Делимость электрического заряда электрона - модели, принципы и опыты

Общие сведения

Две с половиной тысячи лет назад учёный Фалес Милетский обнаружил, что если янтарь натереть об шёлк, он начинает притягивать к себе лёгкие тела. Например, пушинки, пёрышки. С греческого языка «янтарь» переводится как «электрон», поэтому в дальнейшем явление получило название электризация. Учёные установили, что при её появлении возникает какое-то новое свойство на телах, которое и получило название электрический заряд.

С его помощью физические тела могут действовать друг на друга, при этом сила этого взаимодействия будет в 10⁴² раз сильнее притяжения Земли. Во время опытов физики и философы могли наблюдать, что влияние было двух видов:

• притягивающее;
• отталкивающее.

Это позволило предположить, что заряд обладает знаком. Причём тела с одинаковым зарядом отталкиваются, а с разным притягиваются. Например, эбонитовая палочка (минус) со стеклянной (плюс) будут стремиться соединиться друг с другом.

Таким образом, было установлено, что электрический заряд — фундаментальное свойство природы, присутствие которого у предмета вызывает электрическое взаимодействие с другими электризованными телами.

В XIX веке, когда наиболее интенсивно изучалось электричество, единого мнения о механизме влияния зарядов не существовало. Было 2 теории: дальнодействия и близкодействия. Первая оказалась ошибочная. Экспериментально было подтверждено, что любой заряд распространяет силу — электрическое поле. Её значение хоть и большое, но всегда конечное. Основная же идея была предложена Фарадеем. Согласно ему, любой из зарядов является источником материи. Электрическая сила определяется характеристиками поля там, где находится заряд.

Строение твёрдого тела было открыто Резерфордом. Кратко оно заключается в следующем: ключевым элементом тела является атом. Вокруг него находятся заряды. Притяжение их к центру отсутствует, так как частицы вращаются на орбиталях. Они могут быть положительными, отрицательными, нейтральными. Эти микрочастицы и являются носителями зарядов, то есть сама по себе энергия существовать не может.

Так, электрон имеет заряд отрицательного знака, а протоны — положительного. Чтобы можно было охарактеризовать количественно величину энергии, вели обозначение q. В качестве единиц измерения выбрали Кулон, в честь имени французского физика.

Опыт Милликена и Иоффе

Теоретические предположения о существовании элементарного заряда долго не могли подтвердить экспериментально. Этой темой занимались одновременно и независимо друг от друга 2 учёных. Определение, какой заряд имеет электрон, происходило в период 1909 — 1911 гг. Именно в это время обобщались теоретические догадки, связанные с электричеством.

Российский физик Абрам Фёдорович Иоффе взял 2 металлические пластины. В верхней им было сделано отверстие. Через него в пространство, ограниченное металлом, физик запускал пылинки цинка. С помощью источников напряжения пластины (плоский конденсатор) получали заряд. Верхняя содержала положительные носители, а нижняя отрицательные. Иоффе рассуждал, что в том случае, когда пылинка не несёт заряд, она просто падает под действие силы тяжести, но при этом её движению препятствует сила сопротивления воздуха. Если же пылинку зарядить, она вступит во взаимодействие с пластинами.

Физик начал создавать электрическое поле, причём для зарядки пылинок использовал ультрафиолетовое излучение (УФ). В то время для её генерации применяли электрическую дугу. Оказалось, что под действием УФ из цинка вылетали электроны. Так как выбивался отрицательный заряд, пылинка становилась положительной, а скорость её падения увеличивалась или уменьшалась. Иоффе смог наблюдать это явление, меняя полярность и определённые величины электрического поля.

Учёный, используя микроскоп, смог определить, что заряд изменялся на строго определённое значение — абсолютное. При этом он смог выявить кратность изменения элементарного заряда, но его величину рассчитать физику не удалось. Связано это было с тем, что частицы цинка имели неправильную форму, а значит, силу сопротивления воздуха найти было невозможно.

В 1910 году исследователь из Америки Роберт Милликен опубликовал итоги своего опыта. Он поставил очень похожий эксперимент.

Главным отличием было, что вместо цинка американец использовал мельчайшие капли масла. Из-за того, что для круглого тела, падающего в воздухе, достаточно просто можно вычислить сопротивление, ему удалось подсчитать минимально возможный заряд.

Измеряя скорость капли и зная её диаметр, Милликен определил сопротивление воздуха, а по плотности масла смог вычислить силу тяжести. Взяв во внимание характеристики электрического поля, Роберт нашёл величину заряда. Она оказалась равной 1,6 * 10^-19 Кл. Называться эта константа стала элементарной.

Делимость заряда

Если атом в целом электрически нейтрален, это означает, что положительная частица внутри обязательно будет равна целому числу элементарных носителей. Другими словами, электрический заряд можно делить на число кратное 1,6 * 10^-19 кулон.

Установленный закон очень важен, так как с его помощью стало возможным определить удельное значение минимальной частицы. Её изучают при исследовании движения носителей в электромагнитном поле. По сути, это понятие пропорционально заряду электрона и обратно пропорционально его массе. Для элементарного электрона удельная величина составляет: e / m = 1,76 * 10¹¹ Кл / кг.

Это очень маленькое число, поэтому в повседневной жизни заметить, что энергия электричества дискретна и меняется скачкообразно, невозможно. Кажется, что заряд изменяется плавно, как можно увидеть на опыте, часто показываемом в 8 классе средней школы. Для его проведения понадобится:

• электроскоп;
• стеклянная палочка;
• проводник.

На ровную поверхность, например, пол, нужно поставить 2 электроскопа и соединить их проводником. Стрелки приборов будут показывать 0. Это значит, что никакой заряженности нет. Теперь наэлектризованную стеклянную палочку следует просто поднести к одному из приборов. Обе стрелки отклонятся. Если проводник резко забрать, можно увидеть, что указатели практически не изменят положение.

Такое поведение говорит, что если палочку зарядить, через проводник с одного прибора электроны перейдут на другое устройство, к которому поднесено заряженное тело. Причём суммарное значение энергии не изменится и будет равняться 0. Значит, один электрометр будет заряжен положительно, а другой отрицательно. Это предположение легко подтвердить, если снова замкнуть приборы. Их стрелки укажут на 0, так как произойдёт снова деление зарядов.

Этот эксперимент можно назвать электризацией через влияние. Сообщение через проводник, несмотря на плавное отклонение стрелок, происходит скачком в соответствии с кратностью делимости.

Открытие дискретности повлияло на создание полупроводниковой теории. Учёные смогли понять закономерности p-n переходов, определить уровни барьеров, изучить увеличение энергии основного состояния системы.

Понятие об электрон-вольте

Пусть имеется электрическое поле, силовые линии которого направлены вправо. В неё можно поместить частицу, на которую начнёт действовать сила. В зависимости от знака заряда, линии действия поля будут совпадать с ней или иметь противоположное направление. Когда частица не имеет связей, то есть свободная, она начнёт ускоряться. Иными словами, получит кинетическую энергию, которая со временем будет возрастать.

Теорема о кинетической энергии гласит, что её изменение равняется суммарной работе всех сил, действующих на тело: ΔWk = A. Поскольку действует только электрополе, воздействие будет электрическим. Значит: Δ Wk = (f1 — f2) q. Так как в начальный момент частица была неподвижна, энергия была равна 0, значит, изменение которое приобрёл носитель, является ускоренным. Её называют ускоряющей разностью потенциалов и определяют как f1 — f2.

Например, если q = 1 Кл, кинетическая энергия составит 1 джоуль. Пусть заряд будет равен значению электрона. Тогда энергия, которую приобретёт частица, будет составлять один электрон-вольт: W = 1 эВ. Таким образом, один электрон-вольт — это энергия, которую приобретает частица с элементарным зарядом, проходя ускоряющую разность потенциалов в один вольт.

Количественно это значение можно записать так: 1эВ = 1,6 * 10^-19 Кл * 1 В = 1,6 * 10^-19 Дж. Существуют и производные единицы, которыми можно характеризовать заряд:

• 1 кэВ = 10³ эВ = 1,6 * 10^-16 Дж;
• 1 МэВ = 10⁶ эВ = 1,6 * 10^-13 Дж;
• 1 ГэВ = 10⁷ эВ = 1,6 * 10^-10 Дж;
• 1 ТэВ = 10¹² эВ = 1,6 * 10^-7 Дж.

Допустим, W = 7 ЕэВ, а скорость движения частицы будет 1 м/с. Это реальные цифры, которыми может обладать элементарная, разогнанная в коллайдере частица, имеющая минимальный заряд. Тогда её массу можно определить из формулы для расчёта энергии движения: W = mV² / 2. Отсюда, выразив искомое, можно определить её значение, подставив известные данные: m = 2 * W / V² = 2 * 7 * 10¹² * 1,6 * 10^-19 Дж * с² / 1м² = 22,4 * 10^-7кг.

Получается, что электрон обладает такой же энергией, как и макроскопическое тело массой 2 мг, двигаясь со скоростью один метр в секунду. Полученные данные соответствуют весу комара. А вывод можно сделать следующий: микроскопическая частица, являющаяся составной частью ядра, может быть разогнана до такой скорости, когда энергия электрона будет соответствовать макроскопическому телу.