Інерція електрона: експерименти Толмена-Стюарта і Мандельштама-Папалексі

Експерименти з метою пошуку відповіді на питання, чи мають електрони інертною масою, проводилися вченими в самому на початку 20 століття. Дані досліди допомогли науковому співтовариству того часу утвердитися в прийнятті факту, що електричний струм в металах формується саме негативно зарядженими частинками – електронами, а не позитивно зарядженими іонами, як можна було б припускати.

Перший якісний експеримент, проілюструвати, що, формують електричний струм в металах, заряджені частинки масою точно мають, провели вчені (тоді ще Російської імперії) Леонід Ісакович Мандельштам і Микола Дмитрович Папалексі, це відбулося в 1913 році.

Три роки по тому, в 1916 році, більш точний експеримент провели американські фізики Річард Толмен і Томас Стюарт, які в своїй роботі не тільки показали, що маса у електрона в металі є, але і досить точно виміряли її непрямим методом за допомогою гальванометра.

Щоб зрозуміти принцип цих ранніх експериментів, уявіть собі трамвай, на якому з ранку раніше на роботу їдуть пасажири. Ось розігнався трамвай як слід, а перед ним прямо на шляху вибігає розсіяний пішохід.

Водій трамвая, бажаючи врятувати бідоласі життя, різко тисне на гальма – пасажирів в салоні миттєво всім натовпом зносить вперед. А зносить їх силою інерції, тому що кожен пасажир має масу. І тих пасажирів, хто стояв найближче до кабіні трамвая, боляче вдарить об стінку.

Приблизно аналогічним чином мислили і Мандельштам з Папалексі. Вони взяли котушку з дроту, оснастили легкими контактами її ізольовані від корпусу висновки, а до ковзним контактам підключили динамік (навушник). Розкрутили котушку вправо – різко зупинили – в динаміці щось клацнуло.

Розкрутили вліво – різко загальмували – в динаміці знову клацання. Висновок: в момент зупинки котушки – по її проводу проходить імпульс струму, що з’являється через те, що електрони в момент гальмування котушки виявляються відкинуті до краю дроти, як пасажири в трамваї.

А сила інерції тут грає роль сторонньої сили, яка і створює те, що може бути виміряна як ЕРС. Цей висновок, звичайно, не дало дослідникам можливості дізнатися знак носіїв заряду і якось однозначно ідентифікувати їх, однак експеримент Мандельштама і Папалексі чітко показав, що струм в металах тримає свій шлях через кристалічну решітку, а значить він пов’язаний з реально існуючими всередині нього вільними носіями заряду.

Толмен і Стюарт вирішили піти трохи далі. Вони теж намотали котушку, тільки довжину проводу відміряли точно рівною 500 метрів, і стали її розкручувати. Розкручували до досягнення лінійної швидкості точно 500 м / с, щоб знати співвідношення між отриманою ЕРС і прискоренням.

До змінним висновків котушки був приєднаний вже не динамік, а більш інформативний прилад – гальванометр. По завершенні експерименту дослідники проинтегрировал сторонню силу по всій довжині провідника котушки, і отримали вираз для ЕРС, створюваної сторонньої силою інерції при зміні швидкості до нуля.

Величину повного заряду, який пробіг по провіднику, можна було обчислити за законом Ома, взявши до уваги опір проводу котушки. Отже, знаючи швидкість руху дроти до гальмування, довжину проводу, його опір, напрямок обертання, час гальмування, величину і знак ЕРС, можна знайти знак і величину питомої заряду, що і зробили Стюарт і Толмен.

Сьогодні вже нікому не здасться дивним, що виміряний Стюартом і Толменом відношення заряду електрона до його маси збіглося з отриманим майже 20 років тому, в 1897 році Дж.Дж. Томсоном, питомим зарядом частинок, з яких складалися катодні промені. Ми то тепер напевно знаємо, що і катодні промені, і струм в металах, утворені з одних і тих же негативно заряджених елементарних частинок – електронів.

Ссылка на основную публикацию