahdollisti yksiselitteisen vastauksen tähän kysymykseen.

Ensimmäisissä kokeissa varaukset luotiin ionisoimalla neutraaleja kaasumolekyylejä radioaktiivisen säteilyn virralla. Pisaroiden vangitsemien ionien varaus mitattiin.

Kun nestettä ruiskutetaan suihkepullolla, pisarat sähköistyvät kitkan vuoksi. Tämä tiedettiin hyvin jo 1800-luvulla. Ovatko nämä varaukset myös kvantisoituja, kuten ionivaraukset?

Millikan "punnitsee" pisarat ruiskutuksen jälkeen ja mittaa varaukset edellä kuvatulla tavalla. Kokemus paljastaa saman sähkövarauksen diskreettisyyden.

Ripottelemalla öljyä (dielektristä), glyseriiniä (puolijohde), elohopeaa (johde) Millikan todistaa, että minkä tahansa fyysisen luonteen kappaleiden varaukset koostuvat kaikissa tapauksissa poikkeuksetta yksittäisistä alkuaineosista, joiden suuruus on tiukasti vakio.

Vuonna 1913 Millikan tiivisti lukuisten kokeiden tulokset ja antoi alkuvaraukselle seuraavan arvon: e = 4,774·10 -10 yksikköä. SGSE-maksu.

Näin perustettiin yksi modernin fysiikan tärkeimmistä vakioista. Sähkövarauksen määrittämisestä tuli yksinkertainen aritmeettinen tehtävä.

Elektroninen visualisointi. Tärkeä rooli elektronin todellisuuden ajatuksen vahvistamisessa oli G. A. Wilsonin löydöllä vesihöyryn tiivistymisen vaikutuksesta ioneihin, mikä johti mahdollisuuteen valokuvata hiukkasten jälkiä.

He sanovat, että A. Compton ei voinut luennolla vakuuttaa skeptistä kuuntelijaa mikrohiukkasten olemassaolon todellisuudesta. Hän vaati uskovansa vasta nähtyään ne omin silmin.

Sitten Compton näytti valokuvan α-hiukkasten jäljestä, jonka vieressä oli sormenjälki. "Tiedätkö mitä tämä on?" - kysyi Compton. "Sormi", kuuntelija vastasi. "Siinä tapauksessa", Compton sanoi juhlallisesti, "tämä valoraita on hiukkanen."

Valokuvat elektronien jäljistä eivät ainoastaan ​​todistaneet elektronien todellisuudesta. Ne vahvistivat oletuksen elektronien pienestä koosta ja mahdollistivat teoreettisten laskelmien, jotka sisälsivät elektronin säteen, tuloksia verrata kokeeseen. Kokeet, jotka alkoivat Lenardin tutkimuksella katodisäteiden läpäisyvoimasta, osoittivat, että radioaktiivisten aineiden lähettämät erittäin nopeat elektronit tuottavat kaasuun raitoja suorina viivoina. Radan pituus on verrannollinen elektronin energiaan. Valokuvat korkeaenergisten α-hiukkasten jäljestä osoittavat, että jäljet ​​koostuvat suuresta määrästä pisteitä. Jokainen piste on vesipisara, joka ilmestyy ionille, joka muodostuu elektronin törmäyksen seurauksena atomin kanssa. Kun tiedämme atomin koon ja sen pitoisuuden, voimme laskea atomien lukumäärän, jonka läpi α-hiukkasen täytyy kulkea tietyllä etäisyydellä. Yksinkertainen laskelma osoittaa, että alfahiukkasen täytyy kulkea noin 300 atomia ennen kuin se kohtaa matkallaan yhden elektronin, joka muodostaa atomin kuoren ja tuottaa ionisaation.

Tämä tosiasia osoittaa vakuuttavasti, että elektronien tilavuus on mitätön murto-osa atomin tilavuudesta. Matalaenergiaisen elektronin rata on kaareva, joten hidas elektroni poikkeaa atominsisäisen kentän vaikutuksesta. Se tuottaa enemmän ionisaatiotapahtumia matkallaan.

Sirontateoriasta voidaan saada dataa taipumakulmien arvioimiseksi elektronienergian funktiona. Nämä tiedot vahvistetaan hyvin analysoimalla oikeita jälkiä. Teorian ja kokeen välinen sopimus vahvisti ajatusta elektronista aineen pienimpänä hiukkasena.

Alkuperäisen sähkövarauksen mittaus avasi mahdollisuuden määrittää tarkasti useita tärkeitä fyysisiä vakioita.

e:n arvon tunteminen mahdollistaa automaattisesti perusvakion – Avogadron vakion – arvon määrittämisen. Ennen Millikanin kokeita Avogadron vakiosta oli olemassa vain karkeita arvioita, jotka saatiin kaasujen kineettisellä teorialla. Nämä arviot perustuivat laskelmiin ilmamolekyylin keskimääräisestä säteestä ja vaihtelivat melko laajalla alueella 2·10 23 - 20·10 23 1/mol.

Oletetaan, että tiedämme elektrolyyttiliuoksen läpi kulkeneen varauksen Q ja elektrodille kertyneen aineen M määrän. Silloin, jos ionin varaus on Ze 0 ja sen massa m 0, yhtälö pätee

Jos kerrostuneen aineen massa on yhtä moolia, niin Q = F on Faradayn vakio ja F = N 0 e, jolloin N 0 = F/e. On selvää, että Avogadron vakion määrittämisen tarkkuus määräytyy sen tarkkuuden mukaan, jolla elektronin varaus mitataan.

Käytäntö on vaatinut perusvakioiden määrittämisen tarkkuuden lisäämistä, ja tämä oli yksi kannustimia jatkaa sähkövarauksen kvanttimittaustekniikan kehittämistä. Tämä nyt puhtaasti metrologinen työ jatkuu tähän päivään asti.

Tällä hetkellä tarkimmat arvot ovat:

e = (4,8029±0,0005) 10 -10 yksikköä. SGSE maksu;

N 0 = (6,0230 ± 0,0005) 10 23 1/mol.

Tietäen N 0:n on mahdollista määrittää kaasumolekyylien lukumäärä 1 cm 3:ssä, koska 1 kaasumoolin viemä tilavuus on jo tunnettu vakioarvo.

Kaasumolekyylien lukumäärän tietäminen 1 cm 3:ssä mahdollisti puolestaan ​​molekyylin lämpöliikkeen keskimääräisen kineettisen energian määrittämisen.

Lopuksi elektronin varauksesta voidaan määrittää Planckin vakio ja Stefan-Boltzmannin vakio lämpösäteilyn laissa.

Parshina Anna, Sevalnikov Aleksei, Luzyanin Roman.

Työn tavoite: oppia määrittämään alkuvarauksen arvo elektrolyysillä; opiskella maksun määritysmenetelmät elektroni.

Laitteet: sylinterimäinen astia kuparisulfaattiliuoksella, lamppu, elektrodit, vaa'at, ampeerimittari, vakiojännitelähde, reostaatti, kello, avain, liitäntäjohdot.

Ladata:

Esikatselu:

Jos haluat käyttää esityksen esikatselua, luo Google-tili ja kirjaudu sisään siihen: https://accounts.google.com

Dian kuvatekstit:

Laboratoriotyö Alkuvarauksen määritys elektrolyysillä Suorittavat Chuchkovskajan lukion 10. luokan oppilaat: Anna Parshina, Aleksei Sevalnikov, Roman Luzyanin. Johtaja: fysiikan opettaja Chekalina O.Yu.

Työn tarkoitus: oppia määrittämään alkuvarauksen arvo elektrolyysillä; tutkimusmenetelmiä elektronin varauksen määrittämiseksi. Varusteet: sylinterimäinen astia kuparisulfaattiliuoksella, lamppu, elektrodit, vaaka, ampeerimittari, vakiojännitelähde, reostaatti, kello, avain, liitäntäjohdot.

Olemme koonneet ketjun: Työn edistyminen:

Työmme tulos

Opimme alkuainevarauksen arvon määrittämisen elektrolyysillä ja tutkimme menetelmiä elektronin varauksen määrittämiseen. Johtopäätös:

V. Ya. Bryusov "Elektronin maailma" Ehkä nämä elektronit ovat maailmoja, joissa on viisi maanosaa, taide, tieto, sodat, valtaistuimet ja neljänkymmenen vuosisadan muisto! Ehkä myös jokainen atomi on universumi, jossa on sata planeettaa; Kaikki mikä täällä on, on siellä, pakattuna, mutta myös se, mitä ei ole täällä. Heidän mittansa ovat pieniä, mutta Heidän äärettömyytensä on silti sama, kuten täällä; Siellä on surua ja intohimoa, kuten täälläkin, ja sielläkin on samaa maallista ylimielisyyttä. Heidän viisautensa, asetettuaan rajattoman maailmansa olemassaolon keskipisteeseen, kiiruhtavat tunkeutumaan mysteerin kipinöihin Ja ajattelemaan, kuten minä nyt; Ja sillä hetkellä, kun uusien voimien virrat syntyvät tuhosta, he huutavat itsehypnoosin unissa, että Jumala on sammuttanut soihtunsa!

ALMIOIDEN MÄÄRITELMÄ

SÄHKÖLATAUS ELEKTROLYYSIMENETELMÄLLÄ

Laitteet: Tasavirtalähde, kyvetti elektrodeineen Elektrolyyttisarjasta, laboratoriovolttimittari, vastus, vaaka painoilla tai elektronisella, avain, liitäntäjohdot, kuparisulfaattiliuos, sekuntikello (tai kello toisella osoittimella).

TYÖN SELITYKSET. Elektronin varauksen määrittämiseksi voit käyttää Faradayn elektrolyysin lakia, jossa m on katodilla vapautuneen aineen massa; M on aineen moolimassa; n on aineen valenssi; e - elektronin varaus; Na on Avogadron vakio; I on virran voimakkuus elektrolyytissä; ∆t on aika, joka kuluu virran kulkemiseen elektrolyytin läpi.

Tästä kaavasta käy selvästi ilmi, että työn tavoitteen saavuttamiseksi on tiedettävä katodilla vapautuvan aineen moolimassa, sen valenssi ja Avogadron vakio. Lisäksi kokeen aikana on tarpeen mitata virran voimakkuus ja sen virtausaika sekä elektrolyysin päätyttyä katodilla vapautuvan aineen massa.

Kokeen suorittamiseen käytetään kuparisulfaatin kyllästettyä vesiliuosta, joka kaadetaan kyvettiin, jossa on kaksi kuparielektrodia. Yksi elektrodi on kiinnitetty jäykästi kyvetin keskelle ja toinen (irrotettava) on sen seinällä.

Vesiliuoksessa tapahtuu paitsi kuparisulfaatin (CuS04 = Cu2+ +), myös veden (H20 = H+ + OH -) molekyylien dissosiaatiota, vaikkakin heikosti. Siten CuS04:n vesiliuos sisältää sekä positiivisia Cu2+- ja H+-ioneja että negatiivisia SO2- ja OH-ioneja. Jos elektrodien väliin syntyy sähkökenttä, positiiviset ionit alkavat liikkua kohti katodia ja negatiiviset ionit anodia kohti. Cu2+- ja H+-ionit lähestyvät katodia, mutta ne eivät kaikki purkaudu. Tämä selittyy sillä, että kupari- ja vetyatomit muuttuvat helposti positiivisesti varautuneiksi ioneiksi menettäen ulkoiset elektroninsa. Mutta kupari-ioni kiinnittää elektronin helpommin kuin vety-ioni. Siksi kupari-ionit purkautuvat katodissa.

Negatiiviset ionit ja OH- liikkuvat kohti anodia, mutta mikään niistä ei purkautu. Tässä tapauksessa kupari alkaa liueta. Tämä selittyy sillä, että kupariatomit luovuttavat helpommin elektroneja sähköpiirin ulkoosaan kuin ionit ja OH - ja positiivisiksi ioneiksi tullessaan ne menevät liuokseen: Cu = Cu2+ + 2e-.

Siten kun elektrodit kytketään tasavirtalähteeseen, kuparisulfaattiliuoksessa tapahtuu suunnattua ionien liikettä, mikä johtaa puhtaan kuparin vapautumiseen katodissa.

Jotta vapautunut kuparikerros olisi tiivis ja pysyy hyvin katodilla, elektrolyysi on suositeltavaa suorittaa liuoksessa alhaisella virralla. Ja koska tämä johtaa suureen mittausvirheeseen, työssä käytetään laboratorioampeerimittarin sijasta vastusta ja volttimittaria. Volttimittarin U lukeman ja vastuksen R resistanssin (se on merkitty sen runkoon) perusteella määritetään virranvoimakkuus I. Koeasetuksen kaavio on esitetty kuvassa 12.

Elektrolyytin virranvoimakkuus voi muuttua kokeen aikana, joten sen keskiarvo 1sr korvataan varauksen määrityskaavassa. Keskimääräinen virran arvo määritetään tallentamalla volttimittarin lukemat 30 sekunnin välein koko havaintoajan ajan, sitten ne summataan ja saatu arvo jaetaan mittausten lukumäärällä. Näin Ucp löytyy. Sitten Ohmin lain mukaisesti Icp löydetään piirin osalle. Jännitemittausten tulokset on kätevämpää tallentaa aputaulukkoon.

Virran kulkuaika mitataan sekuntikellolla.

TYÖN VALMISTELUMENETTELY

1. Ilmoita mitkä fysikaaliset suureet ovat suorien mittausten alaisia ​​elektronin varauksen määrittämiseksi tässä työssä käytetyllä menetelmällä. Mitä mittalaitteita käytetään mittausten tekemiseen? Määritä ja kirjoita näiden instrumenttien absoluuttisten virheiden rajat.

2. Määritä ja kirjoita absoluuttisten lukuvirheiden rajat käytettäessä mekaanista sekuntikelloa, volttimittaria ja vaakaa.

3. Kirjoita muistiin kaava absoluuttisen virherajan ∆е määrittämiseksi.

4. Valmistele taulukko mittausten, virheiden ja laskelmien tallentamiseksi.

Valmistele ohjetaulukko volttimittarin lukemien kirjaamiseksi.

VASTAA KYSYMYKSIIN

Miksi virran kulku elektrolyytissä vaikuttaa elektronin varauksen mittaustuloksen virheeseen?

Miten liuoksen pitoisuus vaikuttaa elektronin varauksen mittaustulokseen?

Mikä on kuparin valenssi?

Mikä on kuparin moolimassa?

Mikä on Avogadron vakio?

TYÖN SUORITUSMENETTELY

1. Määritä irrotettavan elektrodin massa t1 asteikolla.

2. Kiinnitä elektrodi kyvettiin ja kokoa kuvan 12 mukainen sähköpiiri. Varmista, että irrotettava elektrodi on kytketty jännitelähteen negatiiviseen napaan.

3. Täytä kyvetti kuparisulfaattiliuoksella, sulje avain ja tallenna volttimittarin lukemat 30 sekunnin välein 15 minuutin ajan.

4. Avaa 15 minuutin kuluttua avain, pura piiri, irrota elektrodi, kuivaa se ja määritä sen massa m2 ja siihen kerrostunut kupari.

5. Laske vapautuneen kuparin massa: t- ja sen mittauksen absoluuttisen virheen raja ∆t.

6. Laske keskimääräinen jännite vastuksen Uav yli ja keskimääräinen virta elektrolyytissä minä ke

7. Laske elektronin varaus e.

8. Laske absoluuttinen virheraja elektronin varauksen ∆e määrittämiseksi.

9. Kirjoita muistiin veloituksen määrityksen tulos absoluuttinen virheraja huomioiden.

10. Vertaa kokeen tuloksista määritettyä elektronivarausta taulukon arvoon.