Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика
§ 196. Элементарный электрический заряд
жүктеу/скачать 6,71 Mb. Pdf көрінісі
|
| § 196. Элементарный электрический заряд. Законы электро-
лиза, открытые Фарадеем, свидетельствуют в пользу существо- вания мельчайших, неделимых количеств электричества. При электролизе один моль любого n-валентного элемента перено- сит заряд F · n = 96 485 n кулонов (F — постоянная Фарадея). На один атом (точнее, ион) приходится, таким образом, заряд q =
F n N A = 96 480
6,02 · 10 23 n = 1,60
· 10 − 19 n Кл. На одновалентный ион (n = 1) приходится заряд e = 1,60 ·× × 10
− 19 Кл, на двухвалентный (n = 2) — заряд 2e, на трехва- лентный (n = 3) — заряд 3e и т. д. Эту закономерность легко понять, если принять, что заряд e = 1,60 · 10
− 19 Кл является мельчайшей порцией заряда, эле- ментарным зарядом. Но законы электролиза можно понимать и в том смысле, что e является с р е д н е й порцией заряда, переносимой однова- лентным ионом; свойство n-валентного иона переносить в n раз больший заряд должно было бы объясняться тогда не атомарной структурой электричества, а только свойствами иона. Поэтому для выяснения вопроса о существовании элементарного заряда необходимы прямые опыты по измерению мельчайших количеств электричества. Такие опыты были выполнены американским фи- зиком Робертом Милликеном (1868–1953) в 1909 г. Установка Милликена изображена схематически на рис. 348. Основной ее частью является плоский конденсатор 2, 3, на пластины которого с помощью переключателя 4 можно подавать разность потенциалов того или иного знака. В сосуд 1 с по- мощью пульверизатора вбрызгиваются мельчайшие капли масла или другой жидкости. Некоторые из этих капель через отверстие в верхней пластине попадают в пространство между пластина-
Гл. XXII. Строение атома 459
ми конденсатора, освещаемое лампой 6. Капли наблюдаются в микроскоп через окошко 5; они выглядят яркими звездочками на темном фоне. Рис. 348. Схема опыта по измерению элементарного электрического заряда. Рентгеновская трубка 7 служит для изменения заряда капель; ее излучение создает в объеме между пластинами 2 и 3 ионы, которые, прилипая к капле, изменяют ее заряд Когда между пластинами конденсатора нет электрического поля, капли падают вниз с п о с т о я н н о й скоростью. При включении поля незаряженные капли продолжают опускаться с неизменной скоростью. Но многие капли при разбрызгивании приобретают заряд (электризация трением). На такие заряжен- ные капли действует, кроме силы тяжести, также сила электри- ческого поля. В зависимости от знака заряда можно выбрать на- правление поля так, чтобы электрическая сила была направлена навстречу силе тяжести. В таком случае заряженная капелька после включения поля будет падать с меньшей скоростью, чем в отсутствие поля. Можно подобрать значение напряженности поля E так, что электрическая сила превзойдет силу тяжести и капля будет двигаться вверх. В установке Милликена можно наблюдать за одной и той же каплей в течение нескольких часов; для этого достаточно выключать (или уменьшать) поле, как только капля начнет при- ближаться к верхней пластине конденсатора, и включать (или увеличивать) его снова, когда она будет опускаться к нижней пластине. 460 Гл. XXII. Строение атома Равномерность движения капли свидетельствует о том, что действующая на нее сила уравновешивается сопротивлением воз- духа, которое пропорционально скорости капли. Поэтому для такой капли можно написать равенство mg = kv,
(196.1) где mg — сила тяжести, действующая на каплю с массой m, v — скорость капли, kv — сила сопротивления воздуха (сила трения), k — коэффициент, зависящий от вязкости воздуха и размеров капли. Измерив с помощью микроскопа диаметр капли, следова- тельно, зная ее массу, и определив далее скорость свободного равномерного падения v, мы можем найти из (196.1) значение коэффициента k, которое для данной капли сохраняется неиз- менным. Условие равномерного движения для капли с зарядом q, поднимающейся со скоростью v E в электрическом поле E, име- ет вид qE − mg = kv E . (196.2) Из (196.2) получаем q =
kv E + mg E . Таким образом, проделав с о д н о й и т о й ж е к а п л е й из- мерения в отсутствие поля и при его наличии, найдем з а р я д капли q. Мы можем изменить этот заряд. Для этой цели служит рентгеновская трубка 7 (рис. 348), с помощью которой можно ионизовать воздух в конденсаторе. Образовавшиеся ионы будут захватываться капелькой, и заряд ее изменится, сделавшись рав- ным q
. При этом изменится скорость равномерного движения капли и она станет равной v
E , так что q E − mg = kv
E
(196.3) Из (196.2) и (196.3) найдем изменение заряда q − q
= k E (v E − v
E ), которое также может быть определено, поскольку коэффициент k для капли известен. Многочисленные измерения этого рода с каплями из раз- личных веществ (вода, масло, глицерин, ртуть), заряженными положительно и отрицательно, обнаружили, что как заряд q, Гл. XXII. Строение атома 461
так и все наблюдаемые изменения зарядов q − q
всегда оказыва- ются кратными одному и тому же минимальному заряду e = 1,60
· 10 − 19 Кл. Этот минимальный заряд равен, как мы видим, элементар- ному заряду, проявляющемуся в процессе электролиза. Важно отметить, что начальный заряд капли есть «электричество тре- ния», изменения же этого заряда происходили за счет захвата каплей ионов газа, образованных рентгеновскими лучами. Таким образом, заряд, образующийся при трении, заряды ионов газа и ионов электролита слагаются из одинаковых элементарных зарядов. Данные других опытов позволяют обобщить этот вывод:
e = 1,60
· 10 − 19 Кл. В частности, з а р я д э л е к т р о н а р а в е н п о а б с о- л ю т н о м у з н а ч е н и ю о д н о м у э л е м е н т а р н о м у з а р я д у.
жүктеу/скачать 6,71 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|