Meranie elementárneho náboja. „Určenie náboja elektrónu. Metódy objavovania elektrónov

Laboratórne práceč. 7 "Určenie náboja elektrónu"

Cieľ práce: naučiť sa experimentálne určiť náboj elektrónu.

Schéma nastavenia merania je znázornená na obrázku.

Na experiment môžete použiť vodný roztok síranu meďnatého ( CuS04) a medené platne ako elektródy. Náboj elektrónu možno určiť podľa vzorca:

odvodené z Faradayovho zákona pre elektrolýzu. Tu m- hmotnosť látky uvoľnenej na elektróde, M je molárna hmotnosť látky, n- mocnosť tejto látky, N A je Avogadrova konštanta, ja je prúd pretekajúci roztokom elektrolytu, t- aktuálny čas toku.

Hmotnosť medi uvoľnenej na katóde sa určí vážením katódy pred a po experimente. Preto m=m2+m1 a vzorec na určenie náboja elektrónu bude mať tvar:

Na meranie sily prúdu sa používa školský ampérmeter, čas sa meria v hodinách. Na reguláciu sily prúdu je potrebný reostat v obvode.

Príklad vykonania

Na vyplnenie tabuľky používame nasledujúce vzorce:

1) Δ a m - absolútna chyba

A a m = 0,00001 kg

Δ 0 m - absolútna chyba čítania

Ministerstvo školstva Ruskej federácie

Amurská štátna pedagogická univerzita

Metódy stanovenia elementárneho elektrického náboja

Splnil študent 151g.

Venzelev A.A.

Skontroloval: Cheraneva T.G.

Úvod.

1. Prehistória objavu elektrónu

2. História objavu elektrónu

3. Experimenty a metódy na objavenie elektrónu

3.1 Skúsenosti spoločnosti Thomson

3.2 Skúsenosti Rutherforda

3.3. Millikanova metóda

3.3.1. krátky životopis

3.3.2. Popis inštalácie

3.3.3. Výpočet elementárneho náboja

3.3.4. Závery z metódy

3.4. Comptonova zobrazovacia metóda

Záver.

Úvod:

ELEKTRON - prvá elementárna častica z hľadiska času objavu; materiálny nosič najmenšej hmotnosti a najmenšieho elektrického náboja v prírode; základná časť atómu.

Náboj elektrónu je 1,6021892. 10-19 °C

4,803242. 10-10 jednotiek SGSE

Hmotnosť elektrónu je 9,109534. 10 - 31 kg

Špecifický poplatok e/m e 1,7588047 . 10 11 Cl. kg -1

Spin elektrónu je 1/2 (v jednotkách h) a má dve projekcie ±1/2; elektróny poslúchajú Fermi-Diracovu štatistiku, fermióny. Podliehajú Pauliho princípu vylúčenia.

Magnetický moment elektrónu je - 1,00116 m b, kde m b je Bohrov magnetón.

Elektrón je stabilná častica. Podľa experimentálnych údajov je životnosť t e > 2 . 10 22 rokov.

Nezúčastňuje sa silnej interakcie, leptón. Moderná fyzika považuje elektrón za skutočne elementárnu časticu, ktorá nemá štruktúru a rozmery. Ak sú posledné a nenulové, potom polomer elektrónu r e< 10 -18 м

1. Pozadie objavu

Objav elektrónu bol výsledkom mnohých experimentov. Na začiatku XX storočia. existencia elektrónu bola preukázaná v množstve nezávislých experimentov. Ale napriek obrovskému experimentálnemu materiálu, ktorý nahromadili celé národné školy, zostal elektrón hypotetickou časticou, pretože skúsenosti ešte nezodpovedali množstvo základných otázok. V skutočnosti sa „objav“ elektrónu vliekol viac ako pol storočia a neskončil v roku 1897; podieľalo sa na ňom veľa vedcov a vynálezcov.

V prvom rade neexistoval jediný experiment, ktorého by sa zúčastnili jednotlivé elektróny. Elementárny náboj bol vypočítaný na základe meraní mikroskopického náboja za predpokladu, že množstvo hypotéz bolo správnych.

Neistota bola v zásadne dôležitom bode. Najprv sa elektrón objavil ako výsledok atomistickej interpretácie zákonov elektrolýzy, potom bol objavený v plynovom výboji. Nebolo jasné, či sa fyzika skutočne zaoberá tým istým objektom. Veľká skupina skeptických prírodovedcov verila, že elementárny náboj je štatistickým priemerom nábojov najrôznejších veľkostí. Navyše žiadny z experimentov na meranie náboja elektrónu neposkytol striktne sa opakujúce hodnoty.
Boli skeptici, ktorí objav elektrónu vo všeobecnosti ignorovali. Akademik A.F. Ioffe vo svojich memoároch o svojom učiteľovi V.K. Roentgene napísal: „Do roku 1906 - 1907. slovo elektrón sa na Fyzikálnom inštitúte Mníchovskej univerzity nemalo hovoriť. Roentgen to považoval za neoverenú hypotézu, často uplatňovanú bez dostatočných dôvodov a bez potreby.

Otázka hmotnosti elektrónu nie je vyriešená, nebolo dokázané, že na vodičoch aj na dielektrikách sa náboje skladajú z elektrónov. Pojem „elektrón“ nemal jednoznačnú interpretáciu, pretože experiment ešte neodhalil štruktúru atómu (Rutherfordov planetárny model sa objavil v roku 1911 a Bohrova teória - v roku 1913).

Elektrón ešte nevstúpil do teoretických konštrukcií. Lorentzova elektrónová teória sa vyznačovala kontinuálne distribuovanou hustotou náboja. V teórii kovovej vodivosti, ktorú vyvinul Drude, išlo o diskrétne náboje, ale išlo o ľubovoľné náboje, na hodnotu ktorých neboli uvalené žiadne obmedzenia.

Elektrón ešte neopustil rámec „čistej“ vedy. Pripomeňme, že prvá elektrónka sa objavila až v roku 1907. Aby sme sa dostali od viery k presvedčeniu, bolo potrebné najskôr elektrón izolovať, vymyslieť metódu na priame a presné meranie elementárneho náboja.

Riešenie tohto problému na seba nenechalo dlho čakať. V roku 1752 prvýkrát vyslovil myšlienku diskrétnosti elektrického náboja B. Franklin. Experimentálne bola diskrétnosť nábojov doložená zákonmi elektrolýzy objavenými M. Faradayom v roku 1834. Číselná hodnota elementárneho náboja (najmenšieho elektrického náboja nájdeného v prírode) bola teoreticky vypočítaná na základe zákonov elektrolýzy pomocou tzv. Číslo Avogadro. Priame experimentálne meranie elementárneho náboja uskutočnil R. Millikan v klasických experimentoch uskutočnených v rokoch 1908 - 1916. Tieto experimenty tiež poskytli nezvratný dôkaz atomizmu elektriny. Podľa základných pojmov elektrónovej teórie náboj telesa vzniká v dôsledku zmeny počtu elektrónov v ňom obsiahnutých (alebo kladných iónov, ktorých náboj je násobkom náboja elektrónu). Preto sa náboj akéhokoľvek telesa musí zmeniť náhle a v takých častiach, ktoré obsahujú celý počet elektrónových nábojov. Po zistení diskrétnej povahy zmeny elektrického náboja R. Milliken bol schopný potvrdiť existenciu elektrónov a určiť veľkosť náboja jedného elektrónu (elementárneho náboja) pomocou metódy olejových kvapiek. Metóda je založená na štúdiu pohybu nabitých kvapiek oleja v rovnomernom elektrickom poli známej sily E.

2.Objav elektrónu:

Ak odhliadneme od toho, čo predchádzalo objavu prvej elementárnej častice – elektrónu, a čo sprevádzalo túto výnimočnú udalosť, môžeme stručne povedať: v roku 1897 slávny anglický fyzik Thomson Joseph John (1856-1940) zmeral špecifický náboj q/m častice katódového žiarenia – „telieska“, ako ich nazýval, podľa vychýlenia katódových lúčov *) v elektr. magnetické polia.

Z porovnania získaného čísla s vtedy známym špecifickým nábojom jednomocného vodíkového iónu nepriamou úvahou dospel k záveru, že hmotnosť týchto častíc, neskôr nazývaných „elektróny“, je oveľa menšia (viac ako tisíckrát) ako je hmotnosť najľahšieho vodíkového iónu.

V tom istom roku 1897 vyslovil hypotézu, že elektróny sú neoddeliteľnou súčasťou atómy a katódové lúče nie sú alebo nie sú atómy elektromagnetická radiácia, ako sa domnievali niektorí výskumníci vlastností lúčov. Thomson napísal: "Katódové lúče teda predstavujú nový stav hmoty, v podstate odlišný od bežného plynného skupenstva...; v tomto novom stave je hmota látkou, z ktorej sú postavené všetky prvky."

Od roku 1897 začal korpuskulárny model katódových lúčov získavať všeobecné uznanie, hoci existovali rôzne úsudky o povahe elektriny. Nemecký fyzik E. Wiechert teda veril, že „elektrina je niečo imaginárne, čo skutočne existuje len v myšlienkach“, a slávny anglický fyzik Lord Kelvin v tom istom roku 1897 napísal o elektrine ako o akejsi „spojitej tekutine“.

Thomsonova myšlienka katódových teliesok ako hlavných zložiek atómu sa nestretla s veľkým nadšením. Niektorí z jeho kolegov si mysleli, že ich oklamal, keď navrhol, že častice katódového žiarenia by sa mali považovať za možné zložky atómu. Skutočnú úlohu Thomsonových teliesok v štruktúre atómu možno pochopiť v kombinácii s výsledkami iných štúdií, najmä s výsledkami analýzy spektier a štúdia rádioaktivity.

29. apríla 1897 Thomson predniesol svoje slávne posolstvo na stretnutí Kráľovskej spoločnosti v Londýne. Presný čas objavu elektrónu – deň a hodinu – nemožno vzhľadom na jeho originalitu pomenovať. Táto udalosť bola výsledkom dlhoročnej práce Thomsona a jeho zamestnancov. Thomson ani nikto iný nikdy nepozoroval elektrón v doslovnom zmysle slova, nikto nedokázal izolovať jedinú časticu z lúča katódových lúčov a zmerať jej špecifický náboj. Autorom objavu je J.J. Thomson, pretože jeho predstavy o elektróne boli blízke moderným. V roku 1903 navrhol jeden z prvých modelov atómu – „hrozienkový puding“ a v roku 1904 navrhol, aby sa elektróny v atóme rozdelili do skupín, ktoré tvoria rôzne konfigurácie, ktoré určujú periodicitu chemických prvkov.

Miesto nálezu je presne známe - Cavendish Laboratory (Cambridge, UK). Vytvoril ho v roku 1870 J.K. Maxwell a v priebehu nasledujúcich sto rokov sa stal „kolískou“ celého reťazca brilantných objavov v rôznych oblastiach fyziky, najmä v atómovej a jadrovej. Jeho riaditeľmi boli: Maxwell J.K. - v rokoch 1871 až 1879 Lord Rayleigh - v rokoch 1879 až 1884 Thomson J.J. - od roku 1884 do roku 1919, Rutherford E. - od roku 1919 do roku 1937, Bragg L. - od roku 1938 do roku 1953; zástupca riaditeľa v rokoch 1923-1935 - Chadwick J.

Vedecký experimentálny výskum vykonával jeden vedec alebo malá skupina v atmosfére tvorivého hľadania. Lawrence Bragg neskôr spomínal na svoju prácu v roku 1913 so svojím otcom Henrym Braggom: „Bolo to úžasné obdobie, keď sa takmer každý týždeň dosahovali nové vzrušujúce výsledky, ako napríklad objavenie nových zlatonosných oblastí, kde sa dajú nugety zbierať priamo zo zeme. Toto pokračovalo až do začiatku vojny *), ktorá ukončila našu spoločnú prácu“.

3. Metódy objavovania elektrónov:

3.1 Skúsenosti spoločnosti Thomson

Joseph John Thomson Joseph John Thomson, 1856–1940

Anglický fyzik, lepšie známy ako J. J. Thomson. Narodil sa v Cheetham Hill na predmestí Manchestru v rodine obchodníka so starožitnosťami z druhej ruky. V roku 1876 získal štipendium na štúdium na Cambridge. V rokoch 1884-1919 bol profesorom na Katedre experimentálnej fyziky Univerzity v Cambridge a na čiastočný úväzok vedúcim Cavendish Laboratory, ktoré sa vďaka Thomsonovmu úsiliu stalo jedným z najznámejších výskumných centier na svete. Zároveň bol v rokoch 1905-1918 profesorom Kráľovského inštitútu v Londýne. Nositeľ Nobelovej ceny za fyziku z roku 1906 s formuláciou „za výskum prechodu elektriny cez plyny“, čo samozrejme zahŕňa aj objav elektrónu. Thomsonov syn George Paget Thomson (1892-1975) sa tiež nakoniec stal laureátom Nobelovej ceny za fyziku - v roku 1937 za experimentálny objav elektrónovej difrakcie kryštálmi.

Podrobnosti Kategória: Elektrina a magnetizmus Publikované dňa 08.06.2015 05:51 Zobrazenie: 6694

Jednou zo základných konštánt fyziky je elementárny elektrický náboj. Toto je skalárna hodnota, ktorá charakterizuje schopnosť fyzické telá podieľať sa na elektromagnetickej interakcii.

Elementárny elektrický náboj sa považuje za najmenší kladný alebo záporný náboj, ktorý nemožno rozdeliť. Jeho hodnota sa rovná hodnote elektrónového náboja.

Skutočnosť, že každý prirodzene sa vyskytujúci elektrický náboj sa vždy rovná celému počtu elementárnych nábojov, navrhol v roku 1752 známy politická osobnosť Benjamin Franklin, politik a diplomat, zaoberal sa aj vedeckými a vynálezeckými aktivitami, prvý Američan, ktorý sa stal členom Ruská akadémia vedy.

Benjamin Franklin

Ak je Franklinov predpoklad správny a elektrický náboj akéhokoľvek nabitého telesa alebo sústavy telies pozostáva z celočíselného počtu elementárnych nábojov, potom sa tento náboj môže náhle zmeniť o hodnotu obsahujúcu celé číslo elektrónových nábojov.

Prvýkrát to potvrdil a pomerne presne určil americký vedec, profesor Chicagskej univerzity Robert Milliken.

Millikanská skúsenosť

Schéma Millikanovho experimentu

Millikan uskutočnil svoj prvý slávny experiment s kvapkami oleja v roku 1909 so svojím asistentom Harveym Fletcherom. Hovoria, že najprv plánovali urobiť experiment s pomocou kvapiek vody, no tie sa za pár sekúnd vyparili, čo na výsledok zjavne nestačilo. Potom Milliken poslal Fletchera do lekárne, kde si kúpil fľaštičku s rozprašovačom a fľaštičku hodinkového oleja. To stačilo na to, aby bola skúsenosť úspešná. Následne za to Milliken dostal Nobelovu cenu a Fletcher doktorát.

Robert Milliken

Harvey Fletcher

Čo bol Millikanov experiment?

Elektrifikovaná kvapka oleja padá pod vplyvom gravitácie medzi dve kovové platne. Ak sa však medzi nimi vytvorí elektrické pole, zabráni pádu kvapky. Meraním sily elektrického poľa je možné určiť náboj kvapky.

Experimentátori umiestnili do nádoby dve kovové dosky kondenzátora. Pomocou striekacej pištole tam boli vnášané najmenšie kvapôčky oleja, ktoré boli pri striekaní negatívne nabité v dôsledku ich trenia o vzduch.

Pri absencii elektrického poľa kvapka padá

Pôsobením gravitácie F w = mg začali kvapky klesať. Ale keďže neboli vo vákuu, ale v médiu, potom sila odporu vzduchu zabránila ich voľnému pádu Fres = 6πη rv 0 , Kde η je viskozita vzduchu. Kedy Fw A F res vyrovnaný, pád sa stal rovnomerným s rýchlosťou v0 . Meraním tejto rýchlosti vedec určil polomer poklesu.

Kvapka "pláva" pod vplyvom elektrického poľa

Ak v momente pádu kvapôčky bolo na platne privedené napätie tak, že horná platňa dostala kladný náboj a spodná záporný, kvapka sa zastavila. Zabránilo mu v tom vznikajúce elektrické pole. Zdalo sa, že kvapky plávajú. To sa stalo, keď sila F r vyvážené silou pôsobiacou z elektrického poľa F r = eE ,

Kde F r- výsledná sila gravitácie a sila Archimedes.

Fr = 4/3 pr 3 ( ρ – ρ 0) g

ρ je hustota kvapky oleja;

ρ 0 – hustota vzduchu.

r je polomer poklesu.

Vedieť F r A E , je možné určiť hodnotu e .

Keďže bolo veľmi ťažké zabezpečiť, aby kvapka zostala dlho nehybná, Milliken a Fletcher vytvorili pole, v ktorom sa kvapka po zastavení začala pohybovať nahor veľmi nízkou rýchlosťou. v . V tomto prípade

Experimenty sa mnohokrát opakovali. Náboje boli udelené kvapôčkam ožiarením röntgenovým alebo ultrafialovým zariadením. Ale zakaždým sa celkový náboj kvapky vždy rovnal niekoľkým elementárnym nábojom.

V roku 1911 Milliken zistil, že náboj elektrónu je 1,5924(17) x 10-19C. Vedec sa mýlil len o 1 %. Jeho moderná hodnota je 1,602176487 (10) x 10 -19 °C.

Ioffe skúsenosti

Abram Fedorovič Ioffe

Treba povedať, že takmer súčasne s Millikanom, ale nezávisle od neho, takéto experimenty uskutočnil ruský fyzik Abram Fedorovič Ioffe. A jeho experimentálne nastavenie bolo podobné ako u Millikana. Z nádoby sa ale odčerpával vzduch a vytvorilo sa v nej vákuum. A namiesto kvapiek oleja Ioffe použil malé nabité častice zinku. Ich pohyb bol pozorovaný pod mikroskopom.

Ioffe inštalácia

1- rúrka

2-kamera

3 - kovové platne

4 - mikroskop

5 - ultrafialový žiarič

Pôsobením elektrostatického poľa spadlo zrnko zinku. Len čo sa gravitácia prachového zrna vyrovnala sile pôsobiacej naň z elektrického poľa, pád sa zastavil. Pokiaľ sa náboj prachovej častice nezmenil, zostala nehybne visieť. Ale ak bol vystavený ultrafialovému svetlu, jeho náboj sa znížil a rovnováha bola narušená. Znova začala padať. Potom sa množstvo náboja na doskách zvýšilo. V súlade s tým sa elektrické pole zvýšilo a pád sa opäť zastavil. Toto sa robilo niekoľkokrát. Výsledkom bolo zistenie, že zakaždým sa náboj prachovej častice zmenil o násobok náboja elementárnej častice.

Ioffe nevypočítal veľkosť náboja tejto častice. Ale po vykonaní podobného experimentu v roku 1925 spolu s fyzikom N.I. Dobronravov, ktorý mierne upravil poloprevádzku a namiesto zinku použil častice bizmutového prachu, teóriu potvrdil

Parshina Anna, Sevalnikov Alexey, Luzyanin Roman.

Cieľ práce: naučiť sa určovať hodnotu elementárneho náboja elektrolýzou; preskúmať metódy stanovenia náboja elektrón.

Vybavenie: valcová nádoba s roztokom síranu meďnatého, lampa, elektródy, váhy, ampérmeter, zdroj konštantného napätia, reostat, hodiny, kľúč, spojovacie vodiče.

Stiahnuť ▼:

Náhľad:

Ak chcete použiť ukážku prezentácií, vytvorte si Google účet (účet) a prihláste sa: https://accounts.google.com

Popisy snímok:

Laboratórne práce Stanovenie elementárneho náboja metódou elektrolýzy Vykonali študenti 10. ročníka strednej školy Chučkovskaja: Anna Parshina, Alexey Sevalnikov, Roman Luzyanin. Vedúci: učiteľ fyziky Chekalina O.Yu.

Účel práce: naučiť sa určovať hodnotu elementárneho náboja elektrolýzou; metódy štúdia na určenie náboja elektrónu. Vybavenie: valcová nádoba s roztokom síranu meďnatého, lampa, elektródy, váhy, ampérmeter, zdroj konštantného napätia, reostat, hodiny, kľúč, spojovacie vodiče.

Zostavili sme reťaz: Postup prác:

Výsledok našej práce

Naučili sme sa určiť hodnotu elementárneho náboja elektrolýzou, študovali sme metódy na určenie náboja elektrónu. Záver:

V. Ya. Bryusov "Svet elektrónu" Možno sú tieto elektróny svetmi, kde je päť kontinentov, Umenie, vedomosti, vojny, tróny a pamäť štyridsiatich storočí! Tiež je možno každý atóm vesmírom, kde je sto planét; Je tu všetko, čo je tu, v komprimovanom objeme, ale aj to, čo tu nie je. Ich miery sú malé, ale ich nekonečnosť je rovnaká ako tu; Je tu smútok a vášeň, ako tu, a dokonca aj tam rovnaká svetová arogancia. Ich múdri muži, ktorí umiestňujú svoj bezhraničný svet do stredu bytia, sa ponáhľajú preniknúť do iskier tajomstva a myslia, ako ja teraz; A vo chvíli, keď sa zo skazy vytvárajú prúdy nových síl, kričia v snoch sebahypnózy, že Boh uhasil svoju pochodeň!