Опыты Рикке, Иоффе, Милликена, Мандельштама, Папалекси, Толмена, Стюарта, лежащие в основе электронной теории проводимости

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФГБОУ ВПО "МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Физико-математический факультет

Кафедра прикладной и теоретической физики

ОТЧЕТ

О ПРОХОЖДЕНИИ УЧЕБНОЙ ПРАКТИКИ

Направление 011200.62 "Физика"

"Опыты Рикке, Иоффе, Милликена, Мандельштама, Папалекси, Толмена, Стюарта, лежащие в основе электронной теории проводимости"

Магнитогорск - 2014

1. Опыт К. Рикке по проверке неатомного характера тока в металлах

Методы: качественное изучение специально обработанного образца.

Прямота эксперимента: непосредственное наблюдение.

Искусственность изучаемых условий: естественные условия (электрический ток в металле).

Исследуемые фундаментальные принципы: электронный характер тока в металлах.

Дата: 1901.

Карл Виктор Эдуард Рикке (1845-1915) убедительно и прямо доказал, что ток в металлах имеет неатомную природу. Сегодня известно, что он связан с переносом электронов, при этом химический состав металла не меняется (последнее свойство, в частности, является необходимым для т.н. проводников первого рода, к которым относятся и металлы). Установка Рикке была достаточно простой: это три бруска, два из меди, один - из алюминия, соединенные, как показано на рисунке, и включенные в цепь постоянного тока. Ток поддерживался в цепи в течение более года, при этом через контакт металлов протек заряд порядка . После этого Рикке тщательно изучил поверхности соприкосновения металлов и не обнаружил следов атомов алюминия в медном бруске и наоборот. Этот факт говорил в пользу электронной теории тока в металлах.

2. Опыты Милликена и Иоффе по измерению заряда электрона. Дискретность электрического заряда

Методы: количественное сравнение непосредственных наблюдений с теорией.

Прямота эксперимента: непосредственное наблюдение + теоретический анализ.

Искусственность изучаемых условий: искусственные условия, при которых применима используемая модель.

Исследуемые фундаментальные принципы: дискретность электрического заряда.

Дата: 1910-1913.

В опыте Роберта Эндрюса Милликена (1858-1953) исследовались микрокапли масла К (см. рис. справа), наэлектризованные трением о воздух, а также захватом ионов воздуха, ионизированного ультрафиолетовым излучением. Если поместить такую каплю в вертикальный сосуд с воздухом, то она начнет падать, и скоро установится ее постоянная скорость падения , соответствующая равновесию силы Архимеда, силы вязкого трения и силы тяжести: ток металл заряд инерционный

где - плотность, объем и радиус капли соответственно, - коэффициент сопротивления воздуха, выражающийся через его вязкость согласно закону Стокса, - плотность воздуха. Если теперь в сосуде создать направленное вертикально поле с напряженностью , то в левой части уравнения выше появится слагаемое , где - заряд капли. В опыте масло, пройдя через специальную распыляющую камеру Р, направлялось в пространство между двумя металлическими пластинами, разность потенциалов между которыми составляла до нескольких киловольт (см. рис.). Вначале, при отключенном напряжении, капля начинала падать, при этом за ней наблюдали в микроскоп М, фиксируя установившуюся скорость падения. Однако до того, как капля падала на нижнюю пластину, напряжение включали, чтобы электрическое поле поднимало каплю, и вычисляли установившуюся скорость подъема капли вверх. Вовремя включая и отключая поле, каплю много раз заставляли подниматься и спускаться вниз, при этом нетрудно было вычислить ее заряд. Оказалось, что он был различным в различных измерениях, но все время кратным одному и тому же значению элементарного заряда

Это значение заряда связали впоследствии с зарядом электрона. На самом же деле считается, что капля просто захватывала в процессе своего движения положительно или отрицательно заряженные ионы.

Если говорить об особенностях эксперимента Милликена, то можно сказать, что в нем использовался специально очищенный воздух, а камеру, по которой поднималась и опускалась капля, освещали светом электрической дуги. Это с одной стороны делало каплю видимой, а с другой стороны ионизировало воздух, что давало возможность капле захватывать его ионы. Кроме того, как показано на рисунке, распылитель находился над верхней пластиной, в которой, однако, находилось малое отверстие О, через которое лишь отдельные капли попадали в пространство между пластинами, в котором существовало электрическое поле. В опыте Милликена использовались капли размером порядка микрометра.

Похожий эксперимент был проведен Абрамом Федоровичем Иоффе (1890-1960) с разницей всего в пару лет (Иоффе опубликовал свою работу в 1913 г., уже после Милликена, поэтому в литературе обычно ссылаются на последнего). В его опыте электрическим полем уравновешивались не капли масла, а металлические пылинки, которые электризовались при помощи ионизирующего излучения (тут, однако, заряд должен был быть всегда положительным, поскольку пылинка должна была терять электроны в результате поглощения квантов этого излучения). Поскольку плотность металла значительно превышает плотность воздуха, сила Архимеда является несущественной, кроме того, в опыте Иоффе наблюдалось равновесие частиц, а не их равномерное движение, которое обеспечивалось регулировкой напряжения между пластинами.

Особенность опыта Иоффе была в том, что пылинки, вбрасываемые в камеру-конденсатор, не были изначально нейтральными, однако можно было заметить, что под действием ультрафиолетового излучения они теряли отрицательный заряд, что говорило именно о таком знаке заряда электрона. Это не что иное как фотоэффект, открытый и исследованный Столетовым.

В результате опытов Милликена и Иоффе был установлен фундаментальный для физики факт - дискретность электрического заряда - и найдена количественная характеристика дискретности. Тем не менее, в современной теоретической физике существуют объекты, обладающие дробным зарядом. Это кварки, заряды которых по абсолютной величине составляют и элементарного. Однако эти частицы не существуют в свободном виде, а их связанные состояния - адроны - обладают уже целым зарядом (в единицах элементарного). Тем не менее, в опытах по рассеянию высокоэнергетических частиц на адронах были действительно получены значения зарядов кварков внутри них, кратные трети элементарного заряда.

Величина элементарного электрического заряда тесно связана с безразмерной постоянной тонкой структуры, которая определяет силу электромагнитного взаимодействия и известна сегодня с поразительной точностью:

Одно из теоретических объяснений дискретности заряда было предложено в начале XX века Калуцей и Кляйном на основе представления о высших размерностях пространства-времени. Тем не менее, дискретность электрического заряда остается на сегодняшний день принятой, но не объясненной.

3. Опыт Толмена-Стюарта по наблюдению инерционного тока в металлах. Определение знака заряда носителей тока в них и соотношения e/m

Методы: качественная регистрация явления (Мандельштам-Папалекси), количественное измерение (Толмен-Стюарт).

Прямота эксперимента: непосредственное наблюдение (Мандельштам-Папалекси), практически прямое измерение (Толмен-Стюарт).

Искусственность изучаемых условий: сами условия достаточно просты (ускоренно движущийся проводник), но величина эффекта при малых ускорениях очень мала, поэтому он не наблюдается в повседневном опыте.

Исследуемые фундаментальные принципы: электронный характер тока в металлах.

Дата: 1913 (Мандельштам-Папалекси), 1916 (Толмен-Стюарт).

Эксперименты, проведенные американскими учеными Ричардом Чейсом Толменом (1881-1948) и Томасом Дейлом Стюартом (1890-1958) и в почти не отличающемся виде отечественными физиками Леонидом Исааковичем Мандельштамом (1879-1944) и Николаем Дмитриевичем Папалекси (1880-1947), показали возможность создания кратковременного электрического тока в металлическом проводнике инерционными методами.

Помня, что ток в металлах имеет электронный, а не ионный характер, представим себе проводник в виде автобуса, который резко тормозит. Всех пассажиров, державшихся за поручни или нет, при этом резко подаст вперед сила инерции, при этом стоящие наиболее близко к лобовому стеклу рискуют пробить его и быть выброшенными наружу. Точно так же ведут себя и электроны в кристалле металла при резком его торможении.

В качестве этого проводника использовалась катушка индуктивности, которая раскручивалась вокруг своей оси и резко останавливалась (см. рис. справа). Длина проволоки составляла 500м, а линейная скорость вращения - 500м/с. Катушка с помощью скользящих контактов была подключена к гальванометру, который регистрировал возникновение инерционной ЭДС. Фактически можно сказать, что в данном опыте роль сторонних сил, создающих ЭДС, играла сила инерции.

Эту ЭДС нетрудно посчитать исходя из ее определения через сторонние силы , действующие на заряды внутри проводника, подвергшегося торможению:

где - заряд электрона, а интегрирование проводится по всей длине тормозящегося провода (т.е. по всей катушке). Используя теперь выражение для силы инерции, упоминавшееся в разделе про маятник Фуко, мы получаем, что в ЭДС дает вклад только сила инерции, связанная с вращательным ускорением , тогда имеем:

где - длина проводника, - радиус катушки, а - ее угловая скорость вращения.

По закону Ома теперь легко получается полный заряд, протекший через гальванометр (считаем, что сопротивление гальванометра гораздо меньше сопротивления самой катушки ):

где обозначает разность угловых скоростей катушки до и после торможения. Как видим, в зависимости от направления вращения катушки протекший заряд может иметь противоположные знаки, на основе чего в опыте Толмена-Стюарта и был определен знак заряда носителей тока в металле. Практически заряд, протекший в цепи, измеряют с помощью баллистического гальванометра, и это давало возможность определить отношение для носителей заряда. Оказалось, что это отношение совпало с измеренным Дж. Дж. Томсоном для частиц, из которых состояли катодные лучи (электронов), что убедительно доказало именно электронный характер тока в металлах.

В опыте Мандельштама-Папалекси вместо гальванометра использовался головной телефон (наушники), скрежет в котором можно было интерпретировать как возникновение кратковременного тока. Это, конечно, не давало возможность ни определить знак носителей заряда, ни идентифицировать их, но явно показывало, что ток в металлах "протекает сквозь" кристаллическую решетку, т.е. связан со свободными носителями заряда, а, не с поляризацией.

Размещено на Allbest.ru