1.1 Penemuan elektron dan radioaktivitas.

Lahirnya gagasan tentang struktur kompleks atom

Sifat diskrit arus listrik tercermin dalam karya Faraday tentang elektrolisis - arus yang sama menyebabkan pelepasan sejumlah zat yang berbeda pada elektroda, tergantung pada zat apa yang dilarutkan. Ketika satu mol zat monovalen dilepaskan, muatan sebesar 96.500 C melewati elektrolit, dan dengan zat divalen, muatannya menjadi dua kali lipat. Setelah didefinisikan pada akhir abad ke-19. Bilangan Avogadro memungkinkan untuk memperkirakan besarnya muatan listrik dasar. Karena 6,02 10 23 atom mentransfer muatan sebesar 96.500 C, maka bagiannya adalah 1,2-10 -19 C. Oleh karena itu, ini adalah bagian terkecil dari listrik atau “atom listrik”. Georg Stoney menyarankan untuk menyebut “atom listrik” ini sebagai elektron.

Bekerja dengan arus dalam gas diperumit oleh sulitnya memperoleh lingkungan gas yang dijernihkan. Peniup kaca Jerman G. Geisler membuat tabung hiburan dengan gas yang dijernihkan, yang bersinar ketika arus listrik dialirkan melaluinya. Di dalamnya, V. Gitthoff menemukan radiasi dari katoda yang menyebabkan fluoresensi pada dinding tabung, yang disebut sinar katoda. Seperti yang dikemukakan oleh fisikawan Inggris W. Crookes, sinar-sinar ini merambat dalam garis lurus, dibelokkan oleh medan magnet dan mempunyai efek mekanis.

Fisikawan Perancis J. Perrin menempatkan silinder logam dengan lubang di seberang katoda di dalam tabung di depan katoda dan menemukan bahwa silinder tersebut bermuatan negatif. Ketika sinarnya dibelokkan oleh medan magnet dan tidak masuk ke dalam silinder, ternyata tidak bermuatan. Dua tahun kemudian, J. Thomson menempatkan silinder bukan di depan katoda, tetapi di samping: magnet yang dibawa membengkokkan sinar katoda sehingga masuk ke dalam silinder dan bermuatan negatif, tetapi titik fluoresen pada kaca bergeser. Artinya sinar tersebut merupakan partikel bermuatan negatif. Alat pengukur seperti ini disebut tabung sinar katoda vakum tinggi. Di bawah pengaruh gaya Lorentz yang disebabkan oleh medan magnet yang dihidupkan di area kapasitor, jejak cahaya dari pancaran sinar pada layar bergeser. Maka pada tahun 1895 lahirlah ilmu baru - elektronik.

Bertindak bersamaan dengan medan listrik dan magnet serta mengubah besarannya, Thomson memilihnya sehingga terkompensasi, sinar katoda tidak menyimpang, dan titik pada kaca tidak bergerak. Ia memperoleh perbandingan muatan listrik terhadap massa partikel e/t = 1,3 · 10 -7 C/g. Terlepas dari Thomson, nilai ini diukur untuk sinar katoda oleh V. Kaufman dan memperoleh nilai serupa. Thomson menamai partikel ini sel darah, dan elektron hanyalah muatannya, tetapi partikel sinar katoda itu sendiri disebut elektron (dari bahasa Yunani. elektron - amber).

Penemuan elektron dan studi tentang sifat uniknya mendorong penelitian struktur atom. Proses penyerapan dan emisi energi oleh materi menjadi jelas; persamaan dan perbedaan unsur kimia, aktivitas kimia dan kelembamannya; makna internal Tabel Periodik Unsur Kimia D.I.Mendeleev, sifat ikatan kimia dan mekanisme reaksi kimia; Perangkat yang benar-benar baru telah muncul di mana pergerakan elektron memainkan peran yang menentukan. Pandangan tentang sifat materi berubah. Penemuan elektron (1897) mengawali zaman fisika atom.

Dari berbagai percobaan transmisi elektron melalui materi, J. Thomson menyimpulkan bahwa jumlah elektron dalam suatu atom berhubungan dengan ukuran massa atom. Namun dalam keadaan normal, atom harus netral secara listrik, oleh karena itu pada setiap atom jumlah muatan yang bertanda berbeda adalah sama. Karena massa elektron kira-kira 1/2000 massa atom hidrogen, massa muatan positif haruslah 2000 kali massa elektron. Misalnya, hidrogen hampir seluruh massanya berasosiasi dengan muatan positif. Dengan ditemukannya elektron, masalah baru pun segera muncul. Suatu atom bersifat netral, artinya harus ada partikel lain yang bermuatan positif di dalamnya. Mereka belum dibuka.

Fisikawan Perancis A. Becquerel, ketika mempelajari pendaran, menemukan (1896) fenomena radioaktivitas. Dia tertarik pada hubungan antara fluoresensi dari sinar katoda pada dinding tabung dan sinar X yang dipancarkan dari bagian tabung tersebut. Dengan menyinari berbagai zat, ia mencoba mencari tahu apakah sinar-X dapat dipancarkan oleh benda berpendar yang disinari sinar matahari. Segera keluarga Curie menangani masalah ini dan menemukan unsur yang lebih aktif, yang mereka beri nama polonium untuk menghormati Polandia, tempat kelahiran Marie Curie. Mengukur besarnya efek, Sklodowska-Curie menemukan unsur baru - radium, dan menyebut efek radiasi itu sendiri radioaktivitas(dari lat. radio- Saya memancarkan sinar). Intensitas radiasi radium ratusan ribu kali lebih besar dibandingkan uranium. Kemudian unsur radioaktif ketiga ditemukan - aktinium. Dan ada “ledakan” tertentu dalam studi radioaktivitas.

Pada akhir tahun 1899, kolaborator J. Thomson, E. Rutherford menyimpulkan: “... percobaan menunjukkan bahwa radiasi uranium itu kompleks dan terdiri dari setidaknya dua jenis yang berbeda: satu, cepat diserap, sebut saja radiasi a; yang lain, yang lebih tajam, sebut saja

-radiasi." Tiga tahun kemudian, P. Villar menemukan komponen radiasi lain yang tidak dibelokkan oleh medan magnet, yang disebut -sinar. Radioaktivitas dengan cepat menemukan penerapannya dalam ilmu pengetahuan alam dan kedokteran.

Atom tidak lagi dianggap tidak dapat dibagi lagi. Gagasan tentang struktur semua atom dari atom hidrogen diungkapkan kembali pada tahun 1815 oleh dokter Inggris W. Prout. Keraguan tentang atom yang tidak dapat dibagi memunculkan penemuan analisis spektral dan Tabel Periodik Unsur Kimia. Ternyata atom itu sendiri merupakan struktur kompleks dengan pergerakan internal bagian-bagian penyusunnya yang bertanggung jawab atas spektrum karakteristik. Model strukturnya mulai bermunculan.

Model atom - muatan positif didistribusikan di wilayah bermuatan positif yang cukup luas (mungkin berbentuk bola), dan elektron diselingi ke dalamnya, seperti "kismis dalam puding" - diusulkan oleh Kelvin pada tahun 1902. J. Thomson mengembangkan idenya: atom adalah setetes puding materi bermuatan positif, di dalamnya elektron didistribusikan, yang berada dalam keadaan bergetar. Karena getaran ini, atom memancarkan energi elektromagnetik; Dengan cara ini dia mampu menjelaskan penyebaran cahaya, namun banyak pertanyaan yang muncul. Untuk menjelaskan Tabel Periodik unsur kimia, ia mempelajari berbagai konfigurasi elektron, menunjukkan bahwa konfigurasi stabil berhubungan dengan struktur unsur tidak aktif seperti gas mulia, dan konfigurasi tidak stabil berhubungan dengan struktur unsur yang lebih aktif. Berdasarkan panjang gelombang cahaya yang dipancarkan atom, Thomson memperkirakan luas area yang ditempati atom tersebut sekitar 10 -10 m.Ia banyak membuat asumsi, terbawa dengan menghitung karakteristik radiasi menurut teori Maxwell, karena ia percaya bahwa hanya gaya elektromagnetik yang bekerja di dalam atom. Pada tahun 1903, Thomson memperoleh bahwa elektron harus memancarkan gelombang elips ketika bergerak, pada tahun 1904 - bahwa ketika jumlah elektron lebih dari 8, mereka harus tersusun dalam cincin dan jumlahnya di setiap cincin harus berkurang seiring dengan berkurangnya jari-jari cincin. Jumlah elektron tidak memungkinkan atom radioaktif menjadi stabil; mereka memancarkan partikel alfa, dan struktur atom baru terbentuk. Eksperimen E. Rutherford, salah satu murid Thomson, menghasilkan model nuklir dari struktur atom.

Penemuan pada akhir abad ke-19. - Sinar-X (1895), radioaktivitas alami (Becquerel, 1896), elektron (J. Thomson, 1897), radium (Pierre dan Marie Curie, 1898), sifat radiasi kuantum (Planck, 1900) adalah awal dari a revolusi dalam sains.

1.2 Model planet dari struktur atom. Ilmu pengetahuan modern dan postulat Bohr

Model struktur atom planet pertama kali dikemukakan oleh J. Perrin, mencoba menjelaskan sifat-sifat yang diamati melalui gerak orbital elektron. Namun V. Vin menganggapnya tidak bisa dipertahankan. Pertama, ketika sebuah elektron berputar, menurut elektrodinamika klasik, ia harus terus menerus memancarkan energi dan, pada akhirnya, jatuh ke dalam inti. Kedua, karena hilangnya energi secara terus menerus, radiasi suatu atom seharusnya mempunyai spektrum yang kontinu, tetapi spektrum garis tetap teramati.

Eksperimen lintasan partikel α melalui pelat tipis emas dan logam lainnya dilakukan oleh karyawan E. Rutherford, E. Marsden dan H. Geiger (1908). Mereka menemukan bahwa hampir semua partikel melewati pelat dengan bebas, dan hanya 1/10.000 di antaranya yang mengalami defleksi kuat - hingga 150°. Model Thomson tidak dapat menjelaskan hal ini, tetapi Rutherford, mantan asistennya, membuat perkiraan pecahan penyimpangan dan sampai pada model planet: muatan positif terkonsentrasi dalam volume sekitar 10 - 15 dengan massa yang signifikan.

Mengingat orbit elektron dalam suatu atom bersifat tetap, Thomson pada tahun 1913 juga sampai pada model struktur atom planet. Namun, dengan memecahkan masalah kestabilan atom tersebut menggunakan hukum Coulomb, ia menemukan orbit yang stabil hanya untuk satu elektron. Baik Thomson maupun Rutherford tidak dapat menjelaskan emisi partikel alfa selama peluruhan radioaktif - ternyata pasti ada elektron di pusat atom?! Asistennya G. Moseley mengukur frekuensi garis spektral sejumlah atom dalam Tabel Periodik dan menemukan bahwa “sebuah atom memiliki nilai karakteristik tertentu yang meningkat secara teratur ketika berpindah dari satu atom ke atom lainnya. Kuantitas ini tidak lain adalah muatan inti dalam.”

Konstruksi teori struktur atom berdasarkan model planet banyak menemui kontradiksi.

Pada awalnya, fisikawan Denmark N. Bohr mencoba menerapkan mekanika klasik dan elektrodinamika pada masalah perlambatan partikel bermuatan ketika bergerak melalui materi, tetapi untuk nilai energi elektron tertentu, parameter orbital (atau frekuensi) dapat ditetapkan secara sewenang-wenang. ) untuk itu, yang menyebabkan paradoks.

Bohr menyepakati teori struktur atom dengan masalah asal usul spektrum. Dia melengkapi model Rutherford dengan postulat yang menjamin stabilitas atom dan spektrum garis radiasinya. Bohr meninggalkan gagasan mekanika klasik dan beralih ke hipotesis kuantum Planck: hubungan tertentu antara energi kinetik dalam cincin dan periode revolusi adalah transfer hubungan tersebut. E= hv , menyatakan hubungan antara energi dan frekuensi osilator untuk suatu sistem yang mengalami gerak periodik. Rumus spektral Balmer, Rydberg dan Ritz memungkinkan untuk merumuskan persyaratan untuk memastikan stabilitas atom dan sifat garis spektrum atom hidrogen: dalam atom terdapat beberapa keadaan stasioner (atau orbit elektron di planet). model) di mana atom tidak mengeluarkan energi; Ketika sebuah elektron berpindah dari satu orbit stasioner ke orbit stasioner lainnya, atom memancarkan atau menyerap sebagian energi yang sebanding dengan frekuensinya, sesuai dengan aturan frekuensi Rydberg-Ritz.

30 April 1897 secara resmi dianggap sebagai hari lahir partikel elementer pertama - elektron. Pada hari ini, kepala Laboratorium Cavedish dan anggota Royal Society of London, Joseph John Thomson, membuat pengumuman bersejarah " Sinar katoda"di Royal Institution of Great Britain, di mana ia mengumumkan bahwa penelitiannya selama bertahun-tahun terhadap pelepasan listrik dalam gas pada tekanan rendah menghasilkan klarifikasi tentang sifat sinar katoda. Dengan menempatkan tabung pelepasan gas dalam rangkaian magnet dan listrik yang bersilangan bidang, dia, dengan mengamati efek kompensasi dari bidang-bidang ini, secara andal menentukan muatan spesifik partikel, yang alirannya adalah sinar katoda.

Gagasan tentang sifat diskrit muatan listrik telah tertanam kuat dalam sains berkat penelitian sebelumnya tentang fenomena listrik. Bahkan Michael Faraday (1791-1867) pada paruh pertama tahun 1830-an, ketika mempelajari aliran arus melalui elektrolit, menetapkan bahwa untuk melepaskan satu gram setara zat apa pun pada elektroda, jumlah listrik yang sama harus dialirkan. solusinya, yang kemudian dikenal sebagai bilangan Faraday.

Dalam karyanya ia menulis: “Atom-atom suatu benda... mengandung jumlah listrik yang sama yang secara alamiah diasosiasikan dengannya.” Namun tetap saja dia belum menyimpulkan tentang adanya muatan dasar minimal.

Fisikawan Irlandia Stoney Stoney (1826-1911) sampai pada kesimpulan ini berdasarkan hukum elektrolisis pada tahun 1874, dan kemudian pada tahun 1891 ia mendalilkan keberadaan muatan dalam sebuah atom, menyebutnya sebagai elektron. Namun prediksi ini tentu saja menyiratkan bahwa pembawa listrik negatif adalah partikel suatu zat seperti ion dalam elektrolit yang diendapkan pada elektroda positif.

Namun, hasil yang diperoleh J. J. Thomson ternyata sama sekali tidak terduga bahkan paradoks bagi orang-orang sezamannya. Pertama-tama, serangkaian percobaan yang dilakukan menunjukkan bahwa hasil pengukuran dengan sinar katoda sama sekali tidak bergantung pada jenis gas tempat terjadinya pelepasan. Selain itu, rasio terukur e/m (muatan spesifik) ternyata sangat besar: ternyata hampir 2 ribu kali lebih besar daripada rasio nilai muatan listrik dasar dengan massa atom hidrogen paling ringan. Ia juga menekankan bahwa partikel yang ia temukan adalah bagian dari atom gas apa pun. Mari kita kutip di sini kata-kata J. J. Thomson mengenai hal ini: “Hasil dari hal ini, tentu saja, adalah nilai muatan yang tidak bergantung pada sifat gas, karena pembawa muatan untuk setiap gas adalah sama. sinar katoda mewakili wujud materi yang baru, suatu wujud di mana pembelahan materi berlangsung lebih jauh dibandingkan dengan wujud gas biasa, ... materi ini mewakili zat yang menjadi dasar pembuatan semua unsur kimia."

Bahkan sebelum penemuan elektron, J. J. Thomson dengan andal membuktikan sifat sel sinar katoda, yang dianggap oleh banyak ilmuwan terkemuka (Heinrich Hertz, Philip Lenard, dll.) sebagai gelombang elektromagnetik. I. Pulyuy melakukan hal yang sama.

Kemudian (1903), J. J. Thomson mengajukan model atom di mana elektron dimasukkan dalam bentuk partikel individu seperti titik yang mengambang di lingkungan atom yang bermuatan positif terus menerus. Kita harus menyadari betapa sulitnya membayangkan sebuah atom dalam bentuk kekosongan, di mana muatan positif terkonsentrasi dalam volume kecil inti pusat. (Namun model planet serupa telah diusulkan lebih awal oleh ilmuwan Perancis Jean Perrin pada tahun 1901 dan kemudian pada tahun 1904 oleh fisikawan Jepang Hantaro Nagaoka, yang membandingkan elektron dalam sebuah atom dengan cincin di planet Saturnus). J. J. Thomson pada tahun 1904 juga memperkenalkan gagasan bahwa elektron dalam atom dibagi menjadi kelompok-kelompok terpisah dan dengan demikian menentukan periodisitas sifat-sifat unsur kimia. Kecilnya nilai massa elektron diambil sebagai ukuran inersia yang melekat pada medan listrik partikel itu sendiri. Pada awal karir ilmiahnya (1881), J. J. Thomson menunjukkan bahwa bola bermuatan listrik meningkatkan massa inersianya sejumlah tertentu, yang bergantung pada besar muatan dan jari-jari bola, dan dengan demikian ia memperkenalkan konsep massa elektromagnetik. Hubungan yang diperolehnya digunakan untuk memperkirakan ukuran elektron dengan asumsi bahwa seluruh massanya bersifat elektromagnetik. Pendekatan klasik ini menunjukkan bahwa ukuran elektron ratusan ribu kali lebih kecil dari ukuran atom.

Menariknya, penemuan elektron mendahului penemuan proton, yang dipimpin oleh studi sinar saluran dalam tabung Crookes. Ini sinar ditemukan pada tahun 1886 oleh fisikawan Jerman Eugen Holstein (1850-1930) dari pancaran cahaya yang terbentuk pada saluran yang dibuat di katoda.

Pada tahun 1895, J. Perrin menetapkan muatan positif yang dibawa oleh partikel saluran. Fisikawan Jerman Wilhelm Wien (1864-1928) pada tahun 1902, dengan menggunakan pengukuran dalam medan magnet dan listrik bersilangan, menentukan muatan spesifik partikel, yang, ketika tabung diisi dengan hidrogen, sesuai dengan berat ion positif atom hidrogen. .

Penemuan elektron segera mempengaruhi perkembangan fisika selanjutnya. Pada tahun 1898, beberapa ilmuwan (K. Rikke, P. Drude, dan J. Thomson) secara independen mengemukakan konsep elektron bebas dalam logam. Konsep ini kemudian dijadikan dasar teori Drude-Lorentz. A. Poincaré memberi judul karya fundamentalnya tentang teori relativitas “Tentang Dinamika Elektron”. Namun semua ini bukan hanya awal dari perkembangan pesat fisika elektron, tetapi juga awal dari transformasi revolusioner prinsip-prinsip fisika dasar. Dengan ditemukannya elektron, gagasan tentang atom yang tidak dapat dibagi-bagi runtuh, dan setelah itu, gagasan awal tentang teori yang sepenuhnya non-klasik tentang perilaku elektron dalam atom mulai terbentuk.

Selama satu abad terakhir, pentingnya penemuan elektron terus meningkat.

Karya-karyanya dikhususkan untuk mempelajari aliran arus listrik melalui gas yang dijernihkan, studi tentang katoda dan sinar-X, serta fisika atom. Ia juga mengembangkan teori gerak elektron dalam medan magnet dan listrik. Dan pada tahun 1907, ia mengusulkan prinsip pengoperasian spektrometer massa. Atas karyanya pada sinar katoda dan penemuan elektron, ia dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1906.

?Kementerian Pendidikan dan Ilmu Pengetahuan Federasi Rusia
Institusi Pendidikan Anggaran Negara Federal
pendidikan profesional yang lebih tinggi
"Akademi Pedagogi Negeri Sterlitamak
mereka. Zainab Biisheva"
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

Departemen Fisika Umum

Karangan
Sejarah penemuan elektron

Diselesaikan oleh: mahasiswa kelompok FM-52
Saifetdinov Arthur
Diperiksa oleh: Ph.D., Associate Professor Korkeshko O.I.

Sterlitamak 2011 Pendahuluan
Bab I. Latar Belakang Penemuan
Bab II. Penemuan elektron

3.1. percobaan Thomson
3.2. pengalaman Rutherford
3.3. Metode Millikan
3.3.1. Biografi singkat:

3.3.3. Deskripsi instalasi



Kesimpulan
literatur

Perkenalan

ELEKTRON - partikel elementer pertama yang ditemukan; bahan pembawa massa terkecil dan muatan listrik terkecil di alam; komponen suatu atom.
Muatan elektronnya adalah 1,6021892. Kelas 10-19
- 4.803242. 10-10 unit SGSE.
Massa elektron adalah 9,109534. 10-31kg.
Biaya khusus e/me 1.7588047. 1011 sel. kg-1.
Putaran elektron sama dengan 1/2 (dalam satuan h) dan memiliki dua proyeksi ±1/2; elektron mematuhi statistik Fermi-Dirac, fermion. Mereka tunduk pada prinsip pengecualian Pauli.
Momen magnet suatu elektron sama dengan -1,00116 mb, dimana mb adalah magneton Bohr.
Elektron adalah partikel yang stabil. Menurut data eksperimen, umurnya adalah te > 2. 1022 tahun.
Tidak berpartisipasi dalam interaksi kuat, lepton. Fisika modern menganggap elektron sebagai partikel elementer yang tidak memiliki struktur atau ukuran. Jika yang terakhir bukan nol, maka jari-jari elektronnya adalah kembali< 10 -18 м.

Bab I. Latar Belakang Penemuan

Penemuan elektron merupakan hasil dari berbagai percobaan. Pada awal abad ke-20. keberadaan elektron ditetapkan dalam sejumlah percobaan independen. Namun, terlepas dari banyaknya bahan eksperimen yang dikumpulkan oleh seluruh sekolah nasional, elektron tetap menjadi partikel hipotetis, karena pengalaman belum menjawab sejumlah pertanyaan mendasar. Kenyataannya, “penemuan” elektron memakan waktu lebih dari setengah abad dan tidak berakhir pada tahun 1897; Banyak ilmuwan dan penemu ambil bagian di dalamnya.
Pertama-tama, belum ada satu pun eksperimen yang melibatkan elektron individu. Muatan dasar dihitung berdasarkan pengukuran muatan mikroskopis, dengan asumsi validitas sejumlah hipotesis.
Ada ketidakpastian pada poin yang sangat penting. Elektron pertama kali muncul sebagai hasil interpretasi atom terhadap hukum elektrolisis, kemudian ditemukan dalam pelepasan gas. Tidak jelas apakah fisika sebenarnya berhubungan dengan objek yang sama. Sekelompok besar ilmuwan alam yang skeptis percaya bahwa muatan dasar adalah rata-rata statistik dari muatan dengan ukuran paling bervariasi. Selain itu, tidak ada eksperimen yang mengukur muatan elektron yang memberikan nilai yang dapat diulang secara ketat.
Ada orang-orang skeptis yang umumnya mengabaikan penemuan elektron. Akademisi A.F. Ioffe dalam kenangannya tentang gurunya V.K. Roentgene menulis: “Sampai tahun 1906 - 1907. kata elektron seharusnya tidak diucapkan di Institut Fisika Universitas Munich. Roentgen menganggapnya sebagai hipotesis yang tidak terbukti, sering kali digunakan tanpa dasar yang cukup dan tidak perlu.”
Pertanyaan tentang massa elektron belum terselesaikan, dan belum terbukti bahwa muatan pada konduktor dan dielektrik terdiri dari elektron. Konsep “elektron” tidak memiliki interpretasi yang jelas, karena eksperimen tersebut belum mengungkapkan struktur atom (model planet Rutherford muncul pada tahun 1911, dan teori Bohr pada tahun 1913).
Elektron belum masuk ke dalam konstruksi teoritis. Teori elektronik Lorentz menampilkan kepadatan muatan yang terdistribusi secara terus menerus. Teori konduktivitas logam, yang dikembangkan oleh Drude, berhubungan dengan muatan-muatan diskrit, namun muatan-muatan ini bersifat arbitrer, yang nilainya tidak dikenakan batasan apa pun.
Elektron belum meninggalkan kerangka ilmu pengetahuan “murni”. Ingatlah bahwa tabung elektron pertama baru muncul pada tahun 1907. Untuk berpindah dari keyakinan ke keyakinan, pertama-tama perlu mengisolasi elektron dan menemukan metode pengukuran muatan dasar secara langsung dan akurat.
Solusi terhadap masalah ini tidak akan lama lagi. Pada tahun 1752, gagasan keleluasaan muatan listrik pertama kali diungkapkan oleh B. Franklin. Secara eksperimental, keleluasaan muatan dibenarkan oleh hukum elektrolisis, ditemukan oleh M. Faraday pada tahun 1834. Nilai numerik muatan dasar (muatan listrik terkecil yang ditemukan di alam) secara teoritis dihitung berdasarkan hukum elektrolisis menggunakan bilangan Avogadro . Eksperimen langsung pengukuran muatan dasar dilakukan oleh R. Millikan dalam eksperimen klasik yang dilakukan pada tahun 1908 – 1916. Eksperimen ini juga memberikan bukti tak terbantahkan mengenai atomisme listrik. Menurut konsep dasar teori elektronik, muatan suatu benda muncul sebagai akibat dari perubahan jumlah elektron yang terkandung di dalamnya (atau ion positif, yang nilai muatannya merupakan kelipatan muatan elektron). Oleh karena itu, muatan suatu benda harus berubah secara tiba-tiba dan dalam porsi yang mengandung sejumlah muatan elektron bilangan bulat. Setelah secara eksperimental menetapkan sifat diskrit dari perubahan muatan listrik, R. Millikan dapat memperoleh konfirmasi keberadaan elektron dan menentukan nilai muatan satu elektron (muatan unsur) dengan menggunakan metode tetesan minyak. Metode ini didasarkan pada studi tentang pergerakan tetesan minyak bermuatan dalam medan listrik seragam yang diketahui kekuatannya E.

Bab II. Penemuan elektron

Jika kita mengabaikan apa yang mendahului penemuan partikel elementer pertama - elektron, dan apa yang menyertai peristiwa luar biasa ini, kita dapat mengatakan secara singkat: pada tahun 1897, fisikawan Inggris terkenal THOMSON Joseph John (1856-1940) mengukur muatan spesifik q/m partikel sinar katoda - “sel darah”, begitu ia menyebutnya, berdasarkan pembelokan sinar katoda *) dalam medan listrik dan magnet.
Dengan membandingkan bilangan yang diperoleh dengan muatan spesifik ion hidrogen monovalen yang diketahui pada saat itu, melalui penalaran tidak langsung, ia sampai pada kesimpulan bahwa massa partikel-partikel ini, yang kemudian diberi nama “elektron”, jauh lebih kecil (lebih dari seribu kali) dibandingkan massa ion hidrogen yang paling ringan.
Pada tahun yang sama, 1897, ia berhipotesis bahwa elektron adalah bagian integral dari atom, dan sinar katoda bukanlah atom atau radiasi elektromagnetik, seperti yang diyakini oleh beberapa peneliti sifat-sifat sinar. Thomson menulis: "Jadi, sinar katoda melambangkan wujud materi baru, yang pada hakikatnya berbeda dari wujud gas biasa...; dalam wujud baru ini materi adalah zat yang membentuk semua unsur."
Sejak tahun 1897, model sel darah sinar katoda mulai diterima secara umum, meskipun terdapat beragam pendapat tentang sifat listrik. Jadi, fisikawan Jerman E. Wichert percaya bahwa “listrik adalah sesuatu yang imajiner, yang sebenarnya hanya ada dalam pikiran,” dan fisikawan Inggris terkenal Lord Kelvin pada tahun yang sama, 1897, menulis tentang listrik sebagai semacam “fluida kontinu”.
Gagasan Thomson tentang sel-sel sinar katoda sebagai komponen dasar atom tidak disambut dengan antusias. Beberapa rekannya berpikir bahwa dia telah membuat bingung mereka ketika dia menyarankan agar partikel sinar katoda dianggap sebagai komponen atom. Peran sebenarnya sel-sel Thomson dalam struktur atom dapat dipahami melalui kombinasi dengan hasil penelitian lain, khususnya dengan hasil analisis spektrum dan studi radioaktivitas.
Pada tanggal 29 April 1897, Thomson menyampaikan pesannya yang terkenal pada pertemuan Royal Society of London. Waktu pasti penemuan elektron - hari dan jam - tidak dapat disebutkan namanya karena keunikannya. Peristiwa ini merupakan hasil kerja bertahun-tahun Thomson dan karyawannya. Baik Thomson maupun orang lain belum pernah benar-benar mengamati elektron, dan belum ada orang yang mampu mengisolasi satu partikel pun dari seberkas sinar katoda dan mengukur muatan spesifiknya. Penulis penemuan ini adalah J.J. Thomson karena gagasannya tentang elektron mirip dengan gagasan modern. Pada tahun 1903, ia mengusulkan salah satu model atom pertama - “puding kismis”, dan pada tahun 1904 ia mengusulkan agar elektron dalam atom dibagi menjadi beberapa kelompok, membentuk konfigurasi berbeda yang menentukan periodisitas unsur kimia.
Lokasi penemuannya diketahui secara pasti - Laboratorium Cavendish (Cambridge, Inggris). Dibuat pada tahun 1870 oleh J.C. Maxwell, selama seratus tahun berikutnya ia menjadi “tempat lahir” dari seluruh rangkaian penemuan brilian di berbagai bidang fisika, terutama fisika atom dan nuklir. Direkturnya adalah: Maxwell J.K. - dari tahun 1871 hingga 1879, Lord Rayleigh - dari tahun 1879 hingga 1884, Thomson J.J. - dari tahun 1884 hingga 1919, Rutherford E. - dari tahun 1919 hingga 1937, Bragg L. - dari tahun 1938 hingga 1953; Wakil Direktur 1923-1935 - Chadwick J.
Penelitian eksperimental ilmiah dilakukan oleh seorang ilmuwan atau sekelompok kecil dalam suasana eksplorasi kreatif. Lawrence Bragg kemudian mengenang karyanya pada tahun 1913 bersama ayahnya, Henry Bragg: “Itu adalah saat yang indah ketika hasil baru yang menarik diperoleh hampir setiap minggu, seperti penemuan area penghasil emas baru di mana nugget dapat diambil langsung dari tanah. . Ini berlanjut hingga awal perang*), yang menghentikan kerja sama kami."

Bab III Metode penemuan elektron

3.1. percobaan Thomson

Joseph John Thomson Joseph John Thomson, 1856–1940 fisikawan Inggris, lebih dikenal sebagai J. J. Thomson. Lahir di Cheetham Hill, pinggiran kota Manchester, dalam keluarga pedagang barang antik bekas. Pada tahun 1876 ia memenangkan beasiswa ke Cambridge. Pada tahun 1884-1919, ia menjadi profesor di Departemen Fisika Eksperimental di Universitas Cambridge dan, secara bersamaan, menjadi kepala Laboratorium Cavendish, yang melalui upaya Thomson, menjadi salah satu pusat penelitian paling terkenal di dunia. Pada saat yang sama, pada tahun 1905-1918, ia menjadi profesor di Royal Institute di London. Pemenang Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1906 dengan kata-kata “untuk studinya tentang aliran listrik melalui gas,” yang tentu saja mencakup penemuan elektron. Putra Thomson, George Paget Thomson (1892-1975) juga akhirnya menjadi peraih Nobel bidang fisika - pada tahun 1937 atas penemuan eksperimental difraksi elektron oleh kristal.
Pada tahun 1897, fisikawan muda Inggris J. J. Thomson menjadi terkenal selama berabad-abad sebagai penemu elektron. Dalam eksperimennya, Thomson menggunakan tabung sinar katoda yang ditingkatkan, yang desainnya dilengkapi dengan kumparan listrik yang menciptakan (menurut hukum Ampere) medan magnet di dalam tabung, dan satu set pelat kapasitor listrik paralel yang menciptakan medan listrik di dalamnya. tabung. Berkat ini, menjadi mungkin untuk mempelajari perilaku sinar katoda di bawah pengaruh medan magnet dan listrik.
Dengan menggunakan desain tabung baru, Thomson menunjukkan secara berturut-turut bahwa: (1) sinar katoda dibelokkan dalam medan magnet tanpa adanya medan listrik; (2) sinar katoda dibelokkan dalam medan listrik tanpa adanya medan magnet; dan (3) di bawah aksi simultan medan listrik dan magnet dengan intensitas seimbang, berorientasi pada arah yang secara terpisah menyebabkan penyimpangan dalam arah yang berlawanan, sinar katoda merambat secara bujursangkar, yaitu aksi kedua medan tersebut saling seimbang.
Thomson menemukan bahwa hubungan antara medan listrik dan medan magnet yang seimbang pengaruhnya bergantung pada kecepatan pergerakan partikel. Setelah melakukan serangkaian pengukuran, Thomson mampu menentukan kecepatan gerak sinar katoda. Ternyata mereka bergerak jauh lebih lambat daripada kecepatan cahaya, yang berarti sinar katoda hanya bisa berupa partikel, karena radiasi elektromagnetik apa pun, termasuk cahaya itu sendiri, merambat dengan kecepatan cahaya (lihat Spektrum radiasi elektromagnetik). Partikel yang tidak diketahui ini. Thomson menyebutnya “sel darah”, namun kemudian dikenal sebagai “elektron”.
Segera menjadi jelas bahwa elektron harus ada dalam atom - jika tidak, dari mana asalnya? 30 April 1897 - tanggal laporan Thomson tentang hasilnya pada pertemuan Royal Society of London - dianggap sebagai hari lahir elektron. Dan pada hari ini gagasan tentang “ketidakterpisahan” atom menjadi sesuatu dari masa lalu (lihat Teori atom tentang struktur materi). Bersamaan dengan penemuan inti atom sepuluh tahun kemudian (lihat eksperimen Rutherford), penemuan elektron meletakkan dasar bagi model atom modern.
Tabung “katoda” yang dijelaskan di atas, atau lebih tepatnya, tabung sinar katoda, menjadi pendahulu paling sederhana dari tabung gambar televisi modern dan monitor komputer, di mana jumlah elektron yang dikontrol secara ketat dikeluarkan dari permukaan katoda panas, di bawah pengaruh medan magnet bolak-balik, mereka dibelokkan pada sudut yang ditentukan secara ketat dan membombardir sel-sel berpendar pada layar, membentuk gambar jelas yang dihasilkan dari efek fotolistrik, yang penemuannya juga tidak mungkin dilakukan tanpa pengetahuan kita tentang sifat sebenarnya dari katoda. sinar.

3.2. pengalaman Rutherford

Ernest Rutherford, Baron Rutherford Pertama dari Nelson, 1871–1937 fisikawan Selandia Baru. Lahir di Nelson, putra seorang pengrajin petani. Memenangkan beasiswa untuk belajar di Universitas Cambridge di Inggris. Setelah lulus, ia diangkat ke Universitas McGill Kanada, di mana, bersama dengan Frederick Soddy (1877–1966), ia menetapkan hukum dasar fenomena radioaktivitas, sehingga ia dianugerahi Hadiah Nobel Kimia pada tahun 1908. Segera ilmuwan tersebut pindah ke Universitas Manchester, di mana, di bawah kepemimpinannya, Hans Geiger (1882–1945) menemukan penghitung Geiger yang terkenal, mulai meneliti struktur atom, dan pada tahun 1911 menemukan keberadaan inti atom. Selama Perang Dunia Pertama, ia terlibat dalam pengembangan sonar (radar akustik) untuk mendeteksi kapal selam musuh. Pada tahun 1919 ia diangkat sebagai profesor fisika dan direktur Laboratorium Cavendish di Universitas Cambridge dan pada tahun yang sama menemukan peluruhan nuklir akibat pemboman partikel berat berenergi tinggi. Rutherford tetap dalam posisi ini sampai akhir hayatnya, sekaligus menjadi presiden Royal Scientific Society selama bertahun-tahun. Ia dimakamkan di Westminster Abbey di sebelah Newton, Darwin dan Faraday.
Ernest Rutherford adalah seorang ilmuwan unik dalam artian ia membuat penemuan utamanya setelah menerima Hadiah Nobel. Pada tahun 1911, ia berhasil melakukan eksperimen yang tidak hanya memungkinkan para ilmuwan mengintip jauh ke dalam atom dan mendapatkan wawasan tentang strukturnya, namun juga menjadi model keanggunan dan kedalaman desain.

Menggunakan sumber radiasi radioaktif alami, Rutherford membuat meriam yang menghasilkan aliran partikel yang terarah dan terfokus. Pistolnya berupa kotak timah dengan celah sempit, di dalamnya ditempatkan bahan radioaktif. Oleh karena itu, partikel (dalam hal ini partikel alfa, terdiri dari dua proton dan dua neutron) yang dipancarkan oleh zat radioaktif ke segala arah kecuali satu diserap oleh layar timah, dan hanya berkas partikel alfa terarah yang dilepaskan melalui celah tersebut. .
Lebih jauh di sepanjang jalur berkas terdapat beberapa layar timah dengan celah sempit yang memotong partikel yang menyimpang dari arah yang ditentukan secara ketat. Hasilnya, seberkas partikel alfa yang terfokus sempurna terbang menuju sasaran, dan sasarannya sendiri adalah selembar kertas emas tipis. Itu adalah sinar alfa yang menerpa dirinya. Setelah bertabrakan dengan atom foil, partikel alfa melanjutkan jalurnya dan mengenai layar bercahaya yang dipasang di belakang target, di mana kilatan cahaya terekam ketika partikel alfa menghantamnya. Dari mereka, peneliti dapat menilai berapa kuantitas dan berapa banyak partikel alfa yang menyimpang dari arah gerak bujursangkar akibat tumbukan dengan atom foil.
Rutherford, bagaimanapun, mencatat bahwa tidak ada pendahulunya yang mencoba menguji secara eksperimental apakah beberapa partikel alfa dibelokkan pada sudut yang sangat besar. Model kisi kismis tidak memungkinkan adanya elemen struktural dalam atom yang begitu padat dan berat sehingga dapat membelokkan partikel alfa cepat pada sudut yang signifikan, jadi tidak ada yang mau menguji kemungkinan ini. Rutherford meminta salah satu muridnya untuk melengkapi kembali instalasi sedemikian rupa sehingga memungkinkan untuk mengamati hamburan partikel alfa pada sudut defleksi yang besar - hanya untuk menjernihkan hati nuraninya, untuk akhirnya mengecualikan kemungkinan ini. Detektornya berupa layar yang dilapisi dengan natrium sulfida, bahan yang menghasilkan kilatan fluoresen ketika partikel alfa menghantamnya. Bayangkan betapa terkejutnya bukan hanya siswa yang langsung melakukan percobaan tersebut, tetapi juga Rutherford sendiri ketika ternyata beberapa partikel dibelokkan dengan sudut hingga 180°!
Gambaran atom yang digambar oleh Rutherford berdasarkan hasil eksperimennya sudah kita kenal sekarang. Sebuah atom terdiri dari inti yang sangat padat dan kompak yang membawa muatan positif, dan elektron cahaya bermuatan negatif di sekitarnya. Belakangan, para ilmuwan memberikan landasan teori yang dapat diandalkan untuk gambaran ini (lihat Atom Bohr), tetapi semuanya dimulai dengan eksperimen sederhana dengan sampel kecil bahan radioaktif dan sepotong kertas emas.

3.3. Metode Millikan

3.3.1. Biografi singkat:

Robert Milliken lahir pada tahun 1868 di Illinois dalam keluarga pendeta miskin. Dia menghabiskan masa kecilnya di kota provinsi Maquoketa, di mana banyak perhatian diberikan pada olahraga dan pengajaran yang buruk. Misalnya, seorang kepala sekolah menengah atas yang mengajar fisika berkata kepada murid-muridnya, ”Bagaimana mungkin bunyi dapat dihasilkan dari gelombang? Omong kosong, kawan, itu semua omong kosong!”
Oberdeen College juga tidak lebih baik, tetapi Milliken, yang tidak memiliki dukungan finansial, harus mengajar fisika di sekolah menengah sendiri. Di Amerika pada waktu itu hanya ada dua buku pelajaran fisika yang diterjemahkan dari bahasa Perancis, dan pemuda berbakat tersebut tidak mengalami kesulitan dalam mempelajari dan mengajarnya dengan sukses. Pada tahun 1893 ia masuk Universitas Columbia, kemudian melanjutkan studi di Jerman.
Milliken berusia 28 tahun ketika menerima tawaran dari A. Michelson untuk mengambil posisi asisten di Universitas Chicago. Pada awalnya, ia terlibat di sini hampir secara eksklusif dalam pekerjaan pedagogis, dan hanya pada usia empat puluh ia memulai penelitian ilmiah, yang membuatnya terkenal di dunia.

3.3.2. Pengalaman pertama dan solusi masalah

Eksperimen pertama diringkas sebagai berikut. Di antara pelat kapasitor datar, yang diberi tegangan 4000 V, terciptalah awan, terdiri dari tetesan air yang diendapkan pada ion. Pertama, puncak awan teramati turun tanpa adanya medan listrik. Kemudian terciptalah awan saat tegangan dihidupkan. Jatuhnya awan terjadi karena pengaruh gravitasi dan gaya listrik.
Rasio gaya yang bekerja pada jatuhnya awan dengan kecepatan yang diperolehnya adalah sama pada kasus pertama dan kedua. Dalam kasus pertama, gayanya sama dengan mg, dalam kasus kedua mg + qE, di mana q adalah muatan jatuh, E adalah kuat medan listrik. Jika kecepatan pada kasus pertama adalah?1 pada kasus kedua?2, maka

Mengetahui ketergantungan kecepatan jatuhnya awan? dari viskositas udara, kita dapat menghitung muatan yang dibutuhkan q. Namun, metode ini tidak memberikan keakuratan yang diinginkan karena mengandung asumsi hipotetis di luar kendali pelaku eksperimen.
Untuk meningkatkan keakuratan pengukuran, pertama-tama perlu ditemukan cara untuk memperhitungkan penguapan awan, yang pasti terjadi selama proses pengukuran.
Berkaca pada masalah ini, Millikan menemukan metode drop klasik yang membuka sejumlah kemungkinan tak terduga. Kami akan membiarkan penulisnya sendiri menceritakan kisah penemuannya:
“Menyadari bahwa laju penguapan tetesan masih belum diketahui, saya mencoba menemukan metode yang sepenuhnya menghilangkan nilai ketidakpastian ini. Rencana saya adalah sebagai berikut. Dalam percobaan sebelumnya, medan listrik hanya dapat sedikit meningkatkan atau menurunkan kecepatan jatuhnya puncak awan di bawah pengaruh gravitasi. Sekarang saya ingin memperkuat bidang ini sedemikian rupa sehingga permukaan atas awan tetap berada pada ketinggian yang konstan. Dalam hal ini, laju penguapan awan dapat ditentukan secara akurat dan diperhitungkan dalam perhitungan.”
Untuk mengimplementasikan ide ini, Millikan merancang baterai isi ulang berukuran kecil yang menghasilkan tegangan hingga 104 V (untuk saat itu merupakan pencapaian luar biasa dari seorang peneliti). Hal ini harus menciptakan medan yang cukup kuat untuk menahan awan, seperti “peti mati Muhammad”. “Saat semuanya sudah siap,” kata Milliken, dan saat awan terbentuk, saya memutar saklarnya, dan awan itu berada dalam medan listrik. Dan pada saat itu ia meleleh di depan mata saya, dengan kata lain, tidak ada satu pun bagian kecil yang tersisa dari keseluruhan awan yang dapat diamati dengan bantuan instrumen kontrol optik, seperti yang dilakukan dan akan saya lakukan oleh Wilson. Bagiku pada mulanya, lenyapnya awan tanpa jejak di medan listrik antara lempeng atas dan bawah berarti eksperimen tersebut berakhir tanpa hasil…” Namun, seperti yang sering terjadi dalam sejarah ilmu pengetahuan, kegagalan memberikan hasil. memunculkan ide baru. Hal ini menyebabkan metode drop yang terkenal. “Eksperimen yang berulang-ulang,” tulis Millikan, “menunjukkan bahwa setelah awan menghilang dalam medan listrik yang kuat, beberapa tetes air dapat dibedakan sebagai gantinya” (penekanan ditambahkan oleh saya - V.D.). Eksperimen yang “tidak berhasil” ini mengarah pada penemuan kemungkinan menjaga keseimbangan tetesan individu dan mengamatinya dalam waktu yang cukup lama.
Namun selama pengamatan, massa setetes air berubah secara signifikan akibat penguapan, dan Millikan, setelah berhari-hari mencari, beralih ke eksperimen dengan tetesan minyak.
Prosedur percobaannya ternyata sederhana. Ekspansi adiabatik membentuk awan di antara pelat kapasitor. Ini terdiri dari tetesan dengan muatan yang besarnya dan tandanya berbeda. Ketika medan listrik dihidupkan, tetesan dengan muatan yang sama dengan muatan pelat atas kapasitor dengan cepat jatuh, dan tetesan dengan muatan yang berlawanan ditarik oleh pelat atas. Namun sejumlah tetes tertentu memiliki muatan sedemikian rupa sehingga gaya gravitasinya seimbang dengan gaya listrik.
Setelah 7 atau 8 menit. awan menghilang, dan sejumlah kecil tetesan tetap berada di bidang pandang, yang muatannya sesuai dengan keseimbangan kekuatan yang ditunjukkan.
Millikan mengamati tetesan ini sebagai titik terang yang berbeda. “Sejarah tetesan ini biasanya berjalan seperti ini,” tulisnya. “Dalam kasus dominasi gravitasi yang kecil terhadap gaya medan, tetesan tersebut mulai turun secara perlahan, namun karena perlahan-lahan menguap, pergerakan ke bawah mereka segera berhenti, dan tetesan tersebut menjadi tidak bergerak untuk waktu yang cukup lama.” Kemudian lapangan mulai mendominasi dan tetesan air mulai naik perlahan. Pada akhir masa hidup mereka di ruang antar lempeng, pergerakan ke atas ini menjadi sangat cepat, dan mereka tertarik dengan kecepatan tinggi ke lempeng atas.”

3.3.3. Deskripsi instalasi

Diagram instalasi Millikan, yang hasil menentukannya diperoleh pada tahun 1909, ditunjukkan pada Gambar 17.
Sebuah kapasitor datar yang terbuat dari pelat kuningan bulat M dan N dengan diameter 22 cm (jarak antara keduanya 1,6 cm) ditempatkan dalam ruang C. Sebuah lubang kecil p dibuat di tengah pelat atas, tempat tetesan minyak mengalir. Yang terakhir ini dibentuk dengan menyuntikkan aliran minyak menggunakan penyemprot. Udara sebelumnya dibersihkan dari debu dengan mengalirkannya melalui pipa yang diberi wol kaca. Tetesan minyak tersebut berdiameter sekitar 10-4 cm.
Tegangan 104 V dialirkan dari baterai B ke pelat-pelat kapasitor, dengan menggunakan saklar dapat terjadi hubungan arus pendek pada pelat-pelat tersebut dan hal ini akan merusak medan listrik.
Tetesan minyak yang jatuh di antara lempeng M dan N disinari oleh sumber yang kuat. Perilaku tetesan diamati tegak lurus terhadap arah sinar melalui teleskop.
Ion-ion yang diperlukan untuk kondensasi tetesan dihasilkan oleh radiasi dari sepotong radium seberat 200 mg, yang terletak pada jarak 3 hingga 10 cm dari sisi pelat.
Menggunakan alat khusus, menurunkan piston melebarkan gas. 1 - 2 detik setelah pemuaian, radium dihilangkan atau dikaburkan oleh saringan timah. Kemudian medan listrik dinyalakan dan pengamatan tetesan air melalui teleskop dimulai. Pipa tersebut memiliki skala yang memungkinkan untuk menghitung jalur yang dilalui tetesan air selama periode waktu tertentu. Waktu dicatat menggunakan jam akurat dengan kunci.
Selama pengamatannya, Millikan menemukan sebuah fenomena yang menjadi kunci bagi seluruh rangkaian pengukuran tepat selanjutnya dari muatan dasar individu.
“Saat mengerjakan tetesan suspensi,” tulis Millikan, “Saya beberapa kali lupa melindunginya dari sinar radium. Kemudian saya kebetulan memperhatikan bahwa dari waktu ke waktu salah satu tetesan tiba-tiba berubah muatannya dan mulai bergerak sepanjang medan atau melawannya, tampaknya dalam kasus pertama menangkap ion positif, dan dalam kasus kedua ion negatif. Hal ini membuka kemungkinan untuk mengukur secara andal tidak hanya muatan setiap tetes, seperti yang telah saya lakukan sampai saat itu, tetapi juga muatan ion atmosfer individu.
Memang benar, dengan mengukur kecepatan tetesan yang sama dua kali, sekali sebelum dan sekali setelah penangkapan ion, saya jelas dapat mengecualikan sepenuhnya sifat-sifat tetesan dan sifat-sifat medium dan beroperasi dengan nilai yang hanya sebanding dengan muatannya. ion yang ditangkap.”

3.3.4. Perhitungan Biaya Dasar

Biaya dasar dihitung oleh Millikan berdasarkan pertimbangan berikut. Kecepatan pergerakan suatu tetesan sebanding dengan gaya yang bekerja padanya dan tidak bergantung pada muatan tetesan tersebut.
Jika setetes air jatuh di antara pelat kapasitor di bawah pengaruh gravitasi saja dengan kecepatan?, maka
?1=kmg (1)

Ketika medan yang berlawanan dengan gravitasi dihidupkan, gaya yang bekerja akan menjadi selisih qE - mg, di mana q adalah muatan jatuh, E adalah modulus kuat medan.
Kecepatan jatuhnya akan sama dengan:
?2 =k(qE-mg) (2)

Jika kita membagi persamaan (1) dengan (2), kita peroleh

Dari sini
(3)

Misalkan tetesan tersebut menangkap sebuah ion dan muatannya menjadi sama dengan q", dan kecepatan geraknya? 2. Mari kita nyatakan muatan ion yang ditangkap ini dengan e.
Maka e= q"- q.
Menggunakan (3), kita dapatkan

Nilainya konstan untuk setetes tertentu.

3.3.5. Kesimpulan dari metode Millikan

Akibatnya, muatan apa pun yang ditangkap oleh setetes air akan sebanding dengan perbedaan kecepatannya (?2 - ?2), dengan kata lain, sebanding dengan perubahan kecepatan jatuhnya akibat penangkapan ion! muatan dasar direduksi menjadi pengukuran lintasan yang ditempuh oleh jatuhnya dan waktu yang ditempuh lintasan tersebut.Banyak pengamatan yang menunjukkan keabsahan rumus (4) Ternyata nilai e hanya dapat berubah secara tiba-tiba! e, 2e, 3e, 4e, dst. selalu diamati.
“Dalam banyak kasus,” tulis Millikan, “penurunan tersebut diamati selama lima atau enam jam, dan selama waktu tersebut ia menangkap bukan delapan atau sepuluh ion, tetapi ratusan ion. Secara total, saya telah mengamati penangkapan ribuan ion dengan cara ini, dan dalam semua kasus, muatan yang ditangkap... sama persis dengan muatan terkecil yang ditangkap, atau sama dengan kelipatan bilangan bulat kecil dari muatan tersebut. nilai. Ini adalah bukti langsung dan tak terbantahkan bahwa elektron bukanlah “rata-rata statistik”, namun bahwa semua muatan listrik pada ion sama persis dengan muatan elektron atau mewakili kelipatan bilangan bulat kecil dari muatan tersebut.”
Jadi, atomisitas, keleluasaan atau, dalam bahasa modern, kuantisasi muatan listrik telah menjadi fakta eksperimental. Sekarang penting untuk menunjukkan bahwa elektron, bisa dikatakan, ada di mana-mana. Muatan listrik apa pun dalam suatu benda adalah jumlah dari muatan-muatan dasar yang sama.
Metode Millikan memungkinkan jawaban yang jelas untuk pertanyaan ini. Dalam percobaan pertama, muatan diciptakan melalui ionisasi molekul gas netral oleh aliran radiasi radioaktif. Muatan ion yang ditangkap oleh tetesan diukur.
Ketika cairan disemprotkan dengan botol semprot, tetesannya menjadi tersengat listrik karena gesekan. Hal ini sudah diketahui pada abad ke-19. Apakah muatan-muatan ini juga terkuantisasi, seperti muatan ion? Millikan "menimbang" tetesan setelah penyemprotan dan mengukur muatannya dengan cara yang dijelaskan di atas. Pengalaman mengungkapkan keleluasaan muatan listrik yang sama.
Selanjutnya, identitas muatan listrik pada benda dengan sifat fisik berbeda ditunjukkan.
Menaburkan tetesan minyak (dielektrik), gliserin (semikonduktor), merkuri (konduktor), Millikan membuktikan bahwa muatan pada benda dengan sifat fisik apa pun, tanpa kecuali, terdiri dari bagian-bagian dasar individu dengan besaran yang sangat konstan. Pada tahun 1913, Millikan merangkum hasil berbagai percobaan dan memberikan nilai muatan dasar sebagai berikut: e = 4.774.10-10 satuan. biaya SGSE. Ini adalah bagaimana salah satu konstanta terpenting dalam fisika modern ditetapkan. Menentukan muatan listrik menjadi soal aritmatika sederhana.

3.4. Metode pencitraan Compton

Penemuan C.T.R. berperan besar dalam memperkuat gagasan tentang realitas elektron. Wilson, efek kondensasi uap air pada ion, yang mengarah pada kemungkinan memotret jejak partikel.
Mereka mengatakan bahwa A. Compton selama kuliahnya tidak dapat meyakinkan pendengar yang skeptis tentang realitas keberadaan mikropartikel. Dia bersikeras bahwa dia akan percaya hanya setelah melihatnya dengan matanya sendiri.
Kemudian Compton menunjukkan foto jejak partikel, di sebelahnya terdapat sidik jari. “Apakah kamu tahu apa ini?” - tanya Compton. “Jari,” jawab pendengar. “Kalau begitu,” kata Compton dengan sungguh-sungguh, “garis bercahaya ini adalah partikelnya.”
Foto jejak elektron tidak hanya membuktikan realitas elektron. Mereka membenarkan asumsi kecilnya ukuran elektron dan memungkinkan untuk membandingkan hasil perhitungan teoritis, termasuk jari-jari elektron, dengan eksperimen. Eksperimen yang dimulai dengan studi Lenard tentang daya tembus sinar katoda menunjukkan bahwa elektron yang sangat cepat yang dipancarkan zat radioaktif menghasilkan jejak di dalam gas dalam bentuk garis lurus. Panjang lintasan sebanding dengan energi elektron. Foto jejak partikel berenergi tinggi menunjukkan bahwa jejak tersebut terdiri dari sejumlah besar titik. Setiap titik merupakan tetesan air yang muncul pada ion, yang terbentuk akibat tumbukan elektron dengan atom. Mengetahui dimensi atom dan konsentrasinya, kita dapat menghitung jumlah atom yang harus dilalui suatu partikel pada jarak tertentu. Perhitungan sederhana menunjukkan bahwa?-partikel
dll.................

Hipotesis tentang keberadaan atom, partikel-partikel yang tidak dapat dibagi-bagi, yang berbagai konfigurasinya dalam kehampaan membentuk dunia objektif di sekitar kita, sudah setua peradaban kita:

“Alam menguraikan segala sesuatu menjadi tubuh dasar.”

Atom Newton yang padat, bermassa, dan tidak dapat dibagi lagi; atom dalam teori kinetik, yang energi kinetik rata-ratanya diidentikkan dengan suhu benda; atom dalam kimia, kombinasi harmonisnya ditemukan dalam reaksi kimia; atom hidrogen, dari berbagai kombinasi di mana Prout menyusun semua elemennya. Konsep atom telah ada setidaknya selama 25 abad, meskipun sering kali diabaikan atau ditekan.

Tapi apa itu atom? Dan apa arti pertanyaan ini? Pada akhir abad ke-19, ketika penciptaan teori klasik selesai dan sarana teknis baru muncul, semuanya sudah ada

Pertanyaan lama mulai terdengar lebih mendesak: apa sifat atom? Tema ini dan variasinya menjadi motif utama fisika abad ke-20.

Pada akhir abad kesembilan belas, banyak percobaan dilakukan untuk mempelajari pelepasan listrik pada gas yang dijernihkan. Pelepasan tersebut tereksitasi (melalui koil induksi atau mesin elektrostatik, menciptakan perbedaan potensial yang besar) antara elektroda negatif, yang disebut katoda, dan elektroda positif, yang disebut anoda, kedua elektroda tersebut disegel di dalam tabung kaca tempat udara mengalir. dievakuasi. Ketika udara di dalam tabung menjadi cukup tipis, wilayah gelap di sekitar katoda, yang dikenal sebagai titik gelap Crookes, secara bertahap meluas hingga mencapai ujung tabung, yang kemudian mulai bersinar, warna cahayanya tergantung pada jenis kaca dari mana tabung itu dibuat.

Jika berbagai saringan dimasukkan ke dalam tabung, misalnya seperti pada Gambar. 62, maka titik kecil yang terletak di ujung tabung akan bercahaya, seolah-olah ada sesuatu yang melewati lubang-lubang pada layar dan mencapai kaca sehingga menyebabkannya bersinar. Sesuatu ini disebut sinar katoda.

Pada akhir abad kesembilan belas terjadi perdebatan sengit mengenai sifat sinar ini. Beberapa orang percaya bahwa sinar, seperti cahaya, berasal dari proses di eter; yang lain percaya bahwa mereka terdiri dari partikel bermuatan listrik. Pada tahun 1895, Jean Perrin berhasil mengumpulkan sinar-sinar ini dalam wadah yang terisolasi dan membuktikan bahwa sinar-sinar tersebut membawa muatan negatif. Tak lama kemudian, J. J. Thomson melakukan eksperimen klasiknya, di mana ia pertama kali mengidentifikasi sinar katoda dengan partikel yang kemudian disebut elektron. Dia menulis:

“Eksperimen yang dijelaskan dalam artikel ini dilakukan dengan tujuan untuk memperoleh beberapa informasi tentang sifat sinar katoda. Ada sudut pandang yang sangat berlawanan mengenai sinar ini; menurut pendapat yang hampir bulat dari fisikawan Jerman, hal ini disebabkan oleh beberapa jenis proses di eter, yang - karena fakta bahwa jalurnya dalam medan magnet seragam tidak lurus, tetapi melingkar - tidak memiliki analogi di mana pun. fenomena yang diamati sebelumnya; berdasarkan

Pendapat lain adalah bahwa sinar-sinar ini bukan berasal dari benda halus, melainkan berasal dari materi dan hanyalah aliran partikel materi yang bermuatan listrik negatif.”

Ara. 63. Diagram instalasi Thomson (diambil dari).

Dengan menciptakan medan listrik antara pelat yang ditunjukkan pada Gambar. 63 huruf dan atau medan magnet yang arahnya tegak lurus terhadap arah rambat sinar, Thomson mengamati perpindahan titik bercahaya di ujung tabung; Semakin kuat medan listrik atau magnetnya, semakin banyak titik yang bergeser. Setelah memastikan bahwa fenomena ini tidak bergantung pada jenis gas yang ada di dalam tabung, Thomson menulis:

“Karena sinar katoda membawa muatan negatif, dibelokkan oleh gaya elektrostatis seolah-olah bermuatan negatif, dan bereaksi terhadap gaya magnet dengan cara yang sama seperti benda bermuatan negatif yang bergerak sepanjang garis rambat sinar bereaksi terhadapnya, Saya tidak bisa tidak sampai pada kesimpulan bahwa sinar katoda adalah muatan listrik negatif yang dibawa oleh partikel-partikel materi. Lalu timbul pertanyaan: partikel apakah ini? Apakah mereka atom, molekul, atau materi dalam keadaan pemisahan yang lebih halus? Untuk menjelaskan pertanyaan ini, saya melakukan sejumlah pengukuran rasio massa partikel-partikel ini dengan jumlah muatan yang dibawanya.”

Dalam hal ini, gaya yang bekerja pada partikel bermuatan dari medan magnet B tegak lurus terhadap arah geraknya:

Jika misalnya suatu partikel bermuatan negatif dan medan listrik diarahkan menjauhi, maka gaya listrik akan membelokkan partikel tersebut ke bawah. Gaya magnet yang bekerja pada suatu partikel yang bergerak dalam medan magnet yang diarahkan seperti ditunjukkan pada Gambar. 64, akan membelokkan partikel ke atas: Oleh karena itu, dengan memilih kekuatan medan listrik dan magnet sehingga titik cahaya tetap tidak berpindah tempat, Thomson dengan demikian menyamakan gaya yang bekerja pada partikel dari medan listrik dan magnet:

Dari sini dia mempelajari kecepatan partikel hipotetis. Kemudian, dengan mematikan medan listrik dan memvariasikan kekuatan medan magnet, ia dapat mengubah besar defleksi partikel di ujung tabung. Mengetahui waktu selama partikel berada dalam medan magnet (karena dia mengetahui kecepatannya), Thomson dapat menghitung pengaruh medan ini terhadap partikel tersebut. Dari sini, dari deviasi yang diukur, ia dapat menentukan rasio muatan partikel terhadap massanya.

Dia akhirnya sampai pada rasio massa terhadap muatan berikut untuk partikel hipotetisnya:

Thomson menyimpulkan:

“Dari pengukuran tersebut terlihat jelas bahwa nilainya tidak bergantung pada sifat gas, dan nilainya sangat kecil dibandingkan dengan nilai yang merupakan nilai terkecil yang diketahui sebelumnya untuk rasio ini dan berkaitan dengan ion hidrogen yang berpartisipasi dalam elektrolisis. .

Dengan demikian, besarnya rasio pembawa listrik pada sinar katoda secara signifikan lebih kecil dibandingkan nilai yang terkait pada elektrolisis. Kecilnya bisa dijelaskan karena kecilnya atau besarnya signifikansinya, atau oleh kedua-duanya pada saat yang bersamaan.”

Pembawa listrik ini, partikel penyusun aktif sinar katoda, akhirnya disebut elektron, yang merupakan partikel elementer pertama pada abad ke-20.

Thomson kemudian menulis:

“Upaya pertama saya untuk membelokkan berkas sinar katoda adalah dengan melewatkannya di antara dua pelat logam paralel yang dipasang di dalam tabung pelepasan dan membangkitkan medan listrik di antara pelat-pelat tersebut. Saya tidak dapat memperoleh defleksi reguler dengan cara ini... Kurangnya defleksi disebabkan oleh adanya gas di dalam tabung (tekanan tetap terlalu tinggi), sehingga perlu diperoleh ruang hampa yang lebih tinggi. Namun hal ini lebih mudah diucapkan daripada dilakukan. Teknik mendapatkan vakum tinggi pada masa itu masih dalam tahap awal."

Bukan untuk pertama kalinya pelaksanaan eksperimen yang menentukan tidak menemui kesulitan konsep ideologisnya, tetapi kurangnya sarana teknis yang diperlukan.

Setelah pengukuran Thomson, sangat penting untuk menentukan besarnya muatan atau massa partikel-partikel ini secara terpisah. Muatan ion-ion gas, yang sebelumnya diukur di laboratorium Thomson, adalah kira-kira. Dengan asumsi bahwa muatan ion-ion ini sama dengan muatan yang dibawa oleh partikel katoda, tidak sulit untuk menunjukkan bahwa massa partikel-partikel ini sangat kecil:

Pada tahun-tahun itu, Thomson menyebut partikel katoda sebagai “sel darah”, atau atom primordial; kata "elektron" digunakan olehnya untuk menunjukkan jumlah muatan yang dibawa oleh "sel darah". Namun seiring berjalannya waktu, partikel itu sendiri mulai disebut elektron. Jauh kemudian (pada tahun 1909), Millikan, mengukur jumlah muatan pada tetesan minyak, menetapkan bahwa muatan dasar (diasumsikan nilainya sama dengan muatan elektron) kira-kira sama dengan Mari kita berikan nilai-nilai modern muatan dan massa elektron:

Ada perbedaan pendapat mengenai hal ini. Beberapa sejarawan sains mengasosiasikan penemuan elektron dengan nama G. Lorentz dan P. Zeeman, yang lain mengaitkannya dengan E. Wiechert, yang lain - dengan peneliti lain, sementara mayoritas bersikeras pada prioritas Joseph John Thomson, atau GG yang hebat, begitu dia juga dipanggil dalam dunia ilmiah.

Bahkan otoritas paling terkemuka yang terlibat erat dalam masalah fisika atom pun benar-benar bingung: siapa yang mendapat kehormatan sebagai penemunya? Fisikawan teoretis terkemuka N. Bohr yakin akan prioritas FEA Lenard, dan fisikawan eksperimental yang tak tertandingi E. Rutherford yakin akan F. Kaufman.

Belakangan, periode kontroversial penemuan elektron berlangsung selama 28 tahun: dari tahun 1871 hingga 1899. Siapa yang berdiri di awal mula penemuan penting ini, yang memunculkan pertempuran ilmiah yang begitu panjang, ketika tombak dipatahkan secara parah? Terlebih lagi, dalam situasi di mana beberapa pihak yang berselisih sudah terlalu banyak menimbulkan masalah. Ada yang sibuk dengan penelitian ilmiah, ada pula yang sibuk dengan intrik ilmiah. Seperti halnya dalam diskusi untuk memperjelas sifat cahaya.

Pada awalnya, pada tahun 1894, naturalis Jerman terkemuka Hermann Ludwig Helmholtz dan lawan ilmiahnya, orang Irlandia George Stoney, bertengkar di antara mereka sendiri. Masing-masing dari mereka mengaitkan prioritas penemuan elektron dengan dirinya sendiri. Stoney, di depan semua orang jujur, menuduh Helmholtz melakukan plagiarisme yang nyata, menerbitkan fakta yang memberatkannya dalam artikel “Tentang Elektron atau Atom Listrik,” yang muncul di salah satu terbitan Majalah Filsafat (1894, vo1. 38, R.418). Seberapa benarkah tuduhan ini?

Dua belas tahun sebelum publikasi ini di jurnal yang sama (1882, vol. 11, R. 361), Stoney menerbitkan sebuah karya di mana ia menguraikan pandangannya tentang keberadaan elektron, dengan alasan bahwa “untuk setiap ikatan kimia yang terputus dalam suatu elektrolit ada adalah jumlah listrik yang pasti, identik dalam semua kasus."

Kurang dari dua bulan telah berlalu ketika sebuah artikel oleh Helmholtz muncul di jurnal yang diterbitkan oleh Chemical Society, mengumumkan penemuan elektronnya. Dikatakan: “Jika gagasan tentang struktur atom zat sederhana dianggap benar, maka kita tidak dapat menghindari kesimpulan bahwa listrik, baik negatif maupun positif, terbagi menjadi bagian-bagian dasar, yang disatukan seperti atom-atom listrik.”

Apakah Helmholtz tahu tentang karya Stoney ketika dia menulis baris-baris ini? Rupanya, dia tidak bisa tidak mengetahuinya. Juga tidak dapat dijelaskan mengapa, dengan berspekulasi tentang otoritasnya, dia benar-benar menghancurkan Stoney di setiap kesempatan, terus-menerus mengabaikan prioritasnya sebagai prioritasnya? Demi meningkatkan ketenaran? Tapi Helmholtz sudah cukup sering bermandikan sinarnya. Stoney, karena tenggelam dalam ide “elektronik”, yang terus ia kembangkan, tidak memiliki cukup waktu untuk menetralisir gangguan dalam diri Helmholtz.

Perkembangannya sangat menyerapnya sehingga dia tidak hanya berhasil memberikan penilaian kuantitatif terhadap muatan listrik terkecil, bersikeras memasukkannya ke dalam jumlah konstanta alam fundamental, tetapi juga menemukan nama stabil untuk partikel elementer bermuatan negatif - “ elektron".

Rupanya, rasa iri yang tersembunyi terhadap terobosan Stoney yang pekerja keras menuju masa depan sains memaksa Helmholtz untuk terlebih dahulu menyerang rekannya di mana pun, dan kemudian dengan bijak tetap diam. Sulit untuk memprediksi apakah tindakan aktif, perlawanan, atau kelambanan akan menjadi cara terbaik untuk mengalahkan musuh. Jadi dia terdiam untuk sementara waktu.

Namun, jika kita memutar waktu sedikit lagi, tidak ada gunanya memulai perjuangan untuk kepemimpinan ilmiah, karena setelah mempelajari sejarah masalah ini dengan cermat, dua nama lagi muncul. Ternyata pada tahun 1878 sebelum Stoney, salah satu pilar ilmu fisika, orang Belanda Hendrik Lorentz, telah menarik perhatian para ilmuwan pada gagasan keleluasaan muatan listrik, dan tujuh tahun sebelum Lorentz, fisikawan Jerman Wilhelm Eduard Weber berbicara tentang elektron, mengantisipasi penelitian orang Irlandia, dan semua pengikut mereka. Weber, misalnya, menegaskan dengan wawasan yang luar biasa: “… dengan penyebaran listrik secara universal, diperbolehkan untuk melihat bahwa atom listrik dikaitkan dengan setiap atom suatu zat.” Mungkin dia seharusnya menerima penghargaan kehormatan?

Tidak sepertinya. Lagi pula, mengekspresikan ide yang berharga adalah satu hal, dan berkontribusi dengan segala cara untuk pengembangannya adalah satu hal. Dan oleh karena itu, tanpa sedikitpun hati nurani, prioritas dalam pembuktian teoritis keberadaan elektron, pada kenyataannya dalam prediksi partikel elementer bermuatan negatif, dapat dengan aman diberikan kepada Stoney dari Irlandia, yang sayangnya namanya tidak disebutkan. dimana saja: baik di buku referensi, maupun di ensiklopedia.

Omong-omong, tidak hanya para ahli teori, tetapi juga para peneliti yang memperjuangkan hak prioritas untuk menemukan elektron, mencari tahu siapa yang menemukan partikel bermuatan negatif secara eksperimental? Saat ini, setiap anak sekolah mengetahui nama J. J. Thomson, yang menurut sebagian besar penulis sejarah sains, adalah “induk” elektron yang sebenarnya. Atas penemuan menakjubkan inilah ia dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1906.

Prioritas tersebut dinilai tak terbantahkan, meski nyatanya realitas sejarah bertolak belakang. Untuk meyakinkan hal ini, cukup dengan mengambil jurnal Universitas Königsberg bulan Januari 1897, yang menerbitkan penelitian terbaru di bidang kimia dan fisika. Pada bulan Januari volume 38, di halaman 12 terbitan berkala ini, sebuah artikel oleh fisikawan Jerman Emil Wichert diterbitkan, dengan jelas menegaskan prioritas dalam penemuan eksperimental elektron di baliknya.

Thomson melaporkan penemuan yang sama kepada dewan ilmiah Royal Institution of England dua bulan kemudian - pada tanggal 30 April 1897, dan publikasi pertamanya yang merinci masalah ini baru muncul pada bulan Mei. Para ilmuwan diperkenalkan kepadanya oleh majalah "Listrik" (1897, ou1.39, R.104).

Dengan demikian, Wichert lima bulan lebih maju dari GG yang hebat. Tapi siapa yang tertarik dengan kronologi kejadian jika menyangkut karya otoritas yang tidak perlu dipertanyakan lagi di dunia ilmiah? Di sini kita kembali ke pertanyaan tentang apa yang harus dijadikan titik awal dalam pendistribusian kekayaan intelektual: gagasan itu sendiri, perkembangan dan justifikasinya, atau karya cetak perintis yang mencakup keduanya?

Tampaknya, bagaimanapun juga, urutan kronologis masuknya suatu penemuan atau penemuan ke dalam kekuasaan tidak dapat diabaikan. Bahkan dengan syarat awalnya ada hipotesis yang perlu “diselesaikan” dalam waktu dan pikiran. Oleh karena itu, sama, jika tidak lebih besar, daripada Stoney, Weber dan Thomson yang terkenal, Wichert yang kurang dikenal terlibat dalam penemuan elektron.

Namun hanya dalam beberapa buku referensi khusus orang dapat membaca bahwa, terlepas dari J. J. Thomson, fisikawan ini menemukan elektron dan menentukan muatan relatifnya. Dalam contoh ini, kita yakin akan kekuatan nyata dalam sains yang dimiliki oleh kekuatan otoritas.