Фундаментальные постоянные

Аналогичной установкой пользовался  А. Ф. Иоффе (1880—1960) в 1912 г. В его опытах вместо капелек масла применялись  цинковые пылинки, а также капельки ртути. Допустим сначала, что электрического напряжения на конденсаторе нет. Тогда капля, попавшая в конденсатор, будет падать вниз под действием собственного веса, встречая при этом падении силу сопротивления kv, пропорциональную скорости капли v. Установившаяся скорость падения vg в поле тяжести определится уравнением

                                                kv_g = (m — m₀) g,

где т — масса капли, а т₀ — масса вытесненного ею воздуха. Последняя введена для учета архимедовой подъемной силы. Если капля заряжена, то при наложении электрического поля Е ее движение изменится. Поле Е подбирают таким, чтобы капля стала подниматься вверх. Если v_E — установившаяся скорость капли при подъеме вверх, a q — ее заряд, то

                                   kv_E = qE — (m — т₀) g.

Из этих уравнений  находим

q=_.

Для изменения заряда капли Милликен использовал открытое В. Рентгеном в 1895 г. ионизирующее свойство рентгеновских лучей. Ионы воздуха захватываются капельками масла, в результате чего заряд капель изменится. Если - заряд капли после захвата ею иона, а -её скорость, то изменение заряда

                                      =_.

Многочисленные  измерения показали, что всегда, независимо от размеров капель, изменение  заряда являлось целым кратным по отношению к некоторому наименьшему  заряду е:

,

где n - целое число. Расчёты Милликена позволили определить эту минимальную порцию электричества:

е=1,6 Кл.

Она оказалась  равна заряду электрона. Положительные  заряды прочно связаны с веществом, а отрицательные заряды принадлежат  подвижным частицам – электронам, которые могут легко отделяться от вещества под действием ионизатора (рентгеновских лучей).Реальность существования кванта электричества, его минимальной порции была неопровержимо доказана.

  Комбинируя  данные Дж. Томсона и Р. Милликена, можно получить значение массы покоя электрона :

 

Прямые доказательства того, что электроны обладают массой, были получены в опытах американских физиков Стюарта и Толмена (1916 г.). Они приводили в быстрое вращение обычную металлическую катушку и затем резко останавливали её. Так как электроны обладают массой, то при резкой остановке катушки они должны в течение некоторого времени двигаться по инерции. Созданный при этом электрический ток действительно наблюдался.

ВЫВОД

 

 

Скорость  света

Раскрытие сущности одной  из важнейших фундаментальных постоянных – скорости света с – на протяжении долгого времени являлось одной из труднейших задач физики. Проблема оказалась чрезвычайно многогранной, в единый узел сплелись трудности выяснения природы света и измерения скорости его распространения. Вплоть до 16 в. обсуждение этого вопроса не было связано с какими-либо опытами или достоверными наблюдениями. Аристотель полагал, что свет распространяется со сколь угодно большой скоростью.

При выводе закона преломления  Р. Декарт представлял распространение  света в виде потока частиц, движущихся с бесконечной скоростью. Для получения правильной формы закона он был вынужден предположить , что скорость света в более плотной среде больше, чем в менее плотной. Однако если скорость света бесконечна, то последнее утверждение бессмысленно. Теория Декарта была, таким образом, внутренне противоречивой.

 

Первые измерения

Впервые метод прямого определения  скорости света предложил основоположник экспериментальной физики Г. Галилей. Его идея была очень проста. Один из наблюдателей находящийся на расстоянии нескольких километров от другого, открывал заслонку на фонаре, посылая второму световой сигнал. Заметив свет, второй открывал заслонку своего фонаря, и свет распространялся по направлению к первому наблюдателю. Измеряя промежутки времени между посылом первого сигнала и моментом, когда был замечен свет от второго наблюдателя, и зная расстояние s между наблюдателями, можно было рассчитать скорость света c=2s/. Однако первые измерения не дали результатов – уж очень малым и поэтому трудным для измерений оказался промежуток времени .

 Экспериментальное доказательство  конечности скорости света впервые  выполнил датский астроном О. К. Рёмер в 1676 г. По изменению промежутков времени между затмениями спутников Юпитера. В 1728 году её установил Дж. Брадлей, исходя из своих наблюдений аберрации света звезд. В 1849 году А. И. Л. Физо первым измерил скорость света по времени прохождения светом точно известного расстояния (базы), так как показатель преломления воздуха очень мало отличается от 1, то наземные измерения дают величину весьма близкую к скорости.

       В опыте Физо пучок света от источника света S, отраженный полупрозрачным зеркалом 3, периодически прерывался вращающимся зубчатым диском 2, проходил базу 4-1 (около 8 км) и, отразившись от зеркала 1, возвращался к диску. Попадая на зубец, свет не достигал наблюдателя, а попавший в промежуток между зубцами свет можно было наблюдать через окуляр 4. По известным скоростям вращения диска определялось время прохождения светом базы. Физо получил значение c = 313300 км/с.

 

В 1862 году Ж. Б. Л. Фуко применив вместо зубчатого диска быстровращающееся зеркало (512 оборотов в секунду). Отражаясь от зеркала пучок света направлялся на базу и по возвращении вновь попадал на то же зеркало, успевшее повернуться на некоторый малый угол. При базе всего 20 м Фуко нашёл, что скорость света равна 298000  500 км/с. Схемы и основные идеи методов Физо и Фуко были многократно использованы в последующих работах по определению скорости света.

Определение  скорости света  методом вращающегося зеркала (Метод  Фуко): S– источник света; R – быстровращающееся зеркало; C – неподвижное вогнутое зеркало, центр которого совпадает с осью вращения R (поэтому свет, отраженный C, всегда попадает обратно на R); M – полупрозрачное зеркало;  L– объектив; E – окуляр; RC – точно измеренное расстояние (база). Пунктиром показаны положение R, изменившееся за время прохождения светом пути RC и обратно, и обратный ход пучка лучей через объектив L, который собирает отраженный пучок в точке S’, а не в точке S, как это было бы при неподвижном зеркале R. Скорость света устанавливается, измеряя смещение SS’.

 

Полученное А. Майкельсоном в1926 году значение c = 299796 4 км/с было тогда самым точным и вошло в интернациональные таблицы физических величин.

 

Измерение скорости света  в 19 веке сыграли большую роль в  физике, дополнительно подтвердив волновую теорию света. Выполненное Фуко в 1850 году сравнение скорости света одной  и той же частоты в воздухе  и воде показало, что скорость в  воде u = c/n(n) в соответствии с предсказанием волновой теории. Была так же установлена связь оптики с теорией электромагнетизма: измеренная скорость света совпала со скоростью электромагнитных волн, вычисленной из отношения электромагнитных и электростатических единиц электрического заряда.

 

В современных измерениях скорости света используется модернизированный  метод Физо с заменой зубчатого колеса на интерференционный или какой-либо другой модулятор света, полностью прерывающий или ослабляющий световой пучок. Приемником излучения служит фотоэлемент или фотоэлектрический умножитель. Применение лазера в качестве источника света, УЗ – модулятора со стабилизированной частотой  и повышение точности измерения длины базы позволит снизить погрешности измерений и получить значение с = 299792,5 0,15 км/с. Помимо прямых измерения скорости света по времени прохождения известной базы, широко применяются косвенный методы, дающие большую точность.

 

Скорость света в вакууме  принять считать 2999792458 1,2 м/с.

 

Как можно более точное измерение величины с чрезвычайно важно не только в общетеоретическом плане и для определения значений других физических величин, но и для практических целей. К ним, в частности. Относится определение расстояний во времени прохождения радио- или световых сигналов в радиолокации, оптической локации, светодальнометрии и др.

 

 

 

Постоянная Планка

 

В отличие от многих фундаментальных  физических констант постоянная Планка h имеет точную дату своего рождения – 14 декабря 1900 г. В этот день профессор Берлинского университета Макс Карл Эрнст Людвиг Планк на очередном заседании Немецкого физического общества сделал доклад, в котором для объяснения излучательной способности чёрного тела была дана формула, в которой фигурировала новая для физики величина h. Постоянная Планка h имеет размерность действия ( произведение энергии на время). Её величину, исходя из экспериментальных данных, впервые вычислил сам Планк:

 

h= 6,62