Tröghet i en elektron: Tolman - Stuart och Mandelstam - Papaleksi-experiment

Experiment för att hitta svaret på frågan om elektroner har en inert massa utfördes av forskare redan i början av 1900-talet. Dessa experiment hjälpte den tidens vetenskapliga gemenskap att etablera sig i att acceptera det faktum att den elektriska strömmen i metaller bildas exakt av negativt laddade partiklar - elektroner och inte positivt laddade joner, som man kan anta.

Det första kvalitativa experimentet, som illustrerade att de laddade partiklarna som bildar den elektriska strömmen i metaller exakt besitter massa, utfördes av forskare (då det ryska imperiet) Leonid Isaakovich Mandelstam och Nikolai Dmitrievich Papaleksi, detta ägde rum 1913.

Tre år senare, 1916, genomfördes ett mer exakt experiment av de amerikanska fysikerna Richard Tolman och Thomas Stewart, som i deras arbete inte bara visade att elektronen har en massa i en metall, utan också mätte den exakt med en indirekt metod med hjälp av en galvanometer.

För att förstå principen för dessa tidiga experiment, föreställ dig en spårvagn som passagerare åker till jobbet tidigt på morgonen. Här spreddes spårvagnen som den borde, och framför den sprider en spridd fotgängare precis vid vägen.

Spårvagnschauffören, som vill rädda den fattiga karlens liv, trycker kraftigt på bromsarna - passagerare i kupén är omedelbart sprängda av hela publiken. Och det blåser dem med tröghetsstyrkan, eftersom varje passagerare har en massa. Och de passagerare som var närmast spårvagnshytten kommer att träffa väggen smärtsamt.

Mandelstam och Papaleksi tänkte på ungefär samma sätt. De tog en trådspole, utrustad med glidkontakter, dess slutsatser isolerade från fallet, och anslutit en högtalare (hörlur) till glidkontakterna. De lindade upp spolen till höger - plötsligt stoppad - ett klick ljudde i dynamik.

Vridet till vänster - skarpt bromsat - klicka igen i dynamik. Slutsats: i ögonblicket för att stoppa spolen passerar en strömpuls genom sin tråd, vilket verkar på grund av det faktum att elektronerna vid tidpunkten för bromsning av spolen kastas till trådens kant, som passagerare i en spårvagn.

Och tröghetskraften spelar här rollen som en extern kraft, som skapar vad som kan mätas som EMF. Denna slutsats gav naturligtvis inte forskare att känna igen laddningsbärarnas tecken och på något sätt identifiera dem, men experimentet från Mandelstam och Papaleksi visade tydligt att strömmen i metaller håller sig igenom kristallgitteret, vilket innebär att det är kopplat till det fria laddningsföretag.

Tolman och Stuart beslutade att gå lite längre. De lindade också spolen, bara trådens längd mättes exakt lika med 500 meter och började lossa den. Den lossades tills en linjär hastighet på exakt 500 m / s uppnåddes för att veta förhållandet mellan den erhållna emk och accelerationen.

Redan inte en högtalare, utan en mer informativ enhet, en galvanometer, var ansluten till spolens glidterminaler. I slutet av experimentet integrerade forskarna den främmande kraften längs hela ledarens längd och erhöll ett uttryck för EMF skapat av den främmande tröghetskraften när hastigheten ändras till noll.

Den totala laddningen som ledde genom ledaren kunde beräknas enligt Ohms lag med hänsyn till spoltrådens motstånd. Så när du känner till trådens hastighet innan bromsningen, trådens längd, dess motstånd, rotationsriktning, bromsningstid, storlek och EMF-tecken kan du hitta skylten och storleken på den specifika laddningen, som gjordes av Stuart och Tolman.

Idag verkar det inte längre konstigt för någon att förhållandet mellan elektronladdning och massa uppmätt av Stuart och Tolman sammanföll med det som erhölls för nästan 20 år sedan, 1897 av J.J. Thomson, den specifika laddningen av partiklarna som utgör katodstrålarna. Vi vet nu förmodligen att både katodstrålarna och strömmen i metaller bildas av samma negativt laddade elementära partiklar - elektroner.