Подготовила Ученица 11-А класса КОШ № 125 Коновалова Кристина

Слайд 2

Опыт Иоффе - Милликена Абрам Федорович Иоффе Роберт ЭндрюсМилликен

Слайд 3

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.

Слайд 4

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.

Слайд 5

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.

Слайд 6

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.

Слайд 7

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.

Слайд 8

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.

Слайд 9

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.

Слайд 10

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.

Слайд 11

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.

Слайд 12

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.

Слайд 13

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.

Слайд 14

1895 г. он защитил в Колумбийском университете диссертацию на получение докторской степени, посвященную исследованию поляризации света. Следующий год Милликен провел в Европе, где встречался с Анри Беккерелем, Максом Планком, Вальтером Нернстом, А.Пуанкаре.

Слайд 15

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.

Слайд 16

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).

Слайд 17

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».

Слайд 18

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.

Посмотреть все слайды

Явление взаимодействия заряженного те-ла с электрическим полем было использо-вано американским физиком Робертом Мил-ликеном для подтверждения дискретности электрического заряда и измерения наиме-ньшего его значения. На протяжении 1906— 1916 лет он провел серию опытов, которые отмечались оригинальностью и большой точ-ностью. В соответствии с целью и страте-гией исследования нужно было найти спо-соб измерения сил порядка 10 -13 Н, дейст-вующих на частички массой 10 -15 кг.

Схема исследовательской установки Р. Милликена показана на рис. 4.17.

Роберт Эндрус Милликен (1868 — 1953) — американский физик, исследовал свой-ства электрона, первый измерил заряд электрона, изучал явления фотоэффек-та, ультрафиолетовое излучение, кос-мическое излучение, строение атома.

В герметически закрытой камере, защи-щающей установку от внешних влияний, разместили круглые латунные пластинки A и B диаметром 22 см. Расстояние между ними было 1,6 см. В состав установки вхо-дила система C, впрыскивающая в про-странство между пластинами минеральное масло, которое образовывало облачко из капелек диаметром 10 -4 см. Специальная си-стема в нужный момент создавала между пластинами электрическое поле напряжен-ностью около 10 6 Н/Кл.

Капли масла, попадающие в простран-ство между пластинами, освещались силь-ным источником света. Перпендикулярно направлению лучей в микроскоп Д можно было наблюдать движение масляных капе-лек. Шкала, размещенная в поле зрения микроскопа, позволяла отсчитывать путь, пройденный каплей за определенный ин-тервал времени.

Минеральное масло было выбрано по-тому, что оно очень медленно испаряется и масса капельки продолжительное время ос-тается практически неизменной.

Идею исследования Р. Милликена кратко можно сформулировать так:

измерить боль-шое количество изменений электрического за-ряда капельки и найти определенную законо-мерность в этих изменениях.

Для решения поставленной задачи рас-сматривалось движение выделенной в поле зрения микроскопа капельки.

Сразу после распыления капелька под действием силы тяжести начинает ускорен-но падать вниз. При этом она приобретает определенный заряд, а сила сопротивления, пропорциональная скорости, постепенно воз-растает. При установлении равновесия меж-ду силой тяжести и силой сопротивления воздуха (рис. 4.18) капелька начинает двигаться равномерно, в соответствии с урав-нением mg — kv 1 = 0.

Здесь k — коэффициент пропорциональ-ности, который учитывает влияние воздуха на движение капельки. Материал с сайта

После приложения напряжения к плас-тинам появляется электрическая сила, дейст-вие которой приводит к изменению ско-рости движения капельки. Изменяя напряжен-ность электрического поля между пластина-ми, можно было достичь того, что капелька на-чинала равномерно двигаться вверх (рис. 4.19). Установившаяся скорость определялась из уравнения движения, которое учитывает и электрическую силу

mg — qE + kv 2 = 0.

Совместное решение двух уравнений да-вало значения заряда капельки:

q = k(v 1 + v 2) / E.

В ходе дальнейших опытов капелька ос-вещалась ультрафиолетовым или рентгенов-ским лучом. При этом заряд ее изменялся скачкообразно. Анализ измеренных значений зарядов позволил с определенной достовер-ностью установить, что изменение заряда капельки не было меньшим 1,6 . 10 -19 Кл. Такой заряд имеет электрон.

Результаты, полученные Милликеном , были подтверждены в экспериментальных исследованиях ученых Франции, Германии, Англии, России.

На этой странице материал по темам:

• Гдз исследование явления фотоэффект

• Установка милликена

• Роберт милликен краткая физический закон

• Милликен формуласы

• Какой физический закон у роберта милликена

Вопросы по этому материалу:

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.

Ученые прекрасно осознали, что эта частица является фундаментальной составляющей всего материального мира. Соответственно, встал вопрос об изучении и измерении ее свойств. Первое прецизионное измерение электрического заряда электрона — заслуга Роберта Милликена. Его экспериментальная установка представляла собой большой и емкий плоский конденсатор из двух металлических пластин с камерой между ними. На обкладки конденсатора Милликен подавал постоянное напряжение от мощной батареи, создавая на них высокую разность потенциалов, а между обкладками помещал мелко распыленные капли — сначала воды, а затем масла, которое, как выяснилось, ведет себя в электростатическом поле значительно устойчивее, а главное — испаряется гораздо медленнее. Сначала Милликен измерил предельную скорость падения капель — то есть скорость, при которой сила земного притяжения, действующая на капли, уравновешивается силой сопротивления воздуха. По этой скорости ученый определил объем и массу капель аэрозольной взвеси. После этого он распылил идентичный аэрозоль в присутствии электростатического поля, то есть при подключенной батарее. В этом случае масляные капли оставались в подвешенном состоянии достаточно долго, поскольку силы гравитационного притяжения Земли уравновешивались силами электростатического отталкивания между каплями аэрозоля.

Причина, по которой капли масляного аэрозоля электризуются, банальна: это простой электростатический заряд, подобный тому, который накапливается, скажем, на белье, которое мы достаем из сушильной центрифуги, в результате того что ткань трется о ткань — он возникает в результате трения капель о воздух, заполняющий камеру. Однако из-за микроскопического размера масляных капель в камере они не могут получить большого заряда, а величина заряда капель будет кратна единичному заряду электрона. Значит, постепенно понижая внешнее напряжение, мы будем наблюдать, как капли масла периодически «выпадают в осадок», и по градациям шкалы напряжения, при которых осаждается очередная порция аэрозоля, мы можем судить об абсолютной величине единичного заряда, поскольку дробного заряда наэлектризованные капли нести на себе не могут.

Кроме того, Милликен облучал масляную взвесь рентгеновскими лучами и дополнительно ионизировал ее органические молекулы, чтобы повысить их электризацию и продлить время экспериментального наблюдения, одновременно повышая напряжение в камере, и делал так многократно для уточнения полученных данных. Наконец, накопив достаточно экспериментальных данных для статистической обработки, Милликен вычислил величину единичного заряда и опубликовал полученные результаты, которые содержали максимально точно для тех лет рассчитанный заряд электрона.

Опыт Милликена был крайне трудоемок. Ученому приходилось, в частности, постоянно измерять и учитывать влажность воздуха и атмосферное давление — и так на протяжении всех пяти лет непрерывного наблюдения за своей установкой. Наградой за титанический труд стала Нобелевская премия по физике за 1923 год, присужденная Милликену за публикацию 1913 года. Интересно, что при всей кажущейся простоте камеры Милликена она не стала музейным экспонатом. Уже в 1960-е годы, когда появилась гипотеза кварков (см. Стандартная модель), были построены современные, усовершенствованные установки, работающие по вышеописанному принципу, на которых ученые безуспешно искали свободные кварки. Поскольку обнаружить таковые не удалось (кварки различных типов должны иметь электрические заряды, равные 1/3 и 2/3 заряда электрона), это послужило дополнительным подтверждением теории, согласно которой кварки в свободном виде в современной природе не встречаются и всегда находятся в связанном состоянии внутри других элементарных частиц.

Robert Andrews Millikan, 1868-1953

Американский физик. Родился в г. Моррисон, штат Иллинойс, в семье священника-конгрегационалиста и учительницы приходской женской школы. Окончив Оберлинский колледж в Огайо, некоторое время преподавал греческий язык и, по совместительству, физику в начальной школе. Увлекшись последней, поступил на физический факультет Колумбийского университета, после окончания которого прошел годичную практику в ведущих лабораториях Европы, а затем был зачислен в преподавательский штат Чикагского университета. Там он получил всеобщее признание как авторитетный педагог (в частности, долгие годы по его учебникам преподавали физику в американских школах). Там же, в Чикаго, он и проводил на протяжении ряда лет свой знаменитый опыт, позволивший впервые определить с достаточной точностью заряд электрона и выдвинувший Милликена в первые ряды представителей американской науки. В то же время ученый занимался активной общественной деятельностью и, в какой-то мере, способствовал формированию нового облика социально активного интеллектуала в сознании массового читателя.

В годы Первой мировой войны в звании полковника Милликен возглавлял войска связи США. Ученый много времени уделял организации научно-исследовательских учреждений и в 1921 году фактически возглавил только что созданный Калифорнийский технологический институт в Пасадене. При этом Милликен не оставлял и исследовательской деятельности, будучи одним из пионеров физики космических лучей. В итоге он стал олицетворенным символом своего поколения ученых, продолжив традиции англичан Джона Тиндаля и Майкла Фарадея, и предвосхитил появление таких выдающихся ученых-популяризаторов, как Карл Саган.

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?