Αδράνεια ενός ηλεκτρονίου: πειράματα Tolman - Stuart και Mandelstam - Papaleksi

Πειράματα για να βρεθεί η απάντηση στο ερώτημα αν τα ηλεκτρόνια έχουν αδρανή μάζα εκτελέστηκαν από επιστήμονες στις αρχές του 20ού αιώνα. Αυτά τα πειράματα βοήθησαν την επιστημονική κοινότητα εκείνη την εποχή να εδραιωθεί αποδεχόμενη το γεγονός ότι το ηλεκτρικό ρεύμα στα μέταλλα σχηματίζεται ακριβώς από αρνητικά φορτισμένα σωματίδια - ηλεκτρόνια και όχι θετικά ιόντα, όπως θα μπορούσαμε να υποθέσουμε.

Το πρώτο ποιοτικό πείραμα, το οποίο έδειξε ότι τα φορτισμένα σωματίδια που σχηματίζουν το ηλεκτρικό ρεύμα στα μέταλλα έχουν ακριβώς μάζα, πραγματοποιήθηκε από τους επιστήμονες (τότε τη Ρωσική Αυτοκρατορία) Leonid Isaakovich Mandelstam και Nikolai Dmitrievich Papaleksi, το οποίο έλαβε χώρα το 1913.

Τρία χρόνια αργότερα, το 1916, διεξήχθη ένα πιο ακριβές πείραμα από τους Αμερικανούς φυσικούς Richard Tolman και Thomas Stewart, οι οποίοι στο έργο τους δεν απέδειξαν μόνο ότι το ηλεκτρόνιο έχει μάζα σε μέταλλο, αλλά επίσης μετράει με ακρίβεια με μια έμμεση μέθοδο που χρησιμοποιεί γαλβανόμετρο.

Για να κατανοήσετε την αρχή αυτών των πρώιμων πειραμάτων, φανταστείτε ένα τραμ στο οποίο οι επιβάτες πηγαίνουν να εργάζονται νωρίς το πρωί. Εδώ το τραμ ήταν διασκορπισμένο όπως έπρεπε, και μπροστά του ένας διάσπαρτος πεζός εξαντλείται στο δρόμο.

Ο οδηγός του τραμ, που θέλει να σώσει τη ζωή του φτωχού, πιέζει απότομα τα φρένα - οι επιβάτες στο χώρο των επιβατών εξαφανίζονται αμέσως από ολόκληρο το πλήθος. Και τα φυσάει με την δύναμη της αδράνειας, επειδή κάθε επιβάτης έχει μάζα. Και εκείνοι οι επιβάτες που ήταν πιο κοντά στην καμπίνα του τραμ θα χτυπήσουν τον τοίχο οδυνηρά.

Ο Mandelstam και ο Παπαλέκης σκέφτηκαν περίπου με τον ίδιο τρόπο. Πήραν ένα πηνίο σύρμα, εξοπλισμένο με συρόμενες επαφές τα συμπεράσματά του απομονωμένα από την θήκη, και συνδέοντας ένα ηχείο (ακουστικό) στις ολισθαίνουσες επαφές. Ξετύλιξαν το πηνίο προς τα δεξιά - σταμάτησαν απότομα - ένα κλικ ακουγόταν δυναμικά.

Κλεισμένο προς τα αριστερά - φρενάρει απότομα - κάντε ξανά κλικ στη δυναμική. Συμπέρασμα: τη στιγμή της διακοπής του πηνίου, ένας παλμός ρεύματος περνά μέσω του σύρματος του, ο οποίος εμφανίζεται λόγω του γεγονότος ότι τα ηλεκτρόνια κατά τη στιγμή της πέδησης του πηνίου απορρίπτονται στην άκρη του σύρματος, όπως οι επιβάτες σε ένα τραμ.

Και η δύναμη της αδράνειας εδώ παίζει το ρόλο μιας εξωτερικής δύναμης, η οποία δημιουργεί ό, τι μπορεί να μετρηθεί ως EMF. Αυτό το συμπέρασμα, φυσικά, δεν επέτρεψε στους ερευνητές να αναγνωρίσουν το σημάδι των φορέων φορτίου και να τα αναγνωρίσουν με μοναδικό τρόπο, αλλά το πείραμα των Mandelstam και Papaleksi έδειξε σαφώς ότι το ρεύμα στα μέταλλα περνάει από το κρυσταλλικό πλέγμα, πράγμα που σημαίνει ότι συνδέεται με το ελεύθερο φορέων φόρτισης.

Ο Tolman και ο Stuart αποφάσισαν να προχωρήσουν λίγο περισσότερο. Έβγαλαν επίσης το πηνίο, μόνο το μήκος του σύρματος μετρήθηκε ακριβώς ίσο με 500 μέτρα και άρχισε να το χαλαρώνει. Ήταν ανεστραμμένη μέχρις ότου επιτεύχθηκε γραμμική ταχύτητα ακριβώς 500 m / s για να γνωρίσουμε την αναλογία μεταξύ του αποκτηθέντος emf και της επιτάχυνσης.

Ήδη δεν ήταν ηχείο, αλλά μια πιο ενημερωτική συσκευή, ένα γαλβανόμετρο, συνδέθηκε με τα συρόμενα τερματικά του πηνίου. Στο τέλος του πειράματος, οι ερευνητές ολοκλήρωσαν την εξωγενή δύναμη σε όλο το μήκος του αγωγού σπείρας και έλαβαν μια έκφραση για το EMF που δημιουργήθηκε από την εξωγενή δύναμη αδράνειας όταν η ταχύτητα αλλάξει στο μηδέν.

Το συνολικό φορτίο που διέρχεται μέσω του αγωγού θα μπορούσε να υπολογιστεί σύμφωνα με το νόμο του Ohm, λαμβάνοντας υπόψη την αντίσταση του σύρματος πηνίου. Έτσι, γνωρίζοντας την ταχύτητα του σύρματος πριν το φρενάρισμα, το μήκος του σύρματος, την αντίσταση, την κατεύθυνση περιστροφής, το χρόνο πέδησης, το μέγεθος και το σημάδι του emf, μπορείτε να βρείτε το σημάδι και το μέγεθος της συγκεκριμένης φόρτισης, που έγινε από τους Stuart και Tolman.

Σήμερα δεν φαίνεται πλέον παράξενο σε κανέναν ότι ο λόγος φορτίου ηλεκτρονίων προς τη μάζα που μετράται από τους Stuart και Tolman συμπίπτει με εκείνον που ελήφθη σχεδόν πριν από 20 χρόνια, το 1897 από τον J.J. Thomson, το ειδικό φορτίο των σωματιδίων που αποτελούσαν τις ακτίνες της καθόδου. Γνωρίζουμε τώρα ότι τόσο οι κάθοδοι όσο και το ρεύμα σε μέταλλα σχηματίζονται από τα ίδια αρνητικά φορτισμένα στοιχειώδη σωματίδια - ηλεκτρόνια.