Измерение элементарного заряда. «Определение заряда электрона. Методы открытия электрона

Лабораторная работа № 7 «Определение заряда электрона»

Цель работы: научиться определять заряд электрона экспериментальным путем.

Схема измерительной установки показана на рисунке.

Для проведения эксперимента можно использовать водный раствор сульфата меди (CuSO 4 ), а в качестве электродов - медные пластины. Заряд электрона может быть определен по формуле:

полученной из закона Фарадея для электролиза. Здесь m - масса выделившегося на электроде вещества, М - молярная масса вещества, n - валентность этого вещества, N A - постоянная Авогадро, I - сила тока, прошедшего через раствор электролита, t -время прохождения тока.

Масса выделившейся на катоде меди определяется путем взвешивания катода до и после проведения опыта. Поэтому m=m 2 +m 1 , и формула для определения заряда электрона примет вид:

Для измерения силы тока используют школьный амперметр, время измеряется часами. Реостат в цепи необходим для регулирования силы тока.

Пример выполнения

Используем следующие формулы для заполнения таблицы:

1) Δ и m - абсолютная погрешность

Δ и m = 0,00001 кг

Δ 0 m - абсолютная погрешность отсчета

Министерство образования РФ

Амурский Государственный Педагогический университет

Методы определения элементарного электрического заряда

Выполнил студент 151г.

Вензелев А.А

Проверил: Черанева Т.Г

Введение.

1. Предыстория открытия электрона

2. История открытия электрона

3. Опыты и методы открытия электрона

3.1.Опыт Томсона

3.2.Опыт Резерфорда

3.3. Метод Милликена

3.3.1. Краткая биография

3.3.2. Описание установки

3.3.3. Вычисление элементарного заряда

3.3.4. Выводы из метода

3.4. Метод визуализации Комптона

Заключение.

Введение:

ЭЛЕКТРОН - первая по времени открытия элементарная частица; материальный носитель наименьшей массы и наименьшего электрического заряда в природе; составная часть атома.

Заряд электрона - 1,6021892 . 10 -19 Кл

4,803242 . 10 -10 ед. СГСЭ

Масса электрона 9,109534 . 10 -31 кг

Удельный заряд e/m e 1,7588047 . 10 11 Кл. кг -1

Спин электрона равен 1/2 (в единицах h) и имеет две проекции ±1/2; электроны подчиняются статистике Ферми-Дирака, фермионы. На них действует принцип запрета Паули.

Магнитный момент электрона равен - 1,00116 m б, где m б - магнетон Бора.

Электрон стабильная частица. Согласно экспериментальным данным, время жизни t e > 2 . 10 22 лет.

Не участвует в сильном взаимодействии, лептон. Современная физика рассматривает электрон как истинно элементарную частицу, не обладающую структурой и размерами. Если последние и отличны от нуля, то радиус электрона r e < 10 -18 м

1.Предыстория открытия

Открытие электрона явилось результатом многочисленных экспериментов. К началу XX в. существование электрона было установлено в целом ряде независимых экспериментов. Но, несмотря на колоссальный экспериментальный материал, накопленный целыми национальными школами, электрон оставался гипотетической частицей, ибо опыт еще не ответил на ряд фундаментальных вопросов. В действительности "открытие" электрона растянулось более чем на полстолетия и не завершилось в 1897 году; в нем принимало участие множество ученых и изобретателей.

Прежде всего не было ни одного опыта, в котором участвовали бы отдельные электроны. Элементарный заряд вычислялся на основании измерений микроскопического заряда в предположении справедливости ряда гипотез.

Неопределенность была в принципиально важном пункте. Сначала электрон появился как результат атомистического истолкования законов электролиза, затем он был обнаружен в газовом разряде. Было не ясно, имеет ли физика в действительности дело с одним и тем же объектом. Большая группа скептически настроенных естествоиспытателей считала, что элементарный заряд представляет собой статистическое среднее зарядов самой разнообразной величины. Тем более что ни один из опытов по измерению заряда электрона не давал строго повторяющихся значений.
Были скептики, которые вообще игнорировали открытие электрона. Академик А.Ф. Иоффе в воспоминаниях о своем учителе В.К. Рентгене писал: «До 1906 - 1907 гг. слово электрон не должно было произноситься в физическом институте Мюнхенского университета. Рентген считал его недоказанной гипотезой, применяемой часто без достаточных оснований и без нужды».

Не был решен вопрос о массе электрона, не доказано, что и на проводниках, и на диэлектриках заряды состоят из электронов. Понятие «электрон» не имело однозначного толкования, ибо эксперимент не раскрыл еще структуры атома (планетарная модель Резерфорда появится в 1911 г., а теория Бора - в 1913г.).

Электрон не вошел еще и в теоретические построения. В электронной теории Лоренца фигурировала непрерывно распределенная плотность заряда. В теории металлической проводимости, развитой Друде, речь шла о дискретных зарядах, но это были произвольные заряды, на значение которых не накладывалось никаких ограничений.

Электрон еще не вышел из рамок «чистой» науки. Напомним, что первая электронная лампа появилась только в 1907 г. Для перехода от веры к убеждению необходимо было прежде всего изолировать электрон, изобрести метод непосредственного и точного измерения элементарного заряда.

Решение этой задачи не заставило себя ждать. В 1752 г была впервые высказана мысль о дискретности электрического заряда Б. Франклином. Экспериментально дискретность зарядов была обоснована законами электролиза, открытыми М. Фарадеем в 1834 г. Числовое значение элементарного заряда (наименьшего электрического заряда, встречающегося в природе) было теоретически вычислено на основании законов электролиза с использованием числа Авогадро. Прямое экспериментальное измерение элементарного заряда было выполнено Р. Милликеном в классических опытах, выполненных в 1908 - 1916 гг. Эти опыты дали также неопровержимое доказательство атомизма электричества. Согласно основным представлениям электронной теории заряд какого-либо тела возникает в результате изменения содержащегося в нём количества электронов (или положительных ионов, величина заряда которых кратна заряду электрона). Поэтому заряд любого тела должен изменяться скачкообразно и такими порциями, которые содержат целое число зарядов электрона. Установив на опыте дискретный характер изменения электрического заряда, Р. Милликен смог получить подтверждение существования электронов и определить величину заряда одного электрона (элементарный заряд) используя метод масляных капель. В основу метода положено изучение движения заряженных капелек масла в однородном электрическом поле известной напряжённости Е.

2.Открытие электрона:

Если отвлечься от того, что предшествовало открытию первой элементарной частицы - электрона, и от того, что сопутствовало этому выдающемуся событию, можно сказать кратко: в 1897 году известный английский физик ТОМСОН Джозеф Джон (1856-1940 гг.) измерил удельный заряд q/m катодно-лучевых частиц - "корпускул", как он их назвал, по отклонению катодных лучей *) в электрическом и магнитном полях .

Из сопоставления полученного числа с известным в то время удельным зарядом одновалентного иона водорода, путем косвенных рассуждений он пришел к выводу, что масса этих частиц, получивших позднее название "электроны", значительно меньше (более чем в тысячу раз) массы самого легкого иона водорода.

В том же, 1897 году он выдвинул гипотезу, что электроны являются составной частью атомов, а катодные лучи - не атомы или не электромагнитное излучение, как считали некоторые исследователи свойств лучей. Томсон писал: "Таким образом, катодные лучи представляют собой новое состояние вещества, существенно отличное от обычного газообразного состояния...; в этом новом состоянии материя представляет собой вещество, из которого построены все элементы" .

С 1897 года корпускулярная модель катодных лучей стала завоевывать общее признание, хотя о природе электричества были самые разнообразные суждения. Так, немецкий физик Э.Вихерт считал, что "электричество есть нечто воображаемое, существующее реально только в мыслях", а известный английский физик лорд Кельвин в том же, 1897 году писал об электричестве как о некой "непрерывной жидкости" .

Мысль Томсона о катодно-лучевых корпускулах как об основных компонентах атома не была встречена с большим энтузиазмом. Некоторые его коллеги решили, что он мистифицировал их, когда высказал предположение о том, что частицы катодных лучей следует рассматривать как возможные компоненты атома. Истинная роль томсоновских корпускул в структуре атома могла быть понята в сочетании с результатами других исследований, в частности, с результатами анализа спектров и изучения радиоактивности.

29 апреля 1897 года Томсон сделал свое знаменитое сообщение на заседании Лондонского королевского общества. Точное время открытия электрона - день и час - невозможно назвать в виду его своеобразия. Это событие стало итогом многолетней работы Томсона и его сотрудников. Ни Томсон, ни кто-либо другой никогда не наблюдали электрон в буквальном смысле, никому не удалось выделить отдельную частицу из пучка катодных лучей и измерить ее удельный заряд. Автором открытия является Дж.Дж.Томсон потому, что его представления об электроне были близки к современным. В 1903 году он предложил одну из первых моделей атома - "пудинг с изюмом", а в 1904 предположил, что электроны в атоме разделяются на группы, образуя различные конфигурации, обусловливающие периодичность химических элементов.

Место открытия точно известно - Кавендишская лаборатория (Кембридж, Великобритания). Созданная в 1870 году Дж.К.Максвеллом, в последующие сто лет она стала "колыбелью" целой цепи блестящих открытий в различных областях физики, особенно в атомной и ядерной. Директорами её были: Максвелл Дж.К. - с 1871 по 1879 год, лорд Рэлей - с 1879 по 1884 год, Томсон Дж.Дж. - с 1884 по 1919 год, Резерфорд Э. - с 1919 по 1937 год, Брэгг Л. - с 1938 по 1953; заместителем директора в 1923-1935 годах - Чэдвик Дж.

Научные экспериментальные исследования проводилось одним ученым или небольшой группой в атмосфере творческого поиска. Лоурэнс Брэгг вспоминал впоследствии о своей работе в 1913 году вместе с отцом, Генри Брэггом: "Это было замечательное время, когда новые захватывающие результаты получали почти каждую неделю, подобно открытию новых золотоносных районов, где самородки можно подбирать прямо с земли. Это продолжалось вплоть до начала войны *) , прекратившей нашу совместную работу" .

3.Методы открытия электрона:

3.1.Опыт Томсона

Джозеф Джон ТОМСОН Joseph John Thomson, 1856–1940

Английский физик, более известный просто как Дж. Дж. Томсон. Родился в Читем-Хилле (Cheetham Hill), пригороде Манчестера, в семье букиниста-антиквара. В 1876 году выиграл стипендию на обучение в Кембридже. В 1884-1919 годах - профессор кафедры экспериментальной физики Кембриджского университета и по совместительству - руководитель Кавендишской лаборатории, которая усилиями Томсона превратилась в один из самых известных научно-исследовательских центров мира. Одновременно в 1905-1918 годах - профессор Королевского института в Лондоне. Лауреат Нобелевской премии по физике 1906 года с формулировкой «за исследования прохождения электричества через газы», которая, естественно, включает и открытие электрона. Сын Томсона Джордж Паджет Томсон (George Paget Thomson, 1892-1975) также со временем стал Нобелевским лауреатом по физике - в 1937 году за экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах.

Подробности Категория: Электричество и магнетизм Опубликовано 08.06.2015 05:51 Просмотров: 6694

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

Паршина Анна, Севальников Алексей, Лузянин Роман.

Цель работы: научиться определять значение элементарного заряда методом электролиза; изучить методы определения заряда электрона.

Оборудование: цилиндрический сосуд с раствором медного купороса, лампа, электроды, весы, амперметр, источник постоянного напряжения, реостат, часы, ключ, соединительные провода.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com

Подписи к слайдам:

Лабораторная работа Определение элементарного заряда методом электролиз Выполнили учащиеся Чучковской СОШ 10 класса: Паршина Анна, Севальников Алексей, Лузянин Роман. Руководитель: учитель физики Чекалина О.Ю.

Цель работы: научиться определять значение элементарного заряда методом электролиза; изучить методы определения заряда электрона. Оборудование: цилиндрический сосуд с раствором медного купороса, лампа, электроды, весы, амперметр, источник постоянного напряжения, реостат, часы, ключ, соединительные провода.

Мы собрали цепь: Ход работы:

Результат нашей работы

Мы научились определять значение элементарного заряда методом электролиза, изучили методы определения заряда электрона. Вывод:

В. Я. Брюсов " Мир электрона" Быть может, эти электроны - Миры, где пять материков, Искусства, знанья, войны, троны И память сорока веков! Ещё, быть может, каждый атом - Вселенная, где сто планет; Там все, что здесь, в объеме сжатом, Но также то, чего здесь нет. Их меры малы, но все та же Их бесконечность, как и здесь; Там скорбь и страсть, как здесь, и даже Там та же мировая спесь. Их мудрецы, свой мир бескрайний Поставив в центре бытия, Спешат проникнуть в искры тайны И умствуют, как ныне я; А в миг, когда из разрушенья Творятся токи новых сил, Кричат, в мечтах самовнушенья, Что бог свой светоч загасил!