Методи за определяне на елементарния електрически заряд – реф. Определяне на елементарния заряд чрез електролиза Лабораторна работа по физика Измерване на елементарния заряд

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НА ЕЛЕМЕНТАРНО

ЕЛЕКТРИЧЕСКИ ЗАРЯД ПО МЕТОД НА ЕЛЕКТРОЛИЗА

Оборудване:източник на постоянен ток, кювета с електроди от комплект „Електролит”, лабораторен волтметър, резистор, везни с тежести или електроника, ключ, свързващи проводници, разтвор на меден сулфат, хронометър (или часовник със секундна стрелка).

ОБЯСНЕНИЕ ЗА РАБОТА. За да се определи заряда на електрона, може да се използва законът на Фарадей за електролизата, където m е масата на веществото, освободено от катода; М - моларна масавещества; n е валентността на веществото; e е зарядът на електрона; Na е константа на Авогадро; I - сила на тока в електролита; ∆t е времето на преминаване на тока през електролита.

От тази формула се вижда, че за да се постигне целта на работата, е необходимо да се знае моларната маса на веществото, отделено на катода, неговата валентност и константата на Авогадро. Освен това по време на експеримента е необходимо да се измери силата на тока и времето на неговото протичане, а след края на електролизата - масата на веществото, освободено на катода.

За експеримента, наситен воден разтвормеден сулфат, който се излива в кювета с два медни електрода. Единият електрод е твърдо фиксиран в центъра на кюветата, а другият (подвижен) - върху стената му.

Във воден разтвор се дисоциират не само молекулите на медния сулфат (CuSO4 = Cu2+ +), но и водните (H20 = H+ + OH -), макар и в слаба степен. По този начин, воден разтвор на CuSO4 съдържа както положителни Cu2+ и H+ йони, така и отрицателни SO2- и OH- йони. Ако между електродите се създаде електрическо поле, тогава положителните йони ще започнат да се движат към катода, а отрицателните йони - към анода. Cu2+ и H+ йони се приближават до катода, но не всички от тях се разреждат. Това се обяснява с факта, че атомите на медта и водорода лесно се трансформират в положително заредени йони, губейки външните си електрони. Но медният йон може по-лесно да прикачи електрон, отколкото водороден йон. Следователно медните йони се изхвърлят на катода.

Отрицателните йони и OH- ще се движат към анода, но никой от тях няма да бъде разреден. В този случай медта ще започне да се разтваря. Това се обяснява с факта, че медните атоми по-лесно дават електрони на външната част на електрическата верига, отколкото йони и OH - и, след като станат положителни йони, ще влязат в разтвор: Cu \u003d Cu2 + + 2e-.

По този начин, когато електродите са свързани към източник на постоянен ток в разтвор на меден сулфат, ще настъпи насочено движение на йони, което ще доведе до освобождаване на чиста мед върху катода.

За да може слоят от освободената мед да бъде плътен и добре задържан на катода, се препоръчва да се извърши електролиза при ниска сила на тока в разтвора. И тъй като това ще доведе до голяма грешка в измерването, вместо лабораторен амперметър в работата се използват резистор и волтметър. Според показанията на волтметъра U и съпротивлението на резистора R (посочено е на корпуса му) се определя силата на тока I. Схематичната диаграма на експерименталната настройка е показана на фигура 12.

Силата на тока в електролита по време на експеримента може да се промени, следователно неговата средна стойност 1sr се замества във формулата за определяне на заряда. Средната стойност на силата на тока се определя чрез записване на всеки 30 s показанията на волтметъра през цялото време на наблюдение, след което те се сумират и получената стойност се разделя на броя на измерванията. Ето как се намира Ucp. След това, според закона на Ом, Icp се намира за секцията на веригата. По-удобно е да записвате резултатите от измерванията на напрежението в помощна таблица.

Времето на текущия поток се измерва с хронометър.

РЕД ЗА ПОДГОТОВКА ЗА РАБОТА

1. Посочете какви физически величини подлежат на директно измерване за определяне на заряда на електрона по метода, използван в тази работа. Какви измервателни уреди ще се използват за измерване? Определете и запишете границите на абсолютните грешки на тези инструменти.

2. Определете и запишете границите на абсолютните грешки при отчитане при използване на механичен хронометър, волтметър и везни.

3. Запишете формулата за определяне на границата на абсолютната грешка ∆е.

4. Подгответе електронна таблица, за да записвате резултатите от измерването, грешките и изчисленията.

Подгответе помощна таблица за записване на показанията на волтметъра.

ОТГОВОРИ НА ВЪПРОСИТЕ

Защо времето на протичане на тока в електролита влияе на грешката в резултата от измерването на заряда на електрона?

Как концентрацията на разтвора влияе върху резултата от измерване на заряда на електрона?

Каква е валентността на медта?

Каква е моларната маса на медта?

Каква е константата на Авогадро?

РАБОТА

1. Определете масата на подвижния електрод m1 върху везната.

2. Прикрепете електрода към кюветата и сглобете електрическата верига, показана на Фигура 12. Уверете се, че подвижният електрод е свързан към отрицателния полюс на източника на напрежение.

3. Напълнете кюветата с разтвор на меден сулфат, затворете ключа и записвайте показанията на волтметъра на всеки 30 s в продължение на 15 минути.

4. След 15 минути отворете ключа, разглобете веригата, извадете електрода, изсушете го и определете масата му m2 заедно с отложената върху него мед.

5. Изчислете масата на отделената мед: m- и границата на абсолютната грешка на нейното измерване ∆m.

6. Изчислете средната стойност на напрежението през резистора Uav и средната стойност на тока в електролита азвж.

7. Изчислете заряда на електрона e.

8. Изчислете границата на абсолютната грешка при определяне на заряда на електрона ∆е.

9. Запишете резултата от определяне на заряда, като вземете предвид границата на абсолютната грешка.

10. Сравнете заряда на електрона, определен от резултатите от експеримента, със стойността на таблицата.

Министерство на образованието на Руската федерация

Амурска държава Педагогически университет

Методи за определяне на елементарното електрически заряд

Изпълнено от ученик 151гр.

Вензелев A.A.

Проверено от: Черанева Т.Г.

Въведение.

1. Предистория на откриването на електрона

2. История на откриването на електрона

3. Експерименти и методи за откриване на електрона

3.1 Опит на Thomson

3.2 Опитът на Ръдърфорд

3.3. Метод на Миликан

3.3.1. кратка биография

3.3.2. Описание на инсталацията

3.3.3. Изчисляване на елементарния заряд

3.3.4. Изводи от метода

3.4. Комптън образен метод

Заключение.

Въведение:

ЕЛЕКТРОН - първата елементарна частица по отношение на времето на откриване; материалният носител на най-малката маса и най-малкия електрически заряд в природата; съставна част на атома.

Зарядът на електрона е 1,6021892. 10 -19 С

4,803242. 10-10 единици SGSE

Електронната маса е 9,109534. 10 -31 кг

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

Спинът на електрона е 1/2 (в единици h) и има две проекции ±1/2; електроните се подчиняват на статистиката на Ферми-Дирак, фермиони. Те са обект на принципа на изключване на Паули.

Магнитният момент на електрона е - 1,00116 m b, където m b е магнетона на Бор.

Електронът е стабилна частица. Според експерименталните данни времето на живот е t e > 2 . 10 22 години.

Не участва в силното взаимодействие, лептон. Съвременната физика разглежда електрона като наистина елементарна частица, която няма структура и размери. Ако последните и са различни от нула, тогава радиусът на електрона r e< 10 -18 м

1. Предистория на откритието

Откриването на електрона е резултат от многобройни експерименти. До началото на XX век. съществуването на електрона е установено в редица независими експерименти. Но въпреки колосалния експериментален материал, натрупан от цял национални училища, електронът остава хипотетична частица, тъй като опитът все още не е отговорил на редица фундаментални въпроси. Всъщност „откриването“ на електрона се проточи повече от половин век и не приключи през 1897 г.; в него взеха участие много учени и изобретатели.

На първо място, нямаше нито един експеримент, в който да участват отделни електрони. Елементарният заряд е изчислен на базата на измервания на микроскопичния заряд при предположението, че редица хипотези са верни.

Несигурността беше в фундаментално важен момент. Първо, електронът се появи в резултат на атомистична интерпретация на законите на електролизата, след това беше открит в газов разряд. Не беше ясно дали физиката наистина се занимава със същия обект. Голяма група скептични натуралисти вярваха, че елементарният заряд е средната статистическа стойност на зарядите с най-разнообразна величина. Освен това нито един от експериментите за измерване на заряда на електрона не даде строго повтарящи се стойности.
Имаше скептици, които като цяло пренебрегваха откриването на електрона. Академик А.Ф. Йофе в мемоарите си за своя учител В.К. Рентген пише: „До 1906 - 1907 г. думата електрон не трябваше да се произнася във Физическия институт на Мюнхенския университет. Рентген го смята за недоказана хипотеза, често прилагана без достатъчно основания и без нужда.

Въпросът за масата на електрона не е разрешен, не е доказано, че както върху проводниците, така и върху диелектриците зарядите се състоят от електрони. Понятието "електрон" няма еднозначно тълкуване, тъй като експериментът все още не е разкрил структурата на атома (планетарният модел на Ръдърфорд се появява през 1911 г., а теорията на Бор - през 1913 г.).

Електронът все още не е влязъл в теоретичните конструкции. Електронната теория на Лоренц включва непрекъснато разпределена плътност на заряда. В теорията на металната проводимост, разработена от Друде, ставаше дума за дискретни заряди, но това бяха произволни заряди, върху чиято стойност не бяха наложени ограничения.

Електронът все още не е напуснал рамките на "чистата" наука. Припомнете си, че първата електронна тръба се появява едва през 1907 г. За да преминете от вяра към убеждение, е необходимо преди всичко да се изолира електрона, да се измисли метод за директно и точно измерване на елементарния заряд.

Решението на този проблем не закъсня. През 1752 г. идеята за дискретността на електрическия заряд е изразена за първи път от Б. Франклин. Експериментално дискретността на зарядите се потвърждава от законите на електролизата, открити от М. Фарадей през 1834 г. Числената стойност на елементарния заряд (най-малкият електрически заряд, открит в природата) е теоретично изчислена въз основа на законите на електролизата с помощта на Числото на Авогадро. Директно експериментално измерване на елементарния заряд е извършено от Р. Миликан в класически експерименти, проведени през 1908 - 1916 г. Тези експерименти също така дадоха неопровержимо доказателство за атомизма на електричеството. Според основните концепции на електронната теория, зарядът на тялото възниква в резултат на промяна в броя на съдържащите се в него електрони (или положителни йони, чийто заряд е кратен на заряда на електрона). Следователно зарядът на всяко тяло трябва да се променя рязко и на такива части, които съдържат цял брой заряди на електрони. След като установи от опит дискретния характер на промяната в електрическия заряд, Р. Миликен успя да потвърди съществуването на електрони и да определи големината на заряда на един електрон (елементарен заряд) с помощта на метода на капка масло. Методът се основава на изследване на движението на заредени маслени капчици в еднородно електрическо поле с известна сила E.

2. Откриване на електрона:

Ако пренебрегнем това, което предшества откриването на първата елементарна частица - електрона, и какво придружава това изключително събитие, можем да кажем накратко: през 1897 г. известният английски физик Томсън Джоузеф Джон (1856-1940) измерва специфичния заряд q / m катодни частици - "корпускули", както ги нарече той, според отклонението на катодните лъчи *) в електрически и магнитни полета.

От сравнение на полученото число със специфичния заряд на известния по това време едновалентен водороден йон, чрез косвени разсъждения, той стига до извода, че масата на тези частици, наречени по-късно „електрони“, е много по-малка (повече от хиляди пъти) от масата на най-лекия водороден йон.

През същата година, през 1897 г., той излага хипотезата, че електроните са неразделна част от атомите, а катодните лъчи не са атоми или електромагнитно излъчване, както смятат някои изследователи на свойствата на лъчите. Томсън пише: „По този начин катодните лъчи представляват ново състояние на материята, по същество различно от обичайното газообразно състояние...; в това ново състояние материята е веществото, от което са изградени всички елементи“.

От 1897 г. корпускулярният модел на катодните лъчи започва да придобива общо признание, въпреки че има различни преценки за естеството на електричеството. И така, немският физик Е. Вихерт вярва, че "електричеството е нещо въображаемо, съществуващо наистина само в мисли", а известният английски физик лорд Келвин през същата 1897 г. пише за електричеството като вид "непрекъснат флуид".

Идеята на Томсън за катодните лъчи като основни компоненти на атома не беше посрещната с голям ентусиазъм. Някои от колегите му смятаха, че той ги е озадачил, когато предложи катодните лъчеви частици да се разглеждат като възможни компоненти на атома. Истинската роля на корпускулите на Томсън в структурата на атома може да бъде разбрана в комбинация с резултатите от други изследвания, по-специално с резултатите от анализа на спектрите и изследването на радиоактивността.

На 29 април 1897 г. Томсън произнася известното си послание на среща на Кралското общество в Лондон. Точно времеоткриването на електрона – ден и час – не може да бъде назовано с оглед на неговата оригиналност. Това събитие е резултат от дългогодишната работа на Томсън и неговия екип. Нито Томсън, нито някой друг някога е наблюдавал електрон в буквалния смисъл, никой не е успял да изолира нито една частица от лъч катодни лъчи и да измери специфичния й заряд. Автор на откритието е Джей Джей Томсън, защото идеите му за електрона са били близки до съвременните. През 1903 г. той предлага един от първите модели на атома - "стафиден пудинг", а през 1904 г. предполага, че електроните в атома се разделят на групи, образуващи различни конфигурации, които определят периодичността на химическите елементи.

Мястото на откриването е точно известно - Кавендишката лаборатория (Кеймбридж, Великобритания). Създаден през 1870 г. от Дж. К. Максуел, през следващите сто години той се превръща в "люлка" на цяла верига от блестящи открития в различни области на физиката, особено в атомната и ядрената. Нейни директори са: Максуел Дж.К. - от 1871 до 1879 г., лорд Рейли - от 1879 до 1884 г., Thomson J.J. - от 1884 до 1919 г., Ръдърфорд Е. - от 1919 до 1937 г., Браг Л. - от 1938 до 1953 г.; заместник-директор през 1923-1935 г. - Чадуик Дж.

Научно-експериментално изследване се извършва от един учен или малка група в атмосфера на творческо търсене. По-късно Лорънс Браг си спомня работата си през 1913 г. с баща си Хенри Браг: „Беше чудесно време, когато почти всяка седмица се получаваха нови вълнуващи резултати, като откриването на нови златоносни области, където самородните самородни частици могат да се събират директно от земята Това продължи до началото на войната *), която сложи край на нашата съвместна работа" .

3. Методи за откриване на електрони:

3.1 Опит на Thomson

Джоузеф Джон Томсън Джоузеф Джон Томсън, 1856–1940

Английски физик, по-известен просто като Дж. Дж. Томсън. Роден в Читъм Хил, предградие на Манчестър, в семейството на търговец на антиквариат втора употреба. През 1876 г. печели стипендия за обучение в Кеймбридж. През 1884-1919 г. той е професор в катедрата по експериментална физика в университета в Кеймбридж и хоноруван ръководител на Кавендишката лаборатория, която благодарение на усилията на Томсън се превръща в един от най-известните изследователски центрове в света. В същото време през 1905-1918 г. той е професор в Кралския институт в Лондон. Носител на Нобелова награда по физика през 1906 г. с формулировката "за изследване на преминаването на електричество през газове", което, разбира се, включва и откриването на електрона. Синът на Томсън Джордж Пейджет Томсън (1892-1975) също стана Нобелов лауреатпо физика – през 1937 г. за експериментално откриване на дифракция на електрони от кристали.

През 1897 г. младият английски физик Дж. Джей Томсън става известен от векове като откривател на електрона. В своя експеримент Томсън използва подобрена електронно-лъчева тръба, чийто дизайн е допълнен от електрически намотки, които създават (според закона на Ампер) магнитно поле вътре в тръбата, и набор от паралелни електрически кондензаторни пластини, които създават електрическо поле вътре тръбата. Благодарение на това стана възможно да се изследва поведението на катодните лъчи под въздействие както на магнитни, така и на електрическо поле.

Използвайки нов дизайн на тръбата, Томсън последователно показа, че: (1) катодните лъчи се отклоняват в магнитно поле при липса на електрическо; (2) катодните лъчи се отклоняват в електрическо поле при липса на магнитно; и (3) при едновременно действие на електрически и магнитни полета с балансиран интензитет, ориентирани в посоки, причиняващи поотделно отклонения в противоположни посоки, катодните лъчи се разпространяват праволинейно, тоест действието на двете полета е взаимно балансирано.

Томсън установи, че връзката между електрически и магнитни полета, при което тяхното действие е балансирано, зависи от скоростта, с която се движат частиците. След серия от измервания Томсън успява да определи скоростта на катодните лъчи. Оказа се, че те се движат много по-бавно от скоростта на светлината, от което следва, че катодните лъчи могат да бъдат само частици, тъй като всяко електромагнитно излъчване, включително самата светлина, се разпространява със скоростта на светлината (виж Спектър електромагнитно излъчване). Тези непознати частици. Томсън нарече "тела", но скоро те бяха наречени "електрони".

Веднага стана ясно, че електроните трябва да съществуват в състава на атомите – иначе откъде биха дошли? 30 април 1897 г. - датата на доклада на Томсън за резултатите от срещата на Лондонското кралско общество - се счита за рожден ден на електрона. И на този ден идеята за "неделимостта" на атомите стана нещо от миналото (вижте Атомната теория на структурата на материята). Заедно с откритието, което последва десет години по-късно атомно ядро(вижте Експеримента на Ръдърфорд) откриването на електрона положи основата на съвременния модел на атома.

"Катодът", или по-скоро, електронно-лъчевите тръби, описани по-горе, се превърнаха в най-простите предшественици на съвременните телевизионни кинескопи и компютърни монитори, в които строго контролирани количества електрони се избиват от повърхността на горещ катод под въздействието на редуващи се магнитни полета те се отклоняват под строго определени ъгли и бомбардират фосфоресциращите клетки на екраните, образувайки върху тях ясно изображение, получено от фотоелектричния ефект, чието откриване също би било невъзможно без познанията ни за истинската природа на катодните лъчи.

3.2 Опитът на Ръдърфорд

Ърнест Ръдърфорд, първи барон Ръдърфорд от Нелсън I Ърнест Ръдърфорд, първи барон Ръдърфорд от Нелсън, 1871–1937 г.

Новозеландски физик. Роден в Нелсън, син на занаятчия фермер. Спечели стипендия за обучение в университета в Кеймбридж в Англия. След дипломирането си той е назначен в Канадския университет Макгил (McGill University), където заедно с Фредерик Соди (Frederick Soddy, 1877–1966) установява основните закони на явлението радиоактивност, за което получава Нобелова награда. Награда по химия през 1908 г. Скоро ученият се премества в университета в Манчестър, където под негово ръководство Ханс Гайгер (Ханс Гайгер, 1882–1945) изобретява своя известен брояч на Гайгер, започва да изучава структурата на атома и през 1911 г. открива съществуването на атома. ядро. По време на Първата световна война се занимава с разработването на сонари (акустични радари) за откриване на вражески подводници. През 1919 г. той е назначен за професор по физика и директор на Кавендишката лаборатория в университета в Кеймбридж и през същата година открива разпадането на ядрото в резултат на бомбардиране от високоенергийни тежки частици. Ръдърфорд остава на този пост до края на живота си, като в същото време е дълги години президент на Кралския научно общество. Погребан е в Уестминстърското абатство до Нютон, Дарвин и Фарадей.

Ърнест Ръдърфорд е уникален учен в смисъл, че прави основните си открития след получаването на Нобеловата награда. През 1911 г. той успява в експеримент, който не само позволява на учените да погледнат дълбоко в атома и да получат представа за неговата структура, но и се превръща в модел за елегантност и дълбочина на дизайна.

Използвайки естествен източникрадиоактивно излъчване, Ръдърфорд построява пистолет, който дава насочен и фокусиран поток от частици. Пистолетът представляваше оловна кутия с тесен процеп, вътре в който беше поставен радиоактивен материал. Поради това частиците (в този случай алфа частици, състоящи се от два протона и два неутрона), излъчвани от радиоактивното вещество във всички посоки с изключение на една, бяха погълнати от оловния екран и само насочен лъч от алфа частици излетя през процепа.

Схема за опит

По-нататък по пътя на лъча стояха още няколко оловни екрана с тесни прорези, които отрязваха частици, отклоняващи се стриктно от

дадена посока. В резултат на това идеално фокусиран лъч от алфа частици долетя до целта, а самата цел беше много тънък лист златно фолио. Алфа лъчът я удари. След сблъсък с атомите на фолиото, алфа-частиците продължиха пътя си и удариха луминесцентен екран, инсталиран зад целта, на който бяха записани проблясъци, когато алфа-частиците я удариха. От тях експериментаторът би могъл да прецени колко и колко алфа частици се отклоняват от посоката на праволинейното движение в резултат на сблъсъци с атоми от фолио.

Ръдърфорд обаче забелязал, че никой от неговите предшественици дори не се е опитал да тества експериментално дали някои алфа частици са отклонени под много големи ъгли. Моделът на решетка със стафиди просто не позволяваше съществуването на структурни елементи в атома, толкова плътни и тежки, че да могат да отклоняват бързите алфа частици под значителни ъгли, така че никой не си направи труда да тества тази възможност. Ръдърфорд помоли един от учениците си да преоборудва апарата по такъв начин, че да е възможно да се наблюдава разпръскването на алфа частици при големи ъгли на отклонение - само за да изчисти съвестта си, за да елиминира напълно тази възможност. Детекторът беше екран, покрит с натриев сулфид, материал, който излъчва флуоресцентна светкавица, когато алфа частица го удари. Каква беше изненадата не само на ученика, който пряко провежда експеримента, но и на самия Ръдърфорд, когато се оказа, че някои частици се отклоняват под ъгли до 180°!

Картината на атома, нарисувана от Ръдърфорд въз основа на резултатите от експеримента, ни е добре позната днес. Атомът се състои от свръхплътно, компактно ядро, което носи положителен заряд, и отрицателно заредени светлинни електрони около него. По-късно учените поставят тази картина на солидна теоретична основа (виж атом на Бор), но всичко започва с прост експеримент с малка проба от радиоактивен материал и парче златно фолио.

3.2 Метод Миликан

3.2.1. Кратка биография:

Робърт Миликън е роден през 1868 г. в Илинойс в бедно семейство на свещеник. Той прекарва детството си в провинциалния град Маквокет, където много внимание се обръща на спорта и се преподава лошо. Директорът на средно училище, който преподаваше физика, каза например на малките си ученици: „Как можеш да направиш звук от вълни? Глупости, момчета, всичко са глупости!"

В колежа Обърдийн не беше по-добре, но Миликан, който нямаше материална подкрепа, трябваше сам да преподавам физика гимназия. В Америка по това време имаше само два учебника по физика, преведени от френски, и талантливият младеж не се затрудняваше да ги изучава и да ги преподава успешно. През 1893 г. той постъпва в Колумбийския университет, след което заминава да учи в Германия.

Миликан е на 28 години, когато получава предложение от А. Майкълсън да заеме асистентска позиция в Чикагския университет. В началото той работи почти изключително тук педагогическа работаи едва на четиридесетгодишна възраст започна Научно изследванекоето му донесе световна слава.

3.2.2. Първи опит и решаване на проблеми:

Първите експерименти бяха както следва. Между плочите на плосък кондензатор, към който е приложено напрежение от 4000 V, се създава облак, състоящ се от водни капчици, които се утаяват върху йоните. Първо, падането на върха на облака се наблюдава при липса на електрическо поле. След това се създаде облак с включено напрежение. Падането на облака се случи под действието на гравитацията и електрическата сила.
Съотношението на силата, действаща върху капка в облак, към скоростта, която придобива, е еднакво в първия и втория случай. В първия случай силата е равна на mg, във втория, mg + qE, където q е зарядът на капката, E е силата на електрическото поле. Ако скоростта в първия случай е υ 1 във втория υ 2, тогава

Познавайки зависимостта на скоростта на падане на облака υ от вискозитета на въздуха, можем да изчислим желания заряд q. Този метод обаче не даде желаната точност, тъй като съдържа хипотетични предположения, които са извън контрола на експериментатора.

За да се повиши точността на измерването, беше необходимо преди всичко да се намери начин да се вземе предвид изпарението на облака, което неизбежно се е случило по време на процеса на измерване.

Размишлявайки върху този проблем, Миликен дойде на себе си класически методкапки, които откриха цяла гама от неочаквани възможности. Нека оставим автора да разкаже историята на изобретението:
„Осъзнавайки, че скоростта на изпаряване на капчиците остава неизвестна, се опитах да измисля метод, който напълно да елиминира тази неопределена стойност. Планът ми беше следният. В предишни експерименти електрическото поле можеше само леко да увеличи или намали скоростта на падане на върха на облака под въздействието на гравитацията. Сега исках да укрепя това поле, така че горната повърхност на облака да остане на постоянна височина. В този случай стана възможно точно да се определи скоростта на изпаряване на облака и да се вземе предвид при изчисленията.

За да реализира тази идея, Миликен проектира малка батерия, която дава напрежение до 10 4 V (за това време беше изключително постижениеекспериментатор). Тя трябваше да създаде достатъчно силно поле, за да поддържа облака, като „ковчега на Мохамед“, в окачено състояние. „Когато бях готов“, казва Миликен и когато облакът се образува, завъртях ключа и облакът беше в електрическо поле. И в този момент се стопи пред очите ми, с други думи, не остана дори малко парченце от целия облак, което да се наблюдава с помощта на контролно оптично устройство, както направи Уилсън и аз щях да направя. Отначало ми се стори, че изчезването на облака без следа в електрическото поле между горната и долната плочи означава, че експериментът завършва без резултат... „Но както често се случва в историята на науката, провалът доведе до да се нова идея. Тя доведе до известния метод на капките. „Повтарящи се експерименти“, пише Миликен, „показаха, че след като облакът се разпръсна в мощно електрическо поле на негово място могат да се различат няколко отделни водни капчици”(подчертано от мен. - V.D.). „Нещастният“ опит доведе до откриването на възможността за поддържане на равновесие и наблюдение на отделни капчици за достатъчно дълго време.

Но по време на периода на наблюдение масата на водната капка се промени значително в резултат на изпаряване и Миликан, след много дни на търсене, премина към експерименти с маслени капки.

Експерименталната процедура се оказа проста. Адиабатното разширение между плочите на кондензатора образува облак. Състои се от капчици със заряди с различен модул и знак. При включване на електрическото поле капките със същите заряди като заряда на горната плоча на кондензатора падат бързо, а капките с противоположен заряд се привличат от горната плоча. Но определен брой капки имат такъв заряд, че силата на гравитацията се балансира от електрическата сила.

След 7 или 8 мин. облакът се разсейва, а в зрителното поле остават малък брой капчици, чийто заряд съответства на посочения баланс на силите.

Миликан наблюдава тези капки като отделни ярки точки. „Историята на тези капки обикновено протича по следния начин“, пише той. „В случай на леко преобладаване на гравитацията над силата на полето, те започват бавно да падат, но тъй като постепенно се изпаряват, тяхното движение надолу скоро спира , и те остават неподвижни за доста дълго време. Тогава полето започва да доминира и капките започват бавно да се издигат. Към края на живота им в пространството между плочите това движение нагоре става много силно ускорено и те се привличат с голяма скорост към горната плоча.

3.2.3. Описание на инсталацията:

Схемата на инсталацията Миликан, с помощта на която са получени решаващи резултати през 1909 г., е показана на фигура 17.

В камера C е поставен плосък кондензатор, изработен от кръгли месингови пластини M и N с диаметър 22 cm (разстоянието между тях е 1,6 cm). В центъра на горната плоча е направен малък отвор p, през който преминават капки масло. Последните са образувани чрез издухване на струя масло с пулверизатор. Въздухът предварително се почиства от прах чрез преминаване през тръба със стъклена вата. Маслените капчици имаха диаметър около 10-4 cm.

От акумулаторната батерия B към плочите на кондензатора се подава напрежение от 10 4 V. С помощта на превключвател е възможно да се осъществят късо съединение на плочите и по този начин да се разруши електрическото поле.

Капки масло, падащи между плочи M и N, бяха осветени от силен източник. Поведението на капките се наблюдава перпендикулярно на посоката на лъчите през телескопа.

Йоните, необходими за кондензацията на капчиците, са създадени чрез излъчване от парче радий с тегло 200 mg, разположено на разстояние от 3 до 10 cm от страната на плочите.

С помощта на специално устройство газът се разширява чрез спускане на буталото. След 1 - 2 s след разширяване радият се отстранява или се покрива с оловен екран. След това се включи електрическото поле и започна наблюдението на капките в телескопа. Тръбата имаше скала, по която можеше да се преброи пътят, изминат от капка за определен период от време. Часът беше фиксиран от точен часовник с клетка.

В процеса на наблюдения Миликан открива феномен, който послужи като ключ към цялата серия от последващи точни измервания на отделните елементарни заряди.

„Докато работех върху суспендирани капчици“, пише Миликан, „забравих няколко пъти да ги предпазя от радиеви лъчи. Тогава случайно забелязах, че от време на време една от капките изведнъж сменя заряда си и започва да се движи по полето или срещу него, като очевидно улавя в първия случай положителен йон, а във втория отрицателен йон. Това отвори възможността за измерване със сигурност не само зарядите на отделни капки, както правех дотогава, но и заряда на отделен атмосферен йон.

Всъщност, като измеря скоростта на една и съща капка два пъти, веднъж преди и втория път след улавянето на йона, очевидно бих могъл напълно да изключа свойствата на капката и свойствата на средата и да оперирам със стойност, пропорционална само на заряд на уловения йон.

3.2.4. Изчисляване на елементарния заряд:

Елементарният заряд е изчислен от Миликан въз основа на следните съображения. Скоростта на капката е пропорционална на действащата върху нея сила и не зависи от заряда на капката.
Ако капка падне между плочите на кондензатор под действието само на гравитацията със скорост v, тогава

Когато включите полето, насочено срещу гравитацията, активна силаще бъде разликата qE - mg, където q е зарядът на капката, E е модулът на силата на полето.

Скоростта на падане ще бъде:

υ 2 \u003d k (qE-mg) (2)

Ако разделим равенството (1) на (2), получаваме

Оттук

Нека капката улови йона и зарядът й стана равен на q", а скоростта на движение υ 2. Зарядът на този уловен йон ще бъде обозначен с e.

Тогава e = q "- q.

Използвайки (3), получаваме

Стойността е постоянна за дадена капка.

3.2.5. Заключения от метода на Миликан

Следователно всеки заряд, уловен от капка, ще бъде пропорционален на разликата в скоростите (υ " 2 - υ 2), с други думи, пропорционален на промяната в скоростта на капката поради улавянето на йон! И така, измерването на елементарния заряд се свежда до измерване на пътя, изминат от капката и времето, през което това е изминат пътя.Многобройни наблюдения показаха валидността на формулата (4).Оказа се, че стойността на e може само да се променя в скокове!Винаги се наблюдават заряди e, 2e, 3e, 4e и т.н.

„В много случаи“, пише Миликан, „спадът се наблюдава в продължение на пет или шест часа и през това време улавя не осем или десет йона, а стотици от тях. Като цяло наблюдавах улавянето на много хиляди йони по този начин и във всички случаи уловеният заряд... беше или точно равен на най-малкия от всички уловени заряди, или беше равен на малко цяло число, кратно на това стойност. Това е пряко и неопровержимо доказателство, че електронът не е „статистическа средна стойност“, а че всички електрически заряди на йоните са или точно равни на заряда на електрона, или са малки цели числа, кратни на този заряд.

И така, атомизъм, дискретност или, казано съвременен език, квантуването на електрическия заряд се превърна в експериментален факт. Сега беше важно да се покаже, че електронът е, така да се каже, вездесъщ. Всеки електрически заряд в тяло от всякакво естество е сбор от едни и същи елементарни заряди.

Методът на Миликан даде възможност да се отговори недвусмислено на този въпрос. В първите експерименти зарядите се създават чрез йонизация на неутрални газови молекули от поток от радиоактивно лъчение. Измерва се зарядът на йоните, уловени от капките.

Когато течност се пръска с пулверизатор, капчиците се наелектризират поради триене. Това беше добре известно през 19 век. Тези заряди квантувани ли са като зарядите на йони? Millikan "претегля" капчиците след пръскане и прави измервания на заряда по описания по-горе начин. Опитът разкрива същата дискретност на електрическия заряд.

Разпръсквайки капки масло (диелектрик), глицерин (полупроводник), живак (проводник), Миликан доказва, че зарядите върху тела от всякакво физическо естество се състоят във всички случаи без изключение от отделни елементарни части със строго постоянна стойност. През 1913 г. Миликан обобщава резултатите от многобройни експерименти и дава следната стойност за елементарния заряд: e = 4,774. 10-10 единици таксувайте SGSE. Така се установява една от най-важните константи на съвременната физика. Определянето на електрическия заряд се превърна в прост аритметичен проблем.

3.4 Метод за изобразяване на Compton:

Голяма роля в укрепването на идеята за реалността на електрона изигра откриването на C.T.R. Уилсън за ефекта от кондензацията на водни пари върху йони, което доведе до възможността за фотографиране на следи от частици.

Казват, че А. Комптън на лекцията не успя да убеди скептичния слушател в реалността на съществуването на микрочастици. Той настоя, че ще повярва само когато ги види с очите си.
Тогава Комптън показа снимка с следа от α-частици, до която имаше пръстов отпечатък. — Знаеш ли какво е? — попита Комптън. — Пръст — отговори слушателят. „В такъв случай“, тържествено заяви Комптън, „тази светеща лента е частицата“.
Снимките на електронни следи не само свидетелстваха за реалността на електроните. Те потвърдиха предположението за малкия размер на електроните и направиха възможно сравняването с експеримента на резултатите от теоретичните изчисления, в които се появи радиусът на електроните. Експериментите, инициирани от Ленард при изследването на проникващата способност на катодните лъчи, показват, че много бързи електрони, излъчвани от радиоактивни вещества, дават следи в газ под формата на прави линии. Дължината на пистата е пропорционална на енергията на електрона. Снимки на следи от високоенергийни α-частици показват, че следите са съставени от Голям бройточки. Всяка точка е водна капка, която се появява върху йон, който се образува в резултат на сблъсък на електрон с атом. Познавайки размера на атома и тяхната концентрация, можем да изчислим броя на атомите, през които трябва да премине α-частицата за дадено разстояние. Едно просто изчисление показва, че една α-частица трябва да измине около 300 атома, преди да срещне един от електроните, които изграждат обвивката на атома по пътя и да предизвика йонизация.

Този факт убедително показва, че обемът на електроните е незначителна част от обема на атома. Пътеката на електрон с ниска енергия е извита, следователно бавен електрон се отклонява от вътрешно-атомното поле. Той произвежда повече йонизиращи събития по пътя си.

От теорията на разсейването могат да се получат данни за оценка на ъглите на отклонение в зависимост от енергията на електроните. Тези данни са добре потвърдени при анализа на реални следи.Съвпадението на теорията с експеримента затвърди идеята за електрона като най-малката частица материя.

заключение:

Измерването на елементарен електрически заряд отвори възможността за точно определяне на редица важни физически константи.
Познаването на стойността на e автоматично дава възможност да се определи стойността на основната константа - константата на Авогадро. Преди експериментите на Миликан имаше само груби оценки на константата на Авогадро, които бяха дадени кинетична теориягазове. Тези оценки се основават на изчисления на средния радиус на въздушна молекула и варират в доста широк диапазон от 2 . 10 23 до 20 . 10 23 1/mol.

Да приемем, че знаем заряда Q, който е преминал през електролитния разтвор и количеството вещество М, което се е отложило върху електрода. Тогава, ако зарядът на йона е равен на Ze 0 и масата му е m 0, тогава равенството

Ако масата на отложеното вещество е равна на един мол,

тогава Q = F- константа на Фарадей и F = N 0 e, откъдето:

Очевидно точността на определяне на константата на Авогадро се определя от точността, с която се измерва зарядът на електрона. Практиката изискваше повишаване на точността на определяне на основните константи и това беше един от стимулите за продължаване на усъвършенстването на техниката за измерване на кванта на електрическия заряд. Тази работа, която вече има чисто метрологичен характер, продължава и до днес.

Най-точните стойности в момента са:

e \u003d (4,8029 ± 0,0005) 10 -10. единици таксуване на SGSE;

N 0 \u003d (6,0230 ± 0,0005) 10 23 1 / mol.

Знаейки N o , е възможно да се определи броят на газовите молекули в 1 cm 3, тъй като обемът, зает от 1 мол газ, е известна константа.

Познаването на броя на газовите молекули в 1 cm 3 направи възможно от своя страна да се определи средната стойност кинетична енергиятермично движение на молекулата. И накрая, зарядът на електрона може да се използва за определяне на константата на Планк и константата на Стефан-Болцман в закона за топлинното излъчване.

Методическа бележка. Електронът вече е познат на учениците от курса по химия и съответния раздел от програмата за VII клас. Сега трябва да задълбочите разбирането си за първата елементарна частица на материята, да си припомните изучаваното, да го свържете с първата тема от раздела "Електростатика" и да преминете към повече високо нивоинтерпретация на елементарния заряд. Трябва да се има предвид сложността на концепцията за електрически заряд. Предложеното отклонение може да помогне да се разкрие тази концепция и да се стигне до същността на въпроса.

Електронът има сложна история. За да стигнете до целта по най-краткия път, препоръчително е да водите историята по следния начин.

Откриването на електрона е резултат от многобройни експерименти. До началото на XX век. съществуването на електрона е установено в редица независими експерименти. Но въпреки колосалния експериментален материал, натрупан от цели национални школи, електронът остава хипотетична частица, тъй като опитът все още не е отговорил на редица фундаментални въпроси.

Имаше скептици, които като цяло пренебрегваха откриването на електрона. Академик А.Ф. Йофе пише в мемоарите си за нуждите на своя учител В.К.

Въпросът за масата на електрона не е разрешен, не е доказано, че както върху проводниците, така и върху диелектриците зарядите се състоят от електрони. Понятието „електрон“ няма еднозначно тълкуване, тъй като експериментът все още не е разкрил структурата на атома (планетарният модел на Ръдърфорд се появява през 1911 г., а теорията на Бор през 1913 г.).

Електронът все още не е напуснал рамките на "чистата" наука. Припомнете си, че първата електронна лампа се появява едва през 1907 г.

За да се премине от вяра към убеждение, беше необходимо преди всичко да се изолира електрона, да се измисли метод за директно и точно измерване на елементарния заряд.

Такъв проблем е решен от американския физик Робърт Миликан (1868-1953) в поредица от фини експерименти, започнали през 1906 г.

Робърт Миликън е роден през 1868 г. в Илинойс в бедно семейство на свещеник. Той прекарва детството си в провинциалния град Маквокет, където много внимание се обръща на спорта и се преподава лошо. Директорът на гимназия, който преподаваше физика, например, казваше на малките си ученици: "Как можете да правите звук от вълни? Глупости, момчета, всичко това са глупости!"

Колежът Обърдийн не беше по-добър, но Миликан, който нямаше материална подкрепа, трябваше сам да преподава физика в гимназията. В Америка по това време имаше само два учебника по физика, преведени от френски, и талантливият младеж не се затрудняваше да ги изучава и да ги преподава успешно. През 1893 г. той постъпва в Колумбийския университет, след което заминава да учи в Германия.

Миликан е на 28 години, когато получава предложение от А. Майкълсън да заеме асистентска позиция в Чикагския университет. В началото той се занимава тук почти изключително с педагогическа работа и едва на четиридесетгодишна възраст започва научни изследвания, които му донасят световна слава.

Съотношението на силата, действаща върху капка в облак, към скоростта, която придобива, е еднакво в първия и втория случай. В първия случай силата е равна на mg, във втория, mg + qE, където q е зарядът на капката, E е силата на електрическото поле. Ако скоростта в първия случай е равна на v 1 във втория v 2, тогава

Познавайки зависимостта на скоростта на падане на облака v от вискозитета на въздуха, можем да изчислим желания заряд q. Този метод обаче не даде желаната точност, тъй като съдържа хипотетични предположения, които са извън контрола на експериментатора.

Размишлявайки върху този проблем, Миликан излезе с класическия метод на изпускане, който отвори редица неочаквани възможности. Нека оставим автора да разкаже историята на изобретението:

"Осъзнавайки, че скоростта на изпаряване на капките остава неизвестна, се опитах да измисля метод, който напълно да елиминира тази несигурна стойност. Моят план беше следният. В предишни експерименти електрическото поле можеше само леко да увеличи или намали скоростта на падането на горната част на облака под въздействието на гравитацията. Сега обаче исках да укрепя това поле, така че горната повърхност на облака да остане на постоянна височина. В този случай беше възможно точно да се определи скоростта на изпаряване на облака и го вземете предвид при изчисленията." За да реализира тази идея, Миликен проектира малка батерия, която дава напрежение до 104 V (за това време това е изключително постижение на експериментатора). Тя трябваше да създаде достатъчно силно поле, за да поддържа облака, като „ковчега на Мохамед“, в окачено състояние.

"Когато всичко беше готово за мен", казва Миликен, "и когато облакът се образува, завъртях ключа и облакът беше в електрическо поле. И в този момент се стопи пред очите ми, с други думи, дори не от целия облак остана малко парче, което можеше да се наблюдава с помощта на контролно оптично устройство, както направи Уилсън и щях да направя. Както ми се стори в началото, изчезването на облака без следа в електрическото поле между горната и долната плочи означаваше, че експериментът завърши без резултати ... "

Въпреки това, както толкова често в историята на науката, провалът поражда нова идея. Тя доведе до известния метод на капките. „Повторните експерименти“, пише Миликан, „показаха, че след като облакът се разсее в мощно електрическо поле, на негово място могат да се различат няколко отделни водни капки“ (подчертано от мен. – В.Д.).

„Нещастният“ опит доведе до откриването на възможността за поддържане на равновесие и наблюдение на отделни капчици за достатъчно дълго време.

След 7 или 8 минути облакът се разсейва и в зрителното поле остават малък брой капки, чийто заряд съответства на споменатия баланс на силите.

Миликан наблюдава тези капки като отделни ярки точки. „Историята на тези капки обикновено върви по следния начин“, пише той. „В случай на леко преобладаване на гравитацията над силата на полето, те започват бавно да падат, но тъй като постепенно се изпаряват, тяхното движение надолу скоро спира, и стават неподвижни за доста дълго време.След това полето започва да преобладава и капките започват да се издигат бавно.Към края на живота си в пространството между плочите това движение нагоре става много силно ускорено и те се привличат с голяма скорост към горната плоча."

От батерията B към кондензаторните плочи беше приложено напрежение от 104 V. С помощта на превключвател беше възможно плочите да се свържат на късо и по този начин да се разруши електрическото поле.

С помощта на специално устройство газът се разширява чрез спускане на буталото. За 1–2 s след разширението радият беше отстранен или покрит с оловен екран. След това се включи електрическото поле и започна наблюдението на капки в телескопа.

Тръбата имаше скала, по която можеше да се преброи пътят, изминат от капка за определен период от време. Часът беше фиксиран от точен часовник с клетка.

"Докато работех върху окачени капки," пише Миликен, "няколко пъти забравих да ги затворя от радиеви лъчи. Тогава случайно забелязах, че от време на време една от капките внезапно променя заряда си и започва да се движи по полето или срещу то, очевидно, улавяйки в първия случай положителен, а във втория случай отрицателен йон. Това отвори възможността за измерване със сигурност не само зарядите на отделните капки, както правех до този момент, но и заряд на отделен атмосферен йон.

Всъщност, като измеря скоростта на една и съща капка два пъти, веднъж преди и втори път след улавянето на йона, очевидно бих могъл напълно да изключа свойствата на капката и свойствата на средата и да оперирам с количество, пропорционално само на заряд на уловения йон.

Ако капката падне между плочите на кондензатора под действието само на гравитацията със скорост v 1, тогава

Когато полето, насочено срещу гравитацията, е включено, действащата сила ще бъде разликата qE = mg, където q е зарядът на капката, E е модулът на силата на полето.

Скоростта на падане ще бъде:

v 2 \u003d k (qE - mg) (2)

Ако разделим равенството (1) на (2), получаваме

Нека капката улови йона и зарядът му стана равен на q′ и скоростта на движение v 2 ′. Нека означим заряда на този уловен йон с e. Тогава e = q′ - q.

Използвайки (3), получаваме

Стойността е постоянна за дадена капка.

Следователно всеки заряд, уловен от капката, ще бъде пропорционален на разликата в скоростите (v′ 2 -v 2), с други думи, пропорционален на промяната в скоростта на капката поради улавяне на йони!

И така, измерването на елементарния заряд се свежда до измерване на пътя, изминат от капката и времето, през което този път е изминат.

Многобройни наблюдения показват валидността на формула (4). Оказа се, че стойността на e може да се променя само при скокове! Винаги се спазват заряди e, 2e, 3e, 4e и т.н.

"В много случаи", пише Миликан, "спадът се наблюдава в продължение на пет или шест часа и през това време улавя не осем или десет йона, а стотици от тях. Като цяло наблюдавах улавянето на много хиляди йони в по този начин и във всички случаи уловеният заряд ... е или точно равен на най-малкия от всички уловени заряди, или е равен на малко цяло число, кратно на тази стойност. Това е пряко и неопровержимо доказателство, че електронът не е "статистическа средна стойност", а че всички електрически заряди на йони са или точно равни на заряда на електрона, или са малки цели числа, кратни на този заряд.

Така че атомизмът, дискретността или, казано в съвременния смисъл, квантуването на електрическия заряд се превърна в експериментален факт. Сега беше важно да се покаже, че електронът е, така да се каже, вездесъщ. Всеки електрически заряд в тяло от всякакво естество е сбор от едни и същи елементарни заряди.

Методът на Миликан даде възможност да се отговори недвусмислено на този въпрос.

В първите експерименти зарядите се създават чрез йонизация на неутрални газови молекули от поток от радиоактивно лъчение. Измерва се зарядът на йоните, уловени от капките.

Когато течност се пръска с пулверизатор, капчиците се наелектризират поради триене. Това беше добре известно през 19 век. Тези заряди квантувани ли са като зарядите на йони?

Millikan "претегля" капчиците след пръскане и прави измервания на заряда по описания по-горе начин. Опитът разкрива същата дискретност на електрическия заряд.

През 1913 г. Миликен обобщава резултатите от многобройни експерименти и дава следната стойност за елементарния заряд: e=4,774·10 -10 единици. таксувайте SGSE.

Така се установява една от най-важните константи на съвременната физика. Определянето на електрическия заряд се превърна в прост аритметичен проблем.

Електронна визуализация. Голяма роля в укрепването на идеята за реалността на електрона изигра откриването на G. A. Wilson на ефекта на кондензацията на водна пара върху йони, което доведе до възможността за фотографиране на следи от частици.

Казват, че А. Комптън на лекцията не успя да убеди скептичния слушател в реалността на съществуването на микрочастици. Той настоя, че ще повярва само когато ги види с очите си.

Тогава Комптън показа снимка с следа от α-частици, до която имаше пръстов отпечатък. — Знаеш ли какво е? — попита Комптън. — Пръст — отговори слушателят. „В такъв случай“, тържествено заяви Комптън, „тази светеща лента е частицата“.

Снимките на електронни следи не само свидетелстваха за реалността на електроните. Те потвърдиха предположението за малкия размер на електроните и направиха възможно сравняването с експеримента на резултатите от теоретичните изчисления, в които се появи радиусът на електроните. Експериментите, инициирани от Ленард при изследването на проникващата способност на катодните лъчи, показват, че много бързи електрони, излъчвани от радиоактивни вещества, дават следи в газ под формата на прави линии. Дължината на пистата е пропорционална на енергията на електрона. Снимките на високоенергийни α-частици показват, че следите се състоят от голям брой точки. Всяка точка е водна капка, която се появява върху йон, който се образува в резултат на сблъсък на електрон с атом. Познавайки размера на атома и тяхната концентрация, можем да изчислим броя на атомите, през които една алфа частица трябва да премине на дадено разстояние. Едно просто изчисление показва, че α-частицата трябва да премине около 300 атома, преди да срещне един от електроните, които изграждат обвивката на атома по пътя и да предизвика йонизация.

От теорията на разсейването могат да се получат данни за оценка на ъглите на отклонение като функция от енергията на електрона. Тези данни са добре потвърдени от анализа на реални следи. Съвпадението на теорията с експеримента засили идеята за електрона като най-малката частица материя.

Измерването на елементарен електрически заряд отвори възможността за точно определяне на редица важни физически константи.

Познаването на стойността на e автоматично дава възможност да се определи стойността на основната константа - константата на Авогадро. Преди експериментите на Миликан имаше само груби оценки на константата на Авогадро, които бяха дадени от кинетичната теория на газовете. Тези оценки се основават на изчисления на средния радиус на въздушна молекула и варират в доста широк диапазон от 2·10 23 до 20·10 23 1/mol.

Ако масата на отложеното вещество е равна на един мол, тогава Q = F е константа на Фарадей, а F = N 0 e, откъдето N 0 = F / e. Очевидно точността на определяне на константата на Авогадро се определя от точността, с която се измерва зарядът на електрона.

Практиката изискваше повишаване на точността на определяне на основните константи и това беше един от стимулите за продължаване на усъвършенстването на техниката за измерване на кванта на електрическия заряд. Тази работа, която вече има чисто метрологичен характер, продължава и до днес.

Най-точните стойности в момента са:

e \u003d (4,8029 ± 0,0005) 10 -10 единици. таксуване на SGSE;

N 0 \u003d (6,0230 ± 0,0005) 10 23 1 / mol.

Знаейки N 0, е възможно да се определи броят на газовите молекули в 1 cm 3, тъй като обемът, зает от 1 мол газ, е известна константа.

Познаването на броя на газовите молекули в 1 cm 3 направи възможно от своя страна да се определи средната кинетична енергия на топлинното движение на молекулата.

И накрая, зарядът на електрона може да се използва за определяне на константата на Планк и константата на Стефан-Болцман в закона за топлинното излъчване.

Лабораторна работа No7 „Определяне на заряда на електрон”

Обективен:научете се да определяте експериментално заряда на електрона.

Схемата на измервателната настройка е показана на фигурата.

За експеримента можете да използвате воден разтвор на меден сулфат ( CuSO4), и медни плочи като електроди. Зарядът на електрона може да се определи по формулата:

извлечен от закона на Фарадей за електролизата. Тук м- масата на веществото, отделено върху електрода, Ме моларната маса на веществото, н- валентността на това вещество, Н Ае константата на Авогадро, азе токът, протичащ през разтвора на електролита, т- текущо време на протичане.

Масата на медта, отделена на катода, се определя чрез претегляне на катода преди и след експеримента. Така m=m2+m1, а формулата за определяне на заряда на електрона ще има формата:

За измерване на силата на тока се използва училищен амперметър, времето се измерва в часове. За регулиране на силата на тока е необходим реостат във веригата.

Пример за изпълнение

Използваме следните формули за попълване на таблицата:

1) Δ и m - абсолютна грешка

Δ и m = 0,00001 kg

Δ 0 m - абсолютна грешка при отчитане

Детайли Категория: Електричество и магнетизъм Публикувано на 08.06.2015 05:51 Преглеждания: 6694

Една от основните константи във физиката е елементарният електрически заряд. Това е скаларна величина, която характеризира способността на физическите тела да участват в електромагнитно взаимодействие.

Елементарният електрически заряд се счита за най-малкият положителен или отрицателен заряд, който не може да бъде разделен. Стойността му е равна на стойността на заряда на електрона.

Фактът, че всеки естествен електрически заряд винаги е равен на цял брой елементарни заряди, е предложен през 1752 г. от добре известния политическа фигураБенджамин Франклин, политик и дипломат, също се занимава с научна и изобретателска дейност, първият американец, станал член руска академияНауки.

Бенджамин Франклин

Ако предположението на Франклин е вярно и електрическият заряд на всяко заредено тяло или система от тела се състои от цял брой елементарни заряди, тогава този заряд може да се промени рязко със стойност, съдържаща цял брой заряди на електрони.

За първи път това беше потвърдено и доста точно определено от американски учен, професор от Чикагския университет, Робърт Миликън.

опит в Миликън

Схема на експеримента Миликън

Миликан прави първия си известен експеримент с капка масло през 1909 г. със своя асистент Харви Флетчър. Те казват, че първоначално планирали да направят експеримента с помощта на капки вода, но те се изпарили за няколко секунди, което очевидно не било достатъчно, за да се получи резултат. Тогава Миликен изпрати Флетчър в аптеката, където купи бутилка със спрей и флакон масло за часовник. Това беше достатъчно, за да направи опитът успешен. Впоследствие Миликан получи за него Нобелова награда, и доктор на Флетчър.

Робърт Миликън

Харви Флетчър

Какъв беше експериментът на Миликан?

Електрифицирана маслена капчица пада под въздействието на гравитацията между две метални плочи. Но ако между тях се създаде електрическо поле, то ще предпази капката от падане. Чрез измерване на силата на електрическото поле може да се определи зарядът на капката.

Експериментаторите поставиха две метални пластини на кондензатора вътре в съда. Там с помощта на пулверизатор се вкарват и най-малките капчици масло, които се зареждат отрицателно по време на пръскане в резултат на триенето им във въздуха.

При липса на електрическо поле капката пада

Под действието на гравитацията F w = mg капчиците започнаха да падат надолу. Но тъй като те не бяха във вакуум, а в среда, тогава силата на въздушното съпротивление им попречи да падат свободно Fres = 6πη rv 0 , където η е вискозитетът на въздуха. Кога Fw и F рез балансирано, падането стана равномерно със скорост v0 . Чрез измерване на тази скорост ученият определи радиуса на капката.

Капчица "плува" под въздействието на електрическо поле

Ако в момента, в който капката падне, върху плочите се приложи напрежение по такъв начин, че горната плоча получи положителен заряд, а долната - отрицателен, капката спря. Той беше възпрепятстван от възникващото електрическо поле. Капките сякаш плуваха. Това се случи, когато властта F r балансиран от силата, действаща от електрическото поле F r = eE ,

където F r- резултантната сила на гравитацията и силата на Архимед.

F r = 4/3 pr 3 ( ρ – ρ 0) ж

ρ е плътността на капката масло;

ρ 0 – плътност на въздуха.

r е радиусът на капката.

знаейки F r и Е , е възможно да се определи стойността д .

Тъй като беше много трудно да се гарантира, че капката остава неподвижна за дълго време, Миликен и Флетчър създадоха поле, в което капката, след като спре, започна да се движи нагоре с много ниска скорост. v . В такъв случай

Експериментите се повтарят многократно. Зарядите се предават на капчиците чрез облъчването им с рентгеново или ултравиолетово устройство. Но всеки път общият заряд на капката винаги е бил равен на няколко елементарни заряда.

През 1911 г. Миликен открива, че зарядът на електрона е 1,5924(17) x 10 -19 C. Ученият е сгрешил само с 1%. Съвременната му стойност е 1,602176487 (10) x 10 -19 C.

Йофе опит

Абрам Федорович Йофе

Трябва да се каже, че почти едновременно с Миликан, но независимо от него, такива експерименти бяха проведени от руския физик Абрам Федорович Йофе. И неговата експериментална настройка беше подобна на тази на Миликан. Но въздухът беше изпомпван от съда и в него се създаде вакуум. И вместо капчици масло, Йофе използва малки заредени частици цинк. Движението им се наблюдава под микроскоп.

Ioffe инсталация

1- тръба

2-камера

3 - метални пластини

4 - микроскоп

5 - ултравиолетов емитер

В действие електростатично полезърно цинк падна. Веднага щом гравитацията на праховото зърно стана равна на силата, действаща върху него от електрическото поле, падането спря. Докато зарядът на праховата частица не се променяше, тя продължаваше да виси неподвижно. Но ако е бил изложен на ултравиолетова светлина, тогава зарядът му намалява и балансът се нарушава. Тя отново започна да пада. След това количеството заряд на плочите се увеличава. Съответно електрическото поле се увеличи и падането отново спря. Това беше направено няколко пъти. В резултат на това беше установено, че всеки път зарядът на праховата частица се променя с многократно заряда на елементарна частица.

Йофе не е изчислил големината на заряда на тази частица. Но след като проведе подобен експеримент през 1925 г., заедно с физика Н.И. Добронравов, след като леко модифицира пилотната инсталация и използва прахови частици от бисмут вместо цинк, той потвърди теорията