Inercija elektrona: eksperimenti Tolman - Stuart i Mandelstam - Papaleksi

Eksperimenti kako bi pronašli odgovor na pitanje imaju li elektroni inertnu masu znanstvenici su proveli na samom početku 20. stoljeća. Ovi su pokusi pomogli znanstvenoj zajednici toga vremena da se utvrdi u prihvaćanju činjenice da se električna struja u metalima stvara upravo negativno nabijenim česticama - elektronima, a ne pozitivno nabijenim ionima, kao što se može pretpostaviti.

Prvi kvalitativni eksperiment, koji je pokazao da nabijene čestice koje stvaraju električnu struju u metalima točno posjeduju masu, izveli su znanstvenici (tada Rusko Carstvo) Leonid Isaakovich Mandelstam i Nikolaj Dmitrievich Papaleksi, dogodio se 1913. godine.

Tri godine kasnije, 1916. godine, precizniji su eksperiment proveli američki fizičari Richard Tolman i Thomas Stewart, koji su u svom radu ne samo pokazali da elektron ima masu u metalu, već su ga i precizno odmjerili neizravnom metodom pomoću galvanometra.

Da biste razumjeli načelo ovih ranih eksperimenata, zamislite tramvaj kojim putnici rano ujutro odlaze na posao. Ovdje je tramvaj bio rasuti kako treba, a ispred njega razbacani pješak istječe ravno na put.

Vozač tramvaja, želeći spasiti život siromašnom čovjeku, oštro pritisne kočnice - putnike u putničkom prostoru odmah raznese cijela gomila. I puše ih snagom inercije, jer svaki putnik ima masu. A oni putnici koji su bili najbliži tramvajskoj kabini bolno će udariti u zid.

Mandelstam i Papaleksi razmišljali su na približno isti način. Uzeli su zavojnicu žice, opremili kliznim kontaktima njezine zaključke izolirane od kućišta i spojili zvučnik (slušalice) s kliznim kontaktima. Odmotali su zavojnicu udesno - naglo se zaustavili - zvuk je zvučao dinamično.

Zakrivljeno s lijeve strane - oštro kočeno - ponovno kliknite u dinamici. Zaključak: u trenutku zaustavljanja zavojnice kroz njenu žicu prolazi strujni impuls, što se pojavljuje zbog činjenice da se elektroni u trenutku kočenja zavojnice odbacuju do ruba žice, poput putnika u tramvaju.

I sila inercije ovdje igra ulogu vanjske sile koja stvara ono što se može mjeriti kao EMF. Ovaj zaključak, naravno, nije omogućio istraživačima da prepoznaju znak nosača naboja i nekako ih jedinstveno identificiraju, međutim, eksperiment Mandelstama i Papaleksija jasno je pokazao da se struja u metalima nastavlja putem kristalne rešetke, što znači da je povezana sa slobodnim nosači naboja.

Tolman i Stuart odlučili su se malo dalje. Također su namotali zavojnicu, samo je duljina žice izmjerena točno jednakom 500 metara, i počeli su je odmotavati. Bio je odmotan dok nije postignuta linearna brzina od točno 500 m / s kako bi se znao omjer dobivenog emf i ubrzanja.

Već ne zvučnik, već više informativan uređaj, galvanometar, spojen je s kliznim terminalima zavojnice. Na kraju eksperimenta, istraživači su integrirali vanjsku silu duž cijele duljine vodiča zavojnice i dobili izraz za EMF stvoren vanjskim silama inercije kada se brzina promijeni u nulu.

Ukupni naboj koji je tekao kroz vodič mogao se izračunati prema Ohmovom zakonu, uzimajući u obzir otpor žice zavojnice. Dakle, znajući brzinu žice prije kočenja, dužinu žice, njen otpor, smjer vrtnje, vrijeme kočenja, veličinu i znak emf, možete pronaći znak i veličinu specifičnog naboja, što su učinili Stuart i Tolman.

Danas više nikome ne izgleda čudno da se omjer naelektrisanja elektrona u masi mjeren Stuartom i Tolmanom podudarao s onim koji je J. J. J. pokrenuo prije gotovo 20 godina, 1897. godine. Thomson-u, specifičnom naboju čestica koje čine katodne zrake. Vjerojatno sada znamo da su i katodne zrake i struja u metalima stvorene iz istih negativno nabijenih elementarnih čestica - elektrona.