Mendim i ri. Prezantim me temë "Fizikantët A. F. Ioffe dhe R. E. Milliken. Rruga e tyre e jetës. Përvoja e Ioffe - Milliken"

Shkencëtarët janë të vetëdijshëm se kjo grimcë është një përbërës themelor i të gjithë botës materiale. Prandaj, u ngrit pyetja në lidhje me studimin dhe matjen e vetive të tij. Matja e parë e saktë e ngarkesës elektrike të një elektroni është meritë e Robert Millikan. Vendosja e tij eksperimentale ishte një kondensator i sheshtë i madh dhe i madh, i bërë nga dy pllaka metalike me një dhomë midis tyre. Millikan aplikoi një tension të vazhdueshëm nga një bateri e fuqishme në pllakat e kondensatorit, duke krijuar një ndryshim të lartë të mundshëm mbi to, dhe midis pllakave ai vendosi pika të atomizuara imët - së pari me ujë, dhe pastaj vaj, i cili, siç doli, sillet në një fushë elektrostatike shumë më e qëndrueshme, dhe më e rëndësishmja, avullohet shumë më ngadalë. Së pari, Millikan mati kufirin e shpejtësisë së rënies së pikave - domethënë shpejtësinë me të cilën ekuilibrohet forca e gravitetit që vepron mbi pikat nga forca e rezistencës së ajrit. Sipas kësaj shpejtësie, shkencëtari përcaktoi vëllimin dhe masën e pikave të pezullimit aerosol. Pas kësaj, ai spërkati një aerosol identik në prani të një fushe elektrostatike, domethënë me baterinë të lidhur. Në këtë rast, pikat e naftës mbetën pezull për një kohë të gjatë, pasi forcat e tërheqjes gravitacionale të Tokës u ekuilibruan nga forcat e zmbrapsjes elektrostatike midis pikave të aerosolit.

Arsyeja që pikat e aerosolit të vajit elektrizohen është e parëndësishme: është një ngarkesë e thjeshtë elektrostatike, e ngjashme me atë që grumbullohet, të themi, në lavanderi që marrim nga një centrifugë tharëse, si rezultat i faktit që pëlhura fërkohet me pëlhurë - lind nga fërkimi i pikave kundër ajrit që mbush dhomën. Sidoqoftë, për shkak të madhësisë mikroskopike të pikave të vajit në dhomë, ato nuk mund të marrin një ngarkesë të madhe dhe madhësia e ngarkesës së pikave do të jetë një shumëfish i ngarkesës elektronike të njësisë. Kjo do të thotë që, duke ulur gradualisht tensionin e jashtëm, ne do të vëzhgojmë se si "precipitojnë" pikat e vajit në mënyrë periodike, dhe nga gradimet e shkallës së tensionit në të cilën është depozituar pjesa tjetër e aerosolit, ne mund të gjykojmë vlerën absolute të ngarkesës së njësisë , pasi pikat e elektrizuara mbajnë ngarkesën fraksionale mbi vete nuk munden.

Përveç kësaj, Millikan rrezatoi pezullimin e vajit me rrezet X dhe përveç kësaj jonizoi molekulat e saj organike në mënyrë që të rrisë elektrizimin e tyre dhe të zgjasë kohën e vëzhgimit eksperimental, ndërsa njëkohësisht rrit tensionin në dhomë, dhe bëri kaq shumë herë për të rafinuar të dhënat e marra . Më në fund, pasi kishte grumbulluar mjaft të dhëna eksperimentale për përpunimin statistikor, Millikan llogariti vlerën e ngarkesës për njësi dhe publikoi rezultatet, të cilat përmbajnë ngarkesën elektronike të llogaritur sa më saktë që të jetë e mundur për ato vite.

Përvoja e Millikanit ishte jashtëzakonisht e mundimshme. Në veçanti, shkencëtari duhej të matte vazhdimisht dhe të merrte parasysh lagështinë e ajrit dhe presionin atmosferik - dhe kështu gjatë gjithë pesë viteve të monitorimit të vazhdueshëm të instalimit të tij. Çmimi për veprën titanike ishte Çmimi Nobel në Fizikë i vitit 1923, i dhënë Millikanit për botimin e tij në 1913. Interesante, për gjithë thjeshtësinë në dukje të aparatit të Millikan, ajo nuk u bë një pjesë muze. Tashmë në vitet 1960, kur u shfaq hipoteza e kuarkut ( cm. Modeli Standard), u ndërtuan instalime moderne, të përmirësuara, duke funksionuar sipas parimit të përshkruar më sipër, mbi të cilin shkencëtarët kërkuan pa sukses për kuarkë falas. Meqenëse nuk ishte e mundur të zbulohen të tilla (kuarkët e llojeve të ndryshme duhet të kenë ngarkesa elektrike të barabarta me 1/3 dhe 2/3 e ngarkesës elektronike), kjo shërbeu si një konfirmim shtesë i teorisë, sipas së cilës kuarkët në një formë të lirë në natyrën moderne nuk ndodhin dhe janë gjithmonë në një gjendje të lidhur brenda grimcave të tjera elementare.

Robert Andrews Millikan, 1868-1953

Fizikan amerikan. Lindur në Morrison, Illinois, djali i një prifti kongregacion dhe mësuese femër e shkollës së famullisë. Pasi u diplomua nga Kolegji Oberlin në Ohio, ai dha mësim Greqisht për disa kohë dhe, njëkohësisht, fizikë në shkollën fillore. I larguar nga ky i fundit, ai hyri në departamentin e fizikës të Universitetit Columbia, pas së cilës përfundoi një praktikë një vjeçare në laboratorët kryesorë të Evropës dhe më pas u regjistrua në stafin mësimdhënës të Universitetit të Çikagos. Atje ai mori njohje universale si një mësues autoritativ (në veçanti, fizika mësohej në shkollat \u200b\u200bamerikane për shumë vite duke përdorur librat e tij shkollorë). Në të njëjtin vend, në Çikago, ai kaloi për një numër vitesh eksperimentin e tij të famshëm, i cili bëri të mundur për herë të parë përcaktimin e ngarkesës së një elektroni me saktësi të mjaftueshme dhe vendosjen e Millikanit në ballë të përfaqësuesve të shkencës amerikane. Në të njëjtën kohë, shkencëtari ishte i angazhuar në aktivitete aktive shoqërore dhe, në një farë mase, kontribuoi në formimin e një imazhi të ri të një intelektuali aktiv shoqëror në mendjet e lexuesit masiv.

Gjatë Luftës së Parë Botërore, si kolonel, Millikan drejtoi Korpusin e Sinjalit të SHBA. Shkencëtari i kushtoi shumë kohë organizimit të institucioneve kërkimore dhe në 1921 ai në të vërtetë drejtoi Institutin e Teknologjisë së Kalifornisë të krijuar rishtas në Pasadena. Në të njëjtën kohë, Millikan nuk i braktisi aktivitetet e tij kërkimore, duke qenë një nga pionierët e fizikës së rrezeve kozmike. Si rezultat, ai u bë simboli i personifikuar i brezit të tij të shkencëtarëve, duke vazhduar traditat e anglezëve John Tyndall dhe Michael Faraday dhe duke parashikuar shfaqjen e shkencëtarëve të tillë të shquar popullor si Carl Sagan.

Ekzistenca e grimcave me ngarkesën më të vogël elektrike është provuar nga shumë eksperimente. Merrni parasysh përvojat kryer nga shkencëtari sovjetik A.F. Ioffe dhe, në mënyrë të pavarur prej tij, nga shkencëtari amerikan R. Millikan.

Le të njihemi së pari me fenomenin fizik që u përdor në këto eksperimente. Ky fenomen konsiston në faktin se nën ndikimin e dritës ( sidomos ultraviolet 1) negativ: ngarkesa e trupit zvogëlohet. Për shembull, një pllakë zinku e ngarkuar negativisht shkarkohet nga drita ultraviolet (Fig. 220).

Figura 221 tregon konfigurimin e përdorur në eksperimentin e A.F. Ioffe. Në një enë të mbyllur kishte dy pllaka metalike P, të rregulluara horizontalisht. Nga kamera A përmes vrimës 0 në hapësirën midis pllakave grimca të vogla të ngarkuara pluhuri të zinkut. Këto grimca pluhuri u vëzhguan nën një mikroskop.

1. Rrezatimi ultraviolet është i njëjti rrezatim që shkakton rrezitje të lëkurës së njeriut; është i pranishëm jo vetëm në rrezet e diellit, por edhe në dritën e llambave elektrike speciale.

Le të supozojmë se një copëz pluhuri k është e ngarkuar negativisht. Nën ndikimin e gravitetit F T, ajo do të fillojë të bjerë poshtë. Por rënia e saj mund të vonohet nëse pllaka e poshtme është e ngarkuar me një ngarkesë negative, dhe ajo e sipërme me një pozitive. Në fushën elektrike midis pllakave, forca elektrike F el do të veprojë në grimcën e pluhurit.Kjo forcë është proporcionale me ngarkesën e kokrrës së pluhurit: sa më e madhe të jetë ngarkesa e kokrrës së pluhurit, aq më e madhe do të jetë forca F e; duke vepruar mbi të. Ju mund të ngarkoni pllakat në një mënyrë të tillë që kjo forcë të ekuilibrojë forcën e gravitetit: F el \u003d F T. Në këto kushte, një kokërr pluhuri do të jetë në ekuilibër për një kohë arbitrarisht të gjatë. Atëherë ngarkesa negative e grimcës së pluhurit u zvogëlua duke vepruar mbi të me dritë ultraviolet. Kokrra e pluhurit filloi të binte, pasi forca Fel që vepronte mbi të u ul për shkak të një rënie në ngarkesën e kokrrës së pluhurit. Duke dhënë një ngarkesë shtesë në pllaka, dhe duke rritur kështu fushën elektrike midis pllakave, grimca e pluhurit u ndal përsëri. Kjo është bërë disa herë.

Ioffe Abram Fedorovich (1880-1960) - fizikan, akademik Sovjetik. Ai zotëron një numër zbulimesh në fushën e studimit të trupave të ngurtë, dielektrikë dhe gjysmëpërçuesve. A. F, Ioffe është një nga organizatorët kryesorë të kërkimeve fizike në BRSS.

Eksperimentet kanë treguar se në këtë rast të gjitha ndryshimet në ngarkesën e kokrrës së pluhurit ishin një numër i plotë herë (d.m.th., 2.3, 4, 5, etj.) Më shumë se ngarkesa fillestare e kokrrës së pluhurit. Si pasojë, ngarkesa e grurit të pluhurit ndryshoi në pjesë të caktuara. Nga kjo përvojë A.F. Ioffe bëri përfundimin vijues: “Kur ndriçohet me dritë ultraviolet, një copëz pluhuri humbet ngarkesën e saj negative jo vazhdimisht, por në pjesë të ndara. Ngarkesa e një kokrre pluhuri shprehet gjithmonë në shumëfish të plotë të ngarkesës elementare e 0. Por ngarkesa lë një copëz pluhuri së bashku me një grimcë lënde.Si pasojë, në natyrë ekziston një grimcë e tillë e materies që ka ngarkesën më të vogël, e cila nuk është më e ndashme. Kjo grimcë u quajt një elektron ".

Vlera e ngarkesës elektronike u përcaktua fillimisht nga R. Millikan. Në eksperimentet e tij, ai përdori pika të vogla vaji, duke vëzhguar lëvizjen e tyre në një fushë elektrike.

Masa e elektronit doli të jetë 9,1 10 -28 g, është 3700 herë më pak se masa e një molekule hidrogjeni, më e vogla nga të gjitha molekulat. Ngarkesa elektrike është një nga vetitë themelore të një elektroni. Impossibleshtë e pamundur të imagjinohet se kjo akuzë mund të "hiqet" nga elektron, është e pandashme vetia e elektronit. Një elektron është një grimcë me ngarkesën më të vogël negative.

Një ushtrim. Në eksperimentin e përshkruar, pllaka e poshtme ishte e ngarkuar negativisht. Rënia, e cila më parë ishte në ekuilibër, filloi të lëvizë lart. Si ka ndryshuar karikimi i saj? A është rritur apo zvogëluar numri i elektroneve në të?

Figura 1 tregon një diagram të konfigurimit të përdorur në eksperimentin e A.F. Ioffe. Në një enë të mbyllur, ajri nga i cili u evakuua në një vakum të lartë, kishte dy pllaka metalike Pndodhet horizontalisht. Nga kamera DHE përmes vrimës RRETH nëse pluhuri i vogël i ngarkuar i zinkut hyri në hapësirën midis pllakave. Këto grimca pluhuri u vëzhguan nën një mikroskop.

Le të supozojmë se një copëz pluhuri është e ngarkuar negativisht. Nën ndikimin e gravitetit, ajo fillon të bjerë poshtë. Por rënia e saj mund të vonohet nëse pllaka e poshtme ngarkohet me një ngarkesë negative, dhe ajo e sipërme me një ngarkesë pozitive. Në fushën elektrostatike midis pllakave, një forcë \\ (~ \\ vec F_ (el) \\) do të veprojë mbi grimcën e pluhurit, e cila është proporcionale me ngarkesën e grimcës së pluhurit. Nëse mg = F el, atëherë copa e pluhurit do të mbetet në ekuilibër për një kohë arbitrarisht të gjatë. Atëherë ngarkesa negative e grimcës së pluhurit u zvogëlua duke vepruar mbi të me dritë ultraviolet. Pjesa e pluhurit filloi të binte ndërsa forca \\ (~ \\ vec F_ (el) \\), duke vepruar mbi të, u zvogëlua. Duke dhënë një ngarkesë shtesë në pllaka dhe duke rritur kështu fushën elektrike midis pllakave, grimca e pluhurit u ndal përsëri. Kjo është bërë disa herë.

Eksperimentet kanë treguar se ngarkesa e një kokërr pluhuri gjithmonë ndryshonte papritmas, shumëfish i ngarkesës së një elektroni. Nga ky eksperiment, A. Ioffe bëri konkluzionin e mëposhtëm: ngarkesa e një kokrre pluhuri shprehet gjithmonë si shumëfisha të plotë të ngarkesës elementare e... Nuk ka "pjesë" më të vogla të ngarkesës elektrike të afta të transferohen nga një trup në tjetrin në natyrë. Por ngarkesa e grimcës së pluhurit largohet me grimcën e materies. Si pasojë, në natyrë ekziston një grimcë e tillë e materies që ka ngarkesën më të vogël, atëherë ajo është tashmë e pandashme. Kjo grimcë u emërua elektron.

Vlera e ngarkesës elektronike u përcaktua së pari nga fizikani amerikan R. Millikan. Në eksperimentet e tij, ai përdori pika të vogla vaji, duke vëzhguar lëvizjen e tyre në një fushë elektrostatike (Fig. 2). Në këto eksperimente, shpejtësia e lëvizjes së pikave të vajit u mat në një fushë elektrostatike uniforme midis dy pllakave metalike. Një pikë vaji që nuk ka ngarkesë elektrike për shkak të rezistencës së ajrit dhe forcës së lundrimit bie me një shpejtësi të caktuar konstante, pasi \\ (~ m \\ vec g + \\ vec F_A + \\ vec F_c \u003d 0 \\).

Nëse në rrugën e saj një pikë takon një jon dhe fiton një ngarkesë elektrike q, atëherë, përveç gravitetit \\ (~ m \\ vec g \\), \\ (~ \\ vec F_c \\) dhe \\ (~ \\ vec F_A \\), forca \\ (~ \\ vec F_ (el) \\). Pastaj, me një lëvizje të qëndrueshme \\ (~ m \\ vec g + \\ vec F_A + \\ vec F_c + \\ vec F_ (el) \u003d 0 \\). Duke matur shpejtësinë e rënies, Millikan ishte në gjendje të përcaktojë ngarkesën e saj.

Letërsi

Aksenovich L.A.Fizika në shkollën e mesme: Teoria. Detyrat Testet: Libër mësuesi. shtesa për institucionet që sigurojnë faturë të përgjithshme. mjedise, arsim / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Minsk: Adukatsya i vyhavanne, 2004. - f. 210-211.

Eksperimentet nga Milliken dhe Ioffe për të matur ngarkesën elektronike. Shkurtësia e ngarkesës elektrike.

Data: 1910–1913.

Metodat:krahasimi sasior i vëzhgimit direkt me teorinë.

Direktiteti i eksperimentit: vëzhgimi i drejtpërdrejtë + analiza teorike.

Artificialiteti i kushteve të studiuara: kushtet artificiale nën të cilat është i zbatueshëm modeli i përdorur.

Parimet themelore nën studim:diskreciteti i ngarkesës elektrike.

Në eksperimentin e Robert Andrews Millikan (1858-1953) u hulumtuan mikro-pika të naftës TE (shih fig. në të djathtë), të elektrizuar nga fërkimi ndaj ajrit, si dhe kapja e joneve të ajrit, të jonizuar nga rrezatimi ultraviolet. Nëse vendosni një rënie të tillë në një enë vertikale me ajër, atëherë ajo do të fillojë të bjerë dhe shpejtësia e saj konstante e rënies së shpejti do të vendoset, që korrespondon me ekuilibrin e forcës së Arkimedit, forcën e fërkimit viskoz dhe forcën e gravitetit:

ku është dendësia, vëllimi dhe rrezja e rënies, përkatësisht, është koeficienti i rezistencës së ajrit, i shprehur përmes viskozitetit të tij sipas ligjit të Stokes, është dendësia e ajrit. Nëse tani në enë krijohet një fushë e drejtuar vertikalisht me një intensitet, atëherë një term do të shfaqet në anën e majtë të ekuacionit sipër, ku është ngarkesa e rënies. Në eksperiment, vaji kaloi nëpër një dhomë speciale spërkatëse R, drejtuar në hapësirën midis dy pllakave metalike, ndryshimi i mundshëm midis të cilave ishte deri në disa kilovolt (shih Fig.). Në fillim, me tension të fikur, rënia filloi të binte, ndërsa u vu re përmes një mikroskopi M, duke rregulluar shpejtësinë e rënies në gjendje të qëndrueshme. Sidoqoftë, para se të binte rënia në pllakën e poshtme, voltazhi u ndez në mënyrë që fusha elektrike të ngrinte rënien dhe të llogaritej shkalla e gjendjes së qëndrueshme të rënies. Duke u ndezur dhe mbyllur nga fusha në kohë, rënia u detyrua të rritet dhe të bjerë shumë herë, dhe ishte e lehtë për të llogaritur ngarkesën e saj. Doli se ishte ndryshe në dimensione të ndryshme, por gjatë gjithë kohës një shumëfish me të njëjtën vlerë ngarkesa elementare

Kjo vlerë e ngarkesës u shoqërua më pas me ngarkesën e elektronit. Në fakt, besohet se rënia thjesht kapi jone të ngarkuara pozitivisht ose negativisht gjatë lëvizjes së saj.

Nëse flasim për tiparet e eksperimentit të Millikanit, atëherë mund të themi se në të u përdor ajri i pastruar posaçërisht dhe dhoma përmes së cilës u ngrit dhe ra pika u ndriçua me dritën e një harku elektrik. Kjo, nga njëra anë, e bënte të dukshme pikën, dhe nga ana tjetër, ajo jonizonte ajrin, gjë që bëri të mundur që pika të kapte jonet e saj. Përveç kësaj, siç tregohet në figurë, llak ishte mbi pllakën e sipërme, në të cilën, megjithatë, kishte një vrimë të vogël RRETH, përmes së cilës vetëm pika individuale ranë në hapësirën midis pllakave, në të cilën ekzistonte një fushë elektrike. Në eksperimentin e Millikanit, u përdorën pikat në rendin e një mikrometër.

Një eksperiment i ngjashëm u krye nga Abram Fedorovich Ioffe (1890-1960) me një ndryshim prej vetëm disa vjetësh (Ioffe publikoi punën e tij në 1913, pas Millikan, prandaj, ky i fundit zakonisht përmendet në literaturë). Në eksperimentin e tij, nuk ishin pikat e vajit ato të ekuilibruara nga një fushë elektrike, por grimcat e pluhurit metalik, të cilat u elektrizuan me ndihmën e rrezatimit jonizues (këtu, sidoqoftë, ngarkesa duhej të ishte gjithnjë pozitive, pasi grimcat e pluhurit duhej të humbasin elektronet si rezultat i thithjes së kuantave të këtij rrezatimi). Meqenëse dendësia e metalit tejkalon ndjeshëm dendësinë e ajrit, forca e Arkimedit është e parëndësishme; për më tepër, në eksperimentin e Ioffe, u vu re ekuilibri i grimcave, dhe jo lëvizja e tyre uniforme, e cila u sigurua duke rregulluar tensionin midis pllakave.

E veçanta e eksperimentit të Ioffe ishte se grimcat e pluhurit të hedhura në dhomën e kondensatorit nuk ishin fillimisht neutrale, por mund të shihej që nën veprimin e rrezatimit ultraviolet ata humbën një ngarkesë negative, e cila tregonte pikërisht këtë shenjë të ngarkesës elektronike. Kjo nuk është asgjë më shumë sesa një efekt fotografik i zbuluar dhe studiuar nga Stoletov.

Si rezultat i eksperimenteve të Millikan dhe Ioffe, u krijua një fakt themelor për fizikën - diskreciteti i një ngarkese elektrike - dhe u gjet një karakteristikë sasiore e diskrecionit. Sidoqoftë, në fizikën moderne teorike, ka objekte me ngarkesa fraksionale. Këto janë kuarkë, ngarkesat e të cilave janë elementare në vlerë absolute. Sidoqoftë, këto grimca nuk ekzistojnë në një formë të lirë, dhe gjendjet e tyre të lidhura - hadronet - tashmë kanë një ngarkesë të tërë (në njësitë elementare). Sidoqoftë, në eksperimentet mbi shpërndarjen e grimcave me energji të lartë nga hadronet, vlerat e ngarkesave të kuarkut brenda tyre, shumëfishimet e një të tretës së ngarkesës elementare, u morën në të vërtetë.

Vlera e ngarkesës elektrike elementare është e lidhur ngushtë me atë pa dimension struktura e imët konstante, i cili përcakton fuqinë e bashkëveprimit elektromagnetik dhe njihet sot me saktësi të mahnitshme:

Një nga shpjegimet teorike për diskrecitetin e akuzës u propozua në fillim të shekullit të 20-të nga Kaluza dhe Klein bazuar në konceptin e dimensioneve më të larta të hapësirë-kohës. Sidoqoftë, diskreciteti i ngarkesës elektrike mbetet i pranuar sot, por nuk shpjegohet.

Përshkrimi i prezantimit për prezantime individuale:

1 rrëshqitje