القصور الذاتي للإلكترون: تجارب تولمان - ستيوارت وماندلستام - باباليكسي

أجريت تجارب للعثور على إجابة على سؤال حول ما إذا كانت الإلكترونات لها كتلة خاملة قام بها العلماء في بداية القرن العشرين. ساعدت هذه التجارب المجتمع العلمي في ذلك الوقت على ترسيخ نفسه في قبول حقيقة أن التيار الكهربائي في المعادن يتشكل بالتحديد بواسطة جسيمات سالبة الشحنة - الإلكترونات ، وليس أيونات موجبة الشحنة ، كما قد يفترض المرء.

أول تجربة نوعية ، والتي أوضحت أن الجسيمات المشحونة التي تشكل التيار الكهربائي في المعادن تمتلك كتلة على وجه التحديد ، قام بها العلماء (الإمبراطورية الروسية آنذاك) ليونيد إيزاكوفيتش ماندلستام ونيكولاي ديميتريفيش باباليكسي ، وقد حدث ذلك في عام 1913.

بعد ثلاث سنوات ، في عام 1916 ، أجريت تجربة أكثر دقة من قبل الفيزيائيين الأمريكيين ريتشارد تولمان وتوماس ستيوارت ، الذين أظهروا في عملهم أن الإلكترون لديه كتلة في المعدن ، ولكن أيضًا قاسها بدقة بطريقة غير مباشرة باستخدام الجلفانومتر.

لفهم مبدأ هذه التجارب المبكرة ، تخيل الترام الذي يذهب الركاب إلى العمل في الصباح الباكر. هنا كان الترام مشتتًا كما ينبغي ، وأمامه ينطلق مشاة متناثرة في الطريق.

يضغط سائق الترام ، الذي يريد إنقاذ حياة الزميل الفقير ، بشدة على الفرامل - يتم تفجير الركاب في حجرة الركاب على الفور من قبل الحشد بأكمله. وهي تهبهم بقوة القصور الذاتي ، لأن كل راكب لديه كتلة. وهؤلاء الركاب الذين كانوا الأقرب إلى مقصورة الترام سيصطدمون بالحائط بشكل مؤلم.

فكر ماندلستام وباباليكس بنفس الطريقة تقريبًا. أخذوا لفائف من الأسلاك ، ومزودة بجهات الاتصال المنزلق استنتاجاتها معزولة عن القضية ، وتوصيل مكبر صوت (سماعة) إلى جهات الاتصال المنزلق. انهم يلفون الملف إلى اليمين - توقفت فجأة - بنقرة بدا في ديناميات.

الملتوية إلى اليسار - فرمل بشكل حاد - انقر مرة أخرى في ديناميات. الخلاصة: في لحظة إيقاف الملف ، يمر نبض التيار عبر سلكه ، والذي يظهر نتيجة لحقيقة أن الإلكترونات وقت فرملة الملف يتم التخلص منها إلى حافة السلك ، مثل الركاب في الترام.

تلعب قوة القصور الذاتي هنا دور القوة الخارجية ، مما يخلق ما يمكن قياسه على شكل EMF. هذا الاستنتاج ، بالطبع ، لم يسمح للباحثين بالتعرف على علامة ناقلات الشحنة وتحديدهم بشكل فريد بطريقة ما ، ومع ذلك ، أظهرت تجربة ماندلستام وباباليكسي بوضوح أن التيار في المعادن يحافظ على طريقه عبر الشبكة البلورية ، مما يعني أنه مرتبط بالمجان ناقلات تهمة.

قرر تولمان وستيوارت المضي قدمًا. قاموا أيضًا بلف الملف ، وتم قياس طول السلك فقط بمسافة 500 متر تقريبًا ، وبدأ في فكه. لم يتم حلها حتى تم الوصول إلى سرعة خطية تبلغ 500 م / ث بالضبط من أجل معرفة النسبة بين emf التي تم الحصول عليها والتسارع.

بالفعل لم يتم توصيل مكبر صوت ، ولكن تم تزويد جهاز أكثر إفادة ، وهو مقياس الجلفانومتر ، بالمطاريف المنزلقة في الملف. في نهاية التجربة ، قام الباحثون بدمج القوة الغريبة بطول كامل موصل الملف ، وحصلوا على تعبير لـ EMF تم إنشاؤه بواسطة قوة القصور الذاتي الخارجية عندما تتغير السرعة إلى الصفر.

يمكن حساب إجمالي الشحنة التي مرت عبر الموصل وفقًا لقانون أوم ، مع مراعاة مقاومة سلك الملف. لذلك ، ومع معرفة سرعة السلك قبل الكبح وطول السلك ومقاومته واتجاه الدوران وزمن الكبح وحجمه وعلامة emf ، يمكنك العثور على علامة وحجم الشحنة المحددة ، والتي تم تنفيذها بواسطة Stuart و Tolman.

اليوم لم يعد من الغريب بالنسبة لأي شخص أن نسبة شحنة الإلكترون إلى كتلته ، التي يقاسها ستيوارت وتولمان ، تزامنت مع النسبة التي حصل عليها قبل حوالي 20 عامًا ، في عام 1897 بواسطة جيه جيه. طومسون ، الشحنة المحددة للجزيئات التي تتكون منها أشعة الكاثود. ربما نعرف الآن أن كلا من أشعة الكاثود والتيار في المعادن يتكونان من نفس الجزيئات الأولية سالبة الشحنة - الإلكترونات.