Inertie van een elektron: experimenten met Tolman - Stuart en Mandelstam - Papaleksi

Experimenten om het antwoord te vinden op de vraag of elektronen een inerte massa hebben, werden in het begin van de 20e eeuw door wetenschappers uitgevoerd. Deze experimenten hielpen de wetenschappelijke gemeenschap van die tijd zich te vestigen in het accepteren van het feit dat de elektrische stroom in metalen precies wordt gevormd door negatief geladen deeltjes - elektronen in plaats van positief geladen ionen, zoals men zou kunnen veronderstellen.

Het eerste kwalitatieve experiment, dat illustreerde dat de geladen deeltjes die de elektrische stroom in metalen vormen precies massa bezitten, werd uitgevoerd door wetenschappers (toen het Russische rijk) Leonid Isaakovich Mandelstam en Nikolai Dmitrievich Papaleksi, dit vond plaats in 1913.

Drie jaar later, in 1916, werd een nauwkeuriger experiment uitgevoerd door de Amerikaanse fysici Richard Tolman en Thomas Stewart, die in hun werk niet alleen aantoonden dat het elektron een massa in een metaal heeft, maar het ook nauwkeurig meet met een indirecte methode met behulp van een galvanometer.

Om het principe van deze vroege experimenten te begrijpen, stel je een tram voor waarop passagiers vroeg in de ochtend naar hun werk gaan. Hier was de tram verspreid zoals het hoort, en daarvoor loopt een verspreide voetganger recht op weg.

De tramchauffeur, die het leven van de arme kerel wil redden, drukt scherp op de remmen - passagiers in het passagierscompartiment worden onmiddellijk weggeblazen door de hele menigte. En het blaast hen met de traagheidskracht, omdat elke passagier een massa heeft. En die passagiers die zich het dichtst bij de tramcabine bevonden, raken de muur pijnlijk.

Mandelstam en Papaleksi dachten ongeveer op dezelfde manier. Ze namen een draadspiraal, uitgerust met zijn glijdende contacten waarvan de conclusies geïsoleerd waren van de behuizing, en verbonden een luidspreker (oortelefoon) met de glijdende contacten. Ze wikkelden de spoel naar rechts - abrupt gestopt - een klik klonk in dynamiek.

Naar links gedraaid - scherp geremd - klik opnieuw in dynamiek. Conclusie: op het moment dat de spoel wordt gestopt, passeert een stroompuls door zijn draad, die verschijnt vanwege het feit dat de elektronen tijdens het remmen van de spoel aan de rand van de draad worden weggegooid, zoals passagiers in een tram.

En de traagheidskracht speelt hier de rol van een externe kracht, die creëert wat kan worden gemeten als EMF. Deze conclusie stond onderzoekers natuurlijk niet toe het teken van ladingsdragers te herkennen en op een of andere manier uniek te identificeren, maar het experiment van Mandelstam en Papaleksi toonde duidelijk aan dat de stroom in metalen zich een weg baant door het kristalrooster, wat betekent dat het verbonden is met het vrije ladingdragers.

Tolman en Stuart besloten een beetje verder te gaan. Ze wonden ook de spoel, alleen de lengte van de draad werd exact gelijk aan 500 meter gemeten en begon deze af te wikkelen. Het werd niet getwist totdat een lineaire snelheid van exact 500 m / s werd bereikt om de verhouding tussen de verkregen emf en versnelling te kennen.

Reeds geen luidspreker, maar een meer informatief apparaat, een galvanometer, was verbonden met de schuifklemmen van de spoel. Aan het einde van het experiment integreerden de onderzoekers de externe kracht over de gehele lengte van de spoelgeleider en verkregen een uitdrukking voor de EMF gecreëerd door de externe inertiekracht wanneer de snelheid verandert naar nul.

De totale lading die door de geleider liep, kon worden berekend volgens de wet van Ohm, rekening houdend met de weerstand van de spoeldraad. Dus, wetende de snelheid van de draad vóór het remmen, de lengte van de draad, zijn weerstand, rotatierichting, remtijd, grootte en teken van de emf, kun je het teken en de grootte van de specifieke lading vinden, wat werd gedaan door Stuart en Tolman.

Tegenwoordig lijkt het niemand meer vreemd dat de door Stuart en Tolman gemeten verhouding van elektronlading tot massa samenviel met die van bijna 20 jaar geleden, in 1897 door J.J. Thomson, de specifieke lading van de deeltjes waaruit de kathodestralen zijn samengesteld. We weten nu waarschijnlijk dat zowel de kathodestralen als de stroom in metalen worden gevormd uit dezelfde negatief geladen elementaire deeltjes - elektronen.