Preparado por um aluno do grau 11-A KOSH No. 125 Konovalova Kristina

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A experiência de Ioffe - Millikan Abram Fedorovich Ioffe Robert AndrewsMilliken

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Experiência Ioffe-Miliken

No final do século 19, em vários experimentos muito diversos, foi estabelecido que existe um certo portador de uma carga negativa, que foi chamado de elétron. No entanto, esta era na verdade uma unidade hipotética, uma vez que, apesar da abundância material prático, nenhum experimento envolvendo um único elétron foi realizado. Não se sabia se existem variedades de elétrons para diferentes substâncias ou se é sempre o mesmo, qual carga um elétron carrega, se uma carga pode existir separadamente de uma partícula. Em geral, havia debates acalorados sobre o elétron na comunidade científica, e não havia base prática suficiente que parasse inequivocamente todos os debates.

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A figura mostra um diagrama da instalação usada no experimento por A. F. Ioffe. Em um recipiente fechado, do qual o ar era evacuado para alto vácuo, havia duas placas de metal P colocadas horizontalmente. Da câmara A, através do orifício O, para o espaço entre as placas, pequenas partículas de poeira carregadas de zinco chegaram. Essas partículas de poeira foram observadas ao microscópio.

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Assim, partículas e gotículas de poeira carregadas no vácuo cairão da placa superior para a inferior, mas esse processo pode ser interrompido se a placa superior estiver carregada positivamente e a placa inferior estiver carregada negativamente. Surgimento campo elétrico atuará por forças de Coulomb sobre partículas carregadas, impedindo-as de cair. Ao ajustar a quantidade de carga, eles garantiram que as partículas de poeira pairassem no meio entre as placas. Em seguida, a carga de partículas ou gotas de poeira foi reduzida irradiando-as com raios-X ou luz ultravioleta. Perdendo a carga, as partículas de poeira começaram a cair novamente, foram novamente paradas ajustando a carga das placas. Esse processo foi repetido várias vezes, calculando a carga de gotas e partículas de poeira usando fórmulas especiais. Como resultado desses estudos, foi possível estabelecer que a carga das partículas ou gotas de poeira sempre mudava em saltos, por um valor estritamente definido, ou por um tamanho múltiplo desse valor.

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Abram Fedorovich Ioffe

Abram Fedorovich Ioffe é um físico russo que fez muitas descobertas fundamentais e conduziu uma enorme quantidade de pesquisas, inclusive no campo da eletrônica. Ele fez uma pesquisa sobre as propriedades materiais semicondutores, descobriu a propriedade retificadora da transição metal-isolante, posteriormente explicada usando a teoria do efeito túnel, sugeriu a possibilidade de converter luz em eletricidade.

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Abram Fedorovich nasceu em 14 de outubro de 1980 na cidade de Romny, província de Poltava (atual região de Poltava, Ucrânia) na família de um comerciante. Como o pai de Abrão era um homem bastante rico, ele não era mesquinho em dar uma boa educação para seu filho. Em 1897, Ioffe recebeu sua educação secundária em uma escola real. cidade natal. Em 1902 graduou-se no Instituto de Tecnologia de São Petersburgo e ingressou na Universidade de Munique, na Alemanha. Em Munique, ele trabalha sob a direção do próprio Wilhelm Conrad Roentgen. Wilhelm Conrad, vendo a diligência e não o talento do aluno, está tentando persuadir Abram a ficar em Munique e continuar atividade científica, mas Ioffe acabou por ser um patriota de seu país. Depois de se formar na universidade em 1906, tendo recebido grau PhD, ele retorna à Rússia.

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Na Rússia, Ioffe consegue um emprego na Instituto Politécnico. Em 1911, ele determina experimentalmente a magnitude da carga do elétron usando o mesmo método de Robert Milliken (partículas de metal eram equilibradas em campos elétricos e gravitacionais). Pelo fato de Ioffe ter publicado seu trabalho apenas dois anos depois, a glória de descobrir a medida da carga do elétron coube ao físico americano. Além de determinar a carga, Ioffe provou a realidade da existência de elétrons independentemente da matéria, investigou o efeito magnético do fluxo de elétrons e provou a natureza estática da emissão de elétrons durante um efeito fotoelétrico externo.

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Em 1913, Abram Fedorovich defendeu seu mestrado e dois anos depois sua tese de doutorado em física, que era o estudo das propriedades elásticas e elétricas do quartzo. No período de 1916 a 1923, ele estudou ativamente o mecanismo de condutividade elétrica de vários cristais. Em 1923, foi por iniciativa de Ioffe que o pesquisa fundamental e estudando as propriedades de materiais completamente novos na época - semicondutores. O primeiro trabalho nesta área foi realizado com a participação direta de um físico russo e dizia respeito à análise de fenômenos elétricos entre um semicondutor e um metal. Ele descobriu a propriedade retificadora da transição metal-semicondutor, que foi comprovada apenas 40 anos depois usando a teoria do efeito túnel.

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Investigando o efeito fotoelétrico em semicondutores, Ioffe expressou na época uma ideia bastante ousada de que seria possível converter energia luminosa em corrente elétrica de maneira semelhante. Isso se tornou um pré-requisito no futuro para a criação de geradores fotovoltaicos e, em particular, conversores de silício, posteriormente usados ​​como parte de painéis solares. Junto com seus alunos, Abram Fedorovich cria um sistema de classificação de semicondutores, bem como um método para determinar seus principais componentes elétricos e propriedades físicas. Em particular, o estudo de suas propriedades termoelétricas posteriormente se tornou a base para a criação de refrigeradores termoelétricos semicondutores, amplamente utilizados em todo o mundo nas áreas de eletrônica de rádio, instrumentação e biologia espacial.

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Abram Fedorovich Ioffe fez uma enorme contribuição para a formação e desenvolvimento da física e da eletrônica. Ele foi membro de muitas Academias de Ciências (Berlim e Goetingen, americana, italiana), bem como membro honorário de muitas universidades ao redor do mundo. Ele recebeu vários prêmios por suas realizações e pesquisas. Abram Fedorovich morreu em 14 de outubro de 1960.

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Milliken Robert Andrus

O físico americano Robert Milliken nasceu em Morrison (Illinois) em 22 de março de 1868 na família de um padre. Após a formatura ensino médio Robert entra no Oberlin College em Ohio. Lá, seus interesses estavam focados em matemática e grego antigo. Para ganhar dinheiro, ele expôs física na faculdade por dois anos. 1891 Millikan recebeu seu diploma de bacharel e 1893 seu mestrado em física.

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Na Columbia University, Milliken estudou sob a orientação de físico famoso M. I. Pupina. Ele passou um verão na Universidade de Chicago, onde trabalhou com o famoso físico experimental Albert Abraham Michelson.

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Em 1895, defendeu sua tese de doutorado na Universidade de Columbia sobre o estudo da polarização da luz. Milliken passou o ano seguinte na Europa, onde se encontrou com Henri Becquerel, Max Planck, Walter Nernst, A. Poincaré.

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1896 Millikan retornou à Universidade de Chicago, onde se tornou assistente de Michelson. Nos doze anos seguintes, Milliken escreveu vários livros didáticos de física, que foram aceitos como livros didáticos para faculdades e escolas secundárias (com acréscimos, permaneceram assim por mais de 50 anos). 1910 Millikan foi nomeado professor de física.

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Robert Millikan desenvolveu o método da gota, que tornou possível medir a carga de elétrons e prótons individuais (1910 - 1914) um grande número de experimentos sobre o cálculo exato da carga do elétron. Assim, ele provou experimentalmente a discrição da carga elétrica e pela primeira vez determinou com precisão seu valor (4,774 * 10^-10 unidades eletrostáticas). Verifiquei a equação de Einstein para o efeito fotoelétrico no visível e raios ultravioleta, determinou a constante de Planck (1914).

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1921 Milliken foi nomeado diretor do novo Bridgesive Physical Laboratory e presidente do comitê executivo do Instituto de Tecnologia da Califórnia. Aqui ele realizou uma grande série de estudos de raios cósmicos, em particular experimentos (1921 - 1922) com feixes de ar com eletroscópios de auto-gravação em altitudes de 15.500 m. ".

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Durante 1925-1927. Millikan demonstrou que o efeito ionizante da radiação cósmica diminui com a profundidade e confirmou origem extraterrestre esses raios cósmicos. Explorando as trajetórias de partículas cósmicas, ele revelou partículas alfa, elétrons rápidos, prótons, nêutrons, pósitrons e gama quanta neles. Independentemente de Vernov, descobriu o efeito latitudinal dos raios cósmicos na estratosfera.

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O fenômeno da interação de um corpo carregado com um campo elétrico foi usado pelo físico americano Robert Mil-likenom para confirmar a discrição da carga elétrica e medir seu menor valor. Durante os anos de 1906-1916, ele realizou uma série de experimentos que foram marcados pela originalidade e grande precisão. De acordo com o objetivo e estratégia do estudo, foi necessário encontrar uma forma de medir as forças da ordem de 10 -13 N, atuando sobre partículas de 10 -15 kg.

Esquema do centro de pesquisa R. Millikan mostrado na fig. 4.17.

Robert Andrus Milliken (1868 — 1953) — físico americano, explorou as propriedades do elétron, foi o primeiro a medir a carga do elétron, estudou os fenômenos do efeito fotoelétrico, radiação ultravioleta, radiação cósmica, a estrutura do átomo.

em hermeticamente cela fechada, protegendo a instalação de influências externas, colocou placas redondas de latão A e B com diâmetro de 22 cm. A distância entre elas era de 1,6 cm. A instalação incluiu o sistema C, injetando no espaço entre as placas óleo mineral, que formou uma nuvem de gotículas com um diâmetro de 10 -4 cm. Um sistema especial em momento certo criou entre as placas um campo elétrico com uma força de cerca de 10 6 N / C.

Gotas de óleo caindo no espaço entre as placas foram iluminadas por uma forte fonte de luz. Perpendicularmente à direção dos raios através do microscópio D, pôde-se observar o movimento das gotículas de óleo. A escala, colocada no campo de visão do microscópio, permitia contar o caminho percorrido pela gota em um determinado intervalo de tempo.

O óleo mineral foi escolhido porque evapora muito lentamente e a massa da gota permanece praticamente inalterada por muito tempo.

A ideia da pesquisa R. Millikan pode ser resumido da seguinte forma:

meça um grande número de mudanças na carga elétrica da gota e encontre um certo padrão nessas mudanças.

Para solucionar o problema, foi considerado o movimento de uma gota isolada no campo de visão do microscópio.

Imediatamente após a pulverização, a gota começa a cair rapidamente sob a ação da gravidade. Ao mesmo tempo, adquire uma certa carga e a força de resistência, proporcional à velocidade, aumenta gradualmente. Quando um equilíbrio é estabelecido entre a força da gravidade e a força de resistência do ar (Fig. 4.18), a gota começa a se mover uniformemente, de acordo com a equação mg-kv 1 = 0.

Aqui k- coeficiente de proporcionalidade, que leva em conta a influência do ar no movimento da gota. materiais do site

Depois de aplicar tensão às placas, aparece uma força elétrica, cuja ação leva a uma mudança na velocidade da gota. Mudança de tensão campo elétrico entre as placas, foi possível conseguir que a gota começasse a se mover uniformemente para cima (Fig. 4.19). A velocidade constante foi determinada a partir da equação do movimento, que também leva em conta a força elétrica

mg-qE+kv 2 = 0.

A solução conjunta das duas equações deu o valor da carga da gota:

q = k(v1 + v2)/E.

No decorrer de outros experimentos, a gota foi iluminada por um feixe ultravioleta ou de raios X. Ao mesmo tempo, sua carga mudou abruptamente. Uma análise dos valores medidos das cargas permitiu estabelecer com certa certeza que a mudança na carga da gota não foi inferior a 1,6. 10-19C. O elétron tem essa carga.

Resultados obtidos Millikan, foram confirmados em estudos experimentais por cientistas da França, Alemanha, Inglaterra, Rússia.

Nesta página, material sobre os temas:

• Gds estudo do fenômeno do efeito fotoelétrico

• Instalando um Milliken

• Robert Milliken lei física concisa

• Fórmulas de Milliken

• Qual é a lei física de Robert Milliken

Dúvidas sobre este item:

Até o início do século XX. a existência de elétrons foi estabelecida em vários experimentos independentes. Mas, apesar do vasto material experimental acumulado por vários escolas científicas, o elétron permaneceu, estritamente falando, uma partícula hipotética. A razão é que não havia um único experimento no qual um único elétron participasse.
Primeiro, os elétrons apareceram como uma hipótese conveniente para explicar as leis da eletrólise, depois foram descobertos em uma descarga de gás, o que confirmou sua existência em todos os corpos. No entanto, não ficou claro se a física está lidando com o mesmo elétron, o mesmo para todas as substâncias e corpos, ou se as propriedades de um elétron são características médias de uma ampla variedade de "irmãos de elétrons".

Para responder a essa pergunta, em 1910-1911, o cientista americano Robert Andrews Milliken e o físico soviético Abram Fedorovich Ioffe realizaram independentemente experimentos precisos nos quais era possível observar elétrons individuais.
Em seus experimentos, em um recipiente fechado 1, do qual o ar era evacuado por uma bomba para um alto vácuo, havia duas placas metálicas 2 localizadas horizontalmente. Uma nuvem de partículas de poeira metálica carregada ou gotículas de óleo foi colocada entre elas através de um tubo 3. Eles foram observados em um microscópio 4 com uma escala especial, o que possibilitou observar sua acomodação (queda).
Vamos supor que as partículas ou gotículas de poeira foram carregadas negativamente antes de serem colocadas entre as placas. Portanto, seu assentamento (queda) pode ser interrompido se a placa inferior estiver carregada negativamente e a superior positivamente. Assim o fizeram, alcançando o equilíbrio de uma partícula de poeira (gotícula), que foi observada ao microscópio.


Em seguida, a carga das partículas de poeira (gotículas) foi reduzida expondo-as à radiação ultravioleta ou de raios-X. Partículas de poeira (gotas) começaram a cair, à medida que a força elétrica de suporte diminuía. Ao conferir uma carga adicional às placas de metal e, assim, fortalecer o campo elétrico, a partícula de poeira foi novamente interrompida. Isso foi feito várias vezes, cada vez usando uma fórmula especial para calcular a carga das partículas de poeira.
Os experimentos de Millikan e Ioffe mostraram que as cargas de gotas e partículas de poeira sempre mudam gradualmente. A "porção" mínima de carga elétrica é elementar carga elétrica, igual a e = 1,6 10-19 C. No entanto, a carga de um grão de poeira não sai sozinha, mas junto com uma partícula de matéria. Consequentemente, na natureza existe uma partícula de matéria que possui a menor carga, então já indivisível - a carga de um elétron. Graças aos experimentos de Ioffe-Milliken, a existência do elétron passou de uma hipótese a um fato cientificamente confirmado.
Atualmente, há informações sobre a existência partículas elementares(quarks) com cargas elétricas fracionárias iguais a 1/Ze e 2/Ze. Entretanto, a carga elétrica de qualquer corpo é sempre um múltiplo inteiro da carga elétrica elementar; outras "porções" de carga elétrica, capazes de passar de um corpo a outro, ainda não foram detectadas experimentalmente na natureza.

Os cientistas estão bem cientes de que esta partícula é um componente fundamental de tudo mundo material. Assim, surgiu a questão de estudar e medir suas propriedades. A primeira medição de precisão da carga elétrica de um elétron é o mérito de Robert Milliken. Sua configuração experimental era um capacitor plano grande e espaçoso de dois placas metálicas com uma câmera no meio. Millikan aplicou uma tensão constante às placas do capacitor de bateria poderosa, criando uma alta diferença de potencial sobre eles, e colocou gotas finamente pulverizadas entre as placas - primeiro água e depois óleo, que, como se viu, se comporta muito mais estável em um campo eletrostático e, o mais importante, evapora muito mais lentamente. Primeiro, Millikan mediu a velocidade final de queda das gotas - isto é, a velocidade na qual a força da gravidade agindo nas gotas é equilibrada pela força da resistência do ar. Com base nessa velocidade, o cientista determinou o volume e a massa das gotículas da suspensão do aerossol. Depois disso, ele borrifou um aerossol idêntico na presença de um campo eletrostático, ou seja, com uma bateria conectada. Nesse caso, as gotículas de óleo permaneceram em suspensão por bastante tempo, pois as forças de atração gravitacional da Terra eram equilibradas pelas forças de repulsão eletrostática entre as gotículas de aerossol.

A razão pela qual as gotículas de aerossol de óleo ficam eletrificadas é simples: é uma simples carga eletrostática, Curtiu isso, que se acumula, digamos, na roupa que retiramos da centrífuga da secadora, como resultado do atrito do tecido contra o tecido - surge como resultado do atrito das gotículas contra o ar que enche a câmara. No entanto, devido ao tamanho microscópico das gotículas de óleo na câmara, elas não podem receber uma carga grande, e a carga da gotícula será um múltiplo da carga eletrônica unitária. Isso significa que, ao diminuir gradualmente a tensão externa, observaremos como o óleo cai periodicamente “precipita”, e pelas gradações da escala de tensão em que a próxima porção do aerossol é depositada, podemos julgar sobre valor absoluto carga unitária, uma vez que as gotas eletrificadas não podem suportar uma carga fracionária.

Além disso, Millikan irradiou a suspensão de óleo com raios X e adicionalmente ionizou suas moléculas orgânicas para aumentar sua eletrificação e prolongar o tempo de observação experimental, ao mesmo tempo em que aumentava a tensão na câmara, e fez isso muitas vezes para refinar os dados obtido. Finalmente, tendo acumulado dados experimentais suficientes para processamento estatístico, Milliken calculou a carga unitária e publicou os resultados, que continham a carga eletrônica calculada com a maior precisão possível para aqueles anos.

A experiência de Millikan foi extremamente demorada. O cientista teve, em particular, que medir constantemente e levar em conta a umidade do ar e Pressão atmosférica- e assim por diante durante todos os cinco anos de monitoramento contínuo de sua instalação. A recompensa pelo trabalho titânico foi premio Nobel em Física em 1923, concedido a Millikan por sua publicação de 1913. Curiosamente, apesar de toda a aparente simplicidade da câmera de Millikan, ela não se tornou uma peça de museu. Já na década de 1960, quando surgiu a hipótese dos quarks ( cm. Modelo Padrão), foram construídas instalações modernas e aprimoradas, funcionando de acordo com o princípio descrito acima, sobre o qual os cientistas procuraram sem sucesso quarks livres. Uma vez que não puderam ser encontrados (quarks Vários tipos deve ter cargas elétricas iguais a 1/3 e 2/3 da carga de um elétron), isso serviu como confirmação adicional da teoria segundo a qual quarks em forma livre em natureza moderna não se encontram e estão sempre em um estado ligado dentro de outras partículas elementares.

Robert Andrews Millikan, 1868-1953

físico americano. Nascido em Morrison, Illinois, filho de um pastor congregacional e professor da escola para meninas da paróquia. Depois de se formar no Oberlin College em Ohio, ele ensinou brevemente língua grega e, concomitantemente, a física em escola primaria. Fascinado por este último, ingressou no Departamento de Física da Universidade de Columbia, após o qual completou um ano de prática nos principais laboratórios da Europa, e depois se matriculou no corpo docente da Universidade de Chicago. Lá ele recebeu o reconhecimento universal como professor autoritário (em particular, longos anos física era ensinada em seus livros nas escolas americanas). No mesmo local, em Chicago, ele realizou por vários anos seu famoso experimento, que possibilitou pela primeira vez determinar com precisão suficiente a carga de um elétron e colocou Millikan na vanguarda dos representantes da ciência americana . Ao mesmo tempo, o cientista estava ativamente atividades sociais e, de certa forma, contribuiu para a formação de uma nova imagem de um intelectual socialmente ativo na mente do leitor de massa.

Durante a Primeira Guerra Mundial, com o posto de Coronel, Milliken liderou o US Signal Corps. O cientista passou muito tempo organizando instituições de pesquisa e, em 1921, chegou a chefiar o recém-criado Instituto de Tecnologia da Califórnia em Pasadena. Ao mesmo tempo, Milliken não deixou atividades de pesquisa, sendo um dos pioneiros da física de raios cósmicos. Como resultado, ele se tornou o símbolo personificado de sua geração de cientistas, continuando a tradição dos ingleses John Tyndall e Michael Faraday, e antecipou o surgimento de cientistas populares proeminentes como Carl Sagan.

A ideia da discrição da carga elétrica foi expressa pela primeira vez por B. Franklin em 1752. Experimentalmente, a discrição das cargas foi substanciada pelas leis da eletrólise descobertas por M. Faraday em 1834. Valor numérico carga elementar (a menor carga elétrica encontrada na natureza) foi calculada teoricamente com base nas leis da eletrólise usando o número de Avogadro. A medição experimental direta da carga elementar foi realizada por R. Millikan em experimentos clássicos realizados em 1908-1916. Esses experimentos também forneceram provas irrefutáveis atomismo de eletricidade.

De acordo com os conceitos básicos da teoria eletrônica, a carga de um corpo surge como resultado de uma mudança no número de elétrons contidos nele (ou íons positivos, cuja carga é um múltiplo da carga do elétron). Portanto, a carga de qualquer corpo deve mudar abruptamente e em porções que contenham um número inteiro de cargas eletrônicas.

Todos os físicos estavam interessados ​​na magnitude da carga elétrica do elétron e, no entanto, até agora não foi possível medi-la. Muitas tentativas de realizar essa medição decisiva já foram feitas por J. J. Thomson, mas dez anos de trabalho se passaram, e o assistente de Thomson, G. Wilson, relatou que depois de onze várias medidas eles obtiveram onze resultados diferentes.

Antes de iniciar a pesquisa de acordo com seu próprio método, Millikan montou experimentos de acordo com o método usado na Universidade de Cambridge. A parte teórica do experimento foi a seguinte: a massa do corpo foi determinada pela medição da pressão produzida pelo corpo sob a influência da gravidade na balança. Se uma partícula infinitesimal de matéria recebe uma carga elétrica e se uma força elétrica ascendente igual à força descendente da gravidade é aplicada, então essa partícula estará em estado de equilíbrio, e o físico pode calcular a magnitude da carga elétrica. Se em este caso a partícula receberá a carga elétrica de um elétron, será possível calcular a magnitude dessa carga.

A teoria de Cambridge era bastante lógica, mas os físicos não conseguiram criar um dispositivo com o qual fosse possível estudar partículas individuais de substâncias. Eles tiveram que se contentar em observar o comportamento de uma nuvem de gotas de água carregadas de eletricidade. Na câmara, do qual o ar foi parcialmente removido, foi criada uma nuvem de vapor. A corrente foi aplicada ao topo da câmara. Depois de um certo tempo, as gotas de neblina na nuvem se acalmaram. Em seguida, os raios-X foram passados ​​através do nevoeiro e as gotas de água receberam uma carga elétrica.

Ao mesmo tempo, os pesquisadores acreditavam que a força elétrica direcionada para cima, para aquela sob alta voltagem a tampa da câmara deve evitar que as gotas caiam. No entanto, nenhum dos condições difíceis, sob o qual, e somente sob o qual, as partículas podem estar em estado de equilíbrio.

Milliken começou a procurar nova maneira Solução de problemas.

O método é baseado no estudo do movimento de gotículas de óleo carregadas em um campo elétrico uniforme de intensidade conhecida E.

Figura 15.2 Esquema da configuração experimental: P - pulverizador de gotas; K - capacitor; IP - fonte de alimentação; M - microscópio; hn é a fonte de radiação; P - a superfície da mesa.

Um diagrama de uma das instalações de Millikan é mostrado na Figura 15.1. Millikan mediu a carga elétrica concentrada em pequenas gotas esféricas individuais que foram formadas pelo pulverizador P e adquiriram uma carga elétrica por eletrificação por atrito contra as paredes do pulverizador. Através de um pequeno orifício na placa superior do capacitor plano K, eles caíram no espaço entre as placas. O movimento da gota foi observado ao microscópio por M.

Para proteger as gotículas das correntes de ar de convecção, o condensador é capa protetora onde a temperatura e a pressão são mantidas constantes. Ao realizar experimentos, é necessário observar os seguintes requisitos:

uma. gotas devem ser microscópicas em tamanho para que as forças que atuam na gota em direções diferentes(para cima e para baixo) eram comparáveis ​​em tamanho;

b. a carga da gota, bem como suas mudanças durante a irradiação (usando um ionizador), eram iguais a um número bastante pequeno de cargas elementares. Isso torna mais fácil estabelecer a multiplicidade da carga da gota para a carga elementar;

dentro. a densidade da gota r deve ser maior que a densidade do meio viscoso r 0 em que se move (ar);

d. A massa da gota não deve mudar durante todo o experimento. Para isso, o óleo que compõe a gota não deve evaporar (o óleo evapora muito mais lentamente que a água).

Se as placas do capacitor não estivessem carregadas (intensidade do campo elétrico E = 0), a gota caiu lentamente, movendo-se da placa superior para a inferior. Assim que as placas do capacitor foram carregadas, ocorreram mudanças no movimento da gota: no caso de uma carga negativa na gota e uma carga positiva na placa superior do capacitor, a queda da gota diminuiu e, em em algum momento, mudou a direção do movimento para o oposto - começou a subir em direção à placa superior.

Determinação da carga elementar por meio de um experimento computacional.

Conhecendo a taxa de queda de uma gota na ausência de um campo eletrostático (sua carga não desempenha um papel) e a taxa de queda de uma gota em um campo eletrostático determinado e conhecido, Millikan pôde calcular a carga da gota.

Devido à resistência viscosa, a gota adquire uma velocidade constante (estável) quase imediatamente após o início do movimento (ou uma mudança nas condições do movimento) e se move uniformemente. Por causa disso uma= 0, e a velocidade da gota pode ser encontrada. Denotamos o módulo da velocidade constante na ausência de um campo eletrostático - v g , então:

vg = (m – m 0) g/k (16,5).

Se fechar circuito elétrico capacitor (Fig. 1), então ele será carregado e um campo eletrostático será criado nele E. Neste caso, a carga será exercida por uma força adicional q E Apontando para cima. A lei de Newton na projeção no eixo X e levando em conta que a = 0, terá a forma:

-(m – m0) g + q E – k vE = 0 (16,6)

vE = (q E – (m – m0) g/k (16,7),

onde vE é a velocidade constante da gota de óleo no campo eletrostático do capacitor; v E > 0 se a gota se move para cima, v E< 0, если капля движется вниз. Отсюда следует что

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

Segue-se que medindo as velocidades de estado estacionário na ausência de um campo eletrostático vg e na sua presença vE, pode-se determinar a carga de uma gota se o coeficiente k = 6 p h r for conhecido.

Parece que para encontrar k, é suficiente medir o raio da gota (a viscosidade do ar é conhecida de outros experimentos). No entanto, sua medição direta com um microscópio é impossível. O raio da gota é da ordem de magnitude r = 10 -4 – 10 -6 cm, que é comparável em ordem de magnitude ao comprimento de onda da luz. Portanto, o microscópio fornece apenas uma imagem de difração da gota, não permitindo medir suas dimensões reais.

Informações sobre o raio de queda podem ser obtidas a partir de dados experimentais sobre seu movimento na ausência de um campo eletrostático. Conhecendo v g e levando em conta que

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

onde r é a densidade da gota de óleo,

r = ((9 h v g)/) 1/2 . (16.10).

Em seus experimentos, Millikan mudou a carga da gota trazendo um pedaço de rádio para um capacitor. Neste caso, a radiação de rádio ionizou o ar na câmara (Fig. 1), pelo que a gota poderia capturar uma carga adicional positiva ou negativa. Se antes disso a gota estava carregada negativamente, é claro que é mais provável que ela ligue íons positivos a si mesma. Por outro lado, devido movimento térmico adição de íons negativos como resultado de colisão com eles não é excluída. Em ambos os casos, a carga da gota mudará e - abruptamente - a velocidade de seu movimento v E ". O valor q" da carga alterada da gota de acordo com (16.10) é dado pela relação:

q" = (|v g | + v E ") k/E (16,11).

De (1) e (3) o valor da carga ligada à gota é determinado:

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

Comparando os valores de carga da mesma gota, pode-se ter certeza de que a mudança na carga e a carga da própria gota são múltiplos do mesmo valor e 0 - a carga elementar. Em seus numerosos experimentos, Milliken obteve vários significados cargas q e q", mas sempre representavam um múltiplo de e 0 = 1,7 . 10-19 Cl, i.e. q = n e 0 , onde n é um número inteiro. A partir disso, Millikan concluiu que o valor de e 0 representa a menor quantidade de eletricidade possível na natureza, ou seja, uma "porção", ou um átomo de eletricidade. Observação do movimento da mesma gota, ou seja, para seu movimento para baixo (na ausência de um campo elétrico) e para cima (na presença de um campo elétrico) em cada experimento, Millikan repetiu muitas vezes, ligando e desligando o campo elétrico em tempo hábil. A precisão de medir a carga de uma gota depende essencialmente da precisão de medir sua velocidade.

Tendo estabelecido por experiência a natureza discreta da mudança na carga elétrica, R. Milliken foi capaz de obter a confirmação da existência de elétrons e determinar a magnitude da carga de um elétron (carga elementar) usando o método da gota de óleo.

significado moderno"átomo" de eletricidade e 0 = 1,602 . 10-19C. Este valor é a carga elétrica elementar, cujos portadores são o elétron e 0 = - 1,602 . 10 -19 C e próton e 0 = +1,602 . 10-19C. O trabalho de Millikan deu uma enorme contribuição à física e deu um tremendo impulso ao desenvolvimento do pensamento científico no futuro.

perguntas do teste:

1. Qual é a essência do método Thomson?

2. Esquema de configuração experimental?

3. Tubo Thomson?

4. Derivação da fórmula da razão entre a carga e a massa de uma partícula?

5. Qual é a principal tarefa da óptica de elétrons e íons? E como costumam ser chamados?

6. Quando foi descoberto o "método de focagem magnética"?

7. Qual é a sua essência?

8. Como é determinada a carga específica de um elétron?

9. Desenhe um diagrama da instalação de acordo com a experiência de Millikan?

10. Quais requisitos devem ser observados ao realizar o experimento?

11. Determinação da carga elementar através de um experimento computacional?

12. Derivação da fórmula da carga de queda em termos da taxa de queda de queda?

13. Qual é o significado moderno do "átomo" da eletricidade?