Физика-техникалық факультетінің Техникалық физика кафедрасының Физика білім беру мамандығы Зерханалық жұмыс №5 Милликеннің электрон зарядын өлшеу тәжірибесі Орындаған

Л.Н.ГУМИЛЕВ АТЫНДАҒЫ ЕУРАЗИЯ ҰЛТТЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ

Зертханалық жұмыс №5

Милликеннің электрон зарядын өлшеу тәжірибесі

Жұмыстың мақсаты: Электронның зарядын өлшеу

http://teachmen.ru/work/atomic_new/experimentM/

Кіріспе

Милликанның тәжірибесі өте ауыр болды. Күрделі жұмыс нәтижесі 1923 жылғы физика бойынша Нобель сыйлығы болды, Милликенге элементар зарядты анықтау және фотоэффект жұмыстары үшін берілді.

Жұмысты бастамас бұрын, теорияның ережелерімен «Теория» батырмасын басу арқылы міндетті түрде танысыңыз.

Милликкеннің эксперименттік қондырғысы екі металл пластинадан жасалған, олардың арасында камерасы бар үлкен жалпақ конденсатор болды. Милликан конденсатордың пластиналарына тұрақты кернеу жіберіп, оларда жоғары потенциалдар айырмашылығын тудырды және пластиналар арасына майда атомдалған май тамшыларын орналастырды (Сур.1). Біріншіден, Милликен тамшылардың түсетін v1 тұрақты жылдамдығын өлшеді - яғни тамшыларға әсер ететін ауырлық күші mg ауаның кедергі күшімен теңестіріледі.

Сурет 1 Тәжірибелік қондырғы

Бұл өлшеу радиусы анықтауға мүмкіндік береді. Формулада η - ауаның тұтқырлығы. Тамшыларда олардың камераны толтыратын ауаға үйкелуі нәтижесінде заряд пайда болады. Осыдан кейін батареяның қосылуымен тамшының көтерілуін өлшеу жүргізілді. Енді qE күші қосылды, ол электр өрісі жағынан q зарядымен тамшыға әсер етеді, тұрақты күйдегі жылдамдықтың өлшемдері жүреді. Тамшы біркелкі қозғалады, сондықтан күштер теңестірілген

  (2)

Заряд осы теңдеуден табылған. Р.Милликен бұл өлшемдерді бірнеше рет қайталаған. Суретте көрсетілген қондырғыны жақсартуына бірнеше жыл өтті. Қысым мен ылғалдылықтың тұрақтылығын қамтамасыз ету қажет болды. Рентген сәулелерімен жарықтандырудан туындаған фотоэффекттің салдарынан тамшы зарядталды (суреттің оң жағының төмен бөлігінде рентген түтігі). Тамшылардың радиусы шамамен 10-6 метрді құрайды, сондықтан микроскоп олардың қозғалысын бақылау үшін қолданылады.

Ақырында, статистикалық өңдеу үшін жеткілікті эксперименттік мәліметтерді жинақтай отырып, Милликен бірлік зарядының мәнін есептеп шығарды және нәтижелерін жариялады.

Компьютерлік модельде микроскоп арқылы (суретте көрсетілмеген) конденсатордың пластиналары арасындағы оң зарядталған тамшы қозғалысын байқаймыз. Қажет болса, платинаға кернеу беріледі (төменгі жағында плюс, жоғарғы минус). Пластиналар арасындағы қашықтық d = 5 мм. Камераның артқы қабырғасында арақашықтық 2 мм болатын екі белгі бар. Таймер құлау жылдамдығын анықтау үшін тәуекелдер арасындағы қозғалыс уақытын өлшеуге мүмкіндік береді. Модельде ауаның тұтқырлығы η = 18·10-6 Па·с, май тығыздығы ρ = 900 кг/м3. Массасы m тамшы

Онда (10) -дан біз тамшының радиусын аламыз

Яғни, тамшы радиусын анықтау үшін оның түсу жылдамдығын v1 өлшеу жеткілікті.

Кернеу қосылған кезде өрістің кернеулігі (2) тең E = U / d. Егер электр өрісі жағынан әсер ететін күш ауырлық күші mg -дан үлкен болса, тамшы жоғары қарай жылжи бастайды. Содан кейін, v2 көтерілу жылдамдығын өлшей отырып, (2) ден (1) -ні алып тастай отырып, тамшы зарядын анықтай аламыз.

Өлшеу реті

1. "Старт" батырмасын басу арқылы бастаңыз. Бұл жағдайда тамшы түсіп, төмен қарай жылжи бастайды.

2. Таймердің көмегімен v1 жылдамдығын анықтау үшін бөліктер арасындағы өту уақытты өлшеңіз.

3. Тамшы төменгі бөлікке өткенде таймердің уақытын жазып, «Сброс» батырмасын басыңыз.

4. Тамшы көз алдында және төменгі сызықтан төмен болған кезде кернеуді қосып, төменгі және жоғарғы сызықтар арасындағы өту уақытын өлшеп, v2 жылдамдығын анықтаңыз.

5. Кернеуді өшіріп, 2 - 4 тармақтарын бірнеше рет қайталаңыз (5 - 6). Нәтижелерді кестеге жазыңыз. Барлық осы өлшемдер зарядты анықтау дәлдігін жақсарту үшін бірдей төмендейді.

6. Тамшы көру алаңынан кетсін. Содан кейін "Старт" батырмасын қайтадан басыңыз. Жаңа тамшы жаңа өлшемге және зарядқа ие болуы мүмкін. Кернеу мәні тамшының көтерілу уақыты 10-15 секунд болатындай етіп таңдалуы керек.

7. v1 және v2 жылдамдықтарын анықтау үшін ол үшін өлшеулерді қайталаңыз. Барлығы шамамен 20 өлшеуді ұсынамыз.

8. Қорытынды жасаңыз және бақылау сұрақтарына жауап беріңіз.

Пластиналар арасындағы қашықтық d = 5 мм. 

Камераның артқы қабырғасында арақашықтық 2 мм

Ауа тұтқырлығы η = 18·10-6 Па·с

Майдың тығыздығы ρ = 900 кг/м3

r01=92,9*10-8 m

r01=93,2*10-8 m

r01=91,7*10-8 m

Электрон заряды

q1=3.9 *10^-11 Кл

q2=5.42*10^-12 Кл

q3=3.13776*10^-11 Кл

Масса

m1=3*10^-17кг

m2=2.9*10^-17кг

m3=3.2*10^-17кг

Қорытынды:

Электронның заряды өлшенді. Милликен тәжірибесі тексерілді. Милликанның тәжірибесі өте ауыр болды. Күрделі жұмыс нәтижесінде электрон зарядын таптым.

Бақылау сұрақтары

• Стокс заңын тұжырымдау.

Стокс (stokes) заңы – тұтқыр сұйықтық ішінде баяу қозғалатын қатты кішкене шарға әсер ететін кедергі күшін анықтайтын заң: Ғ = 6mprv, мүндағы Ғ —кедергі күші, p-m— сұйықтықтың тұтқырлық коэффициенті, r— шар радиусы, v— шардың қозғалу жылдамдығы. Бұл формуланы ағылшын физигі Дж. Стоке 1851 жылы қорытып шығарған. Стокс заңы негізінде байланыссыз грунттардың механикалық құрамы анықталады.

Стокс ережесі – фотолюминесценция сәуленің толқын ұзындығы оны қоздырған жарықтың толқын ұзындығынан артық болатынын тұжырымдайтын ереже . Бұл ереже бойынша люминесценция фотондарының энергиясы қоздырушы фотондар энергиясынан кем болады.

• Милликан экспериментіндегі а) кернеуі өшірілген және б) қосылуға әсер ететін күштердің сызбаларын салыңыз.

• Неліктен бұл тәжірибеде тамшылардың жылдамдығын тұрақты деп санауға болады?

Тамшының қозғалыс жылдамдығы оған әсер ететін күшке пропорционалды және тамшының зарядына байланысты емес.

• Милликан әдісі арқылы электронның зарядын анықтауға болады. Электрон зарядын анықтаудың тағы қандай әдістерін білесіз?