На рисунке 1 изображена схема установки, использованной в опыте А. Ф. Иоффе. В закрытом сосуде, воздух из которого откачан до высокого вакуума, находились две металлические пластины П , расположенные горизонтально. Из камеры А через отверстие О в пространство между пластинами попала ли мелкие заряженные пылинки цинка. Эти пылинки наблюдали в микроскоп.
Предположим, что пылинка заряжена отрицательно. Под действием силы тяжести она начинает падать вниз. Но ее падение можно задержать, если нижнюю пластину зарядить отрицательным зарядом, а верхнюю - положительным. В электростатическом поле между пластинами на пылинку станет действовать сила \(~\vec F_{el}\), которая пропорциональна заряду пылинки. Если mg = F el , то пылинка будет находиться в равновесии сколь угодно долго. Затем отрицательный заряд пылинки уменьшали, действуя на нее ультрафиолетовым светом. Пылинка начинала падать, так как сила \(~\vec F_{el}\), действовавшая на нее, уменьшалась. Сообщая пластинам дополнительный заряд и этим усиливая электрическое поле между пластинами, пылинку снова останавливали. Так поступали несколько раз.
Опыты показали, что заряд пылинки изменялся всегда скачкообразно, кратно заряду электрона. Из этого опыта А. Ф. Иоффе сделал следующий вывод: заряд пылинки всегда выражается целыми кратными значениями элементарного заряда е . Меньших "порций" электрического заряда, способных переходить от одного тела к другому, в природе нет. Но заряд пылинки уходит вместе с частицей вещества. Следовательно, в природе существует такая частица вещества, которая имеет самый маленький заряд, далее уже неделимый. Эту частицу назвали электроном .
Значение заряда электрона впервые определил американский физик Р. Милликен. В своих опытах он пользовался мелкими капельками масла, наблюдая за их движением в электростатическом поле (рис. 2). В этих опытах измерялась скорость движения капель масла в однородном электростатическом поле между двумя металлическими пластинками. Капля масла, не имеющая электрического заряда из-за сопротивления воздуха и выталкивающей силы, падает с некоторой постоянной скоростью, так как \(~m \vec g + \vec F_A + \vec F_c = 0\).
Если на своем пути капля встречается с ионом и приобретает электрический заряд q , то на нее, кроме силы тяжести \(~m \vec g\), \(~\vec F_c\) и \(~\vec F_A\), действует со стороны электростатического поля сила \(~\vec F_{el}\). Тогда при установившемся движении \(~m \vec g + \vec F_A + \vec F_c + \vec F_{el} = 0\). Измеряя скорость капли, Милликен смог определить ее заряд.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 210-211.
Опыт Милликена - опыт по измерению элементарного электрического заряда (заряда электрона ), проведённый Робертом Милликеном и Харви Флетчером (англ.)русск. в 1909 году .
Идея эксперимента состоит в нахождении баланса между силой тяжести , силой Стокса и электрическим отталкиванием . Управляя мощностью электрического поля, Милликен и Флетчер удерживали мелкие капельки масла в механическом равновесии . Повторив эксперимент для нескольких капель, учёные подтвердили, что общий заряд капли складывается из нескольких элементарных. Значение заряда электрона в опыте 1911 года получилось равным Кл , что на 1 % отличается от современного значения в Кл.
Предпосылки
В 1913 профессор чикагского университета Р. Милликен в соавторстве с Х. Флетчером опубликовали проект своего опыта.
В данном эксперименте измерялась сила электрического поля, которое может удерживать заряженную капельку масла между двумя электродами. По значению этого поля измерялся заряд капли. Сами капли электризовались во время разбрызгивания. Во времена опыта не было очевидным существование субатомных частиц , и большинство физических явлений [ каких? ] можно было объяснить, приняв заряд непрерывно изменяющейся величиной.
Так называемый элементарный заряд e является одной из фундаментальных физических констант и знать его точное значение очень важно. В 1923 г. Милликен получил Нобелевскую премию по физике отчасти и за этот эксперимент.
Описание опыта
В пространство между двумя пластинами под напряжением (в конденсатор) Милликен вводил мельчайшие заряженные капли масла, которые могли находиться в неподвижном состоянии в определённом электрическом поле. Равновесие наступало при условии , где
Результирующая сил тяжести и силы Архимеда;
,
где в свою очередь
Плотность капли масла;
Её радиус в предположении, что капля сферична;
Плотность воздуха
Из указанных формул можно, зная и, найти. Для определения радиуса капли измерялась скоростьравномерного падения капельки в отсутствие поля, так как равномерное движение устанавливается тогда, когда сила тяжестиуравновешивается силой сопротивления воздуха, где- вязкость воздуха.
Зафиксировать неподвижность капли было сложно в то время, поэтому вместо поля, удовлетворяющего условию использовалось поле, под воздействием которого капля начинала двигаться с небольшой скоростью вверх. Очевидно, что если скорость подъёма равна, то
В ходе опыта получен важный факт: все величины, которые получались у Милликена, оказывались кратными одной и той же величине. Таким образом было экспериментально показано, что заряд - дискретная величина.
К началу XX в. существование электронов было установлено в целом ряде независимых экспериментов. Но, несмотря на огромный экспериментальный материал, накопленный различными научными школами, электрон оставался, строго говоря, гипотетической частицей. Причина в том, что не было ни одного опыта, в котором участвовали бы одиночные электроны.
Сначала электроны появились как удобная гипотеза для объяснения законов электролиза, затем они были обнаружены в газовом разряде, что подтвердило их существование во всех телах. Однако не было ясно, имеет ли физика дело с одним и тем же электроном, одинаковым для всех веществ и тел или же свойства электрона представляют собой усреднённые характеристики самых разнообразных «электронов-братьев».
Для ответа на этот вопрос в 1910-1911 годах американский учёный Роберт Эндрюс Милликен и советский физик Абрам Фёдорович Иоффе независимо друг от друга проделали точные эксперименты, в которых было возможно вести наблюдние за одиночными электронами.
В их опытах в закрытом сосуде 1, воздух из которого откачан насосом до высокого вакуума, находились две горизонтально расположенные металлические пластины 2. Между ними через трубку 3 помещали облако заряженных металлических пылинок или капелек масла. За ними наблюдали в микроскоп 4 со специальной шкалой, позволявший наблюдать за их оседанием (падением) вниз.
Предположим, что пылинки или капельки до помещения между пластинами были заряжены отрицательно. Поэтому их оседание (падение) можно остановить, если нижнюю пластину зарядить отрицательно, а верхнюю - положительно. Так и поступали, добиваясь равновесия пылинки (капельки), за которой наблюдали в микроскоп.
Затем заряд пылинок (капелек) уменьшали, действуя на них ультрафиолетовым или рентгеновским излучением. Пылинки (капельки) начинали падать, так как уменьшалась поддерживающая электрическая сила. Сообщая металлическим пластинам дополнительный заряд и этим усиливая электрическое поле, пылинку снова останавливали. Так поступали несколько раз, каждый раз по специальной формуле вычисляя заряд пылинок.
Опыты Милликена и Иоффе показали, что заряды капель и пылинок всегда изменяются скачкообразно. Минимальная «порция» электрического заряда - элементарный электрический заряд, равный e = 1,6·10-19 Кл. Однако заряд пылинки уходит не сам по себе, а вместе с частицей вещества. Следовательно, в природе существует такая частица вещества, которая имеет самый маленький заряд, далее уже неделимый - заряд электрона. Благодаря экспериментам Иоффе-Милликена существование электрона превратилось из гипотезы в научно подтверждённый факт.
В настоящее время есть сведения о существовании элементарных частиц (кварков) с дробными электрическими зарядами, равными 1/Зе и 2/Зе. Однако электрический заряд любого тела всегда целочисленно кратен элементарному электрическому заряду; других «порций» электрического заряда, способных переходить от одного тела к другому, в природе до сих пор экспериментально обнаружить не удалось.
Одна из фундаментальных постоянных в физике – элементарный электрический заряд. Это скалярная величина, характеризующая способность физических тел принимать участие в электромагнитном взаимодействии.
Элементарным электрическим зарядом принято считать наименьший положительный или отрицательный заряд, который невозможно разделить. Его величина равна величине заряда электрона.
То, что любой встречающийся в природе электрический заряд всегда равен целому числу элементарных зарядов, в 1752 г. предположил известный политический деятель Бенджамин Франклин, политик и дипломат, занимавшийся ещё и научной и изобретательской деятельностью, первый американец, который стал членом Российской академии наук.
Бенджамин Франклин
Если предположение Франклина верно, и электрический заряд любого заряженного тела или системы тел состоит из целого числа элементарных зарядов, то этот заряд может изменяться скачкообразно на величину, содержащую целое число зарядов электрона.
Впервые это удалось подтвердить и довольно точно определить заряд электрона опытным путём американскому учёному, профессору Чикагского университета, Роберту Милликену.
Опыт Милликена
Схема опыта Милликена
Свой первый знаменитый опыт с каплями масла Милликен провёл в 1909 г. вместе со своим помощником Харви Флетчером. Говорят, что вначале опыт планировали делать с помощью капель воды, но они испарились за несколько секунд, чего оказалось явно мало, чтобы получить результат. Тогда Милликен отправил Флэтчера в аптеку, где тот приобрёл пульверизатор и пузырёк масла для часов. Этого оказалось достаточно, чтобы опыт удался. Впоследствии Милликен получил за него Нобелевскую премию, а Флэтчер докторскую степень.
Роберт Милликен
Харви Флетчер
В чём же заключался эксперимент Милликена?
Наэлектризованная капелька масла под воздействием силы тяжести падает вниз между двумя металлическими пластинами. Но если между ними создать электрическое поле, то оно удержит капельку от падения. Измерив силу электрического поля, можно определить заряд капли.
Две металлические пластины конденсатора экспериментаторы расположили внутри сосуда. Туда же с помощью пульверизатора вводились мельчайшие капельки масла, которые заряжались отрицательно во время разбрызгивания в результате их трения о воздух.
В отсутствии электрического поля капелька падает
Под действием силы тяжести F w = mg капельки начинали падать вниз. Но так они находилась не в вакууме, а в среде, то свободно падать им мешала сила сопротивления воздуха F res = 6πη rv 0 , где η – вязкость воздуха. Когда F w и F res уравновешивались, падение становилось равномерным со скоростью v 0 . Измерив эту скорость, учёный определил радиус капли.
Капелька "парит" под действием электрического поля
Если в момент падения капельки на пластины подавалось напряжение таким образом, что верхняя пластина получала положительный заряд, а нижняя отрицательный, падение прекращалось. Ему препятствовало возникшее электрическое поле. Капельки словно зависали. Это происходило, когда сила F r уравновешивалась силой, действующей со стороны электрического поля F r = eE ,
где F r – результирующая силы тяжести и силы Архимеда.
F r = 4/3· πr 3 ( ρ – ρ 0) g
ρ - плотность капли масла;
ρ 0 – плотность воздуха.
r – радиус капли.
Зная F r и E , можно определить величину e .
Так как добиться того, чтобы капелька долго оставалась в неподвижном состоянии, было очень сложно, то Милликен и Флетчер создавали такое поле, в котором капелька после остановки начинала двигаться вверх с очень малой скоростью v . В этом случае
Опыты повторялись многократно. Заряды капелькам сообщали, облучая их рентгеновской или ультрафиолетовой установкой. Но всякий раз общий заряд капли всегда был равен нескольким элементарным зарядам.
В 1911 г. Милликен установил, что величина заряда электрона равна 1,5924(17) х 10 -19 Кл. Учёный ошибся всего на 1%. Современное его значение составляет 1,602176487(10) х 10 -19 Кл.
Опыт Иоффе
Абрам Фёдорович Иоффе
Нужно сказать, что практически одновременно с Милликеном, но независимо от него, подобные опыты проводил русский физик Абрам Федорович Иоффе. И его экспериментальная установка была похожа на установку Милликена. Но из сосуда откачивался воздух, и в нём создавался вакуум. А вместо капелек масла Иоффе использовал мелкие заряженные частички цинка. За их движением наблюдали в микроскоп.
Установка Иоффе
1- трубка
2- камера
3 - металлические пластины
4 - микроскоп
5 - ультрафиолетовый излучатель
Под действие электростатического поля пылинка цинка совершала падение. Как только сила тяжести пылинки становилась равна силе, действующей на неё со стороны электрического поля, падение прекращалось. Пока заряд пылинки не менялся, она продолжала висеть неподвижно. Но если на неё воздействовали ультрафиолетовым светом, то её заряд уменьшался, и равновесие нарушалось. Она снова начинала падать. Тогда увеличивали величину заряда на пластинах. Соответственно увеличивалось электрическое поле, и падение снова останавливалось. Так делали несколько раз. В результате выяснили, что каждый раз заряд пылинки изменялся на величину, кратную величине заряда элементарной частицы.
Величину заряда этой частицы Иоффе не рассчитал. Но, проведя подобный опыт в 1925 г. вместе с физиком Н.И. Добронравовым, несколько видоизменив опытную установку и использовав вместо цинка пылинки висмута, он подтвердил теорию
Подготовила Ученица 11-А класса КОШ № 125 Коновалова Кристина
Слайд 2
Опыт Иоффе - Милликена Абрам Федорович Иоффе Роберт ЭндрюсМилликен
Слайд 3
Опыт Иоффе - Милликена
К концу ХIХ века в ряде самых разнообразных опытов было установлено, что существует некий носитель отрицательного заряда, который назвали электроном. Однако это была фактически гипотетическая единица, поскольку, несмотря на обилие практического материала, не было проведено ни одного эксперимента с участием одиночного электрона. Не было известно, существуют ли разновидности электронов для разных веществ или он одинаков всегда, какой заряд несет на себе электрон, может ли заряд существовать отдельно от частицы. В общем, в научной среде по поводу электрона ходили горячие споры, а достаточной практической базы, которая бы однозначно прекратила все дебаты, не было.
Слайд 4
На рисунке изображена схема установки, использованной в опыте А. Ф. Иоффе. В закрытом сосуде, воздух из которого откачан до высокого вакуума, находились две металлические пластины П, расположенные горизонтально. Из камеры А через отверстие О в пространство между пластинами попала ли мелкие заряженные пылинки цинка. Эти пылинки наблюдали в микроскоп.
Слайд 5
Итак, заряженные пылинки и капельки в вакууме будут падать с верхней пластины на нижнюю, однако этот процесс можно остановить, если зарядить верхнюю пластину положительно, а нижнюю отрицательно. Возникшее электрическое поле будет действовать кулоновскими силами на заряженные частички, препятствуя их падению. Регулируя величину заряда, добивались того, что пылинки парили посередине между пластинами. Далее уменьшали заряд пылинок или капель, облучая их рентгеном или ультрафиолетом. Теряя заряд, пылинки начинали падать вновь, их вновь останавливали, регулируя заряд пластин. Такой процесс повторяли несколько раз, вычисляя заряд капель и пылинок по специальным формулам. В результате этих исследований удалось установить, что заряд пылинок или капель всегда изменялся скачками, на строго определенную величину, либо же на размер, кратный это величине.
Слайд 6
Абрам Федорович Иоффе
Абрам Федорович Иоффе – российский физик, сделавший множество фундаментальных открытий и проведший огромное количество исследований, в том числе и в области электроники. Он провел исследования свойств полупроводниковых материалов, открыл выпрямляющее свойство перехода металл-диэлектрик, впоследствии объяснимое при помощи теории туннельного эффекта, предположил возможность преобразования света в электрический ток.
Слайд 7
Родился Абрам Федорович 14 октября 1980 года в городе Ромны Полтавской губернии (сейчас Полтавская область, Украина) в семье купца. Поскольку отец Абрама был достаточно богатым человеком, он не поскупился дать хорошее образование своему сыну. В 1897 году Иоффе получает среднее образование в реальном училище родного города. В 1902 году он оканчивает Санкт-Петербургский технологический институт и поступает в Мюнхенский университет в Германии. В Мюнхене он работает под руководством самого Вильгельма Конрада Рентгена. Вильгельм Конрад, видя прилежность и не абы какой талант ученика пытается уговорить Абрама остаться в Мюнхене и продолжать научную деятельность, но Иоффе оказался патриотом своей страны. После окончания университета в 1906 году, получив ученую степень доктора философии, он возвращается в Россию.
Слайд 8
В России Иоффе устраивается на роботу в Политехнический институт. В 1911 он экспериментально определяет величину заряда электрона по тому же методу, что и Роберт Милликен (в электрическом и гравитационном полях уравновешивались частицы металла). Из-за того, что Иоффе опубликовал свою работу лишь спустя два года – слава открытия измерения заряда электрона досталась американскому физику. Кроме определения заряда, Иоффе доказал реальность существования электронов независимо от материи, исследовал магнитное действие потока электронов, доказал статический характер вылета электронов при внешнем фотоэффекте.
Слайд 9
В 1913 году Абрам Федорович защищает магистерскую, а через два года докторскую диссертацию по физике, которая представляла собой изучение упругих и электрических свойств кварца. В период с 1916 по 1923 годы он активно изучает механизм электрической проводимости различных кристаллов. В 1923 именно по инициативе Иоффе начинаются фундаментальные исследования и изучения свойств, совершенно новых на то время материалов – полупроводников. Первая работа в этой области проводилась при непосредственном участии российского физика и касалась анализа электрических явлений между полупроводником и металлом. Им было обнаружено выпрямляющее свойство перехода металл-полупроводник, которое лишь спустя 40 лет было обосновано при помощи теории туннельного эффекта.
Слайд 10
Исследуя фотоэффект в полупроводниках, Иоффе высказал достаточно смелую на то время идею, что подобным способом можно будет преобразовывать энергию света в электрический ток. Это стало предпосылкой в дальнейшем к созданию фотоэлектрических генераторов, и в частности кремниевых преобразователей, в последствие используемых в составе солнечных батарей. Совместно со своими учениками Абрам Федорович создает систему классификации полупроводников, а также методику определения их основных электрических и физических свойств. В частности изучение их термоэлектрических свойств, в последствие стало основой для создания полупроводниковых термоэлектрических холодильников, широко применяемых во всем мире в областях радиоэлектроники, приборостроении и космической биологии.
Слайд 11
Абрам Федорович Иоффе внес огромный вклад в становление и развитие физики и электроники. Он был членом многих Академий наук (Берлинской и Гётиннгенской, Американской, Итальянской), а также почетных членом множества университетов во всем мире. За свои достижения и исследования был удостоен множества наград. Умер Абрам Федорович 14 октября 1960 года.
Слайд 12
Милликен Роберт Эндрус
Американский физик Роберт Милликен родился в Моррисоне (штат Иллинойс) 22 марта 1868 г. в семье священника. После окончания средней школы Роберт вступает в колледж Оберлин в Огайо. Там его интересы были сосредоточены на математике и древнегреческом языке. Ради заработка он на протяжении двух лет излагал физику в колледже. 1891 г. Милликен получил степень бакалавра, а 1893 г. - магистерскую степень по физики.
Слайд 13
В Колумбийском университете Милликен учился под руководством известного физика М.І.Пьюпина. Одно лето он провел в Чикагском университете, где работал под руководством известного физика-экспериментатора Альберта Абрахама Майкельсона.
Слайд 14
1895 г. он защитил в Колумбийском университете диссертацию на получение докторской степени, посвященную исследованию поляризации света. Следующий год Милликен провел в Европе, где встречался с Анри Беккерелем, Максом Планком, Вальтером Нернстом, А.Пуанкаре.
Слайд 15
1896 г. Милликен вернулся в Чикагский университету, где стал ассистентом Майкельсона. За дальнейшие двенадцать лет Милликен написал несколько учебников по физике, которые были приняты как учебники для колледжей и средних школ (с дополнениями оставались ими свыше 50 лет). 1910 г. Милликена было назначено профессором физики.
Слайд 16
Роберт Милликен разработал метод капель, который дал возможность измерять заряд отдельных электронов и протонов (1910 - 1914) большое количество опытов по точному вычислению заряда электрона. Тем самым он экспериментально доказал дискретность электрического заряда и впервые достаточно точно определил его значение (4,774 * 10^-10 электростатических единиц). Проверил уравнение Эйнштейна для фотоэффекта в области видимых и ультрафиолетовых лучей, определил постоянную Планка (1914).
Слайд 17
1921 г. Милликен был назначен директором новой Бриджесивской физической лаборатории и главой исполнительного комитета Калифорнийского технологического института. Здесь он выполнил большой цикл исследований космических лучей, в частности опыты (1921 - 1922) с воздушными снопами с самопишущими электроскопами на высотах 15500 м. 1923 г. Милликен был удостоен Нобелевской премии в области физики «за работы по определению элементарного электрического заряда и фотоэлектрического эффекта».
Слайд 18
В течение 1925-1927 гг. Милликен продемонстрировал, что ионизирующее действие космического излучения уменьшается с глубиной, и подтвердил внеземное происхождение этих « космических лучей». Исследуя траектории космических частичек, выявил в них альфа-частицы, быстрые электроны, протоны, нейтроны, позитроны и гамма-кванты. Независимо от Вернова открыл широтный эффект космических лучей в стратосфере.
Посмотреть все слайды
