Laboratórna práca č. 7 "Určenie náboja elektrónu"

Cieľ: naučiť sa experimentálne určiť náboj elektrónu.

Schéma nastavenia merania je znázornená na obrázku.

Na experiment môžete použiť vodný roztok síranu meďnatého ( CuS04) a medené platne ako elektródy. Náboj elektrónu možno určiť podľa vzorca:

odvodené z Faradayovho zákona pre elektrolýzu. Tu m- hmotnosť látky uvoľnenej na elektróde, M je molárna hmotnosť látky, n- mocnosť tejto látky, N A je Avogadrova konštanta, ja je prúd pretekajúci roztokom elektrolytu, t- aktuálny čas toku.

Hmotnosť medi uvoľnenej na katóde sa určí vážením katódy pred a po experimente. Preto m=m2+m1 a vzorec na určenie náboja elektrónu bude mať tvar:

Na meranie sily prúdu sa používa školský ampérmeter, čas sa meria v hodinách. Na reguláciu sily prúdu je potrebný reostat v obvode.

Príklad vykonania

Na vyplnenie tabuľky používame nasledujúce vzorce:

1) Δ a m - absolútna chyba

A a m = 0,00001 kg

Δ 0 m - absolútna chyba čítania

Ministerstvo školstva Ruskej federácie

Amurská štátna pedagogická univerzita

Metódy stanovenia elementárneho elektrického náboja

Splnil študent 151g.

Venzelev A.A.

Skontroloval: Cheraneva T.G.

Úvod.

1. Prehistória objavu elektrónu

2. História objavu elektrónu

3. Experimenty a metódy na objavenie elektrónu

3.1 Skúsenosti spoločnosti Thomson

3.2 Skúsenosti Rutherforda

3.3. Millikanova metóda

3.3.1. krátky životopis

3.3.2. Popis inštalácie

3.3.3. Výpočet elementárneho náboja

3.3.4. Závery z metódy

3.4. Comptonova zobrazovacia metóda

Záver.

Úvod:

ELEKTRON - prvá elementárna častica z hľadiska času objavu; materiálny nosič najmenšej hmotnosti a najmenšieho elektrického náboja v prírode; základná časť atómu.

Náboj elektrónu je 1,6021892. 10-19 °C

4,803242. 10-10 jednotiek SGSE

Hmotnosť elektrónu je 9,109534. 10 - 31 kg

Špecifický poplatok e/m e 1,7588047 . 10 11 Cl. kg -1

Spin elektrónu je 1/2 (v jednotkách h) a má dve projekcie ±1/2; elektróny poslúchajú Fermi-Diracovu štatistiku, fermióny. Podliehajú Pauliho princípu vylúčenia.

Magnetický moment elektrónu je - 1,00116 m b, kde m b je Bohrov magnetón.

Elektrón je stabilná častica. Podľa experimentálnych údajov je životnosť t e > 2 . 10 22 rokov.

Nezúčastňuje sa silnej interakcie, leptón. Moderná fyzika považuje elektrón za skutočne elementárnu časticu, ktorá nemá štruktúru a rozmery. Ak sú posledné a nenulové, potom polomer elektrónu r e< 10 -18 м

1. Pozadie objavu

Objav elektrónu bol výsledkom mnohých experimentov. Na začiatku XX storočia. existencia elektrónu bola preukázaná v množstve nezávislých experimentov. Ale napriek obrovskému experimentálnemu materiálu, ktorý nahromadili celé národné školy, zostal elektrón hypotetickou časticou, pretože skúsenosti ešte nezodpovedali množstvo základných otázok. V skutočnosti sa „objav“ elektrónu vliekol viac ako pol storočia a neskončil v roku 1897; podieľalo sa na ňom veľa vedcov a vynálezcov.

V prvom rade neexistoval jediný experiment, ktorého by sa zúčastnili jednotlivé elektróny. Elementárny náboj bol vypočítaný na základe meraní mikroskopického náboja za predpokladu, že množstvo hypotéz bolo správnych.

Neistota bola v zásadne dôležitom bode. Najprv sa elektrón objavil ako výsledok atomistickej interpretácie zákonov elektrolýzy, potom bol objavený v plynovom výboji. Nebolo jasné, či sa fyzika skutočne zaoberá tým istým objektom. Veľká skupina skeptických prírodovedcov verila, že elementárny náboj je štatistickým priemerom nábojov najrôznejších veľkostí. Navyše žiadny z experimentov na meranie náboja elektrónu neposkytol striktne sa opakujúce hodnoty.
Boli skeptici, ktorí objav elektrónu vo všeobecnosti ignorovali. Akademik A.F. Ioffe vo svojich memoároch o svojom učiteľovi V.K. Roentgene napísal: „Do roku 1906 - 1907. slovo elektrón sa na Fyzikálnom inštitúte Mníchovskej univerzity nemalo hovoriť. Roentgen to považoval za neoverenú hypotézu, často uplatňovanú bez dostatočných dôvodov a bez potreby.

Otázka hmotnosti elektrónu nie je vyriešená, nebolo dokázané, že na vodičoch aj na dielektrikách sa náboje skladajú z elektrónov. Pojem „elektrón“ nemal jednoznačnú interpretáciu, pretože experiment ešte neodhalil štruktúru atómu (Rutherfordov planetárny model sa objavil v roku 1911 a Bohrova teória - v roku 1913).

Elektrón ešte nevstúpil do teoretických konštrukcií. Lorentzova elektrónová teória sa vyznačovala kontinuálne distribuovanou hustotou náboja. V teórii kovovej vodivosti, ktorú vyvinul Drude, išlo o diskrétne náboje, ale išlo o ľubovoľné náboje, na hodnotu ktorých neboli uvalené žiadne obmedzenia.

Elektrón ešte neopustil rámec „čistej“ vedy. Pripomeňme, že prvá elektrónka sa objavila až v roku 1907. Aby sme sa dostali od viery k presvedčeniu, bolo potrebné najskôr elektrón izolovať, vymyslieť metódu na priame a presné meranie elementárneho náboja.

Riešenie tohto problému na seba nenechalo dlho čakať. V roku 1752 prvýkrát vyslovil myšlienku diskrétnosti elektrického náboja B. Franklin. Experimentálne bola diskrétnosť nábojov doložená zákonmi elektrolýzy objavenými M. Faradayom v roku 1834. Číselná hodnota elementárneho náboja (najmenšieho elektrického náboja nájdeného v prírode) bola teoreticky vypočítaná na základe zákonov elektrolýzy pomocou tzv. Číslo Avogadro. Priame experimentálne meranie elementárneho náboja uskutočnil R. Millikan v klasických experimentoch uskutočnených v rokoch 1908 - 1916. Tieto experimenty tiež poskytli nezvratný dôkaz atomizmu elektriny. Podľa základných pojmov elektrónovej teórie náboj telesa vzniká v dôsledku zmeny počtu elektrónov v ňom obsiahnutých (alebo kladných iónov, ktorých náboj je násobkom náboja elektrónu). Preto sa náboj akéhokoľvek telesa musí zmeniť náhle a v takých častiach, ktoré obsahujú celý počet elektrónových nábojov. Po zistení diskrétnej povahy zmeny elektrického náboja R. Milliken bol schopný potvrdiť existenciu elektrónov a určiť veľkosť náboja jedného elektrónu (elementárneho náboja) pomocou metódy olejových kvapiek. Metóda je založená na štúdiu pohybu nabitých kvapiek oleja v rovnomernom elektrickom poli známej sily E.

2.Objav elektrónu:

Ak odhliadneme od toho, čo predchádzalo objavu prvej elementárnej častice – elektrónu, a čo sprevádzalo túto výnimočnú udalosť, môžeme stručne povedať: v roku 1897 slávny anglický fyzik Thomson Joseph John (1856-1940) zmeral špecifický náboj q/m katódové častice – „telieska“, ako ich nazval, podľa vychyľovania katódových lúčov *) v elektrických a magnetických poliach.

Z porovnania získaného čísla s vtedy známym špecifickým nábojom jednomocného vodíkového iónu nepriamou úvahou dospel k záveru, že hmotnosť týchto častíc, neskôr nazývaných „elektróny“, je oveľa menšia (viac ako tisíckrát) ako je hmotnosť najľahšieho vodíkového iónu.

V tom istom roku, v roku 1897, predložil hypotézu, že elektróny sú neoddeliteľnou súčasťou atómov a katódové lúče nie sú atómy ani elektromagnetické žiarenie, ako sa domnievali niektorí výskumníci vlastností lúčov. Thomson napísal: "Katódové lúče teda predstavujú nový stav hmoty, v podstate odlišný od bežného plynného skupenstva...; v tomto novom stave je hmota látkou, z ktorej sú postavené všetky prvky."

Od roku 1897 začal korpuskulárny model katódových lúčov získavať všeobecné uznanie, hoci existovali rôzne úsudky o povahe elektriny. Nemecký fyzik E. Wiechert teda veril, že „elektrina je niečo imaginárne, čo skutočne existuje len v myšlienkach“, a slávny anglický fyzik Lord Kelvin v tom istom roku 1897 napísal o elektrine ako o akejsi „spojitej tekutine“.

Thomsonova myšlienka katódových teliesok ako hlavných zložiek atómu sa nestretla s veľkým nadšením. Niektorí z jeho kolegov si mysleli, že ich oklamal, keď navrhol, že častice katódového žiarenia by sa mali považovať za možné zložky atómu. Skutočnú úlohu Thomsonových teliesok v štruktúre atómu možno pochopiť v kombinácii s výsledkami iných štúdií, najmä s výsledkami analýzy spektier a štúdia rádioaktivity.

29. apríla 1897 Thomson predniesol svoje slávne posolstvo na stretnutí Kráľovskej spoločnosti v Londýne. Presný čas objavu elektrónu - deň a hodinu - nemožno vzhľadom na jeho originalitu pomenovať. Táto udalosť bola výsledkom dlhoročnej práce Thomsona a jeho zamestnancov. Thomson ani nikto iný nikdy nepozoroval elektrón v doslovnom zmysle slova, nikto nedokázal izolovať jedinú časticu z lúča katódových lúčov a zmerať jej špecifický náboj. Autorom objavu je J.J. Thomson, pretože jeho predstavy o elektróne boli blízke moderným. V roku 1903 navrhol jeden z prvých modelov atómu – „hrozienkový puding“ a v roku 1904 navrhol, aby sa elektróny v atóme rozdelili do skupín, ktoré tvoria rôzne konfigurácie, ktoré určujú periodicitu chemických prvkov.

Miesto nálezu je presne známe - Cavendish Laboratory (Cambridge, UK). Vytvoril ho v roku 1870 J.K. Maxwell a v priebehu nasledujúcich sto rokov sa stal „kolískou“ celého reťazca brilantných objavov v rôznych oblastiach fyziky, najmä v atómovej a jadrovej. Jeho riaditeľmi boli: Maxwell J.K. - v rokoch 1871 až 1879 Lord Rayleigh - v rokoch 1879 až 1884 Thomson J.J. - od roku 1884 do roku 1919, Rutherford E. - od roku 1919 do roku 1937, Bragg L. - od roku 1938 do roku 1953; zástupca riaditeľa v rokoch 1923-1935 - Chadwick J.

Vedecký experimentálny výskum vykonával jeden vedec alebo malá skupina v atmosfére tvorivého hľadania. Lawrence Bragg neskôr spomínal na svoju prácu v roku 1913 so svojím otcom Henrym Braggom: „Bolo to úžasné obdobie, keď sa takmer každý týždeň dosahovali nové vzrušujúce výsledky, ako napríklad objavenie nových zlatonosných oblastí, kde sa dajú nugety zbierať priamo zo zeme. Toto pokračovalo až do začiatku vojny *), ktorá ukončila našu spoločnú prácu“.

3. Metódy objavovania elektrónov:

3.1 Skúsenosti spoločnosti Thomson

Joseph John Thomson Joseph John Thomson, 1856–1940

Anglický fyzik, lepšie známy ako J. J. Thomson. Narodil sa v Cheetham Hill na predmestí Manchestru v rodine obchodníka so starožitnosťami z druhej ruky. V roku 1876 získal štipendium na štúdium na Cambridge. V rokoch 1884-1919 bol profesorom na Katedre experimentálnej fyziky Univerzity v Cambridge a na čiastočný úväzok vedúcim Cavendish Laboratory, ktoré sa vďaka Thomsonovmu úsiliu stalo jedným z najznámejších výskumných centier na svete. Zároveň bol v rokoch 1905-1918 profesorom Kráľovského inštitútu v Londýne. Nositeľ Nobelovej ceny za fyziku z roku 1906 s formuláciou „za výskum prechodu elektriny cez plyny“, čo samozrejme zahŕňa aj objav elektrónu. Thomsonov syn George Paget Thomson (1892-1975) sa tiež nakoniec stal laureátom Nobelovej ceny za fyziku - v roku 1937 za experimentálny objav elektrónovej difrakcie kryštálmi.

V roku 1897 sa mladý anglický fyzik J. J. Thomson po stáročia preslávil ako objaviteľ elektrónu. Thomson vo svojom experimente použil vylepšenú katódovú trubicu, ktorej dizajn bol doplnený o elektrické cievky, ktoré vytvárali (podľa Ampérovho zákona) magnetické pole vo vnútri trubice, a súpravu paralelných elektrických kondenzátorových dosiek, ktoré vo vnútri vytvárali elektrické pole. rúrka. To umožnilo študovať správanie katódových lúčov pod vplyvom magnetických aj elektrických polí.

Pomocou nového dizajnu trubice Thomson postupne ukázal, že: (1) katódové lúče sú vychyľované v magnetickom poli v neprítomnosti elektrického; (2) katódové lúče sú vychyľované v elektrickom poli v neprítomnosti magnetického; a (3) pri súčasnom pôsobení elektrických a magnetických polí vyváženej intenzity, orientovaných v smeroch, ktoré spôsobujú samostatné odchýlky v opačných smeroch, sa katódové lúče šíria priamočiaro, to znamená, že pôsobenie týchto dvoch polí je vzájomne vyvážené.

Thomson zistil, že vzťah medzi elektrickými a magnetickými poľami, pri ktorých je ich pôsobenie vyvážené, závisí od rýchlosti, ktorou sa častice pohybujú. Po sérii meraní sa Thomsonovi podarilo určiť rýchlosť katódových lúčov. Ukázalo sa, že sa pohybujú oveľa pomalšie ako rýchlosť svetla, z čoho vyplýva, že katódové lúče môžu byť iba časticami, keďže akékoľvek elektromagnetické žiarenie vrátane samotného svetla sa šíri rýchlosťou svetla (pozri Spektrum elektromagnetického žiarenia). Tieto neznáme častice. Thomson nazval "telieska", ale čoskoro sa im hovorilo "elektróny".

Okamžite sa ukázalo, že elektróny musia existovať v zložení atómov - inak, odkiaľ by sa vzali? 30. apríl 1897 - dátum správy Thomsona o jeho výsledkoch na stretnutí Kráľovskej spoločnosti v Londýne - sa považuje za narodeniny elektrónu. A v tento deň sa myšlienka „nedeliteľnosti“ atómov stala minulosťou (pozri Atómová teória štruktúry hmoty). Spolu s objavom atómového jadra, ktorý nasledoval o niečo viac ako desať rokov neskôr (pozri Rutherfordov experiment), položil objav elektrónu základ pre moderný model atómu.

„Katóda“, alebo skôr katódové trubice opísané vyššie, sa stali najjednoduchšími predchodcami moderných televíznych kineskopov a počítačových monitorov, v ktorých sú prísne kontrolované množstvá elektrónov vyrazené z povrchu horúcej katódy pod vplyvom striedania. magnetické polia sa odchyľujú v presne špecifikovaných uhloch a bombardujú fosforeskujúce bunky obrazoviek, vytvárajúc na nich jasný obraz, ktorý je výsledkom fotoelektrického javu, ktorého objav by bol tiež nemožný bez našej znalosti skutočnej podstaty katódových lúčov.

3.2 Skúsenosti Rutherforda

Ernest Rutherford, barón Rutherford z Nelsonu I Ernest Rutherford, prvý barón Rutherford z Nelsonu, 1871–1937

Novozélandský fyzik. Narodil sa v Nelsone, syn remeselného farmára. Získal štipendium na štúdium na University of Cambridge v Anglicku. Po ukončení štúdia bol menovaný na Kanadskú univerzitu McGill (McGill University), kde spolu s Frederickom Soddym (Frederick Soddy, 1877–1966) stanovil základné zákony fenoménu rádioaktivity, za čo bol v roku 1908 ocenený Nobelovu cenu za chémiu. Čoskoro sa vedec presťahoval na univerzitu v Manchestri, kde pod jeho vedením Hans Geiger (Hans Geiger, 1882–1945) vynašiel svoj slávny Geigerov počítač, začal študovať štruktúru atómu a v roku 1911 objavil existenciu atómu. jadro. Počas prvej svetovej vojny sa zaoberal vývojom sonarov (akustických radarov) na detekciu nepriateľských ponoriek. V roku 1919 bol vymenovaný za profesora fyziky a riaditeľa Cavendishovho laboratória na univerzite v Cambridge a v tom istom roku objavil rozpad jadra v dôsledku bombardovania vysokoenergetickými ťažkými časticami. Rutherford zostal na tomto poste až do konca svojho života, zároveň bol dlhé roky prezidentom Kráľovskej vedeckej spoločnosti. Pochovali ho vo Westminsterskom opátstve vedľa Newtona, Darwina a Faradaya.

Ernest Rutherford je jedinečný vedec v tom zmysle, že svoje hlavné objavy urobil po získaní Nobelovej ceny. V roku 1911 sa mu podaril experiment, ktorý vedcom umožnil nielen nahliadnuť hlboko do atómu a získať predstavu o jeho štruktúre, ale stal sa aj vzorom elegancie a hĺbky dizajnu.

A Rutherford pomocou prírodného zdroja rádioaktívneho žiarenia zostrojil delo, ktoré poskytovalo usmernený a zameraný prúd častíc. Zbraň bola olovená skrinka s úzkou štrbinou, vo vnútri ktorej bol umiestnený rádioaktívny materiál. V dôsledku toho častice (v tomto prípade alfa častice pozostávajúce z dvoch protónov a dvoch neutrónov), emitované rádioaktívnou látkou vo všetkých smeroch okrem jedného, ​​boli absorbované olovenou clonou a vyletel iba usmernený lúč častíc alfa. cez štrbinu.

daný smer. Výsledkom bolo, že k cieľu letel dokonale zaostrený lúč častíc alfa a samotný cieľ bol veľmi tenký plát zlatej fólie. Bol to alfa lúč, ktorý ju zasiahol. Po zrážke s atómami fólie alfa častice pokračovali v ceste a narazili na luminiscenčnú obrazovku inštalovanú za cieľom, na ktorej boli zaznamenané záblesky pri dopade častíc alfa. Z nich mohol experimentátor posúdiť, koľko a koľko alfa častíc sa odchyľuje od smeru priamočiareho pohybu v dôsledku zrážok s atómami fólie.

Rutherford si však všimol, že žiadny z jeho predchodcov sa ani len nepokúsil experimentálne otestovať, či sú niektoré častice alfa vychýlené pod veľmi veľkými uhlami. Model hrozienkovej mriežky jednoducho neumožňoval existenciu štruktúrnych prvkov v atóme tak hustých a ťažkých, že by mohli vychyľovať rýchle alfa častice pod významnými uhlami, takže sa nikto neobťažoval testovať túto možnosť. Rutherford požiadal jedného zo svojich študentov, aby prevybavil aparatúru tak, aby bolo možné pozorovať rozptyl častíc alfa pod veľkými uhlami vychýlenia – len aby si očistil svedomie, aby túto možnosť úplne vylúčil. Detektor bola obrazovka pokrytá sulfidom sodným, materiálom, ktorý vydáva fluorescenčný záblesk, keď naň zasiahne alfa častica. Aké bolo prekvapenie nielen študenta, ktorý experiment priamo viedol, ale aj samotného Rutherforda, keď sa ukázalo, že niektoré častice sa odchyľujú o uhly až 180°!

Obrázok atómu nakreslený Rutherfordom na základe výsledkov experimentu je nám dnes dobre známy. Atóm pozostáva zo superhustého kompaktného jadra, ktoré nesie kladný náboj, a záporne nabitých svetelných elektrónov okolo neho. Neskôr vedci postavili tento obrázok na solídny teoretický základ (pozri Bohrov atóm), ale všetko začalo jednoduchým experimentom s malou vzorkou rádioaktívneho materiálu a kúskom zlatej fólie.

3.2 MetódaMillikan

3.2.1. Krátka biografia:

Robert Milliken sa narodil v roku 1868 v Illinois v chudobnej rodine kňaza. Detstvo prežil v provinčnom meste Makvoket, kde sa veľa pozornosti venovalo športu a zle sa učilo. Riaditeľ strednej školy, ktorý vyučoval fyziku, napríklad svojim malým študentom povedal: „Ako sa dá urobiť zvuk z vĺn? Kecy, chlapci, všetko sú to kecy!"

Oberdeen College na tom nebola o nič lepšie, no Millikan, ktorý nemal materiálnu podporu, musel fyziku na strednej škole vyučovať sám. V Amerike v tom čase existovali len dve učebnice fyziky preložené z francúzštiny a talentovaný mladík nemal problém ich študovať a úspešne ich učiť. V roku 1893 vstúpil na Kolumbijskú univerzitu, potom odišiel študovať do Nemecka.

Millikan mal 28 rokov, keď dostal od A. Michelsona ponuku prijať miesto asistenta na University of Chicago. Zo začiatku sa tu zaoberal takmer výlučne pedagogickou prácou a až v štyridsiatke začal vedecký výskum, ktorý mu priniesol celosvetovú slávu.

3.2.2. Prvé skúsenosti a riešenie problémov:

Prvé experimenty boli nasledovné. Medzi doskami plochého kondenzátora, na ktorý bolo privedené napätie 4000 V, sa vytvoril oblak pozostávajúci z kvapiek vody, ktoré sa usadzovali na iónoch. Najprv bol pozorovaný pád vrchnej časti oblaku v neprítomnosti elektrického poľa. Potom sa vytvoril oblak so zapnutým napätím. Pád oblaku nastal pôsobením gravitácie a elektrickej sily.
Pomer sily pôsobiacej na kvapku v oblaku k rýchlosti, ktorú nadobudne, je v prvom a druhom prípade rovnaký. V prvom prípade je sila mg, v druhom mg+qE, kde q- poplatok za pád, E- intenzita elektrického poľa. Ak je rýchlosť v prvom prípade υ 1 v druhom υ 2 , potom

Poznať závislosť rýchlosti pádu oblaku υ z viskozity vzduchu môžete vypočítať požadovaný náboj q. Táto metóda však neposkytla požadovanú presnosť, pretože obsahovala hypotetické predpoklady, ktoré boli mimo kontroly experimentátora.

Pre zvýšenie presnosti merania bolo potrebné v prvom rade nájsť spôsob, ako zohľadniť vyparovanie mrakov, ku ktorému v procese merania nevyhnutne dochádzalo.

V úvahe o tomto probléme prišiel Millikan s klasickou drop metódou, ktorá otvorila množstvo nečakaných možností. Nechajme autora, aby porozprával príbeh vynálezu:
„Uvedomil som si, že rýchlosť vyparovania kvapiek zostáva neznáma, pokúsil som sa vymyslieť metódu, ktorá by túto neurčitú hodnotu úplne eliminovala. Môj plán bol nasledovný. V predchádzajúcich experimentoch mohlo elektrické pole len mierne zvýšiť alebo znížiť rýchlosť pádu vrcholu oblaku pod vplyvom gravitácie. Teraz som chcel toto pole posilniť, aby horná plocha oblaku zostala v konštantnej výške. V tomto prípade bolo možné presne určiť rýchlosť odparovania oblaku a zohľadniť ju vo výpočtoch.

Na realizáciu tejto myšlienky navrhol Milliken malú dobíjaciu batériu, ktorá poskytovala napätie až 10 4 V (v tom čase to bol vynikajúci úspech experimentátora). Musela vytvoriť pole dostatočne silné na to, aby udržalo oblak, ako je „rakva Mohameda“, v pozastavenom stave. "Keď som bol pripravený," hovorí Milliken, a keď sa vytvoril oblak, otočil som vypínač a oblak bol v elektrickom poli. A v tej chvíli sa mi roztopil pred očami, inými slovami, z celého oblaku nezostal ani kúsok, ktorý by sa dal pozorovať pomocou kontrolného optického zariadenia, ako to robil Wilson a chystal som sa to urobiť ja. Najprv sa mi zdalo, že zmiznutie mraku bez stopy v elektrickom poli medzi hornou a dolnou platňou znamenalo, že experiment skončil bez výsledkov ... “Avšak, ako sa často stávalo v histórii vedy, zlyhanie spôsobilo k novej myšlienke. Viedla k slávnej metóde kvapiek. „Opakované experimenty,“ píše Milliken, „ukázali, že po tom, čo sa oblak rozptýlil v silnom elektrickom poli na svojom mieste bolo možné rozlíšiť niekoľko jednotlivých kvapiek vody“ (zdôraznené mnou.- V.D.).„Nešťastná“ skúsenosť viedla k objaveniu možnosti udržať sa v rovnováhe a pozorovať jednotlivé kvapôčky dostatočne dlhý čas.

Ale počas obdobia pozorovania sa hmotnosť kvapky vody výrazne zmenila v dôsledku odparovania a Millikan po mnohých dňoch hľadania prešiel na experimenty s kvapkami oleja.

Experimentálny postup sa ukázal byť jednoduchý. Adiabatická expanzia medzi doskami kondenzátora vytvára oblak. Pozostáva z kvapiek s nábojmi rôzneho modulu a znamienka. Keď je elektrické pole zapnuté, kvapky s rovnakými nábojmi ako je náboj hornej dosky kondenzátora rýchlo klesajú a kvapky s opačným nábojom sú priťahované hornou doskou. Ale určitý počet kvapiek má taký náboj, že sila gravitácie je vyvážená elektrickou silou.

Po 7 alebo 8 min. oblak sa rozplynie a v zornom poli zostáva malý počet kvapiek, ktorých náboj zodpovedá naznačenému pomeru síl.

Millikan pozoroval tieto kvapky ako zreteľné svetlé bodky. „História týchto kvapiek zvyčajne prebieha nasledovne,“ píše: „V prípade miernej prevahy gravitácie nad silou poľa začnú pomaly klesať, ale keďže sa postupne vyparujú, ich pohyb nadol sa čoskoro zastaví. a znehybnia sa na pomerne dlhú dobu. Potom začne pole dominovať a kvapky začnú pomaly stúpať. Ku koncu ich životnosti v priestore medzi doskami sa tento pohyb nahor veľmi zrýchli a sú veľkou rýchlosťou priťahované k hornej doske.

3.2.3. Popis inštalácie:

Schéma inštalácie Millikan, pomocou ktorej sa v roku 1909 dosiahli rozhodujúce výsledky, je znázornená na obrázku 17.

V cele OD bol umiestnený plochý kondenzátor vyrobený z okrúhlych mosadzných dosiek M a N 22 cm v priemere (vzdialenosť medzi nimi bola 1,6 cm). V strede hornej dosky bol vytvorený malý otvor R, cez ktoré prechádzajú kvapky oleja. Posledne menované boli vytvorené fúkaním prúdu oleja pomocou rozprašovača. Vzduch sa predtým čistil od prachu prechodom cez potrubie so sklenou vatou. Kvapky oleja mali priemer asi 10-4 cm.

O
ton batérie AT na dosky kondenzátora bolo privedené napätie 10 4 V. Pomocou spínača bolo možné dosky skratovať a tým zničiť elektrické pole.

Kvapky oleja padajúce medzi platne M a N, osvetlené silným zdrojom. Správanie kvapiek bolo pozorované kolmo na smer lúčov cez ďalekohľad.

Ióny potrebné na kondenzáciu kvapiek boli vytvorené žiarením z kúska rádia s hmotnosťou 200 mg, umiestneného vo vzdialenosti 3 až 10 cm od strany platní.

Pomocou špeciálneho zariadenia sa plyn rozširoval spúšťaním piestu. Po 1 - 2 s po expanzii sa rádium odstránilo alebo prekrylo oloveným sitom. Potom sa zaplo elektrické pole a začalo sa pozorovanie kvapiek do ďalekohľadu. Fajka mala stupnicu, podľa ktorej bolo možné spočítať dráhu prejdenú kvapkou za určitý čas. Čas fixovali presné hodiny s klietkou.

V procese pozorovaní Millikan objavil jav, ktorý slúžil ako kľúč k celej sérii následných presných meraní jednotlivých elementárnych nábojov.

„Pri práci na zavesených kvapôčkach,“ píše Millikan, „som niekoľkokrát zabudol chrániť ich pred rádiovými lúčmi. Potom som si náhodou všimol, že z času na čas jedna z kvapiek náhle zmenila svoj náboj a začala sa pohybovať po poli alebo proti nemu, pričom zjavne zachytila ​​v prvom prípade kladný ión a v druhom prípade záporný ión. Tým sa otvorila možnosť s istotou merať nielen náboje jednotlivých kvapiek, ako som to robil dovtedy, ale aj náboj jednotlivého atmosférického iónu.

Skutočne, meraním rýchlosti tej istej kvapky dvakrát, raz pred a druhýkrát po zachytení iónu, by som samozrejme mohol úplne vylúčiť vlastnosti kvapky a vlastnosti média a pracovať s hodnotou úmernou iba náboj zachyteného iónu.

3.2.4. Výpočet elementárneho náboja:

Základný náboj vypočítal Millikan na základe nasledujúcich úvah. Rýchlosť kvapky je úmerná sile, ktorá na ňu pôsobí a nezávisí od náboja kvapky.
Ak kvapka spadla medzi dosky kondenzátora pôsobením iba gravitácie rýchlosťou υ , potom

υ 1 \u003d kmg (1)

Keď je pole namierené proti gravitácii zapnuté, pôsobiaca sila bude rozdiel qE - mg, kde q- pokles náboja, E - modul intenzity poľa.

Rýchlosť pádu bude:

υ 2 \u003d k (qE-mg) (2)

Ak vydelíme rovnosť (1) (2), dostaneme

O priamo tu

Nechajte kvapku zachytiť ión a jej náboj sa rovná q", a rýchlosť pohybu υ 2 . Náboj tohto zachyteného iónu bude označený e.

Potom e \u003d q "- q.

Pomocou (3) dostaneme

Hodnota je pre daný pokles konštantná.

3.2.5. Závery z Millikanovej metódy

Preto akýkoľvek náboj zachytený kvapkou bude úmerný rozdielu v rýchlostiach ( υ " 2 - υ 2 ), inými slovami, je úmerná zmene rýchlosti kvapiek v dôsledku zachytávania iónov! Meranie elementárneho náboja sa teda zredukovalo na meranie dráhy prejdenej kvapkou a času, počas ktorého táto dráha prešla. Početné pozorovania preukázali platnosť vzorca (4). Ukázalo sa, že hodnota e môže sa meniť iba v skokoch! Vždy existujú poplatky e, 2e, 3e, 4e atď.

„V mnohých prípadoch,“ píše Millikan, „pokles bol pozorovaný päť alebo šesť hodín a počas tejto doby zachytil nie osem alebo desať iónov, ale stovky z nich. Celkovo som týmto spôsobom pozoroval zachytenie mnohých tisíc iónov a vo všetkých prípadoch sa zachytený náboj ... buď presne rovnal najmenšiemu zo všetkých zachytených nábojov, alebo sa rovnal malému celočíselnému násobku tohto hodnotu. Toto je priamy a nevyvrátiteľný dôkaz toho, že elektrón nie je „štatistický priemer“, ale že všetky elektrické náboje na iónoch sú buď presne rovnaké ako náboj na elektróne, alebo sú malé celočíselné násobky tohto náboja.

Takže atomizmus, diskrétnosť alebo, moderne povedané, kvantovanie elektrického náboja sa stalo experimentálnym faktom. Teraz bolo dôležité ukázať, že elektrón je takpovediac všadeprítomný. Akýkoľvek elektrický náboj v tele akejkoľvek povahy je súčtom rovnakých elementárnych nábojov.

Millikanova metóda umožnila jednoznačne odpovedať na túto otázku. V prvých experimentoch vznikali náboje ionizáciou molekúl neutrálneho plynu prúdom rádioaktívneho žiarenia. Meral sa náboj iónov zachytených kvapkami.

Keď sa kvapalina rozprašuje rozprašovačom, kvapôčky sú elektrizované v dôsledku trenia. To bolo dobre známe v 19. storočí. Sú tieto náboje rovnako kvantované ako iónové náboje? Millikan kvapôčky po nastriekaní „odváži“ a vykoná merania náboja spôsobom opísaným vyššie. Skúsenosti odhaľujú rovnakú diskrétnosť elektrického náboja.

Kvapky oleja (dielektrikum), glycerínu (polovodič), ortuti (vodič), Millikan dokazuje, že náboje na telesách akejkoľvek fyzikálnej povahy pozostávajú vo všetkých prípadoch bez výnimky z oddelených elementárnych častí prísne konštantnej hodnoty. V roku 1913 Millikan sumarizuje výsledky mnohých experimentov a udáva nasledujúcu hodnotu pre elementárny náboj: e= 4,774. 10-10 jednotiek účtovať SGSE. Tak vznikla jedna z najdôležitejších konštánt modernej fyziky. Určenie elektrického náboja sa stalo jednoduchým aritmetickým problémom.

3.4 Comptonova zobrazovacia metóda:

Veľkú úlohu pri posilňovaní predstavy o realite elektrónu zohral objav C.T.R. Wilson o vplyve kondenzácie vodnej pary na ióny, čo viedlo k možnosti fotografovania stôp častíc.

Hovorí sa, že A. Compton na prednáške nedokázal presvedčiť skeptického poslucháča o reálnosti existencie mikročastíc. Trval na tom, že uverí, až keď ich uvidí na vlastné oči.
Potom Compton ukázal fotografiu so stopou α-častíc, vedľa ktorej bol odtlačok prsta. "Vieš čo to je?" spýtal sa Compton. "Prst," odpovedal poslucháč. "V tom prípade," slávnostne vyhlásil Compton, "tento svetelný pás je častica."
Fotografie elektrónových stôp svedčili nielen o realite elektrónov. Potvrdili predpoklad o malej veľkosti elektrónov a umožnili porovnať s experimentom výsledky teoretických výpočtov, v ktorých sa objavil polomer elektrónov. Experimenty, ktoré začal Lenard pri štúdiu prenikavej sily katódových lúčov, ukázali, že veľmi rýchle elektróny emitované rádioaktívnymi látkami vytvárajú stopy v plyne vo forme priamych čiar. Dĺžka dráhy je úmerná energii elektrónu. Fotografie stôp vysokoenergetických α-častíc ukazujú, že stopy pozostávajú z veľkého počtu bodov. Každá bodka je kvapka vody, ktorá sa objavuje na ióne, ktorý vzniká v dôsledku zrážky elektrónu s atómom. Keď poznáme veľkosť atómu a ich koncentráciu, môžeme vypočítať počet atómov, ktorými musí alfa častica prejsť v danej vzdialenosti. Jednoduchý výpočet ukazuje, že α-častica musí prejsť asi 300 atómov, kým sa na ceste stretne s jedným z elektrónov, ktoré tvoria obal atómu, a dôjde k ionizácii.

Táto skutočnosť presvedčivo naznačuje, že objem elektrónov je zanedbateľným zlomkom objemu atómu. Dráha elektrónu s nízkou energiou je zakrivená, preto je pomalý elektrón vychyľovaný vnútroatómovým poľom. Na svojej ceste vytvára viac ionizačných udalostí.

Z teórie rozptylu možno získať údaje pre odhad uhlov vychýlenia v závislosti od energie elektrónov. Tieto údaje sú dobre potvrdené analýzou skutočných stôp. Zhoda teórie s experimentom posilnila myšlienku elektrónu ako najmenšej častice hmoty.

Záver:

Meranie elementárneho elektrického náboja otvorilo možnosť presného určenia množstva dôležitých fyzikálnych konštánt.
Poznanie veľkosti e automaticky umožňuje určiť hodnotu základnej konštanty - Avogadrovej konštanty. Pred Millikanovými experimentmi existovali len hrubé odhady Avogadrovej konštanty, ktoré boli dané kinetickou teóriou plynov. Tieto odhady boli založené na výpočtoch priemerného polomeru molekuly vzduchu a pohybovali sa v pomerne širokom rozmedzí od 2 . 1023 až 20. 1023 1/mol.

Predpokladajme, že poznáme poplatok Q, prešlo cez roztok elektrolytu a množstvo látky M, ktoré sa usadilo na elektróde. Potom, ak je náboj iónu Ze 0 a jeho hmotnosť m 0, rovnosť

Ak sa hmotnosť deponovanej látky rovná jednému mólu,

potom Q=F- Faradayova konštanta a F=N 0 e, kde:

Je zrejmé, že presnosť určenia Avogadrovej konštanty je daná presnosťou, s akou sa meria elektrónový náboj. Prax si vyžadovala zvýšenie presnosti určovania základných konštánt a to bol jeden zo stimulov na pokračovanie v zlepšovaní techniky merania kvanta elektrického náboja. Táto práca, ktorá už má čisto metrologický charakter, trvá dodnes.

Najpresnejšie hodnoty sú momentálne:

e= (4,8029±0,0005)10-10. Jednotky účtovať SGSE;

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

Vedieť No, môžete určiť počet molekúl plynu v 1 cm 3, pretože objem zaberaný 1 mólom plynu je známa konštanta.

Znalosť počtu molekúl plynu v 1 cm 3 zase umožnila určiť priemernú kinetickú energiu tepelného pohybu molekuly. Nakoniec, náboj elektrónu možno použiť na určenie Planckovej konštanty a Stefan-Boltzmannovej konštanty v zákone tepelného žiarenia.

Parshina Anna, Sevalnikov Alexey, Luzyanin Roman.

Cieľ: naučiť sa určovať hodnotu elementárneho náboja elektrolýzou; preskúmať metódy stanovenia náboja elektrón.

Vybavenie: valcová nádoba s roztokom síranu meďnatého, lampa, elektródy, váhy, ampérmeter, zdroj konštantného napätia, reostat, hodiny, kľúč, spojovacie vodiče.

Stiahnuť ▼:

Náhľad:

Ak chcete použiť ukážku prezentácií, vytvorte si Google účet (účet) a prihláste sa: https://accounts.google.com

Popisy snímok:

Laboratórne práce Stanovenie elementárneho náboja metódou elektrolýzy Vykonali študenti 10. ročníka strednej školy Chučkovskaja: Anna Parshina, Alexey Sevalnikov, Roman Luzyanin. Vedúci: učiteľ fyziky Chekalina O.Yu.

Účel práce: naučiť sa určovať hodnotu elementárneho náboja elektrolýzou; metódy štúdia na určenie náboja elektrónu. Vybavenie: valcová nádoba s roztokom síranu meďnatého, lampa, elektródy, váhy, ampérmeter, zdroj konštantného napätia, reostat, hodiny, kľúč, spojovacie vodiče.

Zostavili sme reťaz: Postup prác:

Výsledok našej práce

Naučili sme sa určiť hodnotu elementárneho náboja elektrolýzou, študovali sme metódy na určenie náboja elektrónu. Záver:

V. Ya. Bryusov "Svet elektrónu" Možno sú tieto elektróny svetmi, kde je päť kontinentov, Umenie, vedomosti, vojny, tróny a pamäť štyridsiatich storočí! Tiež je možno každý atóm vesmírom, kde je sto planét; Je tu všetko, čo je tu, v komprimovanom objeme, ale aj to, čo tu nie je. Ich miery sú malé, ale ich nekonečnosť je rovnaká ako tu; Je tu smútok a vášeň, ako tu, a dokonca aj tam rovnaká svetová arogancia. Ich múdri muži, ktorí umiestňujú svoj bezhraničný svet do stredu bytia, sa ponáhľajú preniknúť do iskier tajomstva a myslia, ako ja teraz; A vo chvíli, keď sa zo skazy vytvárajú prúdy nových síl, kričia v snoch sebahypnózy, že Boh uhasil svoju pochodeň!

Ministerstvo školstva Ruskej federácie

Amurská štátna pedagogická univerzita

Metódy stanovenia elementárneho elektrického náboja

Splnil študent 151g.

Venzelev A.A.

Skontroloval: Cheraneva T.G.

Úvod.

1. Prehistória objavu elektrónu

2. História objavu elektrónu

3. Experimenty a metódy na objavenie elektrónu

3.1 Skúsenosti spoločnosti Thomson

3.2 Skúsenosti Rutherforda

3.3. Millikanova metóda

3.3.1. krátky životopis

3.3.2. Popis inštalácie

3.3.3. Výpočet elementárneho náboja

3.3.4. Závery z metódy

3.4. Comptonova zobrazovacia metóda

Záver.

Úvod:

ELEKTRON - prvá elementárna častica z hľadiska času objavu; materiálny nosič najmenšej hmotnosti a najmenšieho elektrického náboja v prírode; základná časť atómu.

Náboj elektrónu je 1,6021892. 10-19 °C

4,803242. 10-10 jednotiek SGSE

Hmotnosť elektrónu je 9,109534. 10 - 31 kg

Špecifický poplatok e/m e 1,7588047 . 10 11 Cl. kg -1

Spin elektrónu je 1/2 (v jednotkách h) a má dve projekcie ±1/2; elektróny poslúchajú Fermi-Diracovu štatistiku, fermióny. Podliehajú Pauliho princípu vylúčenia.

Magnetický moment elektrónu je - 1,00116 m b, kde m b je Bohrov magnetón.

Elektrón je stabilná častica. Podľa experimentálnych údajov je životnosť t e > 2 . 10 22 rokov.

Nezúčastňuje sa silnej interakcie, leptón. Moderná fyzika považuje elektrón za skutočne elementárnu časticu, ktorá nemá štruktúru a rozmery. Ak sú posledné a nenulové, potom polomer elektrónu r e< 10 -18 м

1. Pozadie objavu

Objav elektrónu bol výsledkom mnohých experimentov. Na začiatku XX storočia. existencia elektrónu bola preukázaná v množstve nezávislých experimentov. Ale napriek obrovskému experimentálnemu materiálu, ktorý nahromadili celé národné školy, zostal elektrón hypotetickou časticou, pretože skúsenosti ešte nezodpovedali množstvo základných otázok. V skutočnosti sa „objav“ elektrónu vliekol viac ako pol storočia a neskončil v roku 1897; podieľalo sa na ňom veľa vedcov a vynálezcov.

V prvom rade neexistoval jediný experiment, ktorého by sa zúčastnili jednotlivé elektróny. Elementárny náboj bol vypočítaný na základe meraní mikroskopického náboja za predpokladu, že množstvo hypotéz bolo správnych.

Neistota bola v zásadne dôležitom bode. Najprv sa elektrón objavil ako výsledok atomistickej interpretácie zákonov elektrolýzy, potom bol objavený v plynovom výboji. Nebolo jasné, či sa fyzika skutočne zaoberá tým istým objektom. Veľká skupina skeptických prírodovedcov verila, že elementárny náboj je štatistickým priemerom nábojov najrôznejších veľkostí. Navyše žiadny z experimentov na meranie náboja elektrónu neposkytol striktne sa opakujúce hodnoty.
Boli skeptici, ktorí objav elektrónu vo všeobecnosti ignorovali. Akademik A.F. Ioffe vo svojich memoároch o svojom učiteľovi V.K. Roentgene napísal: „Do roku 1906 - 1907. slovo elektrón sa na Fyzikálnom inštitúte Mníchovskej univerzity nemalo hovoriť. Roentgen to považoval za neoverenú hypotézu, často uplatňovanú bez dostatočných dôvodov a bez potreby.

Otázka hmotnosti elektrónu nie je vyriešená, nebolo dokázané, že na vodičoch aj na dielektrikách sa náboje skladajú z elektrónov. Pojem „elektrón“ nemal jednoznačnú interpretáciu, pretože experiment ešte neodhalil štruktúru atómu (Rutherfordov planetárny model sa objavil v roku 1911 a Bohrova teória - v roku 1913).

Elektrón ešte nevstúpil do teoretických konštrukcií. Lorentzova elektrónová teória sa vyznačovala kontinuálne distribuovanou hustotou náboja. V teórii kovovej vodivosti, ktorú vyvinul Drude, išlo o diskrétne náboje, ale išlo o ľubovoľné náboje, na hodnotu ktorých neboli uvalené žiadne obmedzenia.

Elektrón ešte neopustil rámec „čistej“ vedy. Pripomeňme, že prvá elektrónka sa objavila až v roku 1907. Aby sme sa dostali od viery k presvedčeniu, bolo potrebné najskôr elektrón izolovať, vymyslieť metódu na priame a presné meranie elementárneho náboja.

Riešenie tohto problému na seba nenechalo dlho čakať. V roku 1752 prvýkrát vyslovil myšlienku diskrétnosti elektrického náboja B. Franklin. Experimentálne bola diskrétnosť nábojov doložená zákonmi elektrolýzy objavenými M. Faradayom v roku 1834. Číselná hodnota elementárneho náboja (najmenšieho elektrického náboja nájdeného v prírode) bola teoreticky vypočítaná na základe zákonov elektrolýzy pomocou tzv. Číslo Avogadro. Priame experimentálne meranie elementárneho náboja uskutočnil R. Millikan v klasických experimentoch uskutočnených v rokoch 1908 - 1916. Tieto experimenty tiež poskytli nezvratný dôkaz atomizmu elektriny. Podľa základných pojmov elektrónovej teórie náboj telesa vzniká v dôsledku zmeny počtu elektrónov v ňom obsiahnutých (alebo kladných iónov, ktorých náboj je násobkom náboja elektrónu). Preto sa náboj akéhokoľvek telesa musí zmeniť náhle a v takých častiach, ktoré obsahujú celý počet elektrónových nábojov. Po zistení diskrétnej povahy zmeny elektrického náboja R. Milliken bol schopný potvrdiť existenciu elektrónov a určiť veľkosť náboja jedného elektrónu (elementárneho náboja) pomocou metódy olejových kvapiek. Metóda je založená na štúdiu pohybu nabitých kvapiek oleja v rovnomernom elektrickom poli známej sily E.

2.Objav elektrónu:

Ak odhliadneme od toho, čo predchádzalo objavu prvej elementárnej častice – elektrónu, a čo sprevádzalo túto výnimočnú udalosť, môžeme stručne povedať: v roku 1897 slávny anglický fyzik Thomson Joseph John (1856-1940) zmeral špecifický náboj q/m katódové častice – „telieska“, ako ich nazval, podľa vychyľovania katódových lúčov *) v elektrických a magnetických poliach.

Z porovnania získaného čísla s vtedy známym špecifickým nábojom jednomocného vodíkového iónu nepriamou úvahou dospel k záveru, že hmotnosť týchto častíc, neskôr nazývaných „elektróny“, je oveľa menšia (viac ako tisíckrát) ako je hmotnosť najľahšieho vodíkového iónu.

V tom istom roku, v roku 1897, predložil hypotézu, že elektróny sú neoddeliteľnou súčasťou atómov a katódové lúče nie sú atómy ani elektromagnetické žiarenie, ako sa domnievali niektorí výskumníci vlastností lúčov. Thomson napísal: "Katódové lúče teda predstavujú nový stav hmoty, v podstate odlišný od bežného plynného skupenstva...; v tomto novom stave je hmota látkou, z ktorej sú postavené všetky prvky."

Od roku 1897 začal korpuskulárny model katódových lúčov získavať všeobecné uznanie, hoci existovali rôzne úsudky o povahe elektriny. Nemecký fyzik E. Wiechert teda veril, že „elektrina je niečo imaginárne, čo skutočne existuje len v myšlienkach“, a slávny anglický fyzik Lord Kelvin v tom istom roku 1897 napísal o elektrine ako o akejsi „spojitej tekutine“.

Thomsonova myšlienka katódových teliesok ako hlavných zložiek atómu sa nestretla s veľkým nadšením. Niektorí z jeho kolegov si mysleli, že ich oklamal, keď navrhol, že častice katódového žiarenia by sa mali považovať za možné zložky atómu. Skutočnú úlohu Thomsonových teliesok v štruktúre atómu možno pochopiť v kombinácii s výsledkami iných štúdií, najmä s výsledkami analýzy spektier a štúdia rádioaktivity.

29. apríla 1897 Thomson predniesol svoje slávne posolstvo na stretnutí Kráľovskej spoločnosti v Londýne. Presný čas objavu elektrónu - deň a hodinu - nemožno vzhľadom na jeho originalitu pomenovať. Táto udalosť bola výsledkom dlhoročnej práce Thomsona a jeho zamestnancov. Thomson ani nikto iný nikdy nepozoroval elektrón v doslovnom zmysle slova, nikto nedokázal izolovať jedinú časticu z lúča katódových lúčov a zmerať jej špecifický náboj. Autorom objavu je J.J. Thomson, pretože jeho predstavy o elektróne boli blízke moderným. V roku 1903 navrhol jeden z prvých modelov atómu – „hrozienkový puding“ a v roku 1904 navrhol, aby sa elektróny v atóme rozdelili do skupín, ktoré tvoria rôzne konfigurácie, ktoré určujú periodicitu chemických prvkov.

Miesto nálezu je presne známe - Cavendish Laboratory (Cambridge, UK). Vytvoril ho v roku 1870 J.K. Maxwell a v priebehu nasledujúcich sto rokov sa stal „kolískou“ celého reťazca brilantných objavov v rôznych oblastiach fyziky, najmä v atómovej a jadrovej. Jeho riaditeľmi boli: Maxwell J.K. - v rokoch 1871 až 1879 Lord Rayleigh - v rokoch 1879 až 1884 Thomson J.J. - od roku 1884 do roku 1919, Rutherford E. - od roku 1919 do roku 1937, Bragg L. - od roku 1938 do roku 1953; zástupca riaditeľa v rokoch 1923-1935 - Chadwick J.

Vedecký experimentálny výskum vykonával jeden vedec alebo malá skupina v atmosfére tvorivého hľadania. Lawrence Bragg neskôr spomínal na svoju prácu v roku 1913 so svojím otcom Henrym Braggom: „Bolo to úžasné obdobie, keď sa takmer každý týždeň dosahovali nové vzrušujúce výsledky, ako napríklad objavenie nových zlatonosných oblastí, kde sa dajú nugety zbierať priamo zo zeme. Toto pokračovalo až do začiatku vojny *), ktorá ukončila našu spoločnú prácu“.

3. Metódy objavovania elektrónov:

3.1 Skúsenosti spoločnosti Thomson

Joseph John Thomson Joseph John Thomson, 1856–1940

Anglický fyzik, lepšie známy ako J. J. Thomson. Narodil sa v Cheetham Hill na predmestí Manchestru v rodine obchodníka so starožitnosťami z druhej ruky. V roku 1876 získal štipendium na štúdium na Cambridge. V rokoch 1884-1919 bol profesorom na Katedre experimentálnej fyziky Univerzity v Cambridge a na čiastočný úväzok vedúcim Cavendish Laboratory, ktoré sa vďaka Thomsonovmu úsiliu stalo jedným z najznámejších výskumných centier na svete. Zároveň bol v rokoch 1905-1918 profesorom Kráľovského inštitútu v Londýne. Nositeľ Nobelovej ceny za fyziku z roku 1906 s formuláciou „za výskum prechodu elektriny cez plyny“, čo samozrejme zahŕňa aj objav elektrónu. Thomsonov syn George Paget Thomson (1892-1975) sa tiež nakoniec stal laureátom Nobelovej ceny za fyziku - v roku 1937 za experimentálny objav elektrónovej difrakcie kryštálmi.

V roku 1897 sa mladý anglický fyzik J. J. Thomson po stáročia preslávil ako objaviteľ elektrónu. Thomson vo svojom experimente použil vylepšenú katódovú trubicu, ktorej dizajn bol doplnený o elektrické cievky, ktoré vytvárali (podľa Ampérovho zákona) magnetické pole vo vnútri trubice, a súpravu paralelných elektrických kondenzátorových dosiek, ktoré vo vnútri vytvárali elektrické pole. rúrka. To umožnilo študovať správanie katódových lúčov pod vplyvom magnetických aj elektrických polí.

Pomocou nového dizajnu trubice Thomson postupne ukázal, že: (1) katódové lúče sú vychyľované v magnetickom poli v neprítomnosti elektrického; (2) katódové lúče sú vychyľované v elektrickom poli v neprítomnosti magnetického; a (3) pri súčasnom pôsobení elektrických a magnetických polí vyváženej intenzity, orientovaných v smeroch, ktoré spôsobujú samostatné odchýlky v opačných smeroch, sa katódové lúče šíria priamočiaro, to znamená, že pôsobenie týchto dvoch polí je vzájomne vyvážené.

Thomson zistil, že vzťah medzi elektrickými a magnetickými poľami, pri ktorých je ich pôsobenie vyvážené, závisí od rýchlosti, ktorou sa častice pohybujú. Po sérii meraní sa Thomsonovi podarilo určiť rýchlosť katódových lúčov. Ukázalo sa, že sa pohybujú oveľa pomalšie ako rýchlosť svetla, z čoho vyplýva, že katódové lúče môžu byť iba časticami, keďže akékoľvek elektromagnetické žiarenie vrátane samotného svetla sa šíri rýchlosťou svetla (pozri Spektrum elektromagnetického žiarenia). Tieto neznáme častice. Thomson nazval "telieska", ale čoskoro sa im hovorilo "elektróny".

Okamžite sa ukázalo, že elektróny musia existovať v zložení atómov - inak, odkiaľ by sa vzali? 30. apríl 1897 - dátum správy Thomsona o jeho výsledkoch na stretnutí Kráľovskej spoločnosti v Londýne - sa považuje za narodeniny elektrónu. A v tento deň sa myšlienka „nedeliteľnosti“ atómov stala minulosťou (pozri Atómová teória štruktúry hmoty). Spolu s objavom atómového jadra, ktorý nasledoval o niečo viac ako desať rokov neskôr (pozri Rutherfordov experiment), položil objav elektrónu základ pre moderný model atómu.

„Katóda“, alebo skôr katódové trubice opísané vyššie, sa stali najjednoduchšími predchodcami moderných televíznych kineskopov a počítačových monitorov, v ktorých sú prísne kontrolované množstvá elektrónov vyrazené z povrchu horúcej katódy pod vplyvom striedania. magnetické polia sa odchyľujú v presne špecifikovaných uhloch a bombardujú fosforeskujúce bunky obrazoviek, vytvárajúc na nich jasný obraz, ktorý je výsledkom fotoelektrického javu, ktorého objav by bol tiež nemožný bez našej znalosti skutočnej podstaty katódových lúčov.

3.2 Skúsenosti Rutherforda

Ernest Rutherford, prvý barón Rutherford z Nelsonu I Ernest Rutherford, prvý barón Rutherford z Nelsonu, 1871–1937

Novozélandský fyzik. Narodil sa v Nelsone, syn remeselného farmára. Získal štipendium na štúdium na University of Cambridge v Anglicku. Po ukončení štúdia bol menovaný na Kanadskú univerzitu McGill (McGill University), kde spolu s Frederickom Soddym (Frederick Soddy, 1877–1966) stanovil základné zákony fenoménu rádioaktivity, za čo bol v roku 1908 ocenený Nobelovu cenu za chémiu. Čoskoro sa vedec presťahoval na univerzitu v Manchestri, kde pod jeho vedením Hans Geiger (Hans Geiger, 1882–1945) vynašiel svoj slávny Geigerov počítač, začal študovať štruktúru atómu a v roku 1911 objavil existenciu atómu. jadro. Počas prvej svetovej vojny sa zaoberal vývojom sonarov (akustických radarov) na detekciu nepriateľských ponoriek. V roku 1919 bol vymenovaný za profesora fyziky a riaditeľa Cavendishovho laboratória na univerzite v Cambridge a v tom istom roku objavil rozpad jadra v dôsledku bombardovania vysokoenergetickými ťažkými časticami. Rutherford zostal na tomto poste až do konca svojho života, zároveň bol dlhé roky prezidentom Kráľovskej vedeckej spoločnosti. Pochovali ho vo Westminsterskom opátstve vedľa Newtona, Darwina a Faradaya.

Ernest Rutherford je jedinečný vedec v tom zmysle, že svoje hlavné objavy urobil po získaní Nobelovej ceny. V roku 1911 sa mu podaril experiment, ktorý vedcom umožnil nielen nahliadnuť hlboko do atómu a získať predstavu o jeho štruktúre, ale stal sa aj vzorom elegancie a hĺbky dizajnu.

Rutherford pomocou prírodného zdroja rádioaktívneho žiarenia zostrojil delo, ktoré poskytovalo usmernený a zameraný prúd častíc. Zbraň bola olovená skrinka s úzkou štrbinou, vo vnútri ktorej bol umiestnený rádioaktívny materiál. V dôsledku toho častice (v tomto prípade alfa častice pozostávajúce z dvoch protónov a dvoch neutrónov), emitované rádioaktívnou látkou vo všetkých smeroch okrem jedného, ​​boli absorbované olovenou clonou a vyletel iba usmernený lúč častíc alfa. cez štrbinu.

Zážitková schéma

Ďalej na dráhe lúča stálo niekoľko ďalších olovených obrazoviek s úzkymi štrbinami, ktoré odrezávali častice, ktoré sa odchyľujú od striktne

daný smer. Výsledkom bolo, že k cieľu letel dokonale zaostrený lúč častíc alfa a samotný cieľ bol veľmi tenký plát zlatej fólie. Bol to alfa lúč, ktorý ju zasiahol. Po zrážke s atómami fólie alfa častice pokračovali v ceste a narazili na luminiscenčnú obrazovku inštalovanú za cieľom, na ktorej boli zaznamenané záblesky pri dopade častíc alfa. Z nich mohol experimentátor posúdiť, koľko a koľko alfa častíc sa odchyľuje od smeru priamočiareho pohybu v dôsledku zrážok s atómami fólie.

Rutherford si však všimol, že žiadny z jeho predchodcov sa ani len nepokúsil experimentálne otestovať, či sú niektoré častice alfa vychýlené pod veľmi veľkými uhlami. Model hrozienkovej mriežky jednoducho neumožňoval existenciu štruktúrnych prvkov v atóme tak hustých a ťažkých, že by mohli vychyľovať rýchle alfa častice pod významnými uhlami, takže sa nikto neobťažoval testovať túto možnosť. Rutherford požiadal jedného zo svojich študentov, aby prevybavil aparatúru tak, aby bolo možné pozorovať rozptyl častíc alfa pod veľkými uhlami vychýlenia – len aby si očistil svedomie, aby túto možnosť úplne vylúčil. Detektor bola obrazovka pokrytá sulfidom sodným, materiálom, ktorý vydáva fluorescenčný záblesk, keď naň zasiahne alfa častica. Aké bolo prekvapenie nielen študenta, ktorý experiment priamo viedol, ale aj samotného Rutherforda, keď sa ukázalo, že niektoré častice sa odchyľujú o uhly až 180°!

Obrázok atómu nakreslený Rutherfordom na základe výsledkov experimentu je nám dnes dobre známy. Atóm pozostáva zo superhustého kompaktného jadra, ktoré nesie kladný náboj, a záporne nabitých svetelných elektrónov okolo neho. Neskôr vedci postavili tento obrázok na solídny teoretický základ (pozri Bohrov atóm), ale všetko začalo jednoduchým experimentom s malou vzorkou rádioaktívneho materiálu a kúskom zlatej fólie.

3.2 Metóda Millikan

3.2.1. Krátka biografia:

Robert Milliken sa narodil v roku 1868 v Illinois v chudobnej rodine kňaza. Detstvo prežil v provinčnom meste Makvoket, kde sa veľa pozornosti venovalo športu a zle sa učilo. Riaditeľ strednej školy, ktorý vyučoval fyziku, napríklad svojim malým študentom povedal: „Ako sa dá urobiť zvuk z vĺn? Kecy, chlapci, všetko sú to kecy!"

Oberdeen College na tom nebola o nič lepšie, no Millikan, ktorý nemal materiálnu podporu, musel fyziku na strednej škole vyučovať sám. V Amerike v tom čase existovali len dve učebnice fyziky preložené z francúzštiny a talentovaný mladík nemal problém ich študovať a úspešne ich učiť. V roku 1893 vstúpil na Kolumbijskú univerzitu, potom odišiel študovať do Nemecka.

Millikan mal 28 rokov, keď dostal od A. Michelsona ponuku prijať miesto asistenta na University of Chicago. Zo začiatku sa tu zaoberal takmer výlučne pedagogickou prácou a až v štyridsiatke začal vedecký výskum, ktorý mu priniesol celosvetovú slávu.

3.2.2. Prvé skúsenosti a riešenie problémov:

Prvé experimenty boli nasledovné. Medzi doskami plochého kondenzátora, na ktorý bolo privedené napätie 4000 V, sa vytvoril oblak pozostávajúci z kvapiek vody, ktoré sa usadzovali na iónoch. Najprv bol pozorovaný pád vrchnej časti oblaku v neprítomnosti elektrického poľa. Potom sa vytvoril oblak so zapnutým napätím. Pád oblaku nastal pôsobením gravitácie a elektrickej sily.
Pomer sily pôsobiacej na kvapku v oblaku k rýchlosti, ktorú nadobudne, je v prvom a druhom prípade rovnaký. V prvom prípade sa sila rovná mg, v druhom mg + qE, kde q je náboj kvapky, E je intenzita elektrického poľa. Ak je rýchlosť v prvom prípade υ 1 v druhom υ 2, potom

Keď poznáme závislosť rýchlosti pádu oblaku υ od viskozity vzduchu, môžeme vypočítať požadovaný náboj q. Táto metóda však neposkytla požadovanú presnosť, pretože obsahovala hypotetické predpoklady, ktoré boli mimo kontroly experimentátora.

Pre zvýšenie presnosti merania bolo potrebné v prvom rade nájsť spôsob, ako zohľadniť vyparovanie mrakov, ku ktorému v procese merania nevyhnutne dochádzalo.

V úvahe o tomto probléme prišiel Millikan s klasickou drop metódou, ktorá otvorila množstvo nečakaných možností. Nechajme autora, aby porozprával príbeh vynálezu:
„Uvedomil som si, že rýchlosť vyparovania kvapiek zostáva neznáma, pokúsil som sa vymyslieť metódu, ktorá by túto neurčitú hodnotu úplne eliminovala. Môj plán bol nasledovný. V predchádzajúcich experimentoch mohlo elektrické pole len mierne zvýšiť alebo znížiť rýchlosť pádu vrcholu oblaku pod vplyvom gravitácie. Teraz som chcel toto pole posilniť, aby horná plocha oblaku zostala v konštantnej výške. V tomto prípade bolo možné presne určiť rýchlosť odparovania oblaku a zohľadniť ju vo výpočtoch.

Na realizáciu tejto myšlienky navrhol Milliken malú dobíjaciu batériu, ktorá poskytovala napätie až 10 4 V (v tom čase to bol vynikajúci úspech experimentátora). Musela vytvoriť pole dostatočne silné na to, aby udržalo oblak, ako je „rakva Mohameda“, v pozastavenom stave. "Keď som bol pripravený," hovorí Milliken, a keď sa vytvoril oblak, otočil som vypínač a oblak bol v elektrickom poli. A v tej chvíli sa mi roztopil pred očami, inými slovami, z celého oblaku nezostal ani kúsok, ktorý by sa dal pozorovať pomocou kontrolného optického zariadenia, ako to robil Wilson a chystal som sa to urobiť ja. Najprv sa mi zdalo, že zmiznutie mraku bez stopy v elektrickom poli medzi hornou a dolnou platňou znamenalo, že experiment skončil bez výsledkov ... “Avšak, ako sa často stávalo v histórii vedy, zlyhanie spôsobilo k novej myšlienke. Viedla k slávnej metóde kvapiek. „Opakované experimenty,“ píše Milliken, „ukázali, že po tom, čo sa oblak rozptýlil v silnom elektrickom poli na svojom mieste bolo možné rozlíšiť niekoľko jednotlivých kvapiek vody“(zdôraznil som. - V.D.). „Nešťastná“ skúsenosť viedla k objaveniu možnosti udržať sa v rovnováhe a pozorovať jednotlivé kvapôčky dostatočne dlhý čas.

Ale počas obdobia pozorovania sa hmotnosť kvapky vody výrazne zmenila v dôsledku odparovania a Millikan po mnohých dňoch hľadania prešiel na experimenty s kvapkami oleja.

Experimentálny postup sa ukázal byť jednoduchý. Adiabatická expanzia medzi doskami kondenzátora vytvára oblak. Pozostáva z kvapiek s nábojmi rôzneho modulu a znamienka. Keď je elektrické pole zapnuté, kvapky s rovnakými nábojmi ako je náboj hornej dosky kondenzátora rýchlo klesajú a kvapky s opačným nábojom sú priťahované hornou doskou. Ale určitý počet kvapiek má taký náboj, že sila gravitácie je vyvážená elektrickou silou.

Po 7 alebo 8 min. oblak sa rozplynie a v zornom poli zostáva malý počet kvapiek, ktorých náboj zodpovedá naznačenému pomeru síl.

Millikan pozoroval tieto kvapky ako zreteľné svetlé bodky. „História týchto kvapiek zvyčajne prebieha nasledovne,“ píše: „V prípade miernej prevahy gravitácie nad silou poľa začnú pomaly klesať, ale keďže sa postupne vyparujú, ich pohyb nadol sa čoskoro zastaví. a znehybnia sa na pomerne dlhú dobu. Potom začne pole dominovať a kvapky začnú pomaly stúpať. Ku koncu ich životnosti v priestore medzi doskami sa tento pohyb nahor veľmi zrýchli a sú veľkou rýchlosťou priťahované k hornej doske.

3.2.3. Popis inštalácie:

Schéma inštalácie Millikan, pomocou ktorej sa v roku 1909 dosiahli rozhodujúce výsledky, je znázornená na obrázku 17.

V komore C bol umiestnený plochý kondenzátor vyrobený z okrúhlych mosadzných dosiek M a N s priemerom 22 cm (vzdialenosť medzi nimi bola 1,6 cm). V strede hornej dosky sa urobil malý otvor p, cez ktorý prechádzali kvapky oleja. Posledne menované boli vytvorené fúkaním prúdu oleja pomocou rozprašovača. Vzduch sa predtým čistil od prachu prechodom cez potrubie so sklenou vatou. Kvapky oleja mali priemer asi 10-4 cm.

Z akumulátora B bolo na dosky kondenzátora privedené napätie 10 4 V. Pomocou spínača bolo možné dosky skratovať a tým zničiť elektrické pole.

Kvapky oleja padajúce medzi dosky M a N boli osvetlené silným zdrojom. Správanie kvapiek bolo pozorované kolmo na smer lúčov cez ďalekohľad.

Ióny potrebné na kondenzáciu kvapiek boli vytvorené žiarením z kúska rádia s hmotnosťou 200 mg, umiestneného vo vzdialenosti 3 až 10 cm od strany platní.

Pomocou špeciálneho zariadenia sa plyn rozširoval spúšťaním piestu. Po 1 - 2 s po expanzii sa rádium odstránilo alebo prekrylo oloveným sitom. Potom sa zaplo elektrické pole a začalo sa pozorovanie kvapiek do ďalekohľadu. Fajka mala stupnicu, podľa ktorej bolo možné spočítať dráhu prejdenú kvapkou za určitý čas. Čas fixovali presné hodiny s klietkou.

V procese pozorovaní Millikan objavil jav, ktorý slúžil ako kľúč k celej sérii následných presných meraní jednotlivých elementárnych nábojov.

„Pri práci na zavesených kvapôčkach,“ píše Millikan, „som niekoľkokrát zabudol chrániť ich pred rádiovými lúčmi. Potom som si náhodou všimol, že z času na čas jedna z kvapiek náhle zmenila svoj náboj a začala sa pohybovať po poli alebo proti nemu, pričom zjavne zachytila ​​v prvom prípade kladný ión a v druhom prípade záporný ión. Tým sa otvorila možnosť s istotou merať nielen náboje jednotlivých kvapiek, ako som to robil dovtedy, ale aj náboj jednotlivého atmosférického iónu.

Skutočne, meraním rýchlosti tej istej kvapky dvakrát, raz pred a druhýkrát po zachytení iónu, by som samozrejme mohol úplne vylúčiť vlastnosti kvapky a vlastnosti média a pracovať s hodnotou úmernou iba náboj zachyteného iónu.

3.2.4. Výpočet elementárneho náboja:

Základný náboj vypočítal Millikan na základe nasledujúcich úvah. Rýchlosť kvapky je úmerná sile, ktorá na ňu pôsobí a nezávisí od náboja kvapky.
Ak kvapka spadla medzi dosky kondenzátora pôsobením iba gravitácie rýchlosťou v, potom

Keď je pole namierené proti gravitácii zapnuté, pôsobiaca sila bude rozdiel qE - mg, kde q je náboj kvapky, E je modul intenzity poľa.

Rýchlosť pádu bude:

υ 2 \u003d k (qE-mg) (2)

Ak vydelíme rovnosť (1) (2), dostaneme

Odtiaľ

Nech kvapka zachytí ión a jeho náboj sa rovná q "a rýchlosť pohybu υ 2. Náboj tohto zachyteného iónu označíme e.

Potom e \u003d q "- q.

Pomocou (3) dostaneme

Hodnota je pre daný pokles konštantná.

3.2.5. Závery z Millikanovej metódy

V dôsledku toho bude akýkoľvek náboj zachytený kvapkou úmerný rozdielu v rýchlostiach (υ " 2 - υ 2), inými slovami, úmerný zmene rýchlosti kvapky v dôsledku zachytenia iónu! meranie elementárneho náboja sa zredukovalo na meranie dráhy prejdenej kvapkou a času, počas ktorého táto dráha prešla. Početné pozorovania preukázali platnosť vzorca (4). Ukázalo sa, že hodnota e sa môže meniť iba v skokoch!Vždy sa dodržiavajú náboje e, 2e, 3e, 4e atď.

„V mnohých prípadoch,“ píše Millikan, „pokles bol pozorovaný päť alebo šesť hodín a počas tejto doby zachytil nie osem alebo desať iónov, ale stovky z nich. Celkovo som týmto spôsobom pozoroval zachytenie mnohých tisíc iónov a vo všetkých prípadoch sa zachytený náboj ... buď presne rovnal najmenšiemu zo všetkých zachytených nábojov, alebo sa rovnal malému celočíselnému násobku tohto hodnotu. Toto je priamy a nevyvrátiteľný dôkaz toho, že elektrón nie je „štatistický priemer“, ale že všetky elektrické náboje na iónoch sú buď presne rovnaké ako náboj na elektróne, alebo sú malé celočíselné násobky tohto náboja.

Takže atomizmus, diskrétnosť alebo, moderne povedané, kvantovanie elektrického náboja sa stalo experimentálnym faktom. Teraz bolo dôležité ukázať, že elektrón je takpovediac všadeprítomný. Akýkoľvek elektrický náboj v tele akejkoľvek povahy je súčtom rovnakých elementárnych nábojov.

Millikanova metóda umožnila jednoznačne odpovedať na túto otázku. V prvých experimentoch vznikali náboje ionizáciou molekúl neutrálneho plynu prúdom rádioaktívneho žiarenia. Meral sa náboj iónov zachytených kvapkami.

Keď sa kvapalina rozprašuje rozprašovačom, kvapôčky sú elektrizované v dôsledku trenia. To bolo dobre známe v 19. storočí. Sú tieto náboje rovnako kvantované ako iónové náboje? Millikan kvapôčky po nastriekaní „odváži“ a vykoná merania náboja spôsobom opísaným vyššie. Skúsenosti odhaľujú rovnakú diskrétnosť elektrického náboja.

Kvapky oleja (dielektrikum), glycerínu (polovodič), ortuti (vodič), Millikan dokazuje, že náboje na telesách akejkoľvek fyzikálnej povahy pozostávajú vo všetkých prípadoch bez výnimky z oddelených elementárnych častí prísne konštantnej hodnoty. V roku 1913 Millikan zhrnul výsledky mnohých experimentov a dal nasledujúcu hodnotu pre elementárny náboj: e = 4,774. 10-10 jednotiek účtovať SGSE. Tak vznikla jedna z najdôležitejších konštánt modernej fyziky. Určenie elektrického náboja sa stalo jednoduchým aritmetickým problémom.

3.4 Comptonova zobrazovacia metóda:

Veľkú úlohu pri posilňovaní predstavy o realite elektrónu zohral objav C.T.R. Wilson o vplyve kondenzácie vodnej pary na ióny, čo viedlo k možnosti fotografovania stôp častíc.

Hovorí sa, že A. Compton na prednáške nedokázal presvedčiť skeptického poslucháča o reálnosti existencie mikročastíc. Trval na tom, že uverí, až keď ich uvidí na vlastné oči.
Potom Compton ukázal fotografiu so stopou α-častíc, vedľa ktorej bol odtlačok prsta. "Vieš čo to je?" spýtal sa Compton. "Prst," odpovedal poslucháč. "V tom prípade," slávnostne vyhlásil Compton, "tento svetelný pás je častica."
Fotografie elektrónových stôp svedčili nielen o realite elektrónov. Potvrdili predpoklad o malej veľkosti elektrónov a umožnili porovnať s experimentom výsledky teoretických výpočtov, v ktorých sa objavil polomer elektrónov. Experimenty, ktoré začal Lenard pri štúdiu prenikavej sily katódových lúčov, ukázali, že veľmi rýchle elektróny emitované rádioaktívnymi látkami vytvárajú stopy v plyne vo forme priamych čiar. Dĺžka dráhy je úmerná energii elektrónu. Fotografie stôp vysokoenergetických α-častíc ukazujú, že stopy pozostávajú z veľkého počtu bodov. Každá bodka je kvapka vody, ktorá sa objavuje na ióne, ktorý vzniká v dôsledku zrážky elektrónu s atómom. Keď poznáme veľkosť atómu a ich koncentráciu, môžeme vypočítať počet atómov, ktorými musí alfa častica prejsť v danej vzdialenosti. Jednoduchý výpočet ukazuje, že α-častica musí prejsť asi 300 atómov, kým sa na ceste stretne s jedným z elektrónov, ktoré tvoria obal atómu, a dôjde k ionizácii.

Táto skutočnosť presvedčivo naznačuje, že objem elektrónov je zanedbateľným zlomkom objemu atómu. Dráha elektrónu s nízkou energiou je zakrivená, preto je pomalý elektrón vychyľovaný vnútroatómovým poľom. Na svojej ceste vytvára viac ionizačných udalostí.

Z teórie rozptylu možno získať údaje pre odhad uhlov vychýlenia v závislosti od energie elektrónov. Tieto údaje sú dobre potvrdené analýzou skutočných stôp. Zhoda teórie s experimentom posilnila myšlienku elektrónu ako najmenšej častice hmoty.

Záver:

Meranie elementárneho elektrického náboja otvorilo možnosť presného určenia množstva dôležitých fyzikálnych konštánt.
Poznanie hodnoty e automaticky umožňuje určiť hodnotu základnej konštanty - Avogadrovej konštanty. Pred Millikanovými experimentmi existovali len hrubé odhady Avogadrovej konštanty, ktoré boli dané kinetickou teóriou plynov. Tieto odhady boli založené na výpočtoch priemerného polomeru molekuly vzduchu a pohybovali sa v pomerne širokom rozmedzí od 2 . 1023 až 20. 1023 1/mol.

Predpokladajme, že poznáme náboj Q, ktorý prešiel roztokom elektrolytu a množstvo látky M, ktoré sa usadilo na elektróde. Potom, ak je náboj iónu rovný Ze 0 a jeho hmotnosť je m 0, potom je rovnosť

Ak sa hmotnosť deponovanej látky rovná jednému mólu,

potom Q \u003d F- Faradayova konštanta a F \u003d N 0 e, odkiaľ:

Je zrejmé, že presnosť určenia Avogadrovej konštanty je daná presnosťou, s akou sa meria elektrónový náboj. Prax si vyžadovala zvýšenie presnosti určovania základných konštánt a to bol jeden zo stimulov na pokračovanie v zlepšovaní techniky merania kvanta elektrického náboja. Táto práca, ktorá už má čisto metrologický charakter, trvá dodnes.

Najpresnejšie hodnoty sú momentálne:

e \u003d (4,8029 ± 0,0005) 10 -10. Jednotky účtovať SGSE;

N0 \u003d (6,0230 ± 0,0005) 1023 1 / mol.

Keď poznáme N o, je možné určiť počet molekúl plynu v 1 cm 3, pretože objem zaberaný 1 mólom plynu je známa konštanta.

Znalosť počtu molekúl plynu v 1 cm 3 zase umožnila určiť priemernú kinetickú energiu tepelného pohybu molekuly. Nakoniec, náboj elektrónu možno použiť na určenie Planckovej konštanty a Stefan-Boltzmannovej konštanty v zákone tepelného žiarenia.