Часть 3 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Раздел 8 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

8.11. Атомная структура электричества. Опыты Иоффе, Милликена

Опыты А. Ф. Иоффе, исполненные в 1912 г., посвященные установлению атомной структуры электричества. Отрицательно заряженная металлическая пылинка помещался между пластинами конденсатора, напряженность поля которого добиралась такой, чтобы пылинка находилась в равновесии, т.е. qЕ = mg. После этого соринку освещали ультрафиолетовым светом. Вследствие фотоэффекта отрицательный заряд пылинки постепенно уменьшался и для сохранения равновесия в конденсаторе приходилось соответственно менять напряженность электрического поля:

откуда

Оказалось, что заряд пылинки может набирать только дискретных значений.

Рис. 8.7

В 1909-1914 гг. американский физик Г. Милликен провел опыты, на основании которых не только установил атомність электричества, приходилось опытами Иоффе, но и определил значение элементарного электрического заряда. Схему установки Г. Милликена изображен на рис. 8.7, а.

Основной частью прибора является плоский конденсатор, пластины которого подсоединяются к источнику напряжения в несколько тысяч вольт. Напряжение между пластинами конденсатора можно изменять и точно измерять. Г. Милликен наблюдал движение мельчайших электрически заряженных капель. С помощью специального пульверизаторам! мелкие капли масла вдувались в исследовательскую камеру, где они падали на дно. Многие из этих капель вследствие трения в пульверизаторі оказывались заряженными. Некоторые из них, падая, попадали в отверстие и сквозь него - в электрическое поле конденсатора. Здесь движение капель можно было наблюдать через небольшое окошко с помощью короткофокусної трубы (окуляра).

Рассмотрим сначала случай, когда электрического поля в конденсаторе нет. Тогда на каплю, что движется с малой скоростью в вязкой среде, кроме силы тяжести F₁ и выталкивающей силы F₂, которая определяется по закону Архимеда, будет действовать сила трения F₃. В случае сферической капли силу трения можно определить по закону Стокса:

где r - радиус капли; υ - скорость его движения; η - коэффициент вязкости среды. Направление сил F₁,F₂,F₃ изображен на рис. 8.7, б. Увеличение скорости движения капли и приводит к росту силы F₃, и в некоторый момент времени равнодействующая сил, действующих на каплю, равна нулю, т.е. F₁ = F₂ + F₃. Начиная с этого момента времени капля будет двигаться равномерно. Поскольку (ρ - плотность масла) и (ρ - плотность среды), то

Измерив скорость равномерного падение капли и зная характеристики среды ρ₀, η и вещества капли ρ, нетрудно определить радиус капли:

Если теперь между пластинами конденсатора создать поле напряженностью Е = , напрямлене так, что оно замедляет движение каплины, то на нее со стороны поля будет действовать дополнительная сила

F₄ (ее направление показано на рис. 8.7, в):

где q - заряд капли; U - разность потенциалов на пластинах конденсатора; d - расстояние между ними. Тогда в случае равновесия сил, действующих на каплю,

В уравнении (8.73) все величины или задан (η, ρ, ρ₀, U, d), или определено во время эксперимента (υ₁, r), поэтому можно определить электрический заряд капли:

Так Г. Милликен вычислил заряд капель для многочисленных случаев. Потом он нашел произвольные разницы между электрическими зарядами, которые несли на себе капли масла:

Этими расчетами он установил, что среди всех многочисленных различий между зарядами капель не было от меньшего заряда электрона, они были кратны заряду электрона или равны ему. Таким образом было доказано атомную структуру электричества и наличие элементарного электрического заряда, равную заряду электрона: е = 1,6 ∙ 10^-19 Кл. Следовательно, заряд электрона является атомом электричества, а не среднестатистической величине. Этим также был опровергнут гипотезу о существовании субелектронів - частиц, имеющих заряд в десятки, сотни и даже тысячи раз меньше, чем заряд электрона.

Теперь в связи с изучением структуры элементарных частиц высказано гипотезу о существовании так называемых кварков и допускается существование электрических зарядов, меньших от заряда электрона (см. раздел 18.8).