Figura 1 prezintă o diagramă a instalaţiei utilizate în experimentul de A. F. Ioffe. Într-un vas închis, aerul din care a fost evacuat în vid înalt, erau două plăci metalice P plasate orizontal. De la cameră DAR prin gaură O mici boabe de zinc încărcate de praf au intrat în spațiul dintre plăci. Aceste particule de praf au fost observate la microscop.
Să presupunem că boabele de praf sunt încărcate negativ. Sub influența gravitației, începe să cadă. Dar căderea sa poate fi amânată dacă placa inferioară este încărcată cu o sarcină negativă, iar cea superioară cu una pozitivă. Într-un câmp electrostatic între plăci, asupra unui grăunte de praf va acționa o forță \(~\vec F_(el)\), care este proporțională cu sarcina bobulului. În cazul în care un mg = F el , atunci particula de praf va fi în echilibru pentru un timp arbitrar lung. Apoi, sarcina negativă a boabelor de praf a fost redusă prin expunerea la lumină ultravioletă. Boabele de praf au început să cadă, pe măsură ce forța \(~\vec F_(el)\) care acționa asupra sa scădea. Prin conferirea unei încărcări suplimentare plăcilor și prin întărirea câmpului electric dintre plăci, boabele de praf au fost din nou oprite. Acest lucru a fost făcut de mai multe ori.
Experimentele au arătat că sarcina unui grăunte de praf se schimba întotdeauna treptat, un multiplu al sarcinii unui electron. Din această experiență, A.F. Ioffe a tras următoarea concluzie: sarcina unei particule de praf este întotdeauna exprimată ca multipli întregi ai sarcinii elementare. e. Nu există „porțiuni” mai mici de sarcină electrică capabile să se transfere de la un corp la altul. Dar încărcătura unui bob de praf pleacă împreună cu o particulă de materie. În consecință, în natură există o astfel de particulă de materie, care are cea mai mică sarcină, atunci deja indivizibilă. Această particulă se numește electron.
Valoarea sarcinii electronilor a fost determinată pentru prima dată de fizicianul american R. Milliken. În experimentele sale, a folosit mici picături de ulei, observând mișcarea acestora într-un câmp electrostatic (Fig. 2). În aceste experimente, a fost măsurată viteza de mișcare a picăturilor de ulei într-un câmp electrostatic uniform între două plăci metalice. O picătură de ulei care nu are sarcină electrică datorită rezistenței aerului și flotabilității cade cu o viteză constantă, deoarece \(~m \vec g + \vec F_A + \vec F_c = 0\).
Dacă pe drum picătura întâlnește un ion și capătă o sarcină electrică q, apoi, pe lângă forța gravitațională \(~m \vec g\), \(~\vec F_c\) și \(~\vec F_A\), forța \(~\vec F_(el )\ ). Apoi, în mișcare constantă \(~m \vec g + \vec F_A + \vec F_c + \vec F_(el) = 0\). Măsurând viteza căderii, Millikan a putut să-i determine încărcarea.
Literatură
Aksenovich L. A. Fizica în liceu: Teorie. Sarcini. Teste: Proc. indemnizație pentru instituțiile care oferă general. medii, educație / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsia i vykhavanne, 2004. - C. 210-211.
Experiența Millikan- experienta de masurare sarcina electrica elementara(încărca electron) efectuate Robert Millikenși Harvey Fletcher(Engleză) Rusăîn 1909 .
Ideea experimentului este de a găsi un echilibru între gravitatie, Stokes forțași repulsie electrică. Prin controlul puterii câmpului electric, Milliken și Fletcher au păstrat mici picături de ulei echilibru mecanic. Repetând experimentul pentru mai multe picături, oamenii de știință au confirmat că sarcina totală a picăturii este alcătuită din mai multe încărcături elementare. Valoarea sarcinii electronilor din experimentul din 1911 s-a dovedit a fi egală cu Cl, care diferă cu 1% de valoarea actuală în Cl.
Cerințe preliminare
În 1913 Profesor Universitatea din Chicago R. Milliken co-autorat cu H. Fletcher a publicat o schiță a experienței lor.
În acest experiment, a fost măsurată puterea câmpului electric, care poate reține o picătură încărcată de ulei între doi electrozi. Sarcina picăturii a fost măsurată din valoarea acestui câmp. Picăturile în sine au fost electrificate în timpul pulverizării. În vremuri de experiență nu era evidentă existența particule subatomice, și majoritatea fenomenelor fizice [ ce? ] ar putea fi explicată presupunând că sarcina este o cantitate în continuă schimbare.
Așa-zisul sarcina elementara e este unul dintre fundamentale constante fizice iar cunoașterea semnificației sale exacte este foarte importantă. În 1923, Millikan a primit Premiul Nobel pe fizică parțial pentru acest experiment.
Descrierea experienței
În spațiul dintre două plăci sub tensiune (într-un condensator), Millikan a injectat mici picături încărcate de ulei, care ar putea fi staționare într-un anumit câmp electric. Echilibrul a venit sub condiția , unde
Forțele rezultante ale gravitației și forțele lui Arhimede;
, unde la rândul său
Densitatea unei picături de ulei;
Raza sa în ipoteza că picătura este sferică;
Densitatea aerului
Din aceste formule, știind și, putem găsi. Pentru a determina raza căderii, a fost măsurată rata de cădere uniformă a căderii în absența unui câmp, deoarece mișcarea uniformă se stabilește atunci când forța gravitațională este echilibrată de forța de rezistență a aerului, unde este vâscozitatea aer.
Era greu de fixat imobilitatea picăturii în acel moment, prin urmare, în locul unui câmp care satisface condiția, s-a folosit un câmp, sub influența căruia picătura a început să se miște în sus cu o viteză mică. Evident, dacă rata de ascensiune este egală, atunci
În cursul experimentului, s-a obținut un fapt important: toate valorile obținute de Millikan s-au dovedit a fi multipli de aceeași valoare. Astfel, s-a demonstrat experimental că sarcina este o mărime discretă.
Până la începutul secolului XX. existenţa electronilor a fost stabilită într-o serie de experimente independente. Dar, în ciuda vastului material experimental acumulat de diferite școli științifice, electronul a rămas, strict vorbind, o particulă ipotetică. Motivul este că nu a existat un singur experiment la care să participe un singur electroni.
În primul rând, electronii au apărut ca o ipoteză convenabilă pentru a explica legile electrolizei, apoi au fost descoperiți într-o descărcare de gaz, ceea ce a confirmat existența lor în toate corpurile. Cu toate acestea, nu a fost clar dacă fizica are de-a face cu același electron, același pentru toate substanțele și corpurile, sau dacă proprietățile unui electron sunt caracteristici medii ale unei mari varietăți de „frați de electroni”.
Pentru a răspunde la această întrebare, în 1910-1911, omul de știință american Robert Andrews Milliken și fizicianul sovietic Abram Fedorovich Ioffe au efectuat independent experimente precise în care a fost posibil să se observe un singur electroni.
În experimentele lor, într-un vas închis 1, din care aerul a fost evacuat de o pompă la vid înalt, erau două plăci metalice amplasate orizontal 2. Un nor de particule de praf metalic încărcat sau picături de ulei a fost plasat între ele printr-un tub. 3. Au fost observate la microscop 4 cu o scară specială, care a făcut posibilă observarea așezării (căderii) lor.
Să presupunem că particulele de praf sau picăturile au fost încărcate negativ înainte de a fi plasate între plăci. Prin urmare, depunerea (căderea) lor poate fi oprită dacă placa inferioară este încărcată negativ, iar cea superioară pozitiv. Așa au făcut, atingând echilibrul unei particule de praf (picătură), care a fost observată la microscop. 
Apoi încărcătura particulelor de praf (picături) a fost redusă prin expunerea acestora la radiații ultraviolete sau cu raze X. Particulele de praf (picături) au început să cadă, pe măsură ce forța electrică de susținere a scăzut. Prin conferirea unei încărcări suplimentare plăcilor metalice și prin întărirea câmpului electric, particulele de praf au fost din nou oprite. Acest lucru a fost făcut de mai multe ori, folosind de fiecare dată o formulă specială pentru a calcula încărcarea particulelor de praf.
Experimentele lui Millikan și Ioffe au arătat că încărcăturile picăturilor și particulelor de praf se schimbă întotdeauna treptat. „Porțiunea” minimă de sarcină electrică este o sarcină electrică elementară egală cu e = 1,6 10-19 C. Cu toate acestea, încărcătura unui grăunte de praf nu pleacă de la sine, ci împreună cu o particulă de materie. În consecință, în natură există o astfel de particulă de materie care are cea mai mică sarcină, atunci deja indivizibilă - sarcina unui electron. Datorită experimentelor Ioffe-Milliken, existența electronului s-a transformat dintr-o ipoteză într-un fapt confirmat științific.
În prezent, există informații despre existența particulelor elementare (quarci) cu sarcini electrice fracționale egale cu 1/Ze și 2/Ze. Cu toate acestea, sarcina electrică a oricărui corp este întotdeauna un multiplu întreg al sarcinii electrice elementare; alte „porțiuni” de sarcină electrică, capabile să treacă de la un corp la altul, nu au fost încă detectate experimental în natură.
Una dintre constantele fundamentale în fizică este sarcina electrică elementară. Aceasta este o mărime scalară care caracterizează capacitatea corpurilor fizice de a lua parte la interacțiunea electromagnetică.
Sarcina electrică elementară este considerată a fi cea mai mică sarcină pozitivă sau negativă care nu poate fi împărțită. Valoarea sa este egală cu valoarea încărcăturii electronilor.
Faptul că orice sarcină electrică naturală este întotdeauna egală cu un număr întreg de sarcini elementare a fost sugerat în 1752 de celebrul politician Benjamin Franklin, un politician și diplomat care a fost, de asemenea, implicat în activități științifice și inventive, primul american care a devenit membru. al Academiei Ruse de Științe.
Benjamin Franklin
Dacă ipoteza lui Franklin este corectă și sarcina electrică a oricărui corp încărcat sau a unui sistem de corpuri constă dintr-un număr întreg de sarcini elementare, atunci această sarcină se poate schimba brusc cu o valoare care conține un număr întreg de sarcini de electroni.
Pentru prima dată, acest lucru a fost confirmat și determinat destul de precis de un om de știință american, profesor la Universitatea din Chicago, Robert Milliken.
Experiența Millikan
Schema experimentului Millikan
Millikan a făcut primul său experiment faimos cu picături de ulei în 1909 cu asistentul său Harvey Fletcher. Ei spun că la început au plănuit să facă experimentul cu ajutorul picăturilor de apă, dar s-au evaporat în câteva secunde, ceea ce clar nu a fost suficient pentru a obține un rezultat. Apoi Milliken l-a trimis pe Fletcher la farmacie, de unde a cumpărat o sticlă cu spray și o fiolă cu ulei de ceas. Acest lucru a fost suficient pentru ca experiența să fie un succes. Ulterior, Milliken a primit Premiul Nobel pentru aceasta, iar Fletcher a primit un doctorat.
Robert Milliken
Harvey Fletcher
Ce a fost experimentul Millikan?
O picătură de ulei electrificată cade sub influența gravitației între două plăci metalice. Dar dacă se creează un câmp electric între ele, atunci va împiedica picătura să cadă. Măsurând puterea câmpului electric, se poate determina sarcina picăturii.
Experimentatorii au plasat două plăci metalice ale condensatorului în interiorul vasului. Cele mai mici picături de ulei au fost introduse acolo cu ajutorul unui pistol de pulverizare, care au fost încărcate negativ în timpul pulverizării ca urmare a frecării lor cu aerul.
În absența unui câmp electric, picătura cade
Sub acțiunea gravitației F w = mg, picăturile au început să cadă. Dar, deoarece nu erau în vid, ci într-un mediu, atunci forța de rezistență a aerului le-a împiedicat să cadă liber. Fres = 6πη rv 0 , Unde η este vâscozitatea aerului. Când Fw și F res echilibrată, căderea s-a uniformizat cu o viteză v0 . Măsurând această viteză, omul de știință a determinat raza căderii.
O picătură „plutește” sub influența unui câmp electric
Dacă în momentul în care picătura a căzut, plăcilor li s-a aplicat tensiune în așa fel încât placa superioară a primit o sarcină pozitivă și cea inferioară una negativă, picătura a încetat. A fost împiedicat de câmpul electric care a apărut. Picăturile păreau să plutească. Acest lucru sa întâmplat când puterea F r echilibrat de forța care acționează din câmpul electric F r = eE ,
Unde F r- forța rezultantă a gravitației și forța lui Arhimede.
F r = 4/3 pr 3 ( ρ – ρ 0) g
ρ este densitatea picăturii de ulei;
ρ 0 – densitatea aerului.
r este raza picăturii.
știind F r și E , este posibil să se determine valoarea e .
Deoarece era foarte dificil să se asigure că picătura rămâne staționară mult timp, Milliken și Fletcher au creat un câmp în care picătura, după oprire, a început să se miște în sus cu o viteză foarte mică. v . În acest caz
Experimentele au fost repetate de multe ori. Încărcăturile au fost transmise picăturilor prin iradierea lor cu un dispozitiv cu raze X sau ultraviolete. Dar de fiecare dată sarcina totală a picăturii a fost întotdeauna egală cu mai multe sarcini elementare.
În 1911, Milliken a descoperit că sarcina unui electron este 1,5924(17) x 10 -19 C. Omul de știință a greșit doar cu 1%. Valoarea sa modernă este 1,602176487 (10) x 10 -19 C.
Ioff experiență
Abram Fedorovici Ioffe
Trebuie spus că aproape simultan cu Millikan, dar independent de el, astfel de experimente au fost efectuate de fizicianul rus Abram Fedorovich Ioffe. Și configurația sa experimentală a fost similară cu cea a lui Millikan. Dar aerul a fost pompat din vas și s-a creat un vid în el. Și în loc de picături de ulei, Ioffe a folosit particule mici încărcate de zinc. Mișcarea lor a fost observată la microscop.
Instalare Ioffe
1- un metrou
2 camere
3 - plăci metalice
4 - microscop
5 - emițător de ultraviolete
Sub acțiunea unui câmp electrostatic, un grăunte de zinc a căzut. De îndată ce gravitația boabelor de praf a devenit egală cu forța care acționează asupra acestuia din cauza câmpului electric, căderea a încetat. Atâta timp cât încărcătura particulei de praf nu s-a schimbat, aceasta a continuat să atârne nemișcată. Dar dacă a fost expus la lumină ultravioletă, atunci sarcina sa a scăzut și echilibrul a fost perturbat. A început să cadă din nou. Apoi, cantitatea de încărcare de pe plăci a fost crescută. În consecință, câmpul electric a crescut, iar căderea s-a oprit din nou. Acest lucru a fost făcut de mai multe ori. Ca rezultat, s-a constatat că de fiecare dată sarcina unei particule de praf s-a schimbat cu un multiplu al sarcinii unei particule elementare.
Ioffe nu a calculat mărimea sarcinii acestei particule. Dar, după ce a efectuat un experiment similar în 1925, împreună cu fizicianul N.I. Dobronravov, după ce a modificat ușor instalația pilot și folosind particule de praf de bismut în loc de zinc, a confirmat teoria
Pregătit de un elev de clasa a 11-A-A KOSH Nr. 125 Konovalova Kristina
slide 2
Experiența lui Ioffe - Millikan Abram Fedorovich Ioffe Robert AndrewsMilliken
slide 3
Experiența Ioffe-Milliken
Până la sfârșitul secolului al XIX-lea, într-o serie de experimente foarte diverse, s-a stabilit că există un anumit purtător al unei sarcini negative, care a fost numit electron. Cu toate acestea, aceasta a fost de fapt o unitate ipotetică, deoarece, în ciuda abundenței de material practic, nu a fost efectuat un singur experiment care să implice un singur electron. Nu se știa dacă există varietăți de electroni pentru diferite substanțe sau dacă este întotdeauna aceeași, ce sarcină poartă un electron, dacă o sarcină poate exista separat de o particulă. În general, au existat dezbateri aprinse despre electron în comunitatea științifică și nu a existat o bază practică suficientă care să oprească fără echivoc toate dezbaterile.
slide 4
Figura prezintă o diagramă a instalației utilizate în experimentul de A. F. Ioffe. Într-un vas închis, aerul din care era evacuat în vid înalt, erau două plăci metalice P așezate orizontal. Din camera A prin orificiul O în spațiul dintre plăci au ajuns mici particule de praf încărcate de zinc. Aceste particule de praf au fost observate la microscop.
slide 5
Deci, particulele de praf și picăturile încărcate în vid vor cădea de pe placa de sus în jos, dar acest proces poate fi oprit dacă placa de sus este încărcată pozitiv și placa de jos este încărcată negativ. Câmpul electric rezultat va acționa prin forțele Coulomb asupra particulelor încărcate, împiedicându-le să cadă. Prin ajustarea cantității de încărcare, s-au asigurat că particulele de praf plutesc în mijloc între plăci. În continuare, încărcarea particulelor sau picăturilor de praf a fost redusă prin iradierea lor cu raze X sau cu lumină ultravioletă. Pierzând încărcătura, particulele de praf au început să cadă din nou, au fost din nou oprite prin reglarea încărcăturii plăcilor. Acest proces a fost repetat de mai multe ori, calculând încărcarea picăturilor și a particulelor de praf folosind formule speciale. În urma acestor studii, s-a putut stabili că încărcătura particulelor sau picăturilor de praf s-a schimbat întotdeauna în salturi, cu o valoare strict definită, sau cu o dimensiune care este un multiplu al acestei valori.
slide 6
Abram Fedorovici Ioffe
Abram Fedorovich Ioffe este un fizician rus care a făcut multe descoperiri fundamentale și a efectuat o cantitate imensă de cercetări, inclusiv în domeniul electronicii. El a efectuat cercetări asupra proprietăților materialelor semiconductoare, a descoperit proprietatea de rectificare a tranziției metal-dielectric, care a fost explicată ulterior folosind teoria efectului de tunel, a sugerat posibilitatea de a transforma lumina în curent electric.
Slide 7
Abram Fedorovich s-a născut la 14 octombrie 1980 în orașul Romny, provincia Poltava (azi regiunea Poltava, Ucraina) în familia unui comerciant. Întrucât tatăl lui Avram era un om destul de bogat, el nu s-a oprit să dea o educație bună fiului său. În 1897, Ioffe și-a făcut studiile medii într-o adevărată școală din orașul natal. În 1902 a absolvit Institutul de Tehnologie din Sankt Petersburg și a intrat la Universitatea din München din Germania. La München, el lucrează sub conducerea lui Wilhelm Conrad Roentgen însuși. Wilhelm Conrad, văzând hărnicia și nu oricum ce talent al studentului, încearcă să-l convingă pe Abram să rămână la München și să-și continue munca științifică, dar Ioffe s-a dovedit a fi un patriot al țării sale. După ce a absolvit universitatea în 1906, după ce a primit diploma de doctor în filozofie, s-a întors în Rusia.
Slide 8
În Rusia, Ioffe se angajează la Institutul Politehnic. În 1911, el determină experimental mărimea sarcinii electronului folosind aceeași metodă ca și Robert Milliken (particulele de metal au fost echilibrate în câmpuri electrice și gravitaționale). Datorită faptului că Ioffe și-a publicat lucrarea abia doi ani mai târziu, gloria descoperirii măsurării sarcinii electronilor i-a revenit fizicianului american. Pe lângă determinarea sarcinii, Ioffe a demonstrat realitatea existenței electronilor independent de materie, a investigat efectul magnetic al fluxului de electroni și a dovedit natura statică a emisiei de electroni în timpul unui efect fotoelectric extern.
Slide 9
În 1913, Abram Fedorovich și-a susținut masterul, iar doi ani mai târziu teza de doctorat în fizică, care a fost studiul proprietăților elastice și electrice ale cuarțului. În perioada 1916-1923, el a studiat activ mecanismul conductivității electrice a diferitelor cristale. În 1923, la inițiativa lui Ioffe au început cercetările fundamentale și studiul proprietăților materialelor care erau complet noi la acea vreme - semiconductori. Prima lucrare în acest domeniu a fost realizată cu participarea directă a unui fizician rus și a vizat analiza fenomenelor electrice între un semiconductor și un metal. El a descoperit proprietatea de rectificare a tranziției metal-semiconductor, care a fost fundamentată doar 40 de ani mai târziu folosind teoria efectului de tunel.
Slide 10
Investigand efectul fotoelectric în semiconductori, Ioffe a exprimat la acea vreme o idee destul de îndrăzneață că ar fi posibilă transformarea energiei luminii în curent electric într-un mod similar. Aceasta a devenit o condiție prealabilă în viitor pentru crearea generatoarelor fotoelectrice, și în special a convertoarelor cu siliciu, utilizate ulterior ca parte a bateriilor solare. Împreună cu studenții săi, Abram Fedorovich creează un sistem de clasificare a semiconductorilor, precum și o metodă pentru determinarea proprietăților lor electrice și fizice de bază. În special, studiul proprietăților lor termoelectrice a devenit ulterior baza pentru crearea frigiderelor termoelectrice cu semiconductor, utilizate pe scară largă în întreaga lume în domeniile electronicii radio, instrumentației și biologiei spațiului.
diapozitivul 11
Abram Fedorovich Ioffe a adus o contribuție uriașă la formarea și dezvoltarea fizicii și electronicii. A fost membru al multor Academii de Științe (Berlin și Goetingen, american, italian), precum și membru de onoare al multor universități din întreaga lume. A primit numeroase premii pentru realizările și cercetările sale. Abram Fedorovich a murit pe 14 octombrie 1960.
slide 12
Milliken Robert Andrus
Fizicianul american Robert Milliken s-a născut la Morrison (Illinois) la 22 martie 1868 în familia unui preot. După ce a absolvit liceul, Robert intră în Colegiul Oberlin din Ohio. Acolo, interesele sale s-au concentrat pe matematică și greacă veche. De dragul de a câștiga bani, el a expus fizica la facultate timp de doi ani. 1891 Millikan și-a primit diploma de licență și în 1893 diploma de master în fizică.
diapozitivul 13
La Universitatea Columbia, Milliken a studiat sub îndrumarea celebrului fizician M.I. Pupin. A petrecut o vară la Universitatea din Chicago, unde a lucrat sub renumitul fizician experimental Albert Abraham Michelson.
Slide 14
În 1895, și-a susținut teza de doctorat la Universitatea Columbia privind studiul polarizării luminii. Milliken a petrecut anul următor în Europa, unde s-a întâlnit cu Henri Becquerel, Max Planck, Walter Nernst, A. Poincaré.
diapozitivul 15
1896 Millikan sa întors la Universitatea din Chicago, unde a devenit asistentul lui Michelson. În următorii doisprezece ani, Milliken a scris mai multe manuale de fizică care au fost acceptate ca manuale pentru colegii și licee (cu completări, acestea au rămas așa timp de peste 50 de ani). 1910 Millikan a fost numit profesor de fizică.
slide 16
Robert Milliken a dezvoltat metoda drop, care a făcut posibilă măsurarea sarcinii electronilor și protonilor individuali (1910 - 1914), un număr mare de experimente privind calculul exact al sarcinii electronilor. Astfel, a demonstrat experimental caracterul discret al sarcinii electrice și pentru prima dată a determinat cu exactitate valoarea acesteia (4,774 * 10^-10 unități electrostatice). El a verificat ecuația lui Einstein pentru efectul fotoelectric în regiunea razelor vizibile și ultraviolete și a determinat constanta lui Planck (1914).
Slide 17
1921 Milliken a fost numit director al noului laborator de fizică Bridgesive și președinte al comitetului executiv al Institutului de Tehnologie din California. Aici a efectuat o serie mare de studii ale razelor cosmice, în special experimente (1921 - 1922) cu snopi de aer cu electroscoape cu autoînregistrare la altitudini de 15.500 m.”.
Slide 18
În perioada 1925-1927. Millikan a demonstrat că efectul ionizant al radiațiilor cosmice scade odată cu adâncimea și a confirmat originea extraterestră a acestor „raze cosmice”. Explorând traiectoriile particulelor cosmice, el a dezvăluit particule alfa, electroni rapizi, protoni, neutroni, pozitroni și cuante gamma în ele. Independent de Vernov, el a descoperit efectul latitudinal al razelor cosmice în stratosferă.
Vizualizați toate diapozitivele
