Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Существование частиц, имеющих наименьший электрический заряд, доказано многими опытами. Рассмотрим опыты, проведенные советским ученым А. Ф. Иоффе и, независимо от него, американским ученым Р. Милликеном.

Ознакомимся сначала с физическим явлением, которое использовано в этих опытах. Это явление состоит в том, что под действием света (особенно ультрафиолетового 1 ) отрицательный: заряд тела уменьшается. Например, цинковая пластинка, заряженная отрицательно, разряжается под действием ультрафиолетового света (рис. 220).

На рисунке 221 изображена установка, использованная в опыте А. Ф. Иоффе. В закрытом сосуде находились две металлические пластины П, расположенные горизонтально. Из камеры A через отверстие 0 в пространство между пластинами попадали мелкие заряженные пылинки цинка. Эти пылинки наблюдали в микроскоп.

1. Ультрафиолетовое излучение - это то самое излучение, которое вызывает загар кожи человека; оно имеется не только в солнечном свете, но и в свете специальных электрических ламп.

Положим, что пылинка k заряжена отрицательно. Под действием силы тяжести F T она начнет падать вниз. Но ее падение можно задержать, если нижнюю пластину, зарядить отрицательным зарядом, а верхнюю - положительным. В электрическом поле между пластинами на пылинку станет действовать электрическая сила F эл. Эта сила пропорциональна заряду пылинки: чем больше заряд у пылинки, тем больше будет и сила F эл; действующая на нее. Можно так зарядить пластины, что эта сила уравновесит силу тяжести: F эл = F T . При этих условиях пылинка будет находиться в равновесии сколь угодно долго. Затем отрицательный заряд пылинки уменьшали, действуя на нее ультрафиолетовым светом. Пылинка начинала падать, так как сила F эл, действовавшая на нее, уменьшалась вследствие уменьшения заряда пылинки. Сообщая пластинам дополнительный заряд, и этим усиливая электрическое поле между пластинами, пылинку снова останавливали. Так поступали несколько раз.

Иоффе Абрам Федорович (1880- 1960) - советский физик, академик. Ему принадлежит ряд открытий в области учения о твердом теле, диэлектриках и полупроводниках. А. Ф, Иоффе является одним из крупных организаторов физических исследований в СССР.

Опыты показали, что при этом все изменения заряда пылинки были в целое число раз (т. е. в 2,3, 4, 5 и т. д.) больше начального заряда пылинки. Следовательно, заряд пылинки изменялся определенными порциями. Из этого опыта А. Ф. Иоффе сделал следующий вывод: «При освещении ультрафиолетовым светом пылинка теряет отрицательный заряд не непрерывно, а отдельными порциями. Заряд пылинки всегда выражается целыми кратными значениями элементарного заряда е 0 . Но заряд с пылинки уходит вместе с частицей вещества. Следовательно, в природе существует такая частица вещества, которая имеет самый маленький заряд, далее уже не делимый. Эту частицу назвали электроном».

Значение заряда электрона впервые определил Р. Милликен. В своих опытах он пользовался мелкими капельками масла, наблюдая за их движением в электрическом поле.

Масса электрона оказалась равной 9,1 10 -28 г, она в 3700 раз меньше массы молекулы водорода, наименьшей из всех молекул. Электрический заряд - одно из основных свойств электрона. Нельзя представить, что этот заряд можно «снять» с электрона, он является неотделимым свойством электрона. Электрон - частица с наименьшим отрицательным зарядом.

Упражнение. В описанном опыте нижнюю пластину зарядили отрицательно. Находящаяся ранее в равновесии капля стала двигаться вверх. Как изменился ее заряд? Увеличилось или уменьшилось число электронов на ней?

> Опыт Милликена

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

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

Задача обучения

• Разобраться в отличии реального заряда электрона и созданного Милликеном.

Основные пункты

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

Термины

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

Эксперимент с масляной каплей

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Исследование электрона Иоффе и Милликеном: как это было

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

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

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

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

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

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

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

Суть эксперимента минимальный отрицательный заряд

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

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

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

Методы: количественное сравнение непосредственных наблюдений с теорией.

Прямота эксперимента: непосредственное наблюдение + теоретический анализ.

Искусственность изучаемых условий: искусственные условия, при которых применима используемая модель.

Исследуемые фундаментальные принципы: дискретность электрического заряда.

Дата: 1910-1913.

В опыте Роберта Эндрюса Милликена (1858-1953) исследовались микрокапли масла К (см. рис. справа), наэлектризованные трением о воздух, а также захватом ионов воздуха, ионизированного ультрафиолетовым излучением. Если поместить такую каплю в вертикальный сосуд с воздухом, то она начнет падать, и скоро установится ее постоянная скорость падения, соответствующая равновесию силы Архимеда, силы вязкого трения и силы тяжести: ток металл заряд инерционный

где - плотность, объем и радиус капли соответственно, - коэффициент сопротивления воздуха, выражающийся через его вязкость согласно закону Стокса, - плотность воздуха. Если теперь в сосуде создать направленное вертикально поле с напряженностью, то в левой части уравнения выше появится слагаемое, где - заряд капли. В опыте масло, пройдя через специальную распыляющую камеру Р , направлялось в пространство между двумя металлическими пластинами, разность потенциалов между которыми составляла до нескольких киловольт (см. рис.). Вначале, при отключенном напряжении, капля начинала падать, при этом за ней наблюдали в микроскоп М , фиксируя установившуюся скорость падения. Однако до того, как капля падала на нижнюю пластину, напряжение включали, чтобы электрическое поле поднимало каплю, и вычисляли установившуюся скорость подъема капли вверх. Вовремя включая и отключая поле, каплю много раз заставляли подниматься и спускаться вниз, при этом нетрудно было вычислить ее заряд. Оказалось, что он был различным в различных измерениях, но все время кратным одному и тому же значению элементарного заряда

Это значение заряда связали впоследствии с зарядом электрона. На самом же деле считается, что капля просто захватывала в процессе своего движения положительно или отрицательно заряженные ионы.

Если говорить об особенностях эксперимента Милликена, то можно сказать, что в нем использовался специально очищенный воздух, а камеру, по которой поднималась и опускалась капля, освещали светом электрической дуги. Это с одной стороны делало каплю видимой, а с другой стороны ионизировало воздух, что давало возможность капле захватывать его ионы. Кроме того, как показано на рисунке, распылитель находился над верхней пластиной, в которой, однако, находилось малое отверстие О , через которое лишь отдельные капли попадали в пространство между пластинами, в котором существовало электрическое поле. В опыте Милликена использовались капли размером порядка микрометра.

Похожий эксперимент был проведен Абрамом Федоровичем Иоффе (1890-1960) с разницей всего в пару лет (Иоффе опубликовал свою работу в 1913 г., уже после Милликена, поэтому в литературе обычно ссылаются на последнего). В его опыте электрическим полем уравновешивались не капли масла, а металлические пылинки, которые электризовались при помощи ионизирующего излучения (тут, однако, заряд должен был быть всегда положительным, поскольку пылинка должна была терять электроны в результате поглощения квантов этого излучения). Поскольку плотность металла значительно превышает плотность воздуха, сила Архимеда является несущественной, кроме того, в опыте Иоффе наблюдалось равновесие частиц, а не их равномерное движение, которое обеспечивалось регулировкой напряжения между пластинами.

Особенность опыта Иоффе была в том, что пылинки, вбрасываемые в камеру-конденсатор, не были изначально нейтральными, однако можно было заметить, что под действием ультрафиолетового излучения они теряли отрицательный заряд, что говорило именно о таком знаке заряда электрона. Это не что иное как фотоэффект, открытый и исследованный Столетовым.

В результате опытов Милликена и Иоффе был установлен фундаментальный для физики факт - дискретность электрического заряда - и найдена количественная характеристика дискретности. Тем не менее, в современной теоретической физике существуют объекты, обладающие дробным зарядом. Это кварки, заряды которых по абсолютной величине составляют и элементарного. Однако эти частицы не существуют в свободном виде, а их связанные состояния - адроны - обладают уже целым зарядом (в единицах элементарного). Тем не менее, в опытах по рассеянию высокоэнергетических частиц на адронах были действительно получены значения зарядов кварков внутри них, кратные трети элементарного заряда.

Величина элементарного электрического заряда тесно связана с безразмерной постоянной тонкой структуры , которая определяет силу электромагнитного взаимодействия и известна сегодня с поразительной точностью:

Одно из теоретических объяснений дискретности заряда было предложено в начале XX века Калуцей и Кляйном на основе представления о высших размерностях пространства-времени. Тем не менее, дискретность электрического заряда остается на сегодняшний день принятой, но не объясненной.

Опыт Милликена - опыт по измерению элементарного электрического заряда (заряда электрона ), проведённый Робертом Милликеном и Харви Флетчером (англ.)русск. в 1909 году .

Идея эксперимента состоит в нахождении баланса между силой тяжести , силой Стокса и электрическим отталкиванием . Управляя мощностью электрического поля, Милликен и Флетчер удерживали мелкие капельки масла в механическом равновесии . Повторив эксперимент для нескольких капель, учёные подтвердили, что общий заряд капли складывается из нескольких элементарных. Значение заряда электрона в опыте 1911 года получилось равным Кл , что на 1 % отличается от современного значения в Кл.

Предпосылки

В 1913 профессор чикагского университета Р. Милликен в соавторстве с Х. Флетчером опубликовали проект своего опыта.

В данном эксперименте измерялась сила электрического поля, которое может удерживать заряженную капельку масла между двумя электродами. По значению этого поля измерялся заряд капли. Сами капли электризовались во время разбрызгивания. Во времена опыта не было очевидным существование субатомных частиц , и большинство физических явлений [ каких? ] можно было объяснить, приняв заряд непрерывно изменяющейся величиной.

Так называемый элементарный заряд e является одной из фундаментальных физических констант и знать его точное значение очень важно. В 1923 г. Милликен получил Нобелевскую премию по физике отчасти и за этот эксперимент.

Описание опыта

В пространство между двумя пластинами под напряжением (в конденсатор) Милликен вводил мельчайшие заряженные капли масла, которые могли находиться в неподвижном состоянии в определённом электрическом поле. Равновесие наступало при условии , где

Результирующая сил тяжести и силы Архимеда;

, где в свою очередь

Плотность капли масла;

Её радиус в предположении, что капля сферична;

Плотность воздуха

Из указанных формул можно, зная и, найти. Для определения радиуса капли измерялась скоростьравномерного падения капельки в отсутствие поля, так как равномерное движение устанавливается тогда, когда сила тяжестиуравновешивается силой сопротивления воздуха, где- вязкость воздуха.

Зафиксировать неподвижность капли было сложно в то время, поэтому вместо поля, удовлетворяющего условию использовалось поле, под воздействием которого капля начинала двигаться с небольшой скоростью вверх. Очевидно, что если скорость подъёма равна, то

В ходе опыта получен важный факт: все величины, которые получались у Милликена, оказывались кратными одной и той же величине. Таким образом было экспериментально показано, что заряд - дискретная величина.