ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА (ОПЫТЫ МИЛЛИКЕНА—ИОФФЕ)

 

Расскажем об опытах по изме­рению элементарного заряда — за­ряда электрона. Все необходимые для понимания сведения у вас те­перь есть.

 

Первые наиболее точные опыты по измерению заряда электрона были осуществлены в 1906—1916 гг. американским физиком Р. Милликеном (1868—1953) и независимо от него в 1913 г. ученым нашей страны А. Ф. Иоффе (1880—1960).

Милликен поставил смелую для того времени задачу: измерить элек­трический заряд отдельных мелких капелек масла. Иоффе измерял за­ряд маленьких пылинок цинка и ка­пелек ртути. Для этого нужно было измерить силу, равную приблизи­тельно 10 ^-13 Н, действующую на частичку вещества массой около 10 ^-12 г.

Основная часть установки Мил­ликена представляла собой две па­раллельные пластины, между кото­рыми создавалось однородное элек­трическое поле. В это поле с по­мощью распылителя впрыскивались капельки масла. (Масло имеет низкое давление насыщенных паров, и поэтому испарением капелек за вре­мя опыта можно пренебречь.) Весь прибор был помещен внутрь защит­ного кожуха для того, чтобы тем­пература и давление воздуха оста­вались строго постоянными.

При распылении масла капельки электризовались и двигались под влиянием силы тяжести, электриче­ского поля и других сил. За дви­жением капелек можно было на­блюдать в микроскоп через спе­циальное окошко.

Сначала измеряли скорость и₀ установившегося падения капли (V₀ = const) под действием силы тя­жести pVg, выталкивающей силы p₀Vg и силы сопротивления воздуха F_c (здесь p — плотность масла, р₀— плотность воздуха, а V — объем капли). Сила сопротивления при не­больших скоростях движения прямо пропорциональна скорости: F_c =bv. Коэффициент b зависит от радиуса капли и вязкости воздуха. Его можно определить.

Затем создавалось электрическое поле между пластинами, застав­лявшее капельку подниматься вверх, и измерялась скорость v установив­шегося движения капельки под дей­ствием поля. Так как при движении с постоянной скоростью сумма всех сил равна нулю, то в первом случае скорость капельки v₀ определяется уравнением

(1)

При включении поля (рис. 1) урав­нение установившегося движения капельки примет вид:

 

(2)

 

Из формул (1) и (2) можно определить значение заряда ка­пельки:

(3)

 

При облучении капелек масла рентгеновскими лучами наблюдалось скачкообразное изменение скорости движения капельки в электрическом поле. Это свидетельствовало о том, что заряд капельки под действием рентгеновских лучей менялся пре­рывно. Рентгеновские лучи выры­вали из капельки отдельные элек­троны.

 

Заряду электрона соответствова­ло минимальное значение заряда q капельки, определяемого формулой (3). В результате многочисленных опытов Милликен пришел к зна­чению заряда электрона: е=1,6∙10^-19 Кл. По современным данным, значение элементарного за­ряда равно:

e=1,6021892∙10 ^-19 Кл.

Последние два знака определены с точностью ±46.

Наиболее точные значения эле­ментарного электрического заряда получены при наблюдении движения заряженных капелек масла в элек­трическом поле.

 

 

 

Рис. 1