Elektronin hitaus: Tolman - Stuart ja Mandelstam - Papaleksi -kokeet

Tutkijat tekivät 1900-luvun alussa kokeiluja löytääkseen vastauksen kysymykseen siitä, onko elektroneilla inertti massa. Nämä kokeet auttoivat tuon ajan tiedeyhteisöä vakiinnuttamaan aseman, jonka mukaan metallien sähkövirta muodostuu juuri negatiivisesti varautuneista hiukkasista - elektronista, eikä positiivisesti varautuneista ioneista, kuten voidaan olettaa.

Ensimmäisen kvalitatiivisen kokeen, joka havainnollisti, että metalleissa sähkövirran muodostavilla varautuneilla hiukkasilla on täsmällisesti massa, suorittivat tutkijat (silloin Venäjän imperiumi) Leonid Isaakovich Mandelstam ja Nikolai Dmitrievich Papaleksi. Tämä tapahtui vuonna 1913.

Kolme vuotta myöhemmin, vuonna 1916, tarkemman kokeen suorittivat amerikkalaiset fyysikot Richard Tolman ja Thomas Stewart, jotka työssään eivät vain osoittaneet, että elektronilla on massa metallissa, vaan myös mittasivat sen tarkasti epäsuoralla menetelmällä galvanometrillä.

Ymmärtääksesi näiden varhaisten kokeiden periaatteen kuvittele raitiovaunu, jolla matkustajat menevät töihin aikaisin aamulla. Täällä raitiovaunu oli hajaantunut niin kuin pitäisi, ja edessä hajotettu jalankulkija kulkee heti matkalla.

Raitiovaununkuljettaja haluaa pelastaa köyhän miehen elämän ja painaa jyrkästi jarruja - koko väkivalta räjäyttää matkustamon matkustajat heti. Ja se puhaltaa heitä inertin voimalla, koska jokaisella matkustajalla on massa. Ja ne matkustajat, jotka olivat lähinnä raitiovaunun hyttiä, osuvat tuskallisesti seinälle.

Mandelstam ja Papaleksi ajattelivat suunnilleen samalla tavalla. He ottivat lankakelan, varustettuna liukukoskettimilla, johtopäätöksistään eristettynä kotelosta, ja kytkeivät kaiuttimen (kuuloke) liukukoskettimiin. He kelasivat kelan oikealle - pysähtyivät äkillisesti - dynamiikassa tapahtui napsautus.

Kierretty vasemmalle - jarrutettu voimakkaasti - napsauta uudelleen dynamiikassa. Johtopäätös: Kelan pysäyttämishetkellä virtapulssi kulkee johtimensa läpi, mikä ilmenee siitä tosiasiasta, että kelat jarruttaessa elektronit hylätään langan reunaan, kuten raitiovaunun matkustajat.

Ja inertin voimalla on tässä ulkoisen voiman rooli, joka luo mitä voidaan mitata EMF: nä. Tämä päätelmä ei tietenkään antanut tutkijoille mahdollisuutta tunnistaa varauskuljettajien merkkejä ja tunnistaa ne jotenkin yksilöllisesti. Mandelstamin ja Papaleksin kokeilu kuitenkin osoitti selvästi, että metallien virta pitää tiensä läpi kidehilan, mikä tarkoittaa, että se on yhteydessä vapaaseen veloitukset.

Tolman ja Stuart päättivät mennä vähän pidemmälle. He myös haavoittivat kelan, vain langan pituus mitattiin tarkalleen 500 metriä ja alkoi kelata sitä. Se kiertyi, kunnes saavutettiin tarkalleen 500 m / s: n lineaarinen nopeus saadun emf: n ja kiihtyvyyden suhteen tuntemiseksi.

Jo ei kaiutinta, mutta informatiivisempi laite, galvanometri, oli kytketty kelan liukupäätteisiin. Kokeen lopussa tutkijat integroivat vieraan voiman kelanjohtimen koko pituudelta ja saivat lausekkeen vieraalle hitausvoimasta aiheutuvalle EMF: lle, kun nopeus muuttuu nollaan.

Johtimen läpi kulkeva kokonaisvaraus voitiin laskea Ohmin lain mukaan ottaen huomioon kelalangan vastus. Joten, tietäen langan nopeuden ennen jarrutusta, langan pituuden, sen vastuksen, pyörimissuunnan, jarrutusajan, emf-arvon ja merkin, löydät erityisen varauksen merkin ja suuruuden, jonka Stuart ja Tolman tekivät.

Nykyään ei enää tunnu oudolta, että Stuartin ja Tolmanin mittaaman elektronivarauksen ja massan välinen suhde osui samaan aikaan kuin melkein 20 vuotta sitten, vuonna 1897, J.J. Thomson, katodisäteiden muodostavien hiukkasten erityinen varaus. Nyt tiedämme todennäköisesti, että sekä katodisäteet että metallien virta muodostuvat samoista negatiivisesti varautuneista alkuainehiukkasista - elektronista.