تعیین بار الکترون توسط الکترولیز. تعیین بار اولیه توسط الکترولیز

وزارت آموزش و پرورش فدراسیون روسیه

ایالت آمور دانشگاه تربیتی

روشهای تعیین بار الکتریکی بنیادی

تکمیل شده توسط دانش آموز 151 گرم

Venzelev A.A.

بررسی شده توسط: Cheraneva T.G

مقدمه.

1. زمینه کشف الکترون

2. تاریخچه کشف الکترون

3. آزمایشات و روش های کشف الکترون

3.1 تجربه تامسون

3.2 تجربه رادرفورد

3.3 روش میلیکان

3.3.1. بیوگرافی کوتاه

3.3.2. توضیحات نصب

3.3.3. محاسبه بار اولیه

3.3.4. نتیجه گیری از روش

3.4 روش تصویربرداری کامپتون

نتیجه.

مقدمه:

ELECTRON - اولین ذره ابتدایی تا زمان کشف ؛ حامل مواد با کمترین جرم و کمترین بار الکتریکی در طبیعت ؛ بخشی از اتم.

بار الکترون 1.6021892 است. 10 -19 Cl

4.803242. 10 -10 واحد SGSE

جرم الکترون 10.109534 است. 10 -31 کیلوگرم

شارژ ویژه e / m e 1.7588047. 10 11 کلوچه کیلوگرم -1

چرخش الکترون 1/2 است (در واحد ساعت) و دارای دو پیش بینی ± 1/2 است. الکترونها از آمار فرمی-دیراک ، فرمیونها پیروی می کنند. آنها مشمول اصل طرد پائولی هستند.

گشتاور مغناطیسی الکترون برابر است با - 1.00116 متر مکعب ، که در آن m b مگنتون بور است.

الکترون یک ذره پایدار است. طبق داده های تجربی ، طول عمر t\u003e 2 است. 10 22 ساله

در تعاملات قوی شرکت نمی کند ، لپتون. فیزیک مدرن الکترون را به عنوان یک ذره بنیادی در نظر می گیرد که ساختار و اندازه ندارد. اگر دومی غیر صفر باشد ، شعاع الکترون r e است< 10 -18 м

1. زمینه کشف

کشف الکترون نتیجه آزمایشات بی شماری بود. با آغاز قرن XX. وجود الکترون در تعدادی از آزمایش های مستقل ثابت شده است. اما ، علی رغم مواد آزمایشی عظیم جمع آوری شده توسط کل مدارس ملی ، الکترون یک ذره فرضی باقی ماند ، زیرا تجربه هنوز به تعدادی از س fundamentalالات اساسی پاسخ نداده بود. در حقیقت ، "کشف" الکترون بیش از نیم قرن به طول انجامید و در سال 1897 به پایان نرسید. بسیاری از دانشمندان و مخترعین در آن شرکت کردند.

اول از همه ، یک آزمایش وجود نداشت که در آن الکترونهای منفرد شرکت کنند. بار ابتدایی بر اساس اندازه گیری بار میکروسکوپی ، با فرض اعتبار تعدادی از فرضیه ها محاسبه شد.

عدم اطمینان در یک نقطه مهم بود. در ابتدا ، الکترون در نتیجه تفسیر اتمی قوانین الکترولیز ظاهر شد ، سپس در تخلیه گاز کشف شد. مشخص نبود که آیا فیزیک در واقع با همان جسم سر و کار دارد. گروه بزرگی از دانشمندان شكاك طبیعی معتقد بودند كه بار اولیه ، میانگین آماری بارهای با اندازه های بسیار متنوع است. علاوه بر این ، هیچ یک از آزمایشات اندازه گیری بار الکترون مقادیر دقیقاً تکراری را ارائه نداد.
افراد مشکوکی بودند که به طور کلی کشف الکترون را نادیده می گرفتند. دانشگاهیان A.F. یوفه در خاطرات خود درباره استادش V.K. رونتگن نوشت: «تا سال 1906 - 1907. کلمه الکترون نباید در انستیتوی فیزیک دانشگاه مونیخ تلفظ می شد. رونتگن آن را یک فرضیه اثبات نشده دانست که اغلب بدون دلایل کافی و غیر ضروری مورد استفاده قرار می گیرد. "

مسئله جرم الکترون حل نشده است ، ثابت نشده است که هم در هادی ها و هم در دی الکتریک ها ، بارها از الکترون تشکیل شده است. مفهوم "الکترون" تفسیر بدون ابهامی نداشت ، زیرا این آزمایش هنوز ساختار اتم را آشکار نکرده است (مدل سیاره ای رادرفورد در سال 1911 و تئوری بور در سال 1913 ظاهر می شوند).

الکترون هنوز وارد ساختهای نظری نشده است. نظریه الکترون لورنتس دارای چگالی بار مداوم توزیع شده است. در نظریه رسانایی فلزی توسط درود ، این مربوط به بارهای گسسته بود ، اما اینها بارهای خودسرانه ای بودند که ارزش آنها هیچ محدودیتی نداشت.

الکترون هنوز از چارچوب علم "ناب" فراتر نرفته است. بیایید یادآوری کنیم که اولین لوله الکترونیکی فقط در سال 1907 ظاهر شد. برای عبور از ایمان به اعتقاد ، لازم بود قبل از هر چیز الکترون جدا شود و روشی برای اندازه گیری مستقیم و دقیق بار اولیه اختراع شود.

راه حل این مشکل دیری نپایید. در سال 1752 ، ایده اختیاری بودن بار الکتریکی برای اولین بار توسط B. Franklin ابراز شد. تشخیص صحیح اتهامات با استفاده از قوانین الکترولیز کشف شده توسط م. فارادی در سال 1834 به طور تجربی اثبات شد. مقدار عددی بار ابتدایی (کوچکترین بار الکتریکی موجود در طبیعت) از نظر تئوری براساس قوانین الکترولیز با استفاده از عدد آووگادرو محاسبه شد. R. Milliken اندازه گیری آزمایشی مستقیم بار اولیه را در آزمایش های کلاسیک انجام شده در سالهای 1908 - 1916 انجام داد. این آزمایشات همچنین اثبات انکارناپذیری از اتمیسم الکتریسیته ارائه داد. طبق مفاهیم اساسی نظریه الکترونیکی ، بار یک جسم در نتیجه تغییر در تعداد الکترونهای موجود در آن بوجود می آید (یا یونهای مثبت که مقدار بار آن مضربی از بار الکترون است). بنابراین ، بار هر جسمی باید به طور ناگهانی و در بخشی که شامل تعداد صحیح بارهای الکترون است ، تغییر کند. R. Millikan پس از ایجاد ماهیت گسسته تغییر در بار الکتریکی ، توانست با تأیید وجود الکترون ها میزان بار یک الکترون (بار اولیه) را با استفاده از روش قطره های روغن تعیین کند. این روش بر اساس مطالعه حرکت قطرات روغن باردار در یک میدان الکتریکی یکنواخت با قدرت شناخته شده E است.

2. کشف الکترون:

اگر آنچه را که قبل از کشف اولین ذره ابتدایی - الکترون و آنچه با این واقعه برجسته همراه بود ، نادیده بگیریم ، می توان به طور خلاصه گفت: در سال 1897 ، فیزیکدان مشهور انگلیسی THOMSON جوزف جان (1840-1946) بار خاص q / m را اندازه گرفت ذرات پرتوی کاتد - "بدن" ، همانطور که وی آنها را نامید ، با توجه به انحراف پرتوهای کاتد *) در میدان های الکتریکی و مغناطیسی.

وی با مقایسه عدد بدست آمده با بار ویژه یون هیدروژن یک ظرفیتی شناخته شده در آن زمان ، با استدلال غیرمستقیم ، به این نتیجه رسید که جرم این ذرات ، که بعداً "الکترون" نامیده می شوند ، جرم سبک ترین یون هیدروژن بسیار کمتر (بیش از هزار برابر) است.

در همان سال ، 1897 ، وی فرض کرد که الکترون ها هستند قسمتی از اتمها و پرتوهای کاتدی ، اتم یا تشعشع الکترومغناطیسی نیستند ، همانطور که برخی از محققان خواص پرتوها معتقد بودند. تامسون نوشت: "بنابراین ، پرتوهای کاتد حالت جدیدی از ماده را نشان می دهند ، تفاوت چشمگیری با حالت گازی معمول دارد ... ؛ در این حالت جدید ، ماده ماده ای است که همه عناصر از آن ساخته شده اند."

از سال 1897 ، مدل اشعه ای کاتدی به شکل بدنی مورد استقبال عمومی قرار گرفت ، گرچه در مورد ماهیت الکتریسیته ، قضاوت های بسیار متنوعی وجود داشت. بنابراین ، ویچرت فیزیکدان آلمانی معتقد بود که "برق چیزی خیالی است و فقط در افکار وجود دارد" و لرد کلوین فیزیکدان مشهور انگلیسی در همان سال 1897 در مورد برق به عنوان نوعی "مایع پیوسته" نوشت.

ایده تامسون از اجسام پرتوی کاتد به عنوان اجزای اصلی اتم با شور و شوق چندانی روبرو نشد. برخی از همكاران وی تصور كردند كه وی در حال استحاله آنها است وقتی كه او پیشنهاد كرد ذرات پرتوهای كاتد باید به عنوان اجزای احتمالی اتم در نظر گرفته شوند. نقش واقعی اجسام تامسون در ساختار اتم را می توان در ترکیب با نتایج سایر مطالعات ، به ویژه با نتایج تجزیه و تحلیل طیف ها و مطالعه رادیواکتیویته ، درک کرد.

در 29 آوریل 1897 ، تامسون پیام معروف خود را در جلسه انجمن سلطنتی لندن ارائه داد. با توجه به اصالت آن نمی توان زمان دقیق کشف الکترون - روز و ساعت را نام برد. این رویداد حاصل سالها کار تامسون و همکارانش بود. نه تامسون و نه هیچ کس هرگز الکترون را به معنای واقعی مشاهده نکردند ، هیچ کس نتوانست ذره ای را از پرتوی کاتد جدا کرده و بار ویژه آن را اندازه گیری کند. نویسنده کشف جی جی تامسون است زیرا عقاید وی در مورد الکترون به عقاید مدرن نزدیک بود. در سال 1903 او یکی از اولین مدل های اتم - "پودینگ کشمش" را پیشنهاد داد ، و در سال 1904 پیشنهاد کرد که الکترونهای یک اتم به گروه ها تقسیم می شوند و پیکربندی های مختلفی را ایجاد می کنند که تناوب عناصر شیمیایی را تعیین می کند.

محل کشف دقیقاً مشخص است - آزمایشگاه کاوندیش (کمبریج ، انگلستان). در سال 1870 توسط J.C. Maxwell ایجاد شد و طی صد سال آینده به "مهد" کل زنجیره ای از کشف های درخشان در زمینه های مختلف فیزیک ، به ویژه در هسته و هسته ای تبدیل شد. مدیران آن: Maxwell J.K. - از 1871 تا 1879 ، لرد ریلی - از 1879 تا 1884 ، تامسون J.J. - از 1884 تا 1919 ، رادرفورد E. - از 1919 تا 1937 ، Bragg L. - از 1938 تا 1953 ؛ معاون مدیر در 1923-1935 - چادویک ج.

تحقیقات تجربی علمی توسط یک دانشمند یا گروه کوچکی در فضای تحقیقات خلاقانه انجام شده است. لورنس براگ بعداً کار خود را در سال 1913 با پدرش هنری براگ به یاد آورد: آغاز جنگ *) ، که به کار مشترک ما پایان داد. "

3. روشهای باز کردن الکترون:

3.1 تجربه تامسون

جوزف جان تامسون جوزف جان تامسون ، 1856-1940

فیزیکدان انگلیسی ، که به سادگی با نام J.J. Thomson شناخته می شود. متولد چیتم هیل ، حومه منچستر ، فرزند کتابفروشی و عتیقه فروشی های دست دوم است. در سال 1876 برای تحصیل در کمبریج بورسیه تحصیل کرد. وی در سالهای 1884-1919 استاد گروه فیزیک تجربی دانشگاه کمبریج و همزمان رئیس آزمایشگاه کاوندیش بود که با تلاش تامسون به یکی از مشهورترین مراکز تحقیقاتی در جهان تبدیل شد. در همان زمان در 1905-1918 وی استاد انستیتوی سلطنتی لندن بود. برنده جایزه نوبل فیزیک در سال 1906 با فرمول "برای مطالعه عبور الکتریسیته از طریق گازها" ، که البته شامل کشف الکترون است. پسر تامسون جورج پاگت تامسون (1892-1975) نیز سرانجام برنده جایزه نوبل فیزیک شد - در سال 1937 برای کشف آزمایشی پراش الکترون توسط بلورها.

یادداشت روشمند... دانش آموزان دوره شیمی و بخش مربوط به برنامه کلاس 7 از قبل در مورد الکترون اطلاعات دارند. اکنون لازم است درک اولین ذره اولیه ماده را تعمیق بخشید ، آنچه را که مطالعه شده است به یاد بیاورید ، آن را با موضوع اول بخش "الکترواستاتیک" پیوند دهید و به سطح بالاتری از تفسیر بار ابتدایی بروید. باید در نظر داشت پیچیدگی مفهوم بار الکتریکی. گشت و گذار پیشنهادی می تواند به کشف این مفهوم کمک کرده و به اصل موضوع برسد.

الکترون تاریخچه پیچیده ای دارد. برای رسیدن به هدف در کوتاهترین راه ، توصیه می شود داستان را به شرح زیر هدایت کنید.

افراد مشکوکی بودند که به طور کلی کشف الکترون را نادیده می گرفتند. آکادمیست AF Ioffe ، در خاطرات خود در مورد استادش VK Roentgen ، نوشت: "تا 1907-1907 ، کلمه الکترون نباید در انستیتوی فیزیک دانشگاه مونیخ تلفظ می شد. رونتگن آن را یک فرضیه اثبات نشده دانست که اغلب بدون دلیل کافی و بدون استفاده می شود نیاز دارد".

الکترون هنوز از چارچوب علم "ناب" فراتر نرفته است. بیایید یادآوری کنیم که اولین لوله الکترونیکی فقط در سال 1907 ظاهر شد.

برای انتقال از ایمان به اعتقاد ، اول از همه لازم بود که الکترون را منزوی کرد ، یک روش برای اندازه گیری مستقیم و دقیق بار اولیه اختراع شد.

این مشکل توسط فیزیکدان آمریکایی رابرت میلیکان (1953-1868) در یک سری آزمایش های ظریف که از سال 1906 آغاز شد ، حل شد.

رابرت ملیکان در سال 1868 در ایلینوی در خانواده ای فقیر کشیشی به دنیا آمد. او كودكی خود را در شهر ماكوكت در استان گذراند ، جایی كه توجه زیادی به ورزش داده می شد و به تدریس ضعیف بود. یک مدیر دبیرستان که فیزیک تدریس می کرد ، به عنوان مثال ، برای شنوندگان جوان خود گفت: "چگونه می توانید از امواج صدا ایجاد کنید؟ مزخرفات ، پسران ، همه اینها مزخرف است!"

کالج اوبردین وضعیت بهتری نداشت ، اما ملیکان که هیچ حمایت مالی نداشت ، مجبور شد خودش در دبیرستان به تدریس فیزیک بپردازد. در آن زمان در آمریكا فقط دو كتاب درسی بود كه از زبان فرانسه ترجمه شده بود و این جوان با استعداد در مطالعه آنها و انجام موفقیت آمیز كلاس ها مشكلی نداشت. در سال 1893 وارد دانشگاه کلمبیا شد و سپس برای ادامه تحصیل به آلمان رفت.

میلیکان 28 ساله بود که از طرف A. Michelson پیشنهادی برای دستیاری در دانشگاه شیکاگو دریافت کرد. در آغاز ، او در اینجا تقریباً منحصراً به کارهای آموزشی مشغول بود و فقط در چهل سالگی تحقیقات علمی را آغاز کرد که شهرت جهانی برای او به ارمغان آورد.

نسبت نیرویی که بر روی یک ابر ابر تأثیر می گذارد به سرعت بدست آمده در حالت اول و دوم یکسان است. در حالت اول ، نیرو میلی گرم است ، در میلی گرم دوم + qE ، جایی که q بار قطره است ، E قدرت میدان الکتریکی است. اگر سرعت در حالت اول برابر با v 1 در v 2 دوم باشد ، پس

با دانستن وابستگی سرعت سقوط ابر به ویسکوزیته هوا ، می توان شارژ مورد نیاز q را محاسبه کرد. با این حال ، این روش دقت مطلوبی را نشان نداد ، زیرا حاوی فرضیاتی فرضی بود که از عهده آزمایشگر خارج بودند.

به منظور افزایش دقت اندازه گیری ها ، قبل از هر چیز یافتن راهی برای در نظر گرفتن تبخیر ابر ، که به طور حتم در هنگام اندازه گیری رخ داده بود ، لازم بود.

با تأمل در این مسئله ، ملیکان با روش افت کلاسیک روبرو شد که تعدادی از امکانات غیر منتظره را پیش روی شما قرار داد. ما داستان اختراع را به خود نویسنده واگذار خواهیم کرد:

"متوجه شدم که میزان تبخیر قطرات ناشناخته مانده است ، سعی کردم روشی را بیابم که این مقدار نامشخص را کاملاً از بین ببرد. برنامه من به شرح زیر بود. در آزمایشات قبلی ، میدان الکتریکی فقط می توانست سرعت سقوط بالای ابر را تحت تأثیر جاذبه زمین کمی افزایش یا کاهش دهد. من می خواستم آن میدان را تقویت کنم تا سطح بالایی ابر در ارتفاع ثابت باقی بماند. در این حالت امکان تعیین دقیق میزان تبخیر ابر و در نظر گرفتن آن در محاسبات وجود داشت. " برای اجرای این ایده ، میلیکان یک باتری قابل شارژ با ابعاد کوچک طراحی کرد که ولتاژ آن تا 104 ولت بود (برای آن زمان این موفقیت برجسته آزمایشگر بود). او مجبور بود زمینه ای به اندازه کافی قوی ایجاد کند که بتواند ابر را مانند "تابوت محمد" در حالت تعلیق نگه دارد.

ملیکان می گوید: "وقتی همه چیز را آماده کردم ، و هنگامی که ابر تشکیل شد ، من کلید را روشن کردم ، و ابر در میدان الکتریکی بود. و در آن لحظه قبل از چشم من ذوب شد ، به عبارت دیگر ، حتی یک قطعه کوچک از کل ابر باقی نماند ، همانطور که ویلسون و من قصد انجام آن را داشتم ، می توان با استفاده از یک دستگاه نوری کنترل مشاهده کرد. همانطور که در ابتدا به نظر می رسید ، ناپدید شدن ابر بدون هیچ اثری در میدان الکتریکی بین صفحات بالا و پایین به معنای پایان بی فایده آزمایش بود ... "

با این حال ، همانطور که در تاریخ علم اغلب اتفاق افتاده است ، شکست باعث پیدایش شد ایده ی جدید... او منجر به روش معروف قطره شد. ملیکان می نویسد: "آزمایش های تکراری" نشان داد که پس از پراکنده شدن ابر در یک میدان الکتریکی قدرتمند ، در جای خود می توان چندین قطره آب جداگانه را تشخیص داد (با تأکید من - V.D.).

آزمایش "ناموفق" منجر به کشف امکان حفظ تعادل و مشاهده قطرات جداگانه برای مدت زمان کافی شد.

اما در طی دوره مشاهده ، جرم قطره آب در نتیجه تبخیر به طور قابل توجهی تغییر کرد و میلیکان پس از روزها جستجو ، به آزمایش با قطرات روغن روی آورد.

روش آزمایشی ساده انجام شد. ابر با انبساط آدیاباتیک بین صفحات کندانسور تشکیل می شود. از قطره هایی با بار و بزرگی و علامت متفاوت تشکیل شده است. هنگامی که میدان الکتریکی روشن می شود ، قطره هایی با بارهایی به همان نام شارژ صفحه فوقانی خازن به سرعت سقوط می کنند و قطره هایی با بار مخالف توسط صفحه بالایی جذب می شوند. اما تعداد مشخصی از قطره ها چنان بار دارند که نیروی جاذبه توسط نیروی الکتریکی متعادل می شود.

پس از 7 یا 8 دقیقه ، ابر پراکنده می شود و تعداد کمی قطره در میدان دید باقی می ماند که شارژ آن با تعادل نیروها مطابقت دارد.

میلیکان این قطرات را به عنوان نقاط روشن متمایز مشاهده کرد. وی می نویسد: "تاریخچه این قطره ها معمولاً به این ترتیب پیش می رود." در صورت غلبه اندك جاذبه بر نیروی میدان ، آنها به آرامی شروع به ریزش می كنند ، اما از آنجا كه به تدریج تبخیر می شوند ، حركت رو به پایین آنها خیلی زود متوقف می شود و برای مدت طولانی بی حرکت می شوند سپس مزرعه شروع به غلبه می کند و قطره ها به آرامی شروع به افزایش می کنند. در پایان عمر آنها در فضای بین صفحات ، این حرکت رو به بالا بسیار شدید تسریع می شود و آنها با سرعت زیاد به صفحه بالایی جذب می شوند. "

نمودار دستگاه میلیکان ، که با کمک آن نتایج تعیین کننده ای در سال 1909 بدست آمد ، در شکل 17 نشان داده شده است.

اتاق C شامل یک خازن تخت ساخته شده از صفحات گرد برنجی به قطر M و N 22 سانتی متر بود (فاصله بین آنها 1.6 سانتی متر بود). یک سوراخ کوچک p در مرکز صفحه بالایی ایجاد شد که قطرات روغن از آن عبور می کردند. دومی با دمیدن در یک جت روغن با استفاده از اسپری تشکیل شد. در این حالت ، هوا با عبور از یک لوله با پشم شیشه ، مقدماتاً از گرد و غبار پاک می شود. قطر قطرات قطره های روغن حدود 10-4 سانتی متر بود.

ولتاژ 104 ولت از باتری ذخیره سازی B به صفحات خازن تأمین می شود و با استفاده از یک سوئیچ می توان صفحات را با اتصال کوتاه و در نتیجه از بین بردن میدان الکتریکی.

قطرات روغن که بین صفحات M و N می افتند توسط یک منبع قوی روشن می شوند. رفتار قطره ها عمود بر جهت اشعه از طریق تلسکوپ مشاهده شد.

یونهای مورد نیاز برای چگالش قطرات در اثر تابش قطعه ای از رادیوم 200 میلی گرم در جرم واقع در فاصله 3 تا 10 سانتی متر از کناره صفحات ایجاد می شوند.

با کمک یک دستگاه خاص ، گاز با پایین آوردن پیستون منبسط شد. در 1-2 ثانیه پس از انبساط ، رادیوم با یک محافظ سربی برداشته یا پنهان شد. سپس میدان الکتریکی روشن شد و مشاهده قطره ها به داخل تلسکوپ آغاز شد.

لوله دارای مقیاسی بود که به وسیله آن می توان مسافت پیموده شده را برای مدت زمان مشخصی شمرد. زمان توسط یک ساعت دقیق قفل شده ثبت شده است.

در طی مشاهدات ، ملیکان پدیده ای را کشف کرد که به عنوان کلیدی در کل مجموعه اندازه گیری های دقیق بعدی بارهای اولیه منفرد بود.

میلیکان می نویسد: "هنگام کار بر روی قطرات معلق ،" فراموش کردم چندین بار آنها را از اشعه رادیوم مسدود کنم. سپس به طور اتفاقی متوجه شدم که هر از گاهی یکی از قطرات به طور ناگهانی بار خود را تغییر می دهد و شروع به حرکت در امتداد مزرعه یا در برابر آن می کند ، در حالت اول یون مثبت و در حالت دوم یون منفی بود. این امکان اندازه گیری با اطمینان را فراهم می کند ، نه تنها بارهای قطره های فردی ، همانطور که تا آن زمان انجام داده بودم ، بلکه همچنین یک یون اتمسفر فردی نیز اندازه گیری می شد.

در واقع ، با اندازه گیری سرعت همان قطره دو بار ، یک بار قبل و بار دوم پس از گرفتن یون ، بدیهی است که می توانم خصوصیات قطره و خصوصیات محیط را کاملاً کنار بگذارم و با مقداری متناسب فقط با بار یون گرفته شده کار کنم. "

شارژ اولیه توسط Millikan بر اساس ملاحظات زیر محاسبه شد. سرعت افت متناسب با نیرویی است که به آن وارد می شود و به بار قطره بستگی ندارد.

اگر یک قطره تحت عمل گرانش فقط با سرعت v 1 بین صفحات خازن افتاد ، پس

هنگامی که یک میدان معکوس در برابر نیروی جاذبه روشن شود ، نیروی عمل تفاوت qE \u003d میلی گرم است ، جایی که q بار قطره است ، E مدول قدرت میدان است.

نرخ افت برابر خواهد بود با:

v 2 \u003d k (qE - میلی گرم) (2)

اگر برابری (1) را بر (2) تقسیم کنیم ، بدست می آوریم

بگذارید قطره یک یون را گرفته و بار آن برابر با q و سرعت حرکت v 2 شود. بار این یون به دام افتاده با e نشان داده می شود سپس e \u003d q ′ - q.

با استفاده از (3) ، ما بدست می آوریم

مقدار ثابت برای یک قطره مشخص است.

در نتیجه ، هر بار گرفته شده توسط قطره متناسب با اختلاف سرعت (v ′ 2 -v 2) خواهد بود ، به عبارت دیگر ، متناسب با تغییر در سرعت قطره به دلیل گرفتن یون خواهد بود!

بنابراین ، اندازه گیری بار ابتدایی به اندازه گیری مسافت طی شده توسط قطره و مدت زمانی که این فاصله طی شد ، کاهش یافت.

مشاهدات متعدد صحت فرمول (4) را نشان داده است. معلوم شد که مقدار e فقط می تواند در جهش تغییر کند! شارژهای e ، 2e ، 3e ، 4e و غیره همیشه رعایت می شوند.

میلیکان می نویسد: "در بسیاری از موارد ، این افت برای پنج یا شش ساعت مشاهده شد و در این مدت نه هشت یا ده یون بلکه صدها مورد از آنها را گرفت. در مجموع ، من برداشت هزاران یون را از این طریق و به طور کلی مشاهده کردم در بعضی موارد ، شارژ گرفته شده ... دقیقاً برابر با کمترین بارهای گرفته شده بود ، یا برابر با یک عدد صحیح کوچک از این مقدار بود. این اثبات مستقیم و غیر قابل انکار است که الکترون "میانگین آماری" نیست ، اما تمام بارهای الکتریکی روشن یونها یا دقیقاً برابر با بار الکترون هستند ، یا مضرب عدد صحیح کوچکی از این بار هستند. "

بنابراین ، اتمیسم ، اختیار ، یا ، صحبت کردن زبان مدرن، کمی سازی بار الکتریکی به یک واقعیت تجربی تبدیل شده است. اکنون مهم بود که نشان دهیم الکترون ، به اصطلاح ، در همه جا حضور دارد. هر بار الکتریکی در جسمی از هر طبیعت ، جمع همان بارهای اولیه است.

روش میلیکان امکان پاسخ بی چون و چرای این س possibleال را فراهم کرد.

در اولین آزمایش ها ، بارهای حاصل از یونیزاسیون مولکول های گاز خنثی با جریان تابش رادیواکتیو ایجاد شد. بار یونهای گرفته شده توسط قطرات اندازه گیری شد.

وقتی مایع با بطری اسپری پاشیده می شود ، قطرات به دلیل اصطکاک برق می گیرند. این امر در قرن نوزدهم به خوبی شناخته شده بود. آیا این بارها به اندازه بارهای یون ها کوانتیزه می شوند؟

میلیکان پس از سمپاشی قطرات را "وزن" کرده و بارهای ذکر شده را در بالا اندازه گیری می کند. تجربه همان تشخیص بار الکتریکی را نشان می دهد.

میلیکان با پاشیدن قطرات روغن (دی الکتریک) ، گلیسیرین (نیمه رسانا) ، جیوه (رسانا) ثابت می کند که اتهامات بر روی اجسام از هر نوع طبیعت ، در همه موارد ، بدون استثنا ، از قسمتهای اولیه با ارزش کاملاً ثابت تشکیل شده است.

در سال 1913 ، Milliken نتایج آزمایشات متعدد را خلاصه کرد و برای یک بار اولیه مقدار زیر را داد: e \u003d 4.774 · 10 -10 واحد. شارژ CGSE.

به این ترتیب یکی از مهمترین ثابتهای فیزیک مدرن تاسیس شد. تعیین بار الکتریکی به یک مسئله حسابی ساده تبدیل شده است.

تجسم الکترون... با تأثیر G.M. Wilson در مورد اثر تراکم بخار آب بر روی یون ها ، که منجر به امکان عکسبرداری از رد ذرات شد ، نقش بزرگی در تقویت ایده واقعیت الکترون داشت.

آنها می گویند که A. کامپتون در این سخنرانی نمی تواند شنونده بدبین را در واقعیت وجود ریز ذرات متقاعد کند. او اصرار داشت که فقط وقتی آنها را با چشم خود ببیند باور خواهد کرد.

سپس کامپتون عکس را با آهنگ ذره آلفا نشان داد که در کنار آن اثر انگشت وجود داشت. "آیا میدانید این چیست؟" کامپتون پرسید. شنونده پاسخ داد: "انگشت". کامپتون با شکوه اعلام کرد: "در این صورت ، این نوار نور ذره است."

عکس از مسیرهای الکترون نه تنها گواه واقعیت الکترون ها است. آنها این فرض را در مورد اندازه کوچک الکترونها تأیید کرده و مقایسه نتایج محاسبات نظری را که در آنها شعاع الکترون ظاهر می شود ، با آزمایش امکان پذیر می سازند. این آزمایشات که توسط لنارد در مطالعه توانایی نفوذ پرتوهای کاتدی آغاز شده است ، نشان داد که الکترونهای بسیار سریعی که از طریق مواد رادیواکتیو ساطع می شوند ، ردهای گاز را به صورت خطوط مستقیم ایجاد می کنند. طول مسیر متناسب با انرژی الکترون است. عکس های آهنگ های ذره آلفا با انرژی بالا نشان می دهد که آهنگ ها از تعداد زیادی نقطه تشکیل شده اند. هر نقطه یک قطره آب است که روی یونی ظاهر می شود ، که در نتیجه برخورد الکترون با یک اتم تشکیل می شود. با دانستن اندازه اتم و غلظت آنها ، می توان تعداد اتمهایی را که از طریق آنها ذره α باید در یک فاصله معین عبور کند محاسبه کنیم. یک محاسبه ساده نشان می دهد که یک ذره α باید قبل از اینکه با یکی از الکترونهایی که پوسته اتمی را در مسیر خود تشکیل می دهد و یونیزه می شود ، حدود 300 اتم حرکت کند.

این واقعیت به طور متقاعد کننده ای نشان می دهد که حجم الکترون ها کسری ناچیز از حجم یک اتم است. مسیر یک الکترون کم انرژی منحنی است ؛ بنابراین ، یک الکترون آهسته توسط میدان درون اتمی منحرف می شود. در راه خود اقدامات یونیزاسیون بیشتری ایجاد می کند.

از تئوری پراکندگی می توان داده هایی را برای تخمین زاویه انحراف به عنوان تابعی از انرژی الکترون بدست آورد. این داده ها با تجزیه و تحلیل مسیرهای واقعی به خوبی تأیید می شوند. همزمانی نظریه با آزمایش ، ایده الکترون به عنوان کوچکترین ذره ماده را تقویت کرده است.

اندازه گیری بار الکتریکی ابتدایی امکان تعیین دقیق تعدادی از مهمترین ثابتهای فیزیکی را فراهم کرد.

دانستن مقدار e به طور خودکار تعیین مقدار ثابت اساسی - ثابت Avogadro را ممکن می کند. قبل از آزمایشهای میلیکان ، تقریباً تخمینهای از ثابت اووگادرو وجود داشت که توسط نظریه جنبشی گازها ارائه شده بود. این تخمین ها بر اساس محاسبات شعاع متوسط \u200b\u200bیک مولکول هوا بود و در یک دامنه نسبتاً گسترده از 2 · 10 23 تا 20 · 10 23 1 / mol متفاوت بود.

بگذارید فرض کنیم بار Q که از محلول الکترولیت عبور کرده است و مقدار ماده M رسوب یافته بر روی الکترود را می دانیم. اگر بار یونی Ze 0 باشد و جرم آن m 0 باشد ، برابر است

اگر جرم ماده رسوب شده برابر با یک مول باشد ، در این صورت Q \u003d F ثابت فارادی است و F \u003d N 0 e ، از آنجا N 0 \u003d F / e. بدیهی است که دقت تعیین ثابت Avogadro با توجه به صحت اندازه گیری بار الکترون داده می شود.

تمرین به افزایش دقت تعیین ثابتهای اساسی نیاز داشت و این یکی از مشوقهای ادامه بهبود روش اندازه گیری کوانتوم بار الکتریکی بود. این اثر که از قبل کاملاً ماهیت سنجی دارد ، تا امروز ادامه دارد.

دقیق ترین مقادیر در حال حاضر:

e \u003d (0.0005 80 8080/4) 10 -10 واحد. شارژ CGSE؛

N 0 \u003d (0.0005 6 6.0230) 10 23 1 در مول.

با دانستن N 0 ، می توان تعداد مولکول های گاز را در 1 سانتی متر 3 تعیین کرد ، زیرا حجم اشغال شده توسط 1 مول گاز یک ثابت شناخته شده است.

دانش در مورد تعداد مولکول های گاز در 1 سانتی متر مکعب ، امکان تعیین میانگین انرژی جنبشی حرکت حرارتی یک مولکول را فراهم کرد.

سرانجام ، می توان از بار الکترون برای تعیین ثابت پلانک و ثابت استفان-بولتزمن در قانون تابش گرمایی استفاده کرد.

وزارت آموزش و پرورش فدراسیون روسیه

دانشگاه آموزشی دولتی آمور

روشهای تعیین بار الکتریکی بنیادی

تکمیل شده توسط دانش آموز 151 گرم

Venzelev A.A.

بررسی شده توسط: Cheraneva T.G

مقدمه.

1. زمینه کشف الکترون

2. تاریخچه کشف الکترون

3. آزمایشات و روش های کشف الکترون

3.1 تجربه تامسون

3.2 تجربه رادرفورد

3.3 روش میلیکان

3.3.1. بیوگرافی کوتاه

3.3.2. توضیحات نصب

3.3.3. محاسبه بار اولیه

3.3.4. نتیجه گیری از روش

3.4 روش تصویربرداری کامپتون

نتیجه.

مقدمه:

ELECTRON - اولین ذره ابتدایی تا زمان کشف ؛ حامل مواد با کمترین جرم و کمترین بار الکتریکی در طبیعت ؛ بخشی از اتم.

بار الکترون 1.6021892 است. 10 -19 Cl

4.803242. 10 -10 واحد SGSE

جرم الکترون 10.109534 است. 10 -31 کیلوگرم

شارژ ویژه e / m e 1.7588047. 10 11 کلوچه کیلوگرم -1

گشتاور مغناطیسی الکترون برابر است با - 1.00116 متر مکعب ، که در آن m b مگنتون بور است.

الکترون یک ذره پایدار است. طبق داده های تجربی ، طول عمر t\u003e 2 است. 10 22 ساله

در تعاملات قوی شرکت نمی کند ، لپتون. فیزیک مدرن الکترون را به عنوان یک ذره ابتدایی در نظر می گیرد که ساختار و اندازه ندارد. اگر دومی غیر صفر باشد ، شعاع الکترون r e< 10 -18 м

1. زمینه کشف

راه حل این مشکل دیری نپایید. برای اولین بار در سال 1752 ایده مجزا بودن بار الکتریکی توسط B. Franklin ابراز شد. صلاحیت اتهامات به طور تجربی توسط قوانین الکترولیز کشف شده توسط م. فارادی در سال 1834 اثبات شد. مقدار عددی یک بار ابتدایی (کوچکترین بار الکتریکی موجود در طبیعت) از لحاظ نظری بر اساس قوانین الکترولیز با استفاده از تعداد آووگادرو محاسبه شد. R. Milliken اندازه گیری آزمایشی مستقیم بار اولیه را در آزمایش های کلاسیک انجام شده در سالهای 1908 - 1916 انجام داد. این آزمایشات همچنین اثبات انکارناپذیری از اتمیسم الکتریسیته ارائه داد. طبق مفاهیم اساسی نظریه الکترونیکی ، بار هر جسمی در نتیجه تغییر در تعداد الکترونهای موجود در آن بوجود می آید (یا یونهای مثبت که مقدار بار آن مضربی از بار الکترون است). بنابراین ، بار هر جسمی باید به طور ناگهانی و در بخشی که شامل تعداد صحیح بارهای الکترون است ، تغییر کند. R. Millikan پس از ایجاد ماهیت گسسته تغییر در بار الکتریکی ، به طور آزمایشی توانست تأیید وجود الکترون ها را بدست آورد و با استفاده از روش قطره های روغن ، میزان بار یک الکترون (بار اولیه) را تعیین کند. این روش بر اساس مطالعه حرکت قطرات روغن باردار در یک میدان الکتریکی یکنواخت با قدرت شناخته شده E استوار است.

2. کشف الکترون:

اگر آنچه را که قبل از کشف اولین ذره ابتدایی - الکترون و آنچه همراه این واقعه برجسته بود ، نادیده بگیریم ، می توان به طور خلاصه گفت: در سال 1897 ، فیزیکدان مشهور انگلیسی ، THAMSON ، جوزف جان (1840-1946) بار خاص q / m را اندازه گرفت ذرات پرتوی کاتد - "بدن" ، همانطور که وی آنها را نامید ، با توجه به انحراف پرتوهای کاتد *) در میدان های الکتریکی و مغناطیسی.

در همان سال ، 1897 ، وی فرض کرد که الکترون ها بخشی جدایی ناپذیر از اتم ها هستند و پرتوهای کاتدی اتم نیستند یا تابش الکترومغناطیسی نیستند ، همانطور که برخی از محققان خواص پرتوها معتقدند. تامسون نوشت: "بنابراین ، پرتوهای کاتد حالت جدیدی از ماده را نشان می دهند ، تفاوت قابل توجهی با حالت گازی معمول دارد ... ؛ در این حالت جدید ، ماده ماده ای است که همه عناصر از آن ساخته شده اند."

تحقیقات تجربی علمی توسط یک دانشمند یا گروه کوچکی در فضای تحقیقات خلاقانه انجام شده است. لورنس براگ بعداً کار خود را در سال 1913 با پدرش هنری براگ به یاد آورد: «زمان بسیار جالبی بود که تقریباً هر هفته نتایج جالب جدیدی دریافت می شد ، مانند کشف مناطق جدیدی که دارای طلا هستند و می توان قطعات را از زمین برداشت. آغاز جنگ *) ، که به کار مشترک ما پایان داد. "

3. روشهای باز کردن الکترون:

3.1 تجربه تامسون

جوزف جان تامسون جوزف جان تامسون ، 1856-1940

در سال 1897 ، فیزیکدان جوان انگلیسی جی جی تامسون برای قرن ها به عنوان کاشف الکترون مشهور شد. در آزمایش خود ، تامسون از یک لوله اشعه کاتد بهبود یافته استفاده کرد ، طراحی آن با سیم پیچ های الکتریکی تکمیل شد (طبق قانون آمپر) یک میدان مغناطیسی در داخل لوله ایجاد کرد ، و مجموعه ای از صفحات خازن برقی موازی که یک میدان الکتریکی در داخل لوله ایجاد کرد. این امر امکان مطالعه رفتار پرتوهای کاتدی را تحت تأثیر هر دو میدان مغناطیسی و الکتریکی فراهم کرد.

با استفاده از لوله طراحی جدیدتامسون به طور مداوم نشان داده است كه: (1) پرتوهای كاتد در غیاب یك الكتریكی در یك میدان مغناطیسی منحرف می شوند. (2) پرتوهای کاتدی در غیاب یک مغناطیسی در یک میدان الکتریکی منحرف می شوند. و (3) تحت عمل همزمان میدانهای الکتریکی و مغناطیسی با شدت متعادل ، جهت گیری شده در جهاتی که به طور جداگانه باعث انحراف در جهت مخالف می شوند ، پرتوهای کاتد در یک خط مستقیم منتشر می شوند ، یعنی عملکرد دو میدان متقابل متعادل است.

تامسون دریافت که رابطه بین میدان های الکتریکی و مغناطیسی ، که در آن عملکرد آنها متعادل است ، به سرعت حرکت ذرات بستگی دارد. از طریق یک سری اندازه گیری ها ، تامسون توانست سرعت حرکت پرتوهای کاتد را تعیین کند. معلوم شد که آنها بسیار کندتر از سرعت نور حرکت می کنند ، از این رو نتیجه می شود که پرتوهای کاتد فقط می توانند ذره باشند ، زیرا هرگونه تابش الکترومغناطیسی ، از جمله خود نور ، با سرعت نور منتشر می شود (به طیف تابش الکترومغناطیسی مراجعه کنید). این ذرات ناشناخته است. تامسون "پیکره" نامید ، اما به زودی آنها "الکترون" نامیده شدند.

بلافاصله مشخص شد که الکترون ها باید در ترکیب اتم ها وجود داشته باشند - در غیر این صورت ، آنها از کجا می آیند؟ 30 آوریل 1897 - تاریخی که تامسون نتایج خود را در جلسه انجمن سلطنتی لندن گزارش داد - تولد الکترون در نظر گرفته می شود. و در آن روز ، ایده "تقسیم ناپذیری" اتم ها به گذشته پیوست (نگاه کنید به تئوری اتمی ساختار ماده). همراه با کشف هسته اتمی که کمی بیش از ده سال بعد به دنبال آن افتاد (به آزمایش راترفورد مراجعه کنید) ، کشف الکترون پایه و اساس مدل مدرن اتم را ایجاد کرد.

"کاتد" ، یا بهتر بگوییم ، لوله های اشعه کاتد ساده ترین نمونه های قبلی کینسکوپ های تلویزیونی مدرن و مانیتورهای رایانه ای بودند که در آن مقادیر کاملاً کنترل شده الکترون از سطح یک کاتد داغ بیرون زده می شوند ، تحت تأثیر میدان های مغناطیسی متغیر در زوایای کاملاً مشخص منحرف شده و سلولهای فسفری صفحات را بمباران می کنند. ، بر روی آنها تصویر واضحی حاصل از اثر فوتوالکتریک تشکیل می شود ، کشف آن نیز بدون اطلاع ما از ماهیت واقعی پرتوهای کاتد غیرممکن است.

3.2 تجربه رادرفورد

ارنست روترفورد ، بارون رادرفورد از نلسون اول ارنست رادرفورد ، اولین بارون رادرفورد از نلسون ، 1871-1937

فیزیکدان نیوزلندی. در نلسون ، پسر یک کشاورز صنعتگر متولد شد. برای تحصیل در دانشگاه کمبریج انگلیس بورس تحصیلی کسب کرد. وی پس از فارغ التحصیلی به دانشگاه مک گیل کانادا منصوب شد و در آنجا ، همراه با فردریک سودی (1877-1966) ، قوانین اساسی پدیده رادیواکتیویته را پایه گذاری کرد ، به همین دلیل در سال 1908 جایزه نوبل شیمی به وی اعطا شد. به زودی دانشمند به دانشگاه منچستر نقل مکان کرد ، جایی که تحت هدایت او ، هانس گایگر (1945 - 1882) پیشخوان معروف گیگر خود را اختراع کرد ، تحقیق در مورد ساختار اتم را آغاز کرد و در سال 1911 وجود هسته اتمی را کشف کرد. در طول جنگ جهانی اول ، او درگیر توسعه سونارها (رادارهای صوتی) برای شناسایی زیردریایی های دشمن بود. در سال 1919 به عنوان استاد فیزیک و مدیر آزمایشگاه کاوندیش در دانشگاه کمبریج منصوب شد و در همان سال فروپاشی هسته ای را در نتیجه بمباران با ذرات سنگین با انرژی زیاد کشف کرد. در این پست ، رادرفورد تا پایان عمر باقی ماند ، در حالی که سالها به عنوان رئیس انجمن علوم سلطنتی خدمت می کرد. در ابی وست مینستر در کنار نیوتن ، داروین و فارادی به خاک سپرده شد.

ارنست رادرفورد دانشمندی منحصر به فرد است به این معنا که پس از دریافت جایزه نوبل به اکتشافات اصلی خود دست یافته است. در سال 1911 ، او موفق به آزمایشی شد که نه تنها به دانشمندان اجازه می داد تا به عمق اتم نگاه کنند و از ساختار آن ایده بگیرند ، بلکه به الگویی از فضل و عمق طراحی نیز تبدیل شد.

راترفورد با استفاده از یک منبع طبیعی تابش رادیواکتیو توپ ساخت که جریان مستقیم و متمرکز ذرات تولید می کند. توپ یک جعبه سربی با شکاف باریک بود که داخل آن مواد رادیواکتیو قرار داده شده بود. به همین دلیل ، ذرات (در این حالت ذرات آلفا ، متشکل از دو پروتون و دو نوترون) که توسط ماده رادیواکتیو از همه جهات ساطع می شوند ، به جز یک ، توسط صفحه سرب جذب می شوند و فقط یک پرتوی هدایت شده از ذرات آلفا از طریق شکاف خارج می شود.

طرح تجربه

علاوه بر این ، در مسیر پرتو ، چندین صفحه سربی دیگر با شکافهای باریک وجود داشت که ذرات منحرف شده از شدت را قطع می کند

جهت داده شده در نتیجه ، یک پرتوی کاملاً متمرکز از ذرات آلفا به سمت بالا پرواز کرد و هدف خود یک ورق نازک از ورق طلا بود. این اشعه آلفا بود که به او برخورد کرد. پس از برخورد با اتم های فویل ، ذرات آلفا مسیر خود را ادامه داده و به صفحه ای درخشان نصب شده در پشت هدف برخوردند که با برخورد ذرات آلفا بر روی آن چشمک می زند. از آنها آزمایشگر می توانست قضاوت کند که ذرات آلفا در نتیجه برخورد با اتمهای فویل از چه مقدار و تا چه حدی از جهت حرکت خطی منحرف می شوند.

با این حال ، رادرفورد مشاهده كرد كه هیچ یك از اسلاف وی حتی سعی در آزمایش اینكه آیا برخی ذرات آلفا در زوایای بسیار بزرگ منحرف شده اند را آزمایش نمی كند. مدل شبکه کشمش به راحتی اجازه وجود عناصر ساختاری متراکم و سنگین در اتم را نمی داد تا بتوانند ذرات آلفای سریع را در زوایای قابل توجهی منحرف کنند ، بنابراین کسی برای آزمایش این احتمال زحمت نمی کشد. رادرفورد از یکی از دانش آموزان خود خواست تجهیزات را دوباره نصب کند به گونه ای که مشاهده پراکندگی ذرات آلفا در زوایای انحراف بزرگ - فقط برای پاک کردن وجدان وی ، تا درنهایت این احتمال از بین برود. ردیاب یک صفحه با روکش سولفید سدیم بود ، ماده ای که با برخورد یک ذره آلفا به آن فلش فلورسنت می دهد. تصور کنید که نه تنها دانشجویی که مستقیماً آزمایش را انجام داده است ، بلکه خود راترفورد را نیز تصور کنید که معلوم شد برخی ذرات در زاویه های 180 درجه منحرف می شوند!

تصویری از اتم که راترفورد از نتایج آزمایش ترسیم کرده است امروز برای ما کاملاً شناخته شده است. یک اتم متشکل از یک هسته فشرده و متراکم است که دارای بار مثبت و الکترونهای نوری با بار منفی در اطراف آن است. بعداً دانشمندان مبنای نظری قابل اعتمادی به این تصویر دادند (نگاه کنید به Bora Atom) ، اما همه چیز با یک آزمایش ساده با نمونه کوچکی از ماده رادیواکتیو و یک تکه فویل طلا آغاز شد.

3.2 روش ملیکن

3.2.1 بیوگرافی کوتاه:

رابرت ملیکان در سال 1868 در ایلینوی در خانواده ای فقیر کشیشی به دنیا آمد. او كودكی خود را در شهر ماكوكت استانی گذراند ، جایی كه توجه زیادی به ورزش داده می شد و به تدریس ضعیف بود. یک مدیر دبیرستان که فیزیک تدریس می کرد ، برای مثال به دانش آموزان جوان خود گفت: «چگونه می توانید از امواج صدا ایجاد کنید؟ مزخرفات ، پسران ، این همه مزخرفات! "

3.2.2. اولین تجربیات و حل مسئله:

اولین آزمایش ها به موارد زیر خلاصه می شود. بین صفحات خازن تخت که ولتاژ 4000 ولت به آن اعمال شده ، ابری ایجاد شده است که از قطرات آب رسوب شده روی یون ها تشکیل شده است. برای اولین بار در غیاب میدان الکتریکی سقوط بالای ابر مشاهده شد. سپس با روشن شدن ولتاژ ابری ایجاد شد. سقوط ابر تحت تأثیر نیروی جاذبه و نیروی الکتریکی رخ داده است.
نسبت نیرویی که بر روی یک ابر ابر تأثیر می گذارد به سرعت بدست آمده در حالت اول و دوم یکسان است. در حالت اول ، نیرو میلی گرم است ، در میلی گرم دوم + qE ، جایی که q بار قطره است ، E قدرت میدان الکتریکی است. اگر سرعت در حالت اول برابر با υ 1 در υ 2 دوم باشد ، پس

با دانستن وابستگی سرعت سقوط ابر به ویسکوزیته هوا ، می توانیم شارژ مورد نیاز q را محاسبه کنیم. با این حال ، این روش دقت مطلوبی را نشان نداد ، زیرا حاوی فرضیاتی فرضی بود که از عهده آزمایشگر خارج بودند.

با تأمل در این مسئله ، ملیکان با روش افت کلاسیک روبرو شد که تعدادی از امکانات غیر منتظره را پیش روی شما قرار داد. ما داستان اختراع را به خود نویسنده واگذار خواهیم کرد:
"با درک اینکه میزان تبخیر قطرات ناشناخته مانده است ، سعی کردم روشی را ارائه دهم که این مقدار نامشخص را کاملاً از بین ببرد. برنامه من به شرح زیر بود. در آزمایش های قبلی ، میدان الکتریکی فقط می تواند سرعت سقوط بالای ابر را تحت تأثیر جاذبه زمین کمی افزایش یا کاهش دهد. حالا من می خواستم این زمینه را تقویت کنم تا سطح بالایی ابر در ارتفاع ثابت باقی بماند. در این حالت ، تعیین دقیق میزان تبخیر ابر و در نظر گرفتن آن در محاسبات امکان پذیر بود. "

برای اجرای این ایده ، میلیکان یک باتری قابل شارژ با ابعاد کوچک طراحی کرد که ولتاژ آن تا 10 4 ولت بود (برای آن زمان این موفقیت برجسته آزمایشگر بود). او مجبور بود زمینه ای به اندازه کافی قوی ایجاد کند که ابر بتواند مانند "تابوت محمد" در حالت تعلیق نگه داشته شود. ملیکان می گوید: "وقتی همه چیز را آماده کردم ، و وقتی ابر تشکیل شد ، سوئیچ را چرخاندم و ابر در میدان الکتریکی بود. و در آن لحظه در مقابل چشمان من ذوب شد ، به عبارت دیگر ، حتی یک قطعه کوچک از کل ابر باقی نمانده بود ، که همانطور که ویلسون انجام داد و من قصد داشتم با کمک یک دستگاه کنترل نوری مشاهده شود. در ابتدا به نظر می رسید که ناپدید شدن ابر بدون هیچ اثری در میدان الکتریکی بین صفحات بالا و پایین به معنای پایان بی فایده آزمایش است ... »با این حال ، همانطور که اغلب در تاریخ علم اتفاق می افتاد ، شکست ایده جدیدی را بوجود آورد. به روش معروف معروف منجر شد. ملیکان می نویسد: "آزمایش های مکرر نشان داده است که پس از پراکنده شدن ابر در یک میدان الکتریکی قدرتمند در جای خود ، چندین قطره آب جداگانه قابل تشخیص است "(با تأکید من. - V. D.). آزمایش "ناموفق" منجر به کشف امکان حفظ تعادل و مشاهده قطرات جداگانه برای مدت زمان کافی شد.

بعد از 7 یا 8 دقیقه. ابر پراکنده می شود ، و تعداد کمی از قطره ها در میدان دید باقی می مانند ، که شارژ آن مربوط به تعادل نیروها است.

میلیکان این قطرات را به عنوان نقاط روشن متمایز مشاهده کرد. وی می نویسد: "تاریخچه این قطره ها معمولاً به همین ترتیب پیش می رود." در صورت غلبه اندك نیروی جاذبه بر نیروی میدان ، آنها به آرامی شروع به ریزش می كنند ، اما از آنجا كه به تدریج تبخیر می شوند ، حركت رو به پایین آنها زود متوقف می شود و برای مدت طولانی بی حركت می شوند. ... سپس میدان غالب می شود و قطره ها به آرامی شروع به افزایش می کنند. در پایان عمر آنها در فضای بین صفحات ، این حرکت رو به بالا بسیار شدید تسریع می شود و آنها با سرعت بالا به صفحه بالایی جذب می شوند.

3.2.3. توضیحات نصب:

نمودار دستگاه میلیکان ، که با کمک آن نتایج تعیین کننده ای در سال 1909 بدست آمد ، در شکل 17 نشان داده شده است.

اتاق C شامل یک خازن تخت ساخته شده از صفحات گرد برنجی به قطر M و N 22 سانتی متر بود (فاصله بین آنها 1.6 سانتی متر بود). یک سوراخ کوچک p در مرکز صفحه فوقانی ایجاد شده است که قطرات روغن از آن عبور می کنند. دومی با دمیدن در یک جت روغن با استفاده از اسپری تشکیل شد. در این حالت ، هوا با عبور از یک لوله با پشم شیشه ، مقدماتاً از گرد و غبار پاک شد. قطر قطرات قطره های روغن حدود 10-4 سانتی متر است.

ولتاژ 10 4 ولت از باتری ذخیره سازی B به صفحات خازن تأمین می شود ، با استفاده از سوئیچ می توان صفحات را به مدار کوتاه و در نتیجه میدان الکتریکی را از بین برد.

با کمک یک دستگاه خاص ، گاز با پایین آوردن پیستون منبسط شد. پس از 1 تا 2 ثانیه پس از انبساط ، رادیوم با یک صفحه سربی برداشته یا پنهان شد. سپس میدان الکتریکی روشن شد و مشاهده قطره های داخل تلسکوپ آغاز شد. لوله دارای مقیاسی بود که به وسیله آن می توان مسافت پیموده شده را برای مدت زمان مشخصی شمرد. زمان توسط یک ساعت دقیق قفل شده ثبت شده است.

ملیکان می نویسد: "در حالی که روی قطرات معلق کار می کردم ، چندین بار فراموش کردم جلوی اشعه رادیوم را بگیرم. بعداً متوجه شدم كه هر از گاهی یكی از قطرات ناگهان بار خود را تغییر می دهد و شروع به حركت در امتداد مزرعه یا خلاف آن می كند و بدیهی است كه در حالت اول یون مثبت و در حالت دوم یونی منفی را ضبط می كند. این امکان اندازه گیری با اطمینان را فراهم می کند ، نه تنها بارهای قطره های فردی ، همانطور که تا آن زمان انجام داده بودم ، بلکه همچنین یک یون اتمسفر فردی نیز بود.

در واقع ، با اندازه گیری سرعت همان قطره دو بار ، یک بار قبل و بار دوم پس از گرفتن یون ، بدیهی است که می توانم خصوصیات قطره و خصوصیات محیط را کاملاً کنار بگذارم و فقط با مقدار متناسب با بار یون گرفته شده کار کنم.

3.2.4. محاسبه بار اولیه:

شارژ اولیه توسط Millikan بر اساس ملاحظات زیر محاسبه شد. سرعت افت متناسب با نیرویی است که به آن وارد می شود و به بار قطره بستگی ندارد.
اگر قطره ای بین صفحات خازن تحت عمل فقط نیروی جاذبه با سرعت υ افتاد ، پس

هنگامی که یک میدان معکوس در برابر نیروی جاذبه روشن شود ، نیروی عمل تفاوت qE - میلی گرم خواهد بود ، جایی که q بار قطره است ، E مدول قدرت میدان است.

نرخ افت برابر خواهد بود با:

υ 2 \u003d k (qE-mg) (2)

اگر برابری (1) را بر (2) تقسیم کنیم ، بدست می آوریم

از اینجا

بگذارید قطره یک یون را گرفته و بار آن برابر با q "شود ، و سرعت حرکت ما 2. بار این یون گرفته شده با e نشان داده می شود.

سپس e \u003d q "- q.

با استفاده از (3) ، ما بدست می آوریم

مقدار ثابت برای یک قطره مشخص است.

3.2.5. نتیجه گیری از روش Millikan

در نتیجه ، هر بار گرفته شده توسط قطره متناسب با اختلاف سرعت (υ "2 - υ 2) خواهد بود ، به عبارت دیگر ، متناسب با تغییر در سرعت قطره به دلیل گرفتن یون است! بنابراین ، اندازه گیری مشاهدات متعدد اعتبار فرمول (4) را نشان داده است. معلوم شد که مقدار e فقط می تواند در جهش تغییر کند! شارژهای e ، 2e ، 3e ، 4e و غیره همیشه مشاهده می شوند.

ملیکان می نویسد: "در بسیاری از موارد ، این افت برای پنج یا شش ساعت مشاهده شد و در این مدت نه هشت یا ده یون ، بلکه صدها مورد از آنها را گرفت. در مجموع ، من برداشت هزاران یون را از این طریق مشاهده کردم و در همه موارد شارژ گرفته شده ... یا دقیقاً برابر با کوچکترین از تمام بارهای گرفته شده بود ، یا برابر با یک مضربه عدد صحیح کوچک از این مقدار بود. این یک اثبات مستقیم و غیر قابل انکار است که الکترون "میانگین آماری" نیست ، اما این که تمام بارهای الکتریکی موجود در یونها دقیقاً برابر با بار الکترون هستند ، یا ضربات صحیح کوچک این بار هستند. "

بنابراین ، اتمیسم ، گسستگی ، یا به تعبیر امروزی ، کمی سازی بار الکتریکی به یک واقعیت تجربی تبدیل شده است. اکنون مهم بود که نشان دهیم الکترون ، به اصطلاح ، در همه جا حضور دارد. هر بار الکتریکی در جسمی از هر طبیعت ، جمع همان بارهای اولیه است.

روش میلیکان امکان پاسخ بی چون و چرای این س possibleال را فراهم کرد. در اولین آزمایش ها ، بارهای حاصل از یونیزاسیون مولکول های گاز خنثی با جریان تابش رادیواکتیو ایجاد شد. بار یونهای گرفته شده توسط قطرات اندازه گیری شد.

وقتی مایع با بطری اسپری پاشیده می شود ، قطرات به دلیل اصطکاک برق می گیرند. این امر در قرن نوزدهم به خوبی شناخته شده بود. آیا این بارها به اندازه بارهای یون ها کوانتیزه می شوند؟ میلیکان پس از سمپاشی قطرات را "وزن" کرده و بارهای ذکر شده را در بالا اندازه گیری می کند. تجربه همان تشخیص بار الکتریکی را نشان می دهد.

پاشش قطره های روغن (دی الکتریک) ، گلیسیرین (نیمه رسانا) ، جیوه (رسانا) ، میلیکان ثابت می کند که اتهامات بر روی اجسام از هر نوع فیزیکی در همه موارد بدون استثنا قسمتهای اولیه با ارزش کاملاً ثابت تشکیل می شود. در سال 1913 ، ملیکان نتایج آزمایشات متعدد را خلاصه کرد و برای بار اولیه مقدار زیر را داد: e \u003d 4.774. 10 -10 واحد شارژ CGSE. به این ترتیب یکی از مهمترین ثابتهای فیزیک مدرن تاسیس شد. تعیین بار الکتریکی به یک مسئله حسابی ساده تبدیل شده است.

3.4 روش تصویربرداری کامپتون:

با کشف Ch.T.R نقش مهمی در تقویت ایده واقعیت الکترون ایفا شد. ویلسون از اثر میعان بخار آب بر روی یون ها ، که منجر به امکان عکس برداری از رد ذرات شد.

آنها می گویند که A. کامپتون در این سخنرانی نمی تواند شنونده بدبین را در واقعیت وجود ریز ذرات متقاعد کند. او اصرار داشت که فقط وقتی آنها را با چشم خود ببیند باور خواهد کرد.
سپس کامپتون عکسی با آهنگ ذره آلفا را نشان داد که در کنار آن اثر انگشت وجود داشت. "آیا میدانید این چیست؟" کامپتون پرسید. شنونده پاسخ داد: "انگشت". کامپتون با شکوه اعلام کرد: "در این صورت ، این نوار نور ذره است."
عکس از مسیرهای الکترون نه تنها گواه واقعیت الکترون ها است. آنها این فرض را در مورد اندازه کوچک الکترونها تأیید کرده و مقایسه نتایج محاسبات نظری را که در آنها شعاع الکترون ظاهر می شود ، با آزمایش امکان پذیر می سازند. این آزمایشات که توسط لنارد در مطالعه قدرت نفوذ پرتوهای کاتدی آغاز شده است ، نشان داد که الکترونهای بسیار سریعی که از طریق مواد رادیواکتیو ساطع می شوند ، ردپای گاز را به صورت خطوط مستقیم ایجاد می کنند. طول مسیر متناسب با انرژی الکترون است. عکس از آهنگ های ذره آلفا با انرژی بالا نشان می دهد که آهنگ ها از تعداد زیادی نقطه تشکیل شده اند. هر نقطه یک قطره آب است که روی یونی ظاهر می شود ، که در نتیجه برخورد الکترون با یک اتم تشکیل می شود. با دانستن اندازه اتم و غلظت آنها ، می توان تعداد اتمهایی را که از طریق آنها ذره α باید در یک فاصله معین عبور کند محاسبه کنیم. یک محاسبه ساده نشان می دهد که یک ذره α باید قبل از اینکه با یکی از الکترونهایی که پوسته اتمی را در مسیر خود تشکیل می دهد و یونیزه می شود ، از 300 اتم عبور کند.

این واقعیت به طور متقاعد کننده ای نشان می دهد که حجم الکترون ها کسری ناچیز از حجم یک اتم است. مسیر یک الکترون کم انرژی منحنی است ؛ بنابراین ، یک الکترون آهسته توسط یک میدان درون اتمی منحرف می شود. در راه خود اقدامات یونیزاسیون بیشتری ایجاد می کند.

از تئوری پراکندگی می توان داده هایی را برای تخمین زاویه انحراف به عنوان تابعی از انرژی الکترون بدست آورد. این داده ها با تجزیه و تحلیل مسیرهای واقعی به خوبی تأیید می شوند. همزمانی تئوری با آزمایش ، مفهوم الکترون را به عنوان کوچکترین ذره ماده تقویت کرده است.

نتیجه:

اندازه گیری بار الکتریکی ابتدایی امکان تعیین دقیق تعدادی از مهمترین ثابتهای فیزیکی را فراهم کرد.
دانستن مقدار e به طور خودکار تعیین مقدار ثابت اساسی - ثابت Avogadro را ممکن می کند. قبل از آزمایشهای میلیکان ، تقریباً تخمینهای از ثابت اووگادرو وجود داشت که توسط نظریه جنبشی گازها ارائه شده بود. این تخمین ها بر اساس محاسبات شعاع متوسط \u200b\u200bیک مولکول هوا بود و در یک محدوده نسبتاً گسترده از 2 متفاوت بود. 10 23 تا 20. 10 23 1 در مول.

اگر جرم ماده رسوب شده برابر با یک مول باشد ،

سپس Q \u003d F ثابت فارادی است و F \u003d N 0 e ، از آنجا:

بدیهی است که دقت تعیین ثابت Avogadro با توجه به صحت اندازه گیری بار الکترون داده می شود. تمرین خواستار افزایش دقت تعیین ثابتهای اساسی بود ، و این یکی از مشوقهای ادامه بهبود روش اندازه گیری کوانتوم بار الکتریکی بود. این اثر که از قبل کاملاً ماهیت سنجی دارد ، تا امروز ادامه دارد.

دقیق ترین مقادیر در حال حاضر:

e \u003d (0.0005 80 8080/4) 10 -10. واحد شارژ CGSE؛

N 0 \u003d (0.0005 6 6.0230) 10 23 1 در مول.

با دانستن N o ، می توان تعداد مولکول های گاز را در 1 سانتی متر 3 تعیین کرد ، زیرا حجم اشغال شده توسط 1 مول گاز یک ثابت شناخته شده است.

دانش در مورد تعداد مولکول های گاز در 1 سانتی متر مکعب ، امکان تعیین میانگین انرژی جنبشی حرکت حرارتی یک مولکول را فراهم کرد. سرانجام ، می توان از بار الکترون برای تعیین ثابت پلانک و ثابت استفان-بولتزمن در قانون تابش گرمایی استفاده کرد.

وزارت آموزش و پرورش فدراسیون روسیه

دانشگاه آموزشی دولتی آمور

روشهای تعیین بار الکتریکی بنیادی

تکمیل شده توسط دانش آموز 151 گرم

Venzelev A.A.

بررسی شده توسط: Cheraneva T.G

مقدمه.

1. زمینه کشف الکترون

2. تاریخچه کشف الکترون

3. آزمایش ها و روش های کشف الکترون

3.1 تجربه تامسون

3.2 تجربه رادرفورد

3.3 روش میلیکان

3.3.1. بیوگرافی کوتاه

3.3.2. توضیحات نصب

3.3.3. محاسبه بار اولیه

3.3.4. نتیجه گیری از روش

3.4 روش تصویربرداری کامپتون

نتیجه.

مقدمه:

ELECTRON - اولین ذره ابتدایی کشف شده است. حامل مواد با کمترین جرم و کمترین بار الکتریکی در طبیعت ؛ قسمت تشکیل دهنده اتم.

بار الکترون 1.6021892 است. 10 -19 Cl

4.803242. 10 -10 واحد SGSE

جرم الکترون 10.109534 است. 10 -31 کیلوگرم

شارژ ویژه e / m e 1.7588047. 10 11 کلوچه کیلوگرم -1

گشتاور مغناطیسی الکترون برابر است با - 1.00116 متر مکعب ، که در آن m b مگنتون بور است.

الکترون یک ذره پایدار است. طبق داده های تجربی ، طول عمر t\u003e 2 است. 10 22 ساله

1. زمینه کشف

کشف الکترون نتیجه آزمایشات بی شماری بود. با آغاز قرن XX. وجود الکترون در تعدادی از آزمایش های مستقل ثابت شده است. اما ، علی رغم مواد آزمایشی عظیم انباشته شده توسط کل مدارس ملی ، الکترون یک ذره فرضی باقی ماند ، زیرا تجربه هنوز به تعدادی از س fundamentalالات اساسی پاسخ نداده بود. در حقیقت ، "کشف" الکترون بیش از نیم قرن به طول انجامید و در سال 1897 تکمیل نشد. بسیاری از دانشمندان و مخترعین در آن شرکت کردند.

عدم اطمینان در یک نقطه مهم بود. در ابتدا ، الکترون در نتیجه تفسیر اتمی قوانین الکترولیز ظاهر شد ، سپس در تخلیه گاز کشف شد. مشخص نبود که آیا فیزیک در واقع با همان جسم سر و کار دارد. گروه بزرگی از دانشمندان شكاك طبیعی معتقد بودند كه بار اولیه ، میانگین آماری بارهای مختلف ترین اندازه است. علاوه بر این ، هیچ یک از آزمایشات اندازه گیری بار الکترون مقادیر دقیقاً تکراری را ارائه نداد.
افراد مشکوکی بودند که به طور کلی کشف الکترون را نادیده می گرفتند. دانشگاهیان A.F. ایوفه در خاطرات خود درباره استادش V.K. رونتگن نوشت: «قبل از 1906 - 1907. کلمه الکترون نباید در انستیتوی فیزیک دانشگاه مونیخ تلفظ می شد. رونتگن آن را یک فرضیه اثبات نشده دانست که اغلب بدون دلایل کافی و غیر ضروری مورد استفاده قرار می گیرد. "

مسئله جرم الکترون حل نشده است ؛ ثابت نشده است که بارها هم روی هادی ها و هم روی دی الکتریک ها ، از الکترون تشکیل شده است. مفهوم "الکترون" تفسیر بدون ابهامی نداشت ، زیرا این آزمایش هنوز ساختار اتم را آشکار نکرده است (مدل سیاره ای رادرفورد در سال 1911 و تئوری بور در سال 1913 ظاهر می شوند).

الکترون هنوز وارد ساختهای نظری نشده است. نظریه الکترون لورنتس دارای چگالی بار مداوم توزیع شده است. در تئوری رسانایی فلزی ، که توسط درود توسعه داده شد ، این مربوط به بارهای گسسته بود ، اما اینها اتهامات خودسرانه ای بودند که هیچ محدودیتی در ارزش آنها اعمال نمی شد.

الکترون هنوز از چارچوب علم "ناب" فراتر نرفته است. بیایید یادآوری کنیم که اولین لوله الکترونیکی فقط در سال 1907 ظاهر شد. برای عبور از ایمان به اعتقاد ، لازم بود قبل از هر چیز الکترون را منزوی کرد ، روشی برای اندازه گیری مستقیم و دقیق بار اولیه اختراع شد.

2. کشف الکترون:

اگر آنچه را که قبل از کشف اولین ذره ابتدایی - الکترون و آنچه با این واقعه برجسته همراه بود ، نادیده بگیریم ، می توان به طور خلاصه گفت: در سال 1897 ، فیزیکدان مشهور انگلیسی THOMSON جوزف جان (1840-1946) بار خاص q / m را اندازه گرفت ذرات اشعه کاتد - "بدن" ، همانطور که وی آنها را نامید ، با انحراف پرتوهای کاتد *) در میدان های الکتریکی و مغناطیسی.

از سال 1897 ، مدل تابشی اشعه کاتد مورد استقبال عمومی قرار گرفت ، گرچه در مورد ماهیت الکتریسیته ، قضاوت های بسیار متنوعی وجود داشت. بنابراین ، ویچرت فیزیکدان آلمانی معتقد بود که "برق چیزی خیالی است و فقط در افکار وجود دارد" و لرد کلوین فیزیکدان مشهور انگلیسی در همان سال 1897 در مورد برق به عنوان نوعی "مایع پیوسته" نوشت.

در 29 آوریل 1897 ، تامسون پیام معروف خود را در جلسه انجمن سلطنتی لندن ارائه داد. با توجه به اصالت آن نمی توان زمان دقیق کشف الکترون - روز و ساعت را نام برد. این رویداد حاصل سالها کار تامسون و همکارانش بود. نه تامسون و نه هیچ کس هرگز الکترون را به معنای واقعی مشاهده نکردند ، هیچ کس نتوانست ذره ای را از پرتوی کاتد جدا کرده و بار ویژه آن را اندازه گیری کند. نویسنده کشف جی جی تامسون است زیرا عقاید وی در مورد الکترون به عقاید مدرن نزدیک بود. در سال 1903 او یکی از اولین مدل های اتم - "پودینگ کشمش" را پیشنهاد داد ، و در سال 1904 پیشنهاد کرد که الکترونهای یک اتم به گروه ها تقسیم می شوند و تنظیمات مختلفی را ایجاد می کنند که تناوب عناصر شیمیایی را تعیین می کند.

محل کشف دقیقاً مشخص است - آزمایشگاه کاوندیش (کمبریج ، انگلستان). در سال 1870 توسط جی سی ماکسول ایجاد شد و طی صد سال آینده به "مهد" کل زنجیره ای از کشف های درخشان در زمینه های مختلف فیزیک ، به ویژه در هسته و هسته ای تبدیل شد. مدیران آن: Maxwell J.K. - از 1871 تا 1879 ، لرد ریلی - از 1879 تا 1884 ، تامسون J.J. - از 1884 تا 1919 ، رادرفورد E. - از 1919 تا 1937 ، Bragg L. - از 1938 تا 1953 ؛ معاون مدیر در 1923-1935 - چادویک ج.

3. روشهای باز کردن الکترون:

3.1 تجربه تامسون

جوزف جان تامسون ، 1856-1940

فیزیکدان انگلیسی ، که به سادگی با نام J.J. Thomson شناخته می شود. متولد چیتهام هیل ، حومه منچستر ، فرزند کتابفروشی دست دوم و عتیقه فروشی است. در سال 1876 برای تحصیل در کمبریج بورسیه تحصیل کرد. در سال 1884-1919 وی استاد گروه فیزیک تجربی دانشگاه کمبریج و همزمان - رئیس آزمایشگاه کاوندیش بود که با تلاش تامسون به یکی از مشهورترین مراکز تحقیقاتی در جهان تبدیل شد. در همان زمان در سالهای 1905-1918 وی استاد انستیتوی سلطنتی لندن بود. برنده جایزه نوبل فیزیک در سال 1906 با فرمول "برای تحقیق در مورد عبور برق از طریق گازها" ، که البته شامل کشف الکترون است. پسر تامسون جورج پاگت تامسون (1892-1975) نیز سرانجام برنده جایزه نوبل فیزیک شد - در سال 1937 برای کشف آزمایش پراش الکترون توسط بلورها.

با استفاده از یک طراحی لوله جدید ، تامسون به طور مداوم نشان داده است که: (2) پرتوهای کاتدی در غیاب یک مغناطیسی در یک میدان الکتریکی منحرف می شوند. و (3) تحت عمل همزمان میدانهای الکتریکی و مغناطیسی با شدت متعادل ، جهت گیری شده در جهاتی که به طور جداگانه باعث انحراف در جهت مخالف می شوند ، پرتوهای کاتد در یک خط مستقیم منتشر می شوند ، یعنی عملکرد دو میدان متقابل متعادل است.

3.2 تجربه رادرفورد

ارنست رادرفورد ، بارون رادرفورد از نلسون من ارنست رادرفورد ، اولین بارون رادرفورد از نلسون ، 1871-1937

و راترفورد با استفاده از یک منبع طبیعی تابش رادیواکتیو توپ ساخت که جریان مستقیم و متمرکز ذرات تولید می کند. توپ یک جعبه سربی با شکاف باریک بود که داخل آن مواد رادیواکتیو قرار داده شده بود. به همین دلیل ، ذرات (در این حالت ذرات آلفا ، متشکل از دو پروتون و دو نوترون) که توسط ماده رادیواکتیو از همه جهات ساطع می شوند ، به جز یک ، توسط صفحه سرب جذب می شوند و فقط یک پرتوی هدایت شده از ذرات آلفا از طریق شکاف خارج می شود.

3.2 روشملیکن

3.2.1 بیوگرافی کوتاه:

کالج اوبردین وضعیت بهتری نداشت ، اما ملیکان که هیچ حمایت مالی نداشت ، مجبور شد خودش در دبیرستان به تدریس فیزیک بپردازد. در آمریكا پس از آن فقط دو كتاب درسی بود كه از زبان فرانسه ترجمه شده بود و این جوان با استعداد در مطالعه آنها و انجام موفقیت آمیز كلاس ها مشكلی نداشت. در سال 1893 وارد دانشگاه کلمبیا شد و سپس برای ادامه تحصیل به آلمان رفت.

میلیکان 28 ساله بود که از A. Michelson پیشنهادی برای دستیاری در دانشگاه شیکاگو دریافت کرد. در آغاز ، او تقریباً به طور انحصاری در اینجا به کارهای آموزشی مشغول بود و فقط در چهل سالگی تحقیقات علمی را آغاز کرد که شهرت جهانی برای او به ارمغان آورد.

3.2.2. اولین تجربیات و حل مسئله:

اولین آزمایش ها به موارد زیر خلاصه می شود. بین صفحات خازن تخت که ولتاژ 4000 ولت به آن اعمال شده ، ابری ایجاد شده است که از قطرات آب رسوب شده روی یون ها تشکیل شده است. برای اولین بار در غیاب میدان الکتریکی سقوط بالای ابر مشاهده شد. سپس با روشن شدن ولتاژ ابری ایجاد شد. سقوط ابر تحت تأثیر نیروی جاذبه و نیروی الکتریکی رخ داده است.
نسبت نیرویی که بر روی یک ابر ابر تأثیر می گذارد به سرعت بدست آمده در حالت اول و دوم یکسان است. در حالت اول ، نیرو است میلی گرم ،در دوم میلی گرم + qE ،جایی که q- شارژ را رها کنید ، E- قدرت میدان الکتریکی. اگر سرعت در حالت اول باشد υ 1 در دوم υ 2 , سپس

دانستن وابستگی سرعت سقوط ابرها υ در ویسکوزیته هوا ، می توانید شارژ مورد نیاز را محاسبه کنید qبا این حال ، این روش دقت مطلوبی را نشان نداد ، زیرا حاوی فرضیاتی فرضی بود که از عهده آزمایشگر خارج بودند.

برای افزایش دقت اندازه گیری ها ، قبل از هر چیز لازم بود راهی برای در نظر گرفتن تبخیر ابر پیدا شود ، که به طور حتم در طول اندازه گیری رخ داده است.

برای اجرای این ایده ، میلیکان یک باتری قابل شارژ با ابعاد کوچک طراحی کرد که ولتاژ آن تا 10 4 ولت بود (برای آن زمان این موفقیت برجسته آزمایشگر بود). او مجبور بود زمینه ای به اندازه کافی قوی ایجاد کند که ابر بتواند مانند "تابوت محمد" در حالت تعلیق نگه داشته شود. ملیکان می گوید: "وقتی همه چیز را آماده کردم ، و وقتی ابر تشکیل شد ، سوئیچ را چرخاندم و ابر در میدان الکتریکی بود. و در آن لحظه در مقابل چشمان من ذوب شد ، به عبارت دیگر ، حتی یک قطعه کوچک از کل ابر باقی نمانده بود ، که همانطور که ویلسون انجام داد و من قصد داشتم با کمک یک دستگاه کنترل نوری مشاهده شود. در ابتدا به نظر می رسید که ناپدید شدن ابر بدون هیچ اثری در میدان الکتریکی بین صفحات بالا و پایین به معنای پایان بی فایده آزمایش است ... »با این حال ، همانطور که اغلب در تاریخ علم اتفاق می افتاد ، شکست ایده جدیدی را بوجود آورد. به روش معروف معروف منجر شد. ملیکان می نویسد: "آزمایش های مکرر نشان داده است که پس از پراکنده شدن ابر در یک میدان الکتریکی قدرتمند در جای خود ، چندین قطره آب جداگانه قابل تشخیص است"(توسط من زیر خط. - V.D.) آزمایش "ناموفق" منجر به کشف امکان حفظ تعادل و مشاهده قطرات جداگانه برای مدت زمان کافی شد.

روش آزمایشی ساده به دست آمد. ابر با انبساط آدیاباتیک بین صفحات کندانسور تشکیل می شود. از قطره هایی با بار و بزرگی و علامت متفاوت تشکیل شده است. با روشن شدن میدان الکتریکی ، بارهایی با بارهای همنام با شارژ صفحه فوقانی خازن به سرعت پایین می آیند ، در حالی که قطره هایی با بار مخالف توسط صفحه بالایی جذب می شوند. اما تعداد مشخصی از قطره ها چنان بار دارند که نیروی جاذبه توسط نیروی الکتریکی متعادل می شود.

3.2.3. توضیحات نصب:

نمودار دستگاه میلیکان ، که با کمک آن نتایج تعیین کننده ای در سال 1909 بدست آمد ، در شکل 17 نشان داده شده است.

در سلول از جانبیک خازن تخت ساخته شده از صفحات گرد برنج قرار داده شد مو نقطر 22 سانتی متر (فاصله بین آنها 1.6 سانتی متر بود). یک سوراخ کوچک در وسط صفحه بالایی ایجاد شده است r ،از آن قطره های روغن عبور می کرد. دومی با دمیدن در یک جت روغن با استفاده از اسپری تشکیل شد. در این حالت ، هوا با عبور از یک لوله با پشم شیشه ، مقدماتاً از گرد و غبار پاک شد. قطر قطرات قطره های روغن حدود 10-4 سانتی متر است.

در باره
باتری t که درولتاژ 10 4 ولت بر روی صفحات خازن اعمال شده است. سوئیچ می تواند برای اتصال کوتاه صفحات و از بین بردن میدان الکتریکی استفاده شود.

قطرات روغن بین صفحات گرفتار می شوند مو N ،توسط یک منبع قوی روشن شده است. رفتار قطره ها عمود بر جهت اشعه از طریق تلسکوپ مشاهده شد.

در طی مشاهدات ، میلیکان پدیده ای را کشف کرد که به عنوان کلیدی در کل مجموعه اندازه گیری های دقیق بعدی بارهای اولیه منفرد بود.

3.2.4. محاسبه بار اولیه:

شارژ اولیه توسط Millikan بر اساس ملاحظات زیر محاسبه شد. سرعت افت متناسب با نیرویی است که به آن وارد می شود و به بار قطره بستگی ندارد.
اگر یک قطره تحت عمل گرانش فقط با سرعت υ بین صفحات خازن افتاد , سپس

υ 1 \u003d کیلوگرم (1)

وقتی میدانی که علیه گرانش کار می کند روشن شود ، نیروی عمل کننده تفاوت خواهد داشت qE - میلی گرمجایی که q -افت شارژ ، E -ماژول قدرت میدان

نرخ افت برابر خواهد بود با:

υ 2 \u003d k (qE-mg) (2)

اگر برابری (1) را بر (2) تقسیم کنیم ، بدست می آوریم

در باره اینجا

اجازه دهید قطره یونی را گرفته و بار آن تبدیل شود q "،و سرعت حرکت υ 2 . بار این یون محبوس شده با نشان داده می شود ه

سپس e \u003d q "- q.

با استفاده از (3) ، ما بدست می آوریم

مقدار ثابت برای یک قطره مشخص است.

3.2.5. نتیجه گیری از روش Millikan

بنابراین ، هر بار ضبط شده با افت متناسب با اختلاف سرعت خواهد بود ( υ " 2 - υ 2 ) ، به عبارت دیگر ، متناسب با تغییر در سرعت قطره در اثر جذب یون است! بنابراین ، اندازه گیری بار اولیه به اندازه گیری مسافت طی شده توسط قطره و مدت زمانی که این فاصله طی شده است ، کاهش یافت. مشاهدات متعدد صحت فرمول (4) را نشان داده است. معلوم شد که کمیت هفقط می تواند در جهش ها تغییر کند! همیشه اتهامات رعایت می شود e ، 2e ، 3e ، 4e و غیره.

پاشش قطره های روغن (دی الکتریک) ، گلیسیرین (نیمه رسانا) ، جیوه (رسانا) ، میلیکان ثابت می کند که اتهامات بر روی اجسام از هر نوع فیزیکی در همه موارد بدون استثنا قسمتهای اولیه با ارزش کاملاً ثابت تشکیل می شود. در سال 1913 ، ملیکان نتایج آزمایشات متعدد را خلاصه می کند و برای بار اولیه مقدار زیر را می دهد: ه\u003d 4.774. 10 -10 واحد شارژ CGSE. به این ترتیب یکی از مهمترین ثابتهای فیزیک مدرن تاسیس شد. تعیین بار الکتریکی به یک مسئله حسابی ساده تبدیل شده است.

3.4 روش تصویربرداری کامپتون:

نتیجه:

اندازه گیری بار الکتریکی ابتدایی امکان تعیین دقیق تعدادی از مهمترین ثابتهای فیزیکی را فراهم کرد.
دانش اندازه هبه طور خودکار تعیین مقدار ثابت اساسی - ثابت Avogadro را ممکن می کند. قبل از آزمایشهای میلیکان ، تقریباً تخمینهای از ثابت اووگادرو وجود داشت که توسط نظریه جنبشی گازها ارائه شده بود. این تخمین ها بر اساس محاسبات شعاع متوسط \u200b\u200bیک مولکول هوا بود و در یک محدوده نسبتاً گسترده از 2 متفاوت بود. 10 23 تا 20. 10 23 1 در مول.

بگذارید فرض کنیم که ما اتهام را می دانیم س ، از محلول الکترولیت عبور کرده ، و مقدار ماده M که بر روی الکترود رسوب کرده است. پس اگر شارژ یونی است زه 0 و جرم آن متر 0 ، برابری

اگر جرم ماده رسوب شده برابر با یک مول باشد ،

سپس Q \u003d F-ثابت فارادی ، و F \u003d N 0 هاز جایی که:

دقیق ترین مقادیر در حال حاضر:

ه \u003d (0.0005 80 4.8029) 10 -10. واحد شارژ CGSE؛

ن 0 \u003d (0.0005 6 6.0230) 10 23 1 در مول.

دانستن ن ای، می توان تعداد مولکولهای گاز را در 1 سانتی متر 3 تعیین کرد ، زیرا حجم اشغال شده توسط 1 مول گاز یک ثابت شناخته شده است.

جزئیات دسته: برق و مغناطیس منتشر شده در 2015/06/08 05:51 بازدید: 6694

یکی از ثابتهای اساسی در فیزیک ، بار الکتریکی ابتدایی است. این یک مقدار اسکالر است که توانایی اجسام فیزیکی را برای شرکت در فعل و انفعالات الکترومغناطیسی مشخص می کند.

بار الکتریکی ابتدایی کوچکترین بار مثبت یا منفی در نظر گرفته می شود که قابل تقسیم نیست. مقدار آن برابر با مقدار بار الکترون است.

این واقعیت که هر بار الکتریکی یافت شده در طبیعت همیشه برابر با یک عدد صحیح از اتهامات ابتدایی است ، در سال 1752 توسط سیاستمدار مشهور بنجامین فرانکلین ، سیاستمدار و دیپلمات که همچنین به فعالیت های علمی و اختراعی مشغول بود ، اولین آمریکایی عضو آکادمی علوم روسیه پیشنهاد شد.

بنجامین فرانکلین

اگر فرض فرانکلین صحیح باشد ، و بار الکتریکی هر جسم باردار یا سیستم اجسامی متشکل از تعداد صحیحی از بارهای اولیه باشد ، این بار می تواند با مقدار حاوی تعداد صحیح بار الکترون به طور ناگهانی تغییر کند.

برای اولین بار ، تأیید این امر و تعیین کاملاً دقیق بار الکترون به صورت تجربی توسط یک دانشمند آمریکایی ، استاد دانشگاه شیکاگو ، رابرت میلیکان ، امکان پذیر بود.

تجربه ملیکان

طرح کلی Millikan

میلیکان اولین آزمایش معروف افت روغن خود را در سال 1909 با دستیارش هاروی فلچر انجام داد. آنها می گویند که در ابتدا قصد داشتند این آزمایش را با کمک قطرات آب انجام دهند ، اما در عرض چند ثانیه تبخیر شدند ، که مشخصاً برای رسیدن به نتیجه کافی نبود. سپس میلیکان فلچر را به داروخانه فرستاد و در آنجا یک بطری اسپری و یک بطری روغن برای ساعت خریداری کرد. این برای موفقیت در آزمایش کافی بود. متعاقباً ، ملیکان جایزه نوبل را برای او دریافت کرد و فلچر دکترای خود را دریافت کرد.

رابرت میلیکان

هاروی فلچر

آزمایش میلیکان چه بود؟

یک قطره روغن برقی تحت تأثیر جاذبه بین دو صفحه فلزی قرار می گیرد. اما اگر یک میدان الکتریکی بین آنها ایجاد شود ، از افتادن قطره جلوگیری می کند. با اندازه گیری قدرت میدان الکتریکی می توانید بار افت را تعیین کنید.

آزمایشگران دو صفحه فلزی خازن را درون ظرف قرار دادند. در آنجا با کمک تفنگ اسپری قطرات ریز روغن وارد شد که در اثر سمپاشی در اثر اصطکاک آنها در برابر هوا ، بار منفی می گرفت.

در صورت عدم وجود میدان الکتریکی ، قطره می ریزد

تحت عمل گرانش F w \u003d میلی گرم قطره شروع به ریزش می کند. اما از آنجا که آنها در خلا نبودند ، بلکه در یک محیط قرار داشتند ، بنابراین نیروی مقاومت هوا مانع سقوط آزادانه آنها شد F res \u003d 6πη rv 0 جایی که η - ویسکوزیته هوا چه زمانی F w و F res با تعادل ، سقوط با سرعت یکنواخت شد v 0 ... دانشمند با اندازه گیری این سرعت شعاع قطره را تعیین کرد.

یک قطره تحت تأثیر یک میدان الکتریکی "شناور" می شود

اگر در لحظه افتادن قطره ، ولتاژ بر روی صفحات اعمال شود به گونه ای که صفحه بالایی بار مثبت و قسمت پایینی منفی دریافت کند ، افت متوقف می شود. میدان الکتریکی تولید شده مانع او شد. قطرات آویزان بود. این اتفاق افتاد وقتی که قدرت F r متعادل شده توسط نیرویی که از میدان الکتریکی وارد می شود F r \u003d eE ,

جایی که F r - نیروی جاذبه و نیروی ارشمیدس.

F r \u003d 3/4 πr 3 ( ρ – ρ 0) g

ρ - تراکم افت روغن ؛

ρ 0 – تراکم هوا.

ر شعاع قطره است.

دانستن F r و E ، می توان مقدار را تعیین کرد ه .

از آنجا که اطمینان از ثابت ماندن قطره برای مدت طولانی بسیار دشوار بود ، میلیکان و فلچر زمینه ای را ایجاد کردند که در آن قطره پس از توقف ، با سرعت بسیار کمی به سمت بالا حرکت می کند. v ... در این مورد

آزمایش ها بارها تکرار شد. این اتهامات با تابش اشعه ایکس یا دستگاه ماوراio بنفش به قطرات منتقل می شود. اما هر بار کل بار قطره همیشه برابر با چندین بار اولیه بود.

در سال 1911 ، میلیکان ثابت کرد که بزرگی بار الکترون 1.5924 (17) 10 10 -19 سانتیگراد است. دانشمند فقط 1٪ اشتباه کرده است. مقدار مدرن آن 1.602176487 (10) x 10 -19 C است.

تجربه جوفه

آبرام فدروویچ ایوفه

باید گفت که تقریباً همزمان با ملیکن ، اما به طور مستقل از او ، آزمایش های مشابهی توسط فیزیکدان روسی آبرام فدروویچ ایوفه انجام شد. و تنظیمات آزمایشی او مشابه Millikan بود. اما هوا از داخل رگ پمپ شد و خلا در آن ایجاد شد. و به جای قطرات روغن ، ایوفه از ذرات روی کوچک باردار استفاده کرد. حرکت آنها از طریق میکروسکوپ مشاهده شد.

نصب Ioffe

1- یک لوله

2- دوربین

3 - صفحات فلزی

4 - میکروسکوپ

5 - ساطع کننده ماوراio بنفش

تحت تأثیر میدان الکترواستاتیک ، یک دانه روی افتاد. به محض اینکه جاذبه ذره گرد و غبار با نیرویی که از کنار میدان الکتریکی به آن وارد می شود برابر شد ، سقوط متوقف شد. تا زمانی که بار گرد و غبار تغییر نکند ، همچنان بدون حرکت آویزان می شود. اما اگر در معرض نور ماوراio بنفش قرار گرفت ، در آن صورت بار آن کاهش یافته و تعادل بر هم خورد. او دوباره شروع به سقوط کرد. سپس میزان شارژ صفحات افزایش یافت. بر این اساس میدان الکتریکی افزایش یافت و سقوط دوباره متوقف شد. این کار چندین بار انجام شد. در نتیجه ، مشخص شد که هر بار بار یک دانه گرد و غبار با چندین بار یک ذره اولیه تغییر می کند.

ایوفی مقدار بار این ذره را محاسبه نکرد. اما ، با انجام آزمایش مشابهی در سال 1925 ، همراه با فیزیکدان N.I. Dobronravov ، با کمی تنظیمات آزمایشی و استفاده از گرد و غبار بیسموت به جای روی ، وی این نظریه را تأیید کرد