Przygotowany przez ucznia klasy 11-A KOSH nr 125 Konovalova Kristina

slajd 2

Doświadczenie Ioffe - Millikan Abram Fedorovich Ioffe Robert AndrewsMilliken

slajd 3

Doświadczenie Ioffe-Milliken

Pod koniec XIX wieku w wielu bardzo różnorodnych eksperymentach ustalono, że istnieje pewien nośnik ładunku ujemnego, który nazwano elektronem. W rzeczywistości była to jednak jednostka hipotetyczna, ponieważ pomimo obfitości praktyczny materiał, nie przeprowadzono ani jednego eksperymentu z pojedynczym elektronem. Nie było wiadomo, czy istnieją różne elektrony dla różnych substancji, czy zawsze jest to samo, jaki ładunek niesie elektron, czy ładunek może istnieć niezależnie od cząstki. Ogólnie rzecz biorąc, w środowisku naukowym toczyły się gorące debaty na temat elektronu i nie było wystarczających praktycznych podstaw, które jednoznacznie zatrzymałyby wszystkie debaty.

slajd 4

Rysunek przedstawia schemat instalacji użytej w eksperymencie przez A. F. Ioffe. W zamkniętym naczyniu, z którego powietrze zostało odprowadzone do wysokiej próżni, znajdowały się dwie metalowe płytki P umieszczone poziomo. Z komory A przez otwór O do przestrzeni między płytami dostały się drobne naładowane cząsteczki kurzu cynku. Te cząsteczki kurzu zaobserwowano pod mikroskopem.

zjeżdżalnia 5

Tak więc naładowane cząstki kurzu i kropelki w próżni spadają z górnej płyty na dolną, ale proces ten można zatrzymać, jeśli górna płyta jest naładowana dodatnio, a dolna jest naładowana ujemnie. Powstanie pole elektryczne będzie oddziaływać siłami kulombowskimi na naładowane cząstki, zapobiegając ich spadaniu. Dostosowując ilość ładunku, zapewnili, że cząsteczki kurzu unoszą się pośrodku między płytami. Następnie ładunek cząstek lub kropel kurzu został zredukowany poprzez napromieniowanie ich promieniami rentgenowskimi lub światłem ultrafioletowym. Tracąc ładunek, cząsteczki kurzu ponownie zaczęły opadać, ponownie zostały zatrzymane przez regulację ładunku płyt. Proces ten powtarzano kilkakrotnie, obliczając ładunek kropli i cząstek kurzu za pomocą specjalnych formuł. W wyniku tych badań udało się ustalić, że ładunek cząstek lub kropel pyłu zmienia się zawsze skokowo o ściśle określoną wartość lub o wielkość będącą wielokrotnością tej wartości.

zjeżdżalnia 6

Abram Fiodorowicz Ioffe

Abram Fiodorowicz Ioffe to rosyjski fizyk, który dokonał wielu fundamentalnych odkryć i przeprowadził ogromną ilość badań, w tym w dziedzinie elektroniki. Zrobił badania na właściwościach materiały półprzewodnikowe, odkryli właściwości prostownicze przejścia metal-izolator, wyjaśnione później za pomocą teorii efektu tunelowego, zasugerowali możliwość konwersji światła na Elektryczność.

Slajd 7

Abram Fiodorowicz urodził się 14 października 1980 r. w mieście Romny w obwodzie połtawskim (obecnie obwód połtawski, Ukraina) w rodzinie kupieckiej. Ponieważ ojciec Abrama był dość bogatym człowiekiem, nie skąpił dawania Dobra edukacja do syna. W 1897 r. Ioffe otrzymał wykształcenie średnie w szkole realnej. rodzinne miasto. W 1902 ukończył Politechnikę w Petersburgu i wstąpił na Uniwersytet Monachijski w Niemczech. W Monachium pracuje pod kierunkiem samego Wilhelma Conrada Roentgena. Wilhelm Conrad, widząc pracowitość, a bynajmniej nie talent ucznia, próbuje przekonać Abrama do pozostania w Monachium i kontynuowania działalność naukowa, ale Ioffe okazał się patriotą swojego kraju. Po ukończeniu uniwersytetu w 1906 r., otrzymawszy stopień Doktorat wraca do Rosji.

Slajd 8

W Rosji Ioffe dostaje pracę w Instytut Politechniczny. W 1911 eksperymentalnie określił wielkość ładunku elektronu tą samą metodą co Robert Milliken (cząstki metalu zostały zrównoważone w polach elektrycznych i grawitacyjnych). W związku z tym, że Ioffe opublikował swoją pracę dopiero dwa lata później, chwała odkrycia pomiaru ładunku elektronu przypadła amerykańskiemu fizykowi. Oprócz określenia ładunku Ioffe udowodnił istnienie elektronów niezależnie od materii, zbadał magnetyczny efekt przepływu elektronów i udowodnił statyczny charakter emisji elektronów podczas zewnętrznego efektu fotoelektrycznego.

Slajd 9

W 1913 r. Abram Fiodorowicz obronił pracę magisterską, a dwa lata później pracę doktorską z fizyki, która dotyczyła badania właściwości sprężystych i elektrycznych kwarcu. W okresie od 1916 do 1923 aktywnie badał mechanizm przewodnictwa elektrycznego różnych kryształów. W 1923 r. z inicjatywy Ioffe badania podstawowe i badanie właściwości zupełnie nowych w tym czasie materiałów - półprzewodników. Pierwsza praca w tym zakresie została wykonana przy bezpośrednim udziale rosyjskiego fizyka i dotyczyła analizy zjawisk elektrycznych między półprzewodnikiem a metalem. Odkrył właściwości prostownicze przejścia metal-półprzewodnik, które potwierdzono dopiero 40 lat później za pomocą teorii efektu tunelowego.

Slajd 10

Badając efekt fotoelektryczny w półprzewodnikach, Ioffe wyraził wówczas dość śmiały pomysł, że w podobny sposób możliwe byłoby przekształcenie energii świetlnej w prąd elektryczny. Stało się to warunkiem koniecznym w przyszłości do tworzenia generatorów fotowoltaicznych, a w szczególności konwerterów krzemowych, wykorzystywanych następnie w ramach panele słoneczne. Wraz ze swoimi uczniami Abram Fiodorowicz tworzy system klasyfikacji półprzewodników, a także metodę określania ich głównych elektrycznych i właściwości fizyczne. W szczególności badanie ich właściwości termoelektrycznych stało się później podstawą do stworzenia półprzewodnikowych lodówek termoelektrycznych, szeroko stosowanych na całym świecie w dziedzinie elektroniki radiowej, oprzyrządowania i biologii kosmicznej.

slajd 11

Abram Fedorovich Ioffe wniósł ogromny wkład w powstanie i rozwój fizyki i elektroniki. Był członkiem wielu Akademii Nauk (Berlin i Goetingen, American, Italian), a także honorowym członkiem wielu uniwersytetów na całym świecie. Otrzymał liczne nagrody za swoje osiągnięcia i badania. Abram Fiodorowicz zmarł 14 października 1960 r.

zjeżdżalnia 12

Milliken Robert Andrus

Amerykański fizyk Robert Milliken urodził się w Morrison (Illinois) 22 marca 1868 r. w rodzinie księdza. Po ukończeniu studiów Liceum Robert wstępuje do Oberlin College w Ohio. Tam jego zainteresowania skupiały się na matematyce i starożytnej grece. W celu zarobku przez dwa lata wykładał fizykę na studiach. 1891 Millikan otrzymał tytuł licencjata, aw 1893 tytuł magistra fizyki.

slajd 13

Na Uniwersytecie Columbia Milliken studiował pod kierunkiem słynny fizyk MI Pupina. Spędził jedno lato na Uniwersytecie w Chicago, gdzie pracował pod kierunkiem słynnego fizyka eksperymentalnego Alberta Abrahama Michelsona.

Slajd 14

W 1895 roku obronił pracę doktorską na Uniwersytecie Columbia na temat polaryzacji światła. Milliken spędził kolejny rok w Europie, gdzie spotkał się z Henri Becquerelem, Maxem Planckiem, Walterem Nernstem, A. Poincaré.

zjeżdżalnia 15

1896 Millikan powrócił na Uniwersytet w Chicago, gdzie został asystentem Michelsona. W ciągu następnych dwunastu lat Milliken napisał kilka podręczników do fizyki, które zostały zaakceptowane jako podręczniki do szkół wyższych i szkół średnich (z dodatkami pozostały tak przez ponad 50 lat). 1910 Millikan został mianowany profesorem fizyki.

zjeżdżalnia 16

Robert Millikan opracował metodę kropli, która umożliwiła pomiar ładunku poszczególnych elektronów i protonów (1910 - 1914) duża liczba eksperymenty na dokładnym obliczeniu ładunku elektronu. W ten sposób eksperymentalnie udowodnił dyskretność ładunku elektrycznego i po raz pierwszy dokładnie określił jego wartość (4,774 * 10^-10 jednostek elektrostatycznych). Sprawdzone równanie Einsteina dla efektu fotoelektrycznego w widzialnym i promienie ultrafioletowe, wyznaczył stałą Plancka (1914).

Slajd 17

1921 Milliken został mianowany dyrektorem nowego Bridgesive Physical Laboratory i przewodniczącym komitetu wykonawczego California Institute of Technology. Tutaj wykonał dużą serię badań promieni kosmicznych, w szczególności eksperymenty (1921 - 1922) z snopami powietrza z samorejestrującymi się elektroskopami na wysokości 15 500 m. ”.

Slajd 18

W latach 1925-1927. Millikan wykazał, że jonizujące działanie promieniowania kosmicznego zmniejsza się wraz z głębokością i potwierdziło to pozaziemskie pochodzenie te promienie kosmiczne. Badając trajektorie kosmicznych cząstek, odkrył w nich cząstki alfa, szybkie elektrony, protony, neutrony, pozytony i kwanty gamma. Niezależnie od Vernova odkrył efekt równoleżnikowy promieni kosmicznych w stratosferze.

Zobacz wszystkie slajdy

Zjawisko oddziaływania naładowanego ciała z polem elektrycznym wykorzystał amerykański fizyk Robert Mil-podobny aby potwierdzić dyskretność ładunku elektrycznego i zmierzyć jego najmniejszą wartość. W latach 1906-1916 przeprowadził szereg eksperymentów, które odznaczały się oryginalnością i dużą dokładnością. Zgodnie z celem i strategią badań konieczne było znalezienie sposobu pomiaru sił rzędu 10 -13 N, działających na cząstki o masie 10 -15 kg.

Schemat placówki badawczej R. Millikan pokazano na ryc. 4.17.

Robert Andrus Milliken (1868 — 1953) — amerykański fizyk badał właściwości elektronu, jako pierwszy zmierzył ładunek elektronu, zbadał zjawiska efektu fotoelektrycznego, promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie kosmiczne, budowa atomu.

w hermetycznie zamknięta komora, chroniący instalację przed wpływy zewnętrzne, umieszczone okrągłe mosiężne płytki A i B o średnicy 22 cm Odległość między nimi 1,6 cm Instalacja obejmowała system C, wtrysk w przestrzeń między płytami olej mineralny, który utworzył chmurę kropel o średnicy 10 -4 cm. Specjalny system in właściwy moment wytworzone pomiędzy płytami pole elektryczne o sile około 10 6 N/C.

Krople oleju wpadające w przestrzeń między płytami zostały oświetlone silnym źródłem światła. Prostopadle do kierunku promieni przez mikroskop D można było zaobserwować ruch kropel oleju. Skala umieszczona w polu widzenia mikroskopu umożliwiała policzenie drogi, jaką przebyła kropla w określonym przedziale czasu.

Wybrano olej mineralny, ponieważ bardzo wolno odparowuje, a masa kropelki pozostaje praktycznie niezmieniona przez długi czas.

Idea badania R. Millikan można podsumować w następujący sposób:

zmierzyć dużą liczbę zmian ładunku elektrycznego kropli i znaleźć w tych zmianach pewien wzór.

Aby rozwiązać ten problem, rozważono ruch kropli wyizolowanej w polu widzenia mikroskopu.

Natychmiast po rozpyleniu kropla zaczyna gwałtownie opadać pod wpływem grawitacji. Jednocześnie nabiera pewnego ładunku, a siła oporu, proporcjonalna do prędkości, stopniowo wzrasta. Po ustaleniu równowagi między siłą grawitacji a siłą oporu powietrza (ryc. 4.18) kropla zaczyna poruszać się równomiernie, zgodnie z równaniem mg-kv 1 = 0.

Tutaj k- współczynnik proporcjonalności, który uwzględnia wpływ powietrza na ruch kropli. materiał ze strony

Po przyłożeniu napięcia do płytek pojawia się siła elektryczna, której działanie prowadzi do zmiany prędkości kropli. Zmiana napięcia pole elektryczne pomiędzy płytami udało się uzyskać, że kropla zaczęła się równomiernie poruszać w górę (ryc. 4.19). Stała prędkość została wyznaczona z równania ruchu, które uwzględnia również siłę elektryczną

mg-qE+kv 2 = 0.

Łączne rozwiązanie dwóch równań dało wartość ładunku kropli:

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

W toku dalszych eksperymentów kroplę oświetlano wiązką ultrafioletową lub rentgenowską. Jednocześnie gwałtownie zmienił się jego ładunek. Analiza zmierzonych wartości ładunków pozwoliła z całą pewnością stwierdzić, że zmiana ładunku kropli nie była mniejsza niż 1,6. 10 -19 C. Elektron ma taki ładunek.

Otrzymane wyniki Millikan, zostały potwierdzone w badaniach eksperymentalnych przez naukowców z Francji, Niemiec, Anglii, Rosji.

Na tej stronie materiał na tematy:

• Gds badanie zjawiska efektu fotoelektrycznego

• Instalowanie Millikena

• robert milliken zwięzłe prawo fizyczne

• Wzory Millikena

• Jakie jest prawo fizyczne Roberta Millikena?

Pytania dotyczące tego przedmiotu:

Na początku XX wieku. istnienie elektronów zostało ustalone w wielu niezależnych eksperymentach. Ale pomimo ogromnego materiału eksperymentalnego zgromadzonego przez różnych szkoły naukowe, elektron pozostał, ściśle mówiąc, cząstką hipotetyczną. Powodem jest to, że nie było ani jednego eksperymentu, w którym brałyby udział pojedyncze elektrony.
Najpierw pojawiły się elektrony jako wygodna hipoteza do wyjaśnienia praw elektrolizy, następnie odkryto je w wyładowaniu gazowym, co potwierdziło ich istnienie we wszystkich ciałach. Nie było jednak jasne, czy fizyka ma do czynienia z tym samym elektronem, tym samym dla wszystkich substancji i ciał, czy też właściwości elektronu są uśrednionymi cechami szerokiej gamy „braci elektronów”.

Aby odpowiedzieć na to pytanie, w latach 1910-1911 amerykański naukowiec Robert Andrews Milliken i sowiecki fizyk Abram Fedorovich Ioffe niezależnie przeprowadzili precyzyjne eksperymenty, w których można było obserwować pojedyncze elektrony.
W ich doświadczeniach, w zamkniętym naczyniu 1, z którego powietrze zostało wyprowadzone przez pompę do wysokiej próżni, znajdowały się dwie poziomo umieszczone metalowe płytki 2. Między nimi przez rurkę umieszczono chmurę naładowanych cząstek metalowego pyłu lub kropelek oleju. 3. Obserwowano je pod mikroskopem 4 ze specjalną skalą, która umożliwiała obserwację ich osiadania (opadania).
Załóżmy, że cząstki lub kropelki kurzu zostały naładowane ujemnie przed umieszczeniem między płytami. Dlatego ich osiadanie (opadanie) można zatrzymać, jeśli dolna płyta jest naładowana ujemnie, a górna dodatnio. Tak też zrobili, osiągając równowagę cząsteczki kurzu (kropelki), którą obserwowano pod mikroskopem.


Następnie zmniejszono ładunek cząstek pyłu (kropelek), wystawiając je na działanie promieniowania ultrafioletowego lub rentgenowskiego. Cząsteczki pyłu (kropelki) zaczęły opadać wraz ze zmniejszaniem się podtrzymującej siły elektrycznej. Poprzez nadanie dodatkowego ładunku metalowym płytkom, a tym samym wzmocnienie pola elektrycznego, cząsteczka kurzu została ponownie zatrzymana. Robiono to kilka razy, za każdym razem przy użyciu specjalnego wzoru do obliczenia ładunku cząstek pyłu.
Eksperymenty Millikana i Ioffe wykazały, że ładunki kropel i cząstek kurzu zawsze zmieniają się stopniowo. Minimalna „porcja” ładunku elektrycznego jest elementarna ładunek elektryczny, równy e = 1,6 10-19 C. Jednak ładunek ziarnka pyłu nie odchodzi sam, ale wraz z cząsteczką materii. W konsekwencji w przyrodzie istnieje taka cząstka materii, która ma najmniejszy ładunek, a następnie jest już niepodzielna - ładunek elektronu. Dzięki eksperymentom Ioffe-Milliken istnienie elektronu z hipotezy przekształciło się w naukowo potwierdzony fakt.
Obecnie dostępne są informacje o istnieniu cząstki elementarne(kwarki) o ułamkowych ładunkach elektrycznych równych 1/Ze i 2/Ze. Jednak ładunek elektryczny dowolnego ciała jest zawsze całkowitą wielokrotnością elementarnego ładunku elektrycznego; inne „porcje” ładunku elektrycznego, zdolne do przechodzenia z jednego ciała do drugiego, nie zostały jeszcze eksperymentalnie wykryte w przyrodzie.

Naukowcy doskonale zdają sobie sprawę, że ta cząsteczka jest podstawowym składnikiem wszystkiego świat materialny. W związku z tym pojawiło się pytanie o badanie i pomiar jego właściwości. Pierwszy precyzyjny pomiar ładunku elektrycznego elektronu to zasługa Roberta Millikena. Jego eksperymentalna konfiguracja to duży i pojemny płaski kondensator składający się z dwóch metalowe talerze z kamerą pomiędzy. Millikan przyłożył stałe napięcie do płytek kondensatora od mocna bateria, tworząc na nich dużą różnicę potencjałów i umieszczając między płytkami drobno rozpylone krople - najpierw wodę, a następnie olej, który jak się okazało zachowuje się znacznie stabilniej w polu elektrostatycznym, a co najważniejsze znacznie wolniej odparowuje. Najpierw Millikan zmierzył ostateczną prędkość spadania kropel, czyli prędkość, z jaką siła grawitacji działająca na kropelki jest równoważona siłą oporu powietrza. Na podstawie tej prędkości naukowiec określił objętość i masę kropel zawiesiny aerozolowej. Następnie rozpylił identyczny aerozol w obecności pola elektrostatycznego, to znaczy z podłączonym akumulatorem. W tym przypadku krople oleju pozostawały w zawieszeniu dość długo, ponieważ siły przyciągania grawitacyjnego Ziemi były równoważone siłami odpychania elektrostatycznego pomiędzy kroplami aerozolu.

Powód, dla którego krople aerozolu olejowego elektryzują się, jest prosty: jest to prosty ładunek elektrostatyczny, tak, który gromadzi się np. na praniu, które wyciągamy z suszarki wirówkowej, w wyniku ocierania się tkaniny o tkaninę - powstaje w wyniku tarcia kropel o powietrze wypełniające komorę. Jednak ze względu na mikroskopijny rozmiar kropel oleju w komorze nie mogą one otrzymać dużego ładunku, a ładunek kropelki będzie wielokrotnością jednostkowego ładunku elektronowego. Oznacza to, że stopniowo obniżając napięcie zewnętrzne zaobserwujemy, jak krople oleju okresowo „wytrącają się”, a po gradacjach skali napięcia, przy której osadza się kolejna porcja aerozolu, możemy ocenić około całkowita wartośćładunek jednostkowy, ponieważ naelektryzowane krople nie mogą przenosić ładunku ułamkowego.

Dodatkowo Millikan naświetlał zawiesinę olejową promieniami rentgenowskimi i dodatkowo jonizował jej cząsteczki organiczne w celu zwiększenia ich elektryzowania i wydłużenia czasu obserwacji eksperymentalnych, jednocześnie zwiększając napięcie w komorze i robił to wielokrotnie w celu dopracowania danych uzyskany. Wreszcie, po zgromadzeniu wystarczającej ilości danych eksperymentalnych do przetwarzania statystycznego, Milliken obliczył ładunek jednostkowy i opublikował wyniki, które zawierały obliczony ładunek elektronu tak dokładnie, jak to możliwe dla tych lat.

Doświadczenie Millikana było niezwykle czasochłonne. Naukowiec musiał w szczególności stale mierzyć i uwzględniać wilgotność powietrza oraz Ciśnienie atmosferyczne- i tak dalej przez całe pięć lat ciągłego monitorowania jego instalacji. Nagrodą za tytaniczną pracę było nagroda Nobla z fizyki za 1923, przyznany Millikanowi za jego publikację z 1913 roku. Co ciekawe, mimo pozornej prostoty aparatu Millikana, nie stał się on eksponatem muzealnym. Już w latach 60., kiedy pojawiła się hipoteza kwarków ( cm. Standardowy), zbudowano nowoczesne, ulepszone instalacje, pracujące zgodnie z opisaną powyżej zasadą, na której naukowcy bezskutecznie poszukiwali wolne kwarki. Ponieważ nie można ich było znaleźć (kwarki różne rodzaje musi mieć ładunek elektryczny równy 1/3 i 2/3 ładunku elektronu), stanowiło to dodatkowe potwierdzenie teorii, zgodnie z którą kwarki w postaci swobodnej w nowoczesna natura nie spotykają się i są zawsze w stanie związanym wewnątrz innych cząstek elementarnych.

Robert Andrews Millikan, 1868-1953

Amerykański fizyk. Urodzony w Morrison, Illinois, syn pastora kongregacjonalistycznego i nauczyciela w parafialnej szkole dla dziewcząt. Po ukończeniu Oberlin College w Ohio krótko nauczał język grecki i jednocześnie fizyka w Szkoła Podstawowa. Zafascynowany tym ostatnim wstąpił na Wydział Fizyki Uniwersytetu Columbia, po czym odbył roczną praktykę w wiodących laboratoriach Europy, a następnie został przyjęty do kadry dydaktycznej Uniwersytetu w Chicago. Tam otrzymał powszechne uznanie jako autorytatywny nauczyciel (w szczególności długie lata fizyki uczono z jego podręczników w amerykańskich szkołach). W tym samym miejscu, w Chicago, prowadził przez kilka lat swój słynny eksperyment, który pozwolił po raz pierwszy określić z wystarczającą dokładnością ładunek elektronu i wysunął Millikana na czoło przedstawicieli nauki amerykańskiej . Jednocześnie naukowiec aktywnie działał działania społeczne i w pewnym stopniu przyczyniły się do ukształtowania się w świadomości masowego czytelnika nowego wizerunku społecznie aktywnego intelektualisty.

Podczas I wojny światowej w stopniu pułkownika Milliken dowodził amerykańskim korpusem sygnałowym. Naukowiec spędził dużo czasu organizując instytucje badawcze, aw 1921 faktycznie kierował nowo utworzonym Kalifornijskim Instytutem Technologicznym w Pasadenie. W tym samym czasie Milliken nie odszedł działalność badawcza, będąc jednym z pionierów fizyki promieniowania kosmicznego. W rezultacie stał się uosobionym symbolem swojego pokolenia naukowców, kontynuując tradycję Anglików Johna Tyndalla i Michaela Faradaya, i antycypując pojawienie się tak wybitnych popularnych naukowców, jak Carl Sagan.

Ideę dyskretności ładunku elektrycznego po raz pierwszy wyraził B. Franklin w 1752 r. Eksperymentalnie dyskretność ładunków potwierdzono prawami elektrolizy odkrytymi przez M. Faradaya w 1834 r. Wartość liczbowa opłata podstawowa (najmniejszy ładunek elektryczny znaleziony w przyrodzie) obliczono teoretycznie na podstawie praw elektrolizy przy użyciu liczby Avogadro. Bezpośredni pomiar doświadczalny ładunku elementarnego przeprowadził R. Millikan w klasycznych eksperymentach przeprowadzonych w latach 1908-1916. Te eksperymenty dostarczyły również niepodważalnego dowodu atomizm elektryczności.

Zgodnie z podstawowymi koncepcjami teorii elektronów ładunek ciała powstaje w wyniku zmiany liczby zawartych w nim elektronów (lub jonów dodatnich, których ładunek jest wielokrotnością ładunku elektronu). Dlatego ładunek dowolnego ciała musi zmieniać się gwałtownie i w takich częściach, które zawierają całkowitą liczbę ładunków elektronowych.

Wszystkich fizyków interesowała wielkość ładunku elektrycznego elektronu, a mimo to do tej pory nie było możliwości jej zmierzenia. Wiele prób przeprowadzenia tego decydującego pomiaru zostało już podjętych przez JJ Thomsona, ale minęło dziesięć lat pracy, a asystent Thomsona G. Wilson poinformował, że po jedenastej różne pomiary uzyskali jedenaście różnych wyników.

Przed rozpoczęciem badań według własnej metody Millikan założył eksperymenty według metody stosowanej na Uniwersytecie w Cambridge. Część teoretyczna eksperymentu była następująca: masę ciała określano mierząc ciśnienie wytwarzane przez ciało pod wpływem grawitacji na wagę. Jeśli nieskończenie małej cząstce materii nadamy ładunek elektryczny i przyłożymy skierowaną w górę siłę elektryczną równą działającej w dół sile grawitacji, wówczas ta cząsteczka będzie w stanie równowagi i fizyk może obliczyć wielkość ładunku elektrycznego. Jeśli w ta sprawa cząstce zostanie nadany ładunek elektryczny jednego elektronu, będzie można obliczyć wartość tego ładunku.

Teoria Cambridge była dość logiczna, ale fizycy nie mogli stworzyć urządzenia, za pomocą którego można by badać poszczególne cząstki substancji. Musieli zadowolić się obserwowaniem zachowania naładowanej elektrycznością chmury kropel wody. W komorze, z której częściowo usunięto powietrze, powstała chmura pary. Prąd został doprowadzony do górnej części komory. Po pewnym czasie kropelki mgły w chmurze uspokoiły się. Następnie przez mgłę przepuszczano promienie rentgenowskie, a krople wody otrzymywały ładunek elektryczny.

Jednocześnie naukowcy uważali, że siła elektryczna skierowana w górę do tej pod Wysokie napięcie pokrywa komory ma zapobiegać spadaniu kropli. Jednak żaden z trudne warunki, pod którym i tylko pod którym cząstki mogą znajdować się w stanie równowagi.

Milliken zaczął szukać nowy sposób rozwiązywanie problemów.

Metoda opiera się na badaniu ruchu naładowanych kropel oleju w jednorodnym polu elektrycznym o znanej sile E.

Rysunek 15.2 Schemat układu doświadczalnego: P - opryskiwacz kroplowy; K - kondensator; IP - zasilanie; M - mikroskop; hn jest źródłem promieniowania; P - powierzchnia stołu.

Schemat jednej z instalacji Millikana pokazano na rysunku 15.1. Millikan zmierzył ładunek elektryczny skoncentrowany na pojedynczych małych kulistych kropelkach, które zostały utworzone przez opryskiwacz P i uzyskał ładunek elektryczny poprzez elektryzowanie poprzez tarcie o ścianki opryskiwacza. Przez mały otwór w górnej płycie płaskiego kondensatora K wpadły w przestrzeń między płytami. Ruch kropli obserwował pod mikroskopem M.

W celu ochrony kropelek przed konwekcyjnymi prądami powietrza skraplacz jest zamknięty w pokrywa ochronna gdzie temperatura i ciśnienie są utrzymywane na stałym poziomie. Podczas wykonywania eksperymentów należy obserwować następujące wymagania:

a. krople muszą mieć mikroskopijny rozmiar, aby siły działające na kroplę różne kierunki(w górę iw dół) były porównywalne pod względem wielkości;

b. ładunek kropli, a także jej zmiany podczas napromieniania (za pomocą jonizatora), były równe dość niewielkiej liczbie ładunków elementarnych. Ułatwia to ustalenie krotności ładunku kropli do ładunku elementarnego;

w. gęstość kropli r musi być większa niż gęstość lepkiego ośrodka r 0, w którym się porusza (powietrze);

d. Masa kropli nie powinna się zmieniać podczas całego eksperymentu. W tym celu olej, z którego zbudowana jest kropla, nie powinien odparowywać (olejek odparowuje znacznie wolniej niż woda).

Jeżeli płytki kondensatora nie były naładowane (natężenie pola elektrycznego E = 0), to kropla powoli opadała, przesuwając się od górnej płytki do dolnej. Gdy tylko płytki kondensatora zostały naładowane, nastąpiły zmiany w ruchu kropli: w przypadku ujemnego ładunku na kropli i dodatniego ładunku na górnej płytce kondensatora spadek spadku zwolnił, a przy w pewnym momencie zmienił kierunek ruchu na przeciwny - zaczął wznosić się w kierunku górnej płyty.

Wyznaczanie ładunku elementarnego za pomocą eksperymentu obliczeniowego.

Znając szybkość opadania kropli przy braku pola elektrostatycznego (jego ładunek nie odgrywał roli) oraz szybkość opadania kropli w danym i znanym polu elektrostatycznym, Millikan mógł obliczyć ładunek tej kropli.

Ze względu na lepki opór kropla nabiera stałej (stałej) prędkości niemal natychmiast po rozpoczęciu ruchu (lub zmianie warunków ruchu) i porusza się jednostajnie. Z tego powodu a= 0 i można znaleźć prędkość kropli. Oznaczamy moduł stałej prędkości przy braku pola elektrostatycznego - v g , a następnie:

v g = (m – m 0) g/k (16,5).

Jeśli blisko obwód elektryczny kondensator (rys. 1), wówczas zostanie naładowany i powstanie w nim pole elektrostatyczne mi. W takim przypadku na ładunek zadziała dodatkowa siła q mi wskazując w górę. Prawo Newtona w rzucie na oś X i biorąc pod uwagę, że a = 0, przyjmie postać:

-(m – m0) g + q E – k vE = 0 (16,6)

vE = (q E – (m – m0) g/k (16,7),

gdzie vE jest stałą prędkością kropli oleju w polu elektrostatycznym kondensatora; v E > 0 jeśli kropla porusza się w górę, v E< 0, если капля движется вниз. Отсюда следует что

q = (vE + |vg|)k/E (16,8),

Wynika z tego, że mierząc prędkości w stanie ustalonym przy braku pola elektrostatycznego vg iw jego obecności vE można wyznaczyć ładunek kropli, jeśli znany jest współczynnik k = 6 p h r.

Wydawałoby się, że aby znaleźć k, wystarczy zmierzyć promień kropli (lepkość powietrza znana jest z innych eksperymentów). Jednak jego bezpośredni pomiar mikroskopem jest niemożliwy. Promień kropli jest rzędu wielkości r = 10 -4 – 10 -6 cm, co jest porównywalne z długością fali światła. Dlatego mikroskop daje jedynie obraz dyfrakcyjny kropli, nie pozwalając zmierzyć jej rzeczywistej wielkości.

Informacje o promieniu kropli można uzyskać z danych eksperymentalnych dotyczących jej ruchu przy braku pola elektrostatycznego. Znając v g i biorąc to pod uwagę

m - m 0 \u003d (r - r 0) 4 p r 3 / 3 (16,9),

gdzie r jest gęstością kropli oleju,

r = ((9 godz. vg)/) 1/2. (16.10).

W swoich eksperymentach Millikan zmienił ładunek kropli, doprowadzając kawałek radu do kondensatora. W tym przypadku promieniowanie radowe zjonizowało powietrze w komorze (rys. 1), w wyniku czego kropla mogła wychwycić dodatkowy ładunek dodatni lub ujemny. Jeśli wcześniej kropla była naładowana ujemnie, jasne jest, że jest bardziej prawdopodobne, że przyłączy się do siebie jony dodatnie. Z drugiej strony ze względu na ruch termiczny dodanie jonów ujemnych w wyniku zderzenia z nimi nie jest wykluczone. W obu przypadkach zmieni się ładunek kropli i - raptownie - prędkość jego ruchu v E ". Wartość q" zmienionego ładunku kropli zgodnie z (16.10) dana jest zależnością:

q" = (|vg | + vE ") k/E (16.11).

Z punktów (1) i (3) ustala się wartość ładunku dołączonego do kropli:

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

Porównując wartości ładunku tej samej kropli, można by się upewnić, że zmiana ładunku i sam ładunek kropli są wielokrotnościami tej samej wartości e 0 - ładunku elementarnego.W swoich licznych eksperymentach Milliken uzyskał różne znaczeniaładunki q i q", ale zawsze stanowią wielokrotność e 0 = 1,7 . 10 -19 Cl, tj. q = n e 0 , gdzie n jest liczbą całkowitą. Z tego Millikan wywnioskował, że wartość e0 reprezentuje najmniejszą możliwą ilość elektryczności w przyrodzie, to znaczy „porcję”, czyli atom elektryczności. Obserwacja ruchu tej samej kropli, tj. za jego ruch w dół (w przypadku braku pola elektrycznego) i w górę (w obecności pola elektrycznego) w każdym eksperymencie, Millikan powtarzał wiele razy, włączając i wyłączając pole elektryczne w odpowiednim czasie. Dokładność pomiaru ładunku kropli zależy zasadniczo od dokładności pomiaru jej prędkości.

Po ustaleniu doświadczenia dyskretnego charakteru zmiany ładunku elektrycznego, R. Milliken był w stanie uzyskać potwierdzenie istnienia elektronów i określić wielkość ładunku jednego elektronu (ładunek elementarny) metodą kropli oleju.

Współczesne znaczenie"atom" elektryczności e 0 = 1,602 . 10 -19 C. Wartość ta to elementarny ładunek elektryczny, którego nośnikiem jest elektron e 0 = - 1,602 . 10 -19 C i proton e 0 = +1,602 . 10 -19 C. Prace Millikana wniosły ogromny wkład w fizykę i dały ogromny impuls do rozwoju myśli naukowej w przyszłości.

pytania testowe:

1. Jaka jest istota metody Thomsona?

2. Eksperymentalny schemat konfiguracji?

3. Rurka Thomsona?

4. Wyprowadzenie wzoru na stosunek ładunku do masy cząstki?

5. Jakie jest główne zadanie optyki elektronowej i jonowej? A jak się zwykle nazywają?

6. Kiedy odkryto „metodę ogniskowania magnetycznego”?

7. Jaka jest jego istota?

8. Jak określa się ładunek właściwy elektronu?

9. Narysuj schemat instalacji według doświadczenia Millikana?

10. Jakich wymagań należy przestrzegać podczas wykonywania eksperymentu?

11. Wyznaczanie ładunku elementarnego metodą eksperymentu obliczeniowego?

12. Wyprowadzenie wzoru na opłatę za upadek pod względem szybkości upuszczania?

13. Jakie jest współczesne znaczenie „atomu” elektryczności?