Elektrono inercija: Tolmano - Stuarto ir Mandelstamo - Papaleksi eksperimentai

Pačioje XX amžiaus pradžioje mokslininkai atliko eksperimentus, norėdami rasti atsakymą į klausimą, ar elektronai turi inertinę masę. Šie eksperimentai padėjo to meto mokslo bendruomenei įsitvirtinti priimant faktą, kad metalų elektros srovę sudaro būtent neigiamai įkrautos dalelės - elektronai, o ne teigiamai įkrauti jonai, kaip galima manyti.

Pirmąjį kokybinį eksperimentą, kuris iliustravo, kad įkrautos dalelės, sudarančios metalų elektros srovę, tiksliai turi masę, atliko mokslininkai (tuometinė Rusijos imperija) Leonidas Isaakovičius Mandelstamas ir Nikolajus Dmitrievichas Papaleksi. Tai įvyko 1913 m.

Po trejų metų, 1916 m., Tikslesnį eksperimentą atliko amerikiečių fizikai Richardas Tolmanas ir Thomas Stewartas, kurie savo darbe ne tik parodė, kad elektrono masė yra metale, bet ir tiksliai išmatavo jį netiesioginiu metodu, naudodamas galvanometrą.

Norėdami suprasti šių ankstyvų eksperimentų principą, įsivaizduokite tramvajų, kuriuo keleiviai važiuoja į darbą anksti ryte. Čia tramvajus buvo išsklaidytas kaip reikiant, o priešais jį tiesiai ant kelio važiuoja išsibarstęs pėsčiasis.

Tramvajaus vairuotojas, norėdamas išgelbėti vargšo kolegos gyvybę, staigiai spaudžia stabdžius - keleivių salone keleivius akimirksniu išpūsta visa minia. Ir tai juos pučia inercijos jėga, nes kiekvienas keleivis turi masę. O tie keleiviai, kurie buvo arčiausiai tramvajaus kabinos, skaudžiai atsitrenks į sieną.

Mandelstamas ir Papaleksi galvojo maždaug taip. Jie paėmė vielos ritę, pritvirtintą slankiojančiais kontaktais, padarytais atskirai nuo bylos, ir prie slenkančių kontaktų prijungė garsiakalbį (ausines). Jie suvyniojo ritę į dešinę - staiga sustojo - dinamikoje pasigirdo paspaudimas.

Pasukę į kairę - smarkiai stabdydami - spustelėkite dar kartą dinamikoje. Išvada: ritės sustojimo metu pro jos laidą praeina srovės impulsas, kuris atsiranda dėl to, kad ritės stabdymo metu elektronai yra išmetami į vielos kraštą, kaip ir tramvajaus keleiviai.

Ir inercijos jėga čia vaidina išorinės jėgos, sukuriančios tai, ką galima išmatuoti kaip EML, vaidmenį. Ši išvada, be abejo, neleido tyrinėtojams atpažinti įkrovos nešėjų ženklų ir juos kažkaip unikaliai identifikuoti, tačiau „Mandelstam“ ir „Papaleksi“ eksperimentas aiškiai parodė, kad metalų srovė išlaiko savo kelią per krištolo gardelę, o tai reiškia, kad ji yra susijusi su laisvaisiais. įkrovikliai.

Tolmanas ir Stuartas nusprendė eiti šiek tiek toliau. Jie taip pat suvyniojo ritę, tik buvo matuojamas vielos ilgis, tiksliai lygus 500 metrų, ir pradėjo ją atsukti. Jis buvo nejudamas, kol buvo pasiektas tiksliai 500 m / s linijinis greitis, kad būtų galima sužinoti santykį tarp gauto emf ir pagreičio.

Jau ne kolonėlė, o informatyvesnis prietaisas - galvanometras - buvo prijungtas prie ritės stumdomų gnybtų. Eksperimento pabaigoje tyrėjai integravo pašalinę jėgą per visą ritės laidininko ilgį ir gavo EMF išraišką, kurią sukuria pašalinė inercijos jėga, kai greitis keičiasi į nulį.

Bendras krūvis, einantis per laidininką, buvo apskaičiuojamas pagal Ohmo įstatymą, atsižvelgiant į ritės laido varžą. Taigi, žinodami vielos greitį prieš stabdant, vielos ilgį, jos pasipriešinimą, sukimosi kryptį, stabdymo laiką, emf dydį ir ženklą, galite rasti konkretaus krūvio ženklą ir dydį, kurį padarė Stuartas ir Tolmanas.

Šiandien niekam nebeatrodo keista, kad elektronų krūvio ir masės santykis, išmatuotas Stuarto ir Tolmano, sutapo su santykiu, gautu beveik prieš 20 metų, 1897 m., J.J. Thomsonas, specifinis dalelių, kurios sudarė katodo spindulius, krūvis. Dabar tikriausiai žinome, kad ir katodo spinduliai, ir srovė metaluose susidaro iš tų pačių neigiamai įkrautų elementariųjų dalelių - elektronų.