Quán tính của một electron: thí nghiệm Tolman - Stuart và Mandelstam - Papaleksi

Các thí nghiệm để tìm câu trả lời cho câu hỏi liệu các electron có khối lượng trơ ​​được các nhà khoa học thực hiện vào đầu thế kỷ 20 hay không. Những thí nghiệm này đã giúp cộng đồng khoa học thời bấy giờ chấp nhận thực tế rằng dòng điện trong kim loại được hình thành chính xác bởi các hạt tích điện âm - electron, và không phải là các ion tích điện dương, như người ta có thể giả định.

Thí nghiệm định tính đầu tiên, minh họa rằng các hạt tích điện tạo thành dòng điện trong kim loại có khối lượng chính xác, được thực hiện bởi các nhà khoa học (sau đó là Đế quốc Nga) Leonid Isaakovich Mandelstam và Nikolai Dmitrievich Papaleksi, điều này diễn ra vào năm 1913.

Ba năm sau, vào năm 1916, một thí nghiệm chính xác hơn đã được thực hiện bởi các nhà vật lý người Mỹ Richard Tolman và Thomas Stewart, người trong công trình của họ không chỉ cho thấy electron có khối lượng trong kim loại, mà còn đo chính xác bằng phương pháp gián tiếp sử dụng điện kế.

Để hiểu nguyên tắc của những thí nghiệm đầu tiên này, hãy tưởng tượng một chiếc xe điện mà hành khách đi làm vào sáng sớm. Tại đây, xe điện đã được phân tán như bình thường và trước mặt nó là một người đi bộ rải rác chạy ra ngay trên đường.

Người lái xe điện, muốn cứu mạng người bạn nghèo, nhấn mạnh vào phanh - hành khách trong khoang hành khách ngay lập tức bị cả đám đông thổi bay. Và nó thổi chúng với lực quán tính, bởi vì mỗi hành khách có một khối lượng. Và những hành khách ở gần cabin xe điện nhất sẽ đâm vào tường một cách đau đớn.

Mandelstam và Papaleksi nghĩ theo cách tương tự. Họ lấy một cuộn dây, được trang bị các tiếp điểm trượt của nó, các kết luận của nó được tách ra khỏi vỏ và kết nối một loa (tai nghe) với các tiếp điểm trượt. Họ mở cuộn dây bên phải - đột ngột dừng lại - một tiếng click vang lên trong động lực.

Vặn sang trái - hãm mạnh - bấm lại trong động lực. Kết luận: tại thời điểm dừng cuộn dây, một xung hiện tại đi qua dây của nó, xuất hiện do thực tế là các electron tại thời điểm hãm của cuộn dây bị loại bỏ ra rìa dây, giống như hành khách trên xe điện.

Và lực quán tính ở đây đóng vai trò của một lực bên ngoài, tạo ra thứ có thể được đo là EMF. Tất nhiên, kết luận này đã không cho phép các nhà nghiên cứu nhận ra dấu hiệu của các hạt mang điện và bằng cách nào đó xác định chúng một cách duy nhất, tuy nhiên, thí nghiệm của Mandelstam và Papaleksi cho thấy rõ ràng rằng dòng điện trong kim loại đi qua mạng tinh thể, có nghĩa là nó được kết nối với mạng tự do người vận chuyển phí.

Tolman và Stuart quyết định đi xa hơn một chút. Họ cũng quấn cuộn dây, chỉ có chiều dài của dây được đo chính xác bằng 500 mét, và bắt đầu tháo nó ra. Nó không được kiểm soát cho đến khi đạt được vận tốc tuyến tính chính xác 500 m / s để biết tỷ lệ giữa emf và gia tốc thu được.

Không phải là loa, mà là một thiết bị nhiều thông tin hơn, điện kế, được kết nối với các cực trượt của cuộn dây. Vào cuối thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã tích hợp lực ngoại lai dọc theo toàn bộ chiều dài của dây dẫn cuộn dây và thu được biểu thức cho EMF được tạo bởi lực quán tính ngoại lai khi tốc độ thay đổi về không.

Tổng điện tích chạy qua dây dẫn có thể được tính theo định luật Ohm, có tính đến điện trở của dây cuộn. Vì vậy, biết tốc độ của dây trước khi phanh, chiều dài của dây, điện trở của nó, hướng quay, thời gian hãm, cường độ và dấu hiệu của emf, bạn có thể tìm thấy dấu hiệu và cường độ của điện tích cụ thể, mà Stuart và Tolman đã làm.

Ngày nay, dường như không còn xa lạ với bất cứ ai rằng tỷ lệ điện tích trên khối lượng được đo bởi Stuart và Tolman trùng khớp với mức thu được gần 20 năm trước, vào năm 1897 bởi J.J. Thomson, điện tích riêng của các hạt tạo nên các tia catốt. Bây giờ chúng ta có thể biết rằng cả tia catốt và dòng điện trong kim loại đều được hình thành từ cùng các hạt cơ bản mang điện tích âm - electron.