Elektrona inerce: Tolmana - Stjuarta un Mandelstama - Papaleksi eksperimenti

Eksperimentus, lai atrastu atbildi uz jautājumu, vai elektroniem ir inerta masa, zinātnieki veica 20. gadsimta pašā sākumā. Šie eksperimenti palīdzēja tā laika zinātnieku aprindām nostiprināties, pieņemot faktu, ka metālu elektrisko strāvu veido tieši negatīvi lādētas daļiņas - elektroni, nevis pozitīvi lādēti joni, kā varētu pieņemt.

Pirmo kvalitatīvo eksperimentu, kas ilustrēja, ka lādētajām daļiņām, kas veido metālu elektrisko strāvu, precīzi piemīt masa, veica zinātnieki (toreizējā Krievijas impērija) Leonīds Isaakovičs Mandelštāms un Nikolajs Dmitrijevičs Papaleksi, tas notika 1913. gadā.

Trīs gadus vēlāk, 1916. gadā, precīzāku eksperimentu veica amerikāņu fiziķi Ričards Tolmans un Tomass Stjuarts, kuri savā darbā ne tikai parādīja, ka elektronam ir masa metālā, bet arī precīzi to izmērīja ar netiešu metodi, izmantojot galvanometru.

Lai izprastu šo agrīno eksperimentu principu, iedomājieties tramvaju, ar kuru pasažieri dodas uz darbu agri no rīta. Šeit tramvajs tika izkliedēts tā, kā vajadzētu, un tā priekšā pa labi izbrauc izkliedēts gājējs.

Tramvaja vadītājs, vēloties izglābt nabadzīgā līdzcilvēka dzīvību, asi nospiež bremzes - pasažieru nodalījumā pasažieri to uzreiz pūš prom no visa pūļa. Un tas tos pūš ar inerces spēku, jo katram pasažierim ir masa. Un tie pasažieri, kuri atradās vistuvāk tramvaja salonam, sāpīgi atsitīsies pret sienu.

Mandelstams un Papaleksi domāja aptuveni vienādi. Viņi paņēma stieples spoli, kas bija aprīkota ar bīdāmiem kontaktiem, no tā izdarītajiem secinājumiem no lietas un savienoja skaļruni (austiņas) ar bīdāmajiem kontaktiem. Viņi atritināja spoli pa labi - pēkšņi apstājās - dinamikā skanēja klikšķis.

Sagriezts pa kreisi - strauji bremzēts - vēlreiz noklikšķiniet dinamikā. Secinājums: spoles apturēšanas brīdī caur tā vadu iziet strāvas impulss, kas parādās sakarā ar to, ka elektroni spoles bremzēšanas laikā tiek izmesti līdz stieples malai, tāpat kā tramvaja pasažieri.

Un inerces spēks šeit spēlē ārēja spēka lomu, kas rada to, ko var izmērīt kā EML. Šis secinājums, protams, neļāva pētniekiem atpazīt lādiņu nesēju pazīmes un kaut kā unikāli tos identificēt, tomēr Mandelštāma un Papaleksi eksperiments skaidri parādīja, ka metālu strāva turpina savu ceļu caur kristāla režģi, kas nozīmē, ka tā ir saistīta ar brīvo maksas pārvadātāji.

Tolmans un Stjuarts nolēma doties mazliet tālāk. Viņi arī satina spoli, tikai stieples garums tika precīzi izmērīts 500 metros un sāka to atsiet. Tas tika savīts, līdz tika sasniegts precīzs 500 m / s lineārais ātrums, lai uzzinātu attiecību starp iegūto emf un paātrinājumu.

Jau spoles bīdāmajām spailēm bija savienots nevis runātājs, bet informatīvāka ierīce - galvanometrs. Eksperimenta beigās pētnieki integrēja svešo spēku visā spoles vadītāja garumā un ieguva izteiksmi EML, ko radīja svešs inerces spēks, kad ātrums mainās uz nulli.

Kopējo lādiņu, kas izgāja caur vadītāju, varēja aprēķināt saskaņā ar Ohmas likumu, ņemot vērā spoles stieples pretestību. Tātad, zinot stieples ātrumu pirms bremzēšanas, stieples garumu, tā pretestību, griešanās virzienu, bremzēšanas laiku, emf lielumu un zīmi, jūs varat atrast īpašās lādiņa zīmi un lielumu, ko veica Stjuarts un Tolmans.

Šodien nevienam vairs nešķiet savādi, ka Stjuarta un Tolmana izmērītā elektronu lādiņa un masas attiecība sakrita ar gandrīz pirms 20 gadiem, 1897. gadā, Dž. Dž. Iegūto. Thomson, daļiņu īpatnējais lādiņš, kas veidoja katoda starus. Tagad mēs droši vien zinām, ka gan katoda stari, gan strāva metālos veidojas no tām pašām negatīvi lādētām elementārdaļiņām - elektroniem.