Билет 8. Строение атома. Опыты Иоффе и Милликена. Опыт Резерфорда. Строение атома и таблица Менделеева. Строение ядра.

Опыт с делением заряда на 2 электрометрах. Существует ли предел деления заряда? Существует заряженная частица, которая имеет са­мый малый заряд, который разделить не­возможно. Существование мельчайших частиц, имею­щих наименьший электрический заряд, было доказано многими опытами Иоффе и Милликена. В своих опытах они электризова­ли мелкие пылинки цинка. Заряд пылинок ме­няли несколько раз и вычисляли его. Так по­ступали несколько раз. При этом заряд оказы­вался каждый раз другим. Но все его изменения были в целое число раз (т. е. в 2, 3, 4 и т. д.) больше некоторого определенного наименьшего заряда. Этот результат можно объяснить только так. К пылинке цинка присоединяется или от нее отделяется только наименьший заряд (или целое число таких зарядов). Этот заряд даль­ше уже не делится. Частицу, имеющую самый маленький заряд, назва­ли электроном.

Электрон очень мал. Масса электрона равна 9,1 · 10-19 кг. Эта масса примерно в 3700 раз меньше массы молекулы водорода , которая являет­ся наименьшей из всех молекул.

Электрический заряд - это одно из основных свойств электрона. Нельзя представить, что этот заряд можно снять с электрона. Они не отделимы друг от друга. Электрон - частица с наименьшим отрицательным зарядом. Его заряд равен -1,6 · 10-19 Кл.

Строение атомов

1896г. - Дж. Дж. Томсон открыл электрон. 1903г. - Дж. Дж. Томсон выдвинул гипотезу о том, что электрон находится внутри атома. Но атом в целом нейтральный, поэтому ученый предположил, что отрицательные электроны окружены в атоме положительно заряженным веществом. Атом, по мысли Дж. Томсона, очень похож на "пудинг с изюмом", где "каша" - положительно заряженное вещество атома., а электроны - " изюм" в ней.

https://pandia.ru/text/78/203/images/image002_67.jpg" alt="Строение" align="left" width="103" height="307 src=">

Некоторые альфа-частицы проходили сквозь фольгу, образуя на экране размытое пятно, а следы от других альфа-частиц были зафиксированы на боковых экранах. Опыт показал, что положительный заряд атома сконцентрирован в очень малом объеме - ядре, а между ядрами атомов существуют большие промежутки.

Резерфорд показал, что модель Томсона находится в противоречии с его опытами.

Ядерная (планетарная) модель строения атома Резерфорда.

1911г. - Резерфорд предложил современную ядерную (планетарную) модель строения атома

Резерфорд шел к своему открытию строения атома в течение 5 лет. Долгих пять лет проводил он опыты по исследованию строения атома.

Резерфорд установил, что:

Атом имеет в центре ядро, размеры которого во много раз меньше размеров самого атома. Вокруг ядра по орбитам движутся электроны.
Почти вся масса атома сконцентрирована в его ядре. Суммарный отрицательный заряд всех электронов равен суммарному положительному заряду ядра атома и компенсирует его.

В составе ядра на­ходятся положительно заряженные частицы. Их назвали про­тонами. Каждый протон имеет массу, в 1840 раз большую, чем мас­са электрона.

Заряд протона положителен и равен по абсолютному значению за­ряду электрона.

Кроме протонов, в ядрах атомов содержатся еще нейтральные (не имеющие заряда) частицы. Они получили название нейтро­нов.

Масса нейтрона не намного больше массы протона. Итак, строение атома таково: в центре атома находится яд­ро, состоящее из протонов и нейтронов, а вокруг ядра движутся электроны.

В целом не имеет заря­да, он нейтрален, потому что положитель­ный заряд его ядра равен отрицательному за­ряду всех его электронов.

Но атом, потерявший один или несколько электронов, уже не является нейтральным, а будет иметь положительный заряд. Его называ­ют тогда положительным ионом.

Наблюдается и обратное. Лишний электрон присоединяется к нейтральному атому. В этом случае атом приобретает отрицательный заряд и становится отрицательным ионом.

Опыты Милликена и Иоффе по измерению заряда электрона. Дискретность электрического заряда.

Дата: 1910–1913.

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.

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:

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.

К началу XX в. существование электронов было установлено в целом ряде независимых экспериментов. Но, несмотря на огромный экспериментальный материал, накопленный различными научными школами, электрон оставался, строго говоря, гипотетической частицей. Причина в том, что не было ни одного опыта, в котором участвовали бы одиночные электроны.
Сначала электроны появились как удобная гипотеза для объяснения законов электролиза, затем они были обнаружены в газовом разряде, что подтвердило их существование во всех телах. Однако не было ясно, имеет ли физика дело с одним и тем же электроном, одинаковым для всех веществ и тел или же свойства электрона представляют собой усреднённые характеристики самых разнообразных «электронов-братьев».

Для ответа на этот вопрос в 1910-1911 годах американский учёный Роберт Эндрюс Милликен и советский физик Абрам Фёдорович Иоффе независимо друг от друга проделали точные эксперименты, в которых было возможно вести наблюдние за одиночными электронами.
В их опытах в закрытом сосуде 1, воздух из которого откачан насосом до высокого вакуума, находились две горизонтально расположенные металлические пластины 2. Между ними через трубку 3 помещали облако заряженных металлических пылинок или капелек масла. За ними наблюдали в микроскоп 4 со специальной шкалой, позволявший наблюдать за их оседанием (падением) вниз.
Предположим, что пылинки или капельки до помещения между пластинами были заряжены отрицательно. Поэтому их оседание (падение) можно остановить, если нижнюю пластину зарядить отрицательно, а верхнюю - положительно. Так и поступали, добиваясь равновесия пылинки (капельки), за которой наблюдали в микроскоп.


Затем заряд пылинок (капелек) уменьшали, действуя на них ультрафиолетовым или рентгеновским излучением. Пылинки (капельки) начинали падать, так как уменьшалась поддерживающая электрическая сила. Сообщая металлическим пластинам дополнительный заряд и этим усиливая электрическое поле, пылинку снова останавливали. Так поступали несколько раз, каждый раз по специальной формуле вычисляя заряд пылинок.
Опыты Милликена и Иоффе показали, что заряды капель и пылинок всегда изменяются скачкообразно. Минимальная «порция» электрического заряда - элементарный электрический заряд, равный e = 1,6·10-19 Кл. Однако заряд пылинки уходит не сам по себе, а вместе с частицей вещества. Следовательно, в природе существует такая частица вещества, которая имеет самый маленький заряд, далее уже неделимый - заряд электрона. Благодаря экспериментам Иоффе-Милликена существование электрона превратилось из гипотезы в научно подтверждённый факт.
В настоящее время есть сведения о существовании элементарных частиц (кварков) с дробными электрическими зарядами, равными 1/Зе и 2/Зе. Однако электрический заряд любого тела всегда целочисленно кратен элементарному электрическому заряду; других «порций» электрического заряда, способных переходить от одного тела к другому, в природе до сих пор экспериментально обнаружить не удалось.

Презентация на тему: ФизикиА. Ф. Иоффе и Р. Э. Милликен. Их жизненный путь. Опыт Иоффе - Милликена

1 из 18

Презентация на тему: ФизикиА. Ф. Иоффе и Р. Э. Милликен. Их жизненный путь. Опыт Иоффе - Милликена

№ слайда 1

Описание слайда:

№ слайда 2

Описание слайда:

№ слайда 3

Описание слайда:

Опыт Иоффе - Милликена 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.

№ слайда 4

Описание слайда:

На рисунке изображена схема установки, использованной в опыте А. Ф. Иоффе. В закрытом сосуде, воздух из которого откачан до высокого вакуума, находились две металлические пластины П, расположенные горизонтально. Из камеры А через отверстие О в пространство между пластинами попала ли мелкие заряженные пылинки цинка. Эти пылинки наблюдали в микроскоп. На рисунке изображена схема установки, использованной в опыте А. Ф. Иоффе. В закрытом сосуде, воздух из которого откачан до высокого вакуума, находились две металлические пластины П, расположенные горизонтально. Из камеры А через отверстие О в пространство между пластинами попала ли мелкие заряженные пылинки цинка. Эти пылинки наблюдали в микроскоп.

№ слайда 5

Описание слайда:

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. 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.

№ слайда 6

Описание слайда:

Абрам Федорович Иоффе Абрам Федорович Иоффе – российский физик, сделавший множество фундаментальных открытий и проведший огромное количество исследований, в том числе и в области электроники. Он провел исследования свойств полупроводниковых материалов, открыл выпрямляющее свойство перехода металл-диэлектрик, впоследствии объяснимое при помощи теории туннельного эффекта, предположил возможность преобразования света в электрический ток.

№ слайда 7

Описание слайда:

Родился Абрам Федорович 14 октября 1980 года в городе Ромны Полтавской губернии (сейчас Полтавская область, Украина) в семье купца. Поскольку отец Абрама был достаточно богатым человеком, он не поскупился дать хорошее образование своему сыну. В 1897 году Иоффе получает среднее образование в реальном училище родного города. В 1902 году он оканчивает Санкт-Петербургский технологический институт и поступает в Мюнхенский университет в Германии. В Мюнхене он работает под руководством самого Вильгельма Конрада Рентгена. Вильгельм Конрад, видя прилежность и не абы какой талант ученика пытается уговорить Абрама остаться в Мюнхене и продолжать научную деятельность, но Иоффе оказался патриотом своей страны. После окончания университета в 1906 году, получив ученую степень доктора философии, он возвращается в Россию. Родился Абрам Федорович 14 октября 1980 года в городе Ромны Полтавской губернии (сейчас Полтавская область, Украина) в семье купца. Поскольку отец Абрама был достаточно богатым человеком, он не поскупился дать хорошее образование своему сыну. В 1897 году Иоффе получает среднее образование в реальном училище родного города. В 1902 году он оканчивает Санкт-Петербургский технологический институт и поступает в Мюнхенский университет в Германии. В Мюнхене он работает под руководством самого Вильгельма Конрада Рентгена. Вильгельм Конрад, видя прилежность и не абы какой талант ученика пытается уговорить Абрама остаться в Мюнхене и продолжать научную деятельность, но Иоффе оказался патриотом своей страны. После окончания университета в 1906 году, получив ученую степень доктора философии, он возвращается в Россию.

№ слайда 8

Описание слайда:

В России Иоффе устраивается на роботу в Политехнический институт. В 1911 он экспериментально определяет величину заряда электрона по тому же методу, что и Роберт Милликен (в электрическом и гравитационном полях уравновешивались частицы металла). Из-за того, что Иоффе опубликовал свою работу лишь спустя два года – слава открытия измерения заряда электрона досталась американскому физику. Кроме определения заряда, Иоффе доказал реальность существования электронов независимо от материи, исследовал магнитное действие потока электронов, доказал статический характер вылета электронов при внешнем фотоэффекте. В России Иоффе устраивается на роботу в Политехнический институт. В 1911 он экспериментально определяет величину заряда электрона по тому же методу, что и Роберт Милликен (в электрическом и гравитационном полях уравновешивались частицы металла). Из-за того, что Иоффе опубликовал свою работу лишь спустя два года – слава открытия измерения заряда электрона досталась американскому физику. Кроме определения заряда, Иоффе доказал реальность существования электронов независимо от материи, исследовал магнитное действие потока электронов, доказал статический характер вылета электронов при внешнем фотоэффекте.

№ слайда 9

Описание слайда:

В 1913 году Абрам Федорович защищает магистерскую, а через два года докторскую диссертацию по физике, которая представляла собой изучение упругих и электрических свойств кварца. В период с 1916 по 1923 годы он активно изучает механизм электрической проводимости различных кристаллов. В 1923 именно по инициативе Иоффе начинаются фундаментальные исследования и изучения свойств, совершенно новых на то время материалов – полупроводников. Первая работа в этой области проводилась при непосредственном участии российского физика и касалась анализа электрических явлений между полупроводником и металлом. Им было обнаружено выпрямляющее свойство перехода металл-полупроводник, которое лишь спустя 40 лет было обосновано при помощи теории туннельного эффекта. В 1913 году Абрам Федорович защищает магистерскую, а через два года докторскую диссертацию по физике, которая представляла собой изучение упругих и электрических свойств кварца. В период с 1916 по 1923 годы он активно изучает механизм электрической проводимости различных кристаллов. В 1923 именно по инициативе Иоффе начинаются фундаментальные исследования и изучения свойств, совершенно новых на то время материалов – полупроводников. Первая работа в этой области проводилась при непосредственном участии российского физика и касалась анализа электрических явлений между полупроводником и металлом. Им было обнаружено выпрямляющее свойство перехода металл-полупроводник, которое лишь спустя 40 лет было обосновано при помощи теории туннельного эффекта.

№ слайда 10

Описание слайда:

Исследуя фотоэффект в полупроводниках, Иоффе высказал достаточно смелую на то время идею, что подобным способом можно будет преобразовывать энергию света в электрический ток. Это стало предпосылкой в дальнейшем к созданию фотоэлектрических генераторов, и в частности кремниевых преобразователей, в последствие используемых в составе солнечных батарей. Совместно со своими учениками Абрам Федорович создает систему классификации полупроводников, а также методику определения их основных электрических и физических свойств. В частности изучение их термоэлектрических свойств, в последствие стало основой для создания полупроводниковых термоэлектрических холодильников, широко применяемых во всем мире в областях радиоэлектроники, приборостроении и космической биологии. Исследуя фотоэффект в полупроводниках, Иоффе высказал достаточно смелую на то время идею, что подобным способом можно будет преобразовывать энергию света в электрический ток. Это стало предпосылкой в дальнейшем к созданию фотоэлектрических генераторов, и в частности кремниевых преобразователей, в последствие используемых в составе солнечных батарей. Совместно со своими учениками Абрам Федорович создает систему классификации полупроводников, а также методику определения их основных электрических и физических свойств. В частности изучение их термоэлектрических свойств, в последствие стало основой для создания полупроводниковых термоэлектрических холодильников, широко применяемых во всем мире в областях радиоэлектроники, приборостроении и космической биологии.

№ слайда 11

Описание слайда:

Абрам Федорович Иоффе внес огромный вклад в становление и развитие физики и электроники. Он был членом многих Академий наук (Берлинской и Гётиннгенской, Американской, Итальянской), а также почетных членом множества университетов во всем мире. За свои достижения и исследования был удостоен множества наград. Умер Абрам Федорович 14 октября 1960 года. Абрам Федорович Иоффе внес огромный вклад в становление и развитие физики и электроники. Он был членом многих Академий наук (Берлинской и Гётиннгенской, Американской, Итальянской), а также почетных членом множества университетов во всем мире. За свои достижения и исследования был удостоен множества наград. Умер Абрам Федорович 14 октября 1960 года.

№ слайда 12

Описание слайда:

Милликен Роберт Эндрус Американский физик Роберт Милликен родился в Моррисоне (штат Иллинойс) 22 марта 1868 г. в семье священника. После окончания средней школы Роберт вступает в колледж Оберлин в Огайо. Там его интересы были сосредоточены на математике и древнегреческом языке. Ради заработка он на протяжении двух лет излагал физику в колледже. 1891 г. Милликен получил степень бакалавра, а 1893 г. - магистерскую степень по физики.

№ слайда 13

Описание слайда:

В Колумбийском университете Милликен учился под руководством известного физика М.І.Пьюпина. Одно лето он провел в Чикагском университете, где работал под руководством известного физика-экспериментатора Альберта Абрахама Майкельсона. В Колумбийском университете Милликен учился под руководством известного физика М.І.Пьюпина. Одно лето он провел в Чикагском университете, где работал под руководством известного физика-экспериментатора Альберта Абрахама Майкельсона.

Описание слайда:

1896 г. Милликен вернулся в Чикагский университету, где стал ассистентом Майкельсона. 1896 г. Милликен вернулся в Чикагский университету, где стал ассистентом Майкельсона. За дальнейшие двенадцать лет Милликен написал несколько учебников по физике, которые были приняты как учебники для колледжей и средних школ (с дополнениями оставались ими свыше 50 лет). 1910 г. Милликена было назначено профессором физики.

№ слайда 16

Описание слайда:

Роберт Милликен разработал метод капель, который дал возможность измерять заряд отдельных электронов и протонов (1910 - 1914) большое количество опытов по точному вычислению заряда электрона. Тем самым он экспериментально доказал дискретность электрического заряда и впервые достаточно точно определил его значение (4,774 * 10^-10 электростатических единиц). Проверил уравнение Эйнштейна для фотоэффекта в области видимых и ультрафиолетовых лучей, определил постоянную Планка (1914). Роберт Милликен разработал метод капель, который дал возможность измерять заряд отдельных электронов и протонов (1910 - 1914) большое количество опытов по точному вычислению заряда электрона. Тем самым он экспериментально доказал дискретность электрического заряда и впервые достаточно точно определил его значение (4,774 * 10^-10 электростатических единиц). Проверил уравнение Эйнштейна для фотоэффекта в области видимых и ультрафиолетовых лучей, определил постоянную Планка (1914).

№ слайда 17

Описание слайда:

1921 г. Милликен был назначен директором новой Бриджесивской физической лаборатории и главой исполнительного комитета Калифорнийского технологического института. 1921 г. Милликен был назначен директором новой Бриджесивской физической лаборатории и главой исполнительного комитета Калифорнийского технологического института. Здесь он выполнил большой цикл исследований космических лучей, в частности опыты (1921 - 1922) с воздушными снопами с самопишущими электроскопами на высотах 15500 м. 1923 г. Милликен был удостоен Нобелевской премии в области физики «за работы по определению элементарного электрического заряда и фотоэлектрического эффекта».

№ слайда 18

Описание слайда:

В течение 1925-1927 гг. Милликен продемонстрировал, что ионизирующее действие космического излучения уменьшается с глубиной, и подтвердил внеземное происхождение этих « космических лучей». Исследуя траектории космических частичек, выявил в них альфа-частицы, быстрые электроны, протоны, нейтроны, позитроны и гамма-кванты. Независимо от Вернова открыл широтный эффект космических лучей в стратосфере. В течение 1925-1927 гг. Милликен продемонстрировал, что ионизирующее действие космического излучения уменьшается с глубиной, и подтвердил внеземное происхождение этих « космических лучей». Исследуя траектории космических частичек, выявил в них альфа-частицы, быстрые электроны, протоны, нейтроны, позитроны и гамма-кванты. Независимо от Вернова открыл широтный эффект космических лучей в стратосфере.

Мысль о дискретности электрического заряда впервые была высказана Б. Франклином в 1752 г. Экспериментально дискретность зарядов была обоснована законами электролиза, открытыми М. Фарадеем в 1834 г. Числовое значение элементарного заряда (наименьшего электрического заряда, встречающегося в природе) было теоретически вычислено на основании законов электролиза с использованием числа Авогадро. Прямое экспериментальное измерение элементарного заряда было выполнено Р. Милликеном в классических опытах, выполненных в 1908 – 1916 гг. Эти опыты дали также неопровержимое доказательство атомизма электричества .

Согласно основным представлениям электронной теории, заряд какого-либо тела возникает в результате изменения содержащегося в нём количества электронов (или положительных ионов, величина заряда которых кратна заряду электрона). Поэтому заряд любого тела должен изменяться скачкообразно и такими порциями, которые содержат целое число зарядов электрона.

Все физики интересовались величиной электрического заряда электрона, и, тем не менее, до сих пор не удалось ее измерить. Много попыток провести это решающее измерение уже предпринял Дж. Дж. Томсон, но прошло десять лет работы, и ассистент Томсона Г. Вильсон сообщил, что после одиннадцати различных измерений они получили одиннадцать различных результатов.

Прежде чем начать исследования по своему собственному методу, Милликен ставил опыты по методу, применявшемуся в Кембриджском университете. Теоретическая часть эксперимента заключалась в следующем: масса тела определялась путем измерения давления, производимого телом под воздействием силы тяжести на чашу весов. Если сообщить бесконечно малой частице вещества электрический заряд и если приложить направленную вверх электрическую силу, равную силе тяжести, направленной вниз, то эта частица будет находиться в состоянии равновесия, и физик может рассчитать величину электрического заряда. Если в данном случае частице будет сообщен электрический заряд одного электрона, можно будет высчитать величину этого заряда.

Кембриджская теория была вполне логичной, но физики никак не могли создать прибор, при помощи которого можно было бы заниматься исследованиями отдельных частиц веществ. Им приходилось довольствоваться наблюдением за поведением облака из водяных капель, заряженных электричеством. В камере, воздух из которой был частично удален, создавалось облако пара. К верхней части камеры подводился ток. Через определенное время капельки тумана в облаке успокаивались. Затем сквозь туман пропускали икс – лучи, и водяные капли получали электрический заряд.

При этом исследователи полагали, что электрическая сила, направленная вверх, к находящейся под высоким напряжением крышке камеры, должна якобы удерживать капли от падения. Однако на деле не выполнялось ни одно из сложных условий, при которых, и только при которых, частицы могли бы находиться в состоянии равновесия.

Милликен начал искать новый путь решения проблемы.

В основу метода положено изучение движения заряженных капелек масла в однородном электрическом поле известной напряжённости Е.

Рис 15.2 Схема экспериментальной установки: Р – распылитель капель; К – конденсатор; ИП – источник питания; М – микроскоп; hn – источник излучения; П – поверхность стола.

Схема одной из установок Милликена приведена на рис 15.1. Милликен измерял электрический заряд, сосредоточенный на отдельных маленьких каплях сферической формы, которые формировались распылителем Р и приобретали электрический заряд электризацией трением о стенки распылителя. Через малое отверстие в верхней пластине плоского конденсатора К они попадали в пространство между пластинами. За движением капли наблюдали в микроскоп М.

С целью предохранения капелек от конвекционных потоков воздуха конденсатор заключён в защитный кожух, температура и давление в котором поддерживаются постоянными. При выполнении опытов необходимо соблюдать следующие требования:

а. капли должны быть микроскопических размеров, чтобы силы, действующие на каплю в разных направлениях (вверх и вниз) были сопоставимы по величине;

б. заряд капли, а также его изменения при облучении (использовании ионизатора) были равны достаточно малому числу элементарных зарядов. Это позволяет легче установить кратность заряда капли элементарному заряду;

в. плотность капли r должна быть больше плотности вязкой среды r 0 , в которой она движется (воздуха);

г. масса капли не должна меняться в течение всего опыта. Для этого масло, из которого состоит капля не должно испаряться (масло испаряется значительно медленнее воды).

Если пластины конденсатора не были заряжены (напряженность электрического поля Е = 0), то капля медленно падала, двигаясь от верхней пластины к нижней. Как только пластины конденсатора заряжались, в движении капли происходили изменения: в случае отрицательного заряда на капле и положительного на верхней пластине конденсатора падение капли замедлялось, и в некоторый момент времени она меняла направление движения на противоположное – начинала подниматься к верхней пластине.

Определение элементарного заряда посредством вычислительного эксперимента.

Зная скорость падения капли в отсутствие электростатического поля (заряд ее не играл роли) и скорость падения капли в заданном и известном электростатическом поле, Милликен мог вычислить заряд капли.

Из-за вязкого сопротивления капля почти сразу после начала движения (или изменения условий движения) приобретает постоянную (установившуюся) скорость и движется равномерно. В силу этого а = 0, и можно найти скорость движения капли. Обозначим модуль установившейся скорости в отсутствие электростатического поля – v g , тогда:

v g = (m – m 0)·g/k (16.5).

Если замкнуть электрическую цепь конденсатора (рис 1), то он зарядится и в нем создастся электростатическое поле Е . При этом на заряд будет действовать дополнительная к перечисленным сила q·E , направленная вверх. Закон Ньютона в проекции на ось Х и с учетом, что а = 0, примет вид:

-(m – m0)·g + q·E – k·vE = 0 (16.6)

vE = (q·E – (m – m0)·g/k (16.7),

где vE – установившаяся скорость масляной капли в электростатическом поле конденсатора; v E > 0, если капля движется вверх, v E < 0, если капля движется вниз. Отсюда следует что

q = (vE + |vg|)·k/E (16.8),

следует, что измеряя установившиеся скорости в отсутствие электростатического поля vg и при его наличии vE, можно определить заряд капли, если известен коэффициент k = 6·p·h·r.

Казалось бы, для нахождения k достаточно измерить радиус капли (вязкость воздуха известна из других экспериментов). Однако прямое ее измерение с помощью микроскопа невозможно. Радиус капли имеет порядок величины r = 10 -4 – 10 -6 см, что сравнимо по порядку величины с длиной световой волны. Поэтому микроскоп дает лишь дифракционное изображение капли, не позволяя измерить ее действительные размеры.

Сведения о радиусе капли можно получить из экспериментальных данных о ее движении в отсутствие электростатического поля. Зная v g и учитывая, что

m – m 0 = (r – r 0)·4·p·r 3 /3 (16.9),

где r – плотность масляной капли,

r = {(9·h·v g)/} 1/2 . (16.10).

В своих опытах Милликен изменял заряд капли, поднося кусок радия к конденсатору. При этом излучение радия ионизировало воздух в камере (рис 1), в результате чего капля могла захватить дополнительно положительный или отрицательный заряд. Если до этого капля была заряжена отрицательно, то понятно, что с большей вероятностью она присоединит к себе положительные ионы. С другой стороны, вследствие теплового движения не исключено присоединение и отрицательных ионов в результате столкновения с ними. В том и другом случаях изменится заряд капли и – скачкообразно – скорость ее движения v E ". Величина q" измененного заряда капли в соответствии с (16.10) еляется соотношением:

q" = (|v g | + v E ")·k/E (16.11).

Из (1) и (3) определяется величина присоединенного каплей заряда:

Dq = |q – q"| = k·|v E – v E "|/E = k·(|Dv E |/E) (16.12).

Сравнивая величины заряда одной и той же капли, можно было убедиться, что величина изменения заряда и сам заряд капли являются кратными одной и той же величине е 0 – элементарному заряду.В своих многочисленных опытах Милликен получал различные значения зарядов q и q", но всегда они представляли кратное величины е 0 = 1.7 . 10 -19 Кл, то есть q = n·е 0 , где n – целое число. Отсюда Милликен заключил, что величина е 0 представляет наименьшее возможное в природе количество электричества, то есть "порцию", или атом электричества. Наблюдение за движением одной и той же капли, т.е. за её перемещением вниз (в отсутствие электрического поля) и вверх (при наличии электрического поля) в каждом опыте Милликен повторял многократно, своевременно включая и выключая электрическое поле. Точность измерения заряда капли существенно зависит от точности измерения скорости её движения.

Установив на опыте дискретный характер изменения электрического заряда, Р. Милликен смог получить подтверждение существования электронов и определить величину заряда одного электрона (элементарный заряд) используя метод масляных капель.

Современное значение "атома" электричества е 0 = 1.602 . 10 -19 Кл. Эта величина и есть элементарный электрический заряд, носителями которого являются электрон е 0 = – 1.602 . 10 -19 Кл и протон е 0 = +1.602 . 10 -19 Кл. Работы Милликена внесли огромный вклад в физику и дали огромнейший толчок развитию научной мысли в будущем.

Контрольные вопросы:

1. В чем сущность метода Томсона?

2. Экспериментальная схема установки?

3. Трубка Томсона?

4. Вывод формулы отношение заряда к массе частицы?

5. В чем основная задача электронной и ионной оптики? И как их принято называть?

6. Когда был открыт «метод магнитной фокусировки»?

7. В чем его суть?

8. Как определяется удельный заряд электрона?

9. Изобразить схему установки по опыту Милликена?

10. Какие требования необходимо соблюдать при выполнении опыта?

11. Определение элементарного заряда посредством вычислительного эксперимента?

12. Вывод формулы заряда капли через скорость падения капли?

13. Современное значение "атома" электричества?