Элементарный электрический заряд. Что это такое?
В предыдущей статье мы остановились на том, что для понимания процесса намагничивания тел, нам необходимо вспомнить некоторые особенности строения атома.
Еще в глубокой древности Платон говорил о том, что все вещества в окружающей нас природе состоят из более мелких частиц. Он назвал их атомами. Это название мельчайших частиц вещества сохранилось до наших дней, а их существование подтверждено многочисленными опытами. Но и атомы, как оказалось, не являются самыми маленькими частицами вещества, а сами состоят из более мелких, так называемых элементарных частиц, наиболее изученными из которых являются протоны, нейтроны, электроны и позитроны.
Считается, что именно электрон, который несет в себе элементарный электрический заряд, имеет непосредственное отношение к образованию магнитного поля в постоянных магнитах и проводниках с током. Теоретически существование электрона в атоме было предсказано английским ученым Томсоном в 1897 году.
Долгое время электрон считался элементарной неделимой частицей, но прав оказался известный философ, который высказал мысль о том, что электрон также неисчерпаем, как и атом, но об этом чуть позже. Поведение электрона в различных его проявлениях и, в частности, в атоме неразрывно связано с элементарным электрическим зарядом. Открытие электрона как элементарной частицы в значительной степени связано с исследованиями по определению электрического заряда.
Является ли электрон действительно элементарной неделимой частицей, а электрический заряд электрона элементарным зарядом? Электрон это волна или частица? Результаты последних исследований в области элементарных частиц заставляют ученых все чаще задавать подобные вопросы.
Опыты по измерению электрических зарядов еще несколько веков назад проводили такие известные ученые как Кулон, Фарадей и др., но наиболее точно значение элементарного заряда было получено одновременно в опытах Милликена и Иоффе. Эти опыты были проведены одновременно и независимо друг от друга двумя учеными на похожих установках в 1909 году.
На опытах Фарадея и Милликена следует остановиться немного подробнее, так как эти опыты можно отнести к одним из основных опытов по исследованию микроструктуры вещества в истории развития науки. Они были проведены в разных по исполнению опытах (установках), что говорит о независимости полученных в этих опытах результатов.
В своих опытах по исследованию процессов электролизации Фарадей установил, что при прохождении через электролит заряда равного 96400 кулонам на электродах выделяется А/n граммов любого вещества (n- валентность, А- вес одного грамм-атома). Так для выделения одного грамм-атома одновалентного вещества, например водорода через электролит должен пройти заряд равный 96400 кулонам. Но в одном грамм-атоме любого вещества содержится 6,02х1023 атомов (число Авогадро). Не сложно посчитать, что каждый ион одновалентного вещества, выделяющегося на электроде, несет в себе заряд равный е=1,6х10-19 кулона. При проведении многочисленных опытов по электролизу у Фарадея не было случаев, чтобы с ионом переносился дробный заряд, т.е. заряд, содержащий дробную часть от величины 1,6х10-19 кулона.
Изучая результаты опытов Фарадея, на это обратил внимание немецкий физик Гельмгольц, который сделал вывод о том, что указанное количество электричества представляет собой наименьшее количество электричества, существующее в природе. Это минимальное количество электричества получило название элементарного заряда.
Однако законы электролиза не дают однозначного ответа на вопрос, является ли определенный при электролизе заряд наименьшим. Эту величину заряда е можно понимать и как некую среднюю величину заряда, переносимую одновалентным ионом. Поэтому для выяснения этого вопроса необходимо было провести дополнительные прямые опыты по измерению мельчайших количеств электричества. Такие опыты были проведены английским ученым Милликеном на изготовленном им самим оборудовании.
Оборудование Милликена представляло собой сосуд, на дне которого вырезалось отверстие. Дно, с вырезанным отверстием, являлось верхней пластиной конденсатора. Нижняя пластина конденсатора изготавливалась без отверстия. Между пластинами подавался ток, а в сосуд с помощью пистолета впрыскивалось масло. Между каплями возникало трение, за счет которого они электризовались, т.е. приобретали заряд. На каждую такую каплю действовала сила тяжести и электрическая сила. Электрическая сила могла действовать на заряд капли в том или ином направлении.
Не буду описывать подробности эксперимента, и математические вычисления (они подробно изложены в различных источниках), скажу только, что этот эксперимент по праву считается одним из уникальных экспериментов в истории развития науки, а его автор заслуженно получил Нобелевскую премию.
Итак, в результате многочисленных измерений с каплями из различных веществ было обнаружено, что заряды, измеренные в результате экспериментов, всегда оказывались кратными одному и тому же минимальному заряду е=1,6х10-19кулона. Это значение минимального заряда равно, как оказалось, элементарному заряду, полученному из опытов в процессе электролиза. Данные этих и других опытов позволили сделать общий вывод: все встречающиеся в природе положительные и отрицательные заряды состоят из целого числа элементарных зарядов е=1,6х10-19кулона. В частности заряд электрона по абсолютному значению равен одному элементарному заряду. Но так ли это на самом деле?
<— Силовые линии магнитного поля Научные эксперименты —>