Заряд электрона. Методы определения величины заряды

Заряд электрона. Методы определения  величины заряды  

Первое открытие, во многом определившее и судьбы современного человечества, относится к открытию электрона. До той поры атом считался неделимым и различие в химических свойствах различных элементов не имело своего объяснения. Еще до открытия Томсона был выполнен ряд интересных экспериментов, в которых другие исследователи изучали электрический ток в стеклянных трубках, наполненных газом при низких давлениях. Такие трубки, названные трубками Гейсслера по имени немецкого стеклодува Г.Гейсслера (1815–1879), который первым начал изготовлять их, испускали яркое свечение, будучи подключены к высоковольтной обмотке индукционной катушки. Этими электрическими разрядами заинтересовался У.Крукс (1832–1919), который установил, что характер разряда в трубке меняется в зависимости от давления, и разряд полностью исчезает при высоком вакууме. Более поздние исследования Ж.Перрена (1870–1942) показали, что вызывающие свечение «катодные лучи» представляют собой отрицательно заряженные частицы, которые движутся прямолинейно, но могут отклоняться магнитным полем. Однако заряд и масса частиц оставались неизвестны и было неясно, одинаковы ли все отрицательные частицы.

Однако реальная структура атомов, в том числе и существование  еще меньших частиц, составляющих атомы, оставалась неясной до открытия Джозефом Джоном Томсоном электрона  в 1897. В своем опыте Томсон доказал, что все частицы, образующие катодные лучи, тождественны друг другу и  входят в состав вещества.

Опыт Томсона заключался в изучении пучков катодных лучей проходящих через  систему параллельных металлических  пластин, создававших электрическое  поле и систем катушек, создававших  магнитное поле. Обнаружено, что  лучи отклонялись при действии отдельно обоих полей, а при определенном соотношении между ними пучки  не изменяли прямой траектории. Это  соотношение полей зависело от скорости частиц^[1]. Проведя ряд измерений Томсон выяснил что скорость движения частиц гораздо ниже скорости света — таким образом было показано, что частицы должны обладать массой. Далее была выдвинуто предположение о наличии этих частиц в атомах и модель атома, впоследствии развитая в опытах Резерфорда.

Заряд электрона был впервые непосредственно измерен в экспериментах  Робетом Милликеным (1911) и Абрамом Федоровичем Иоффе(1913)

 Они независимо друг от друга проделали точные эксперименты, в которых было возможно вести наблюдние за одиночными электронами.

В опыте Роберта Эндрюса Милликена (1858–1953) исследовались микрокапли масла К (см. рис. справа), наэлектризованные трением о воздух, а также захватом ионов воздуха, ионизированного ультрафиолетовым излучением. Если поместить такую каплю в вертикальный сосуд с воздухом, то она начнет падать, и скоро установится ее постоянная скорость падения , соответствующая равновесию силы Архимеда, силы вязкого трения и силы тяжести:

где  — плотность, объем и радиус капли соответственно,  — коэффициент сопротивления воздуха, выражающийся через его вязкость  согласно закону Стокса,  — плотность воздуха. Если теперь в сосуде создать направленное вертикально поле с напряженностью , то в левой части уравнения выше появится слагаемое , где  — заряд капли. В опыте масло, пройдя через специальную распыляющую камеру Р, направлялось в пространство между двумя металлическими пластинами, разность потенциалов между которыми составляла до нескольких киловольт (см. рис.). Вначале, при отключенном напряжении, капля начинала падать, при этом за ней наблюдали в микроскоп М, фиксируя установившуюся скорость падения. Однако до того, как капля падала на нижнюю пластину, напряжение включали, чтобы электрическое поле поднимало каплю, и вычисляли установившуюся скорость подъема капли вверх. Вовремя включая и отключая поле, каплю много раз заставляли подниматься и спускаться вниз, при этом нетрудно было вычислить ее заряд. Оказалось, что он был различным в различных измерениях, но все время кратным одному и тому же значению элементарного зарядаЭто значение заряда связали впоследствии с зарядом электрона. На самом же деле считается, что капля просто захватывала в процессе своего движения положительно или отрицательно заряженные ионы. Если говорить об особенностях эксперимента Милликена, то можно сказать, что в нем использовался специально очищенный воздух, а камеру, по которой поднималась и опускалась капля, освещали светом электрической дуги. Это с одной стороны делало каплю видимой, а с другой стороны ионизировало воздух, что давало возможность капле захватывать его ионы. Кроме того, как показано на рисунке, распылитель находился надверхней пластиной, в которой, однако, находилось малое отверстие О, через которое лишь отдельные капли попадали в пространство между пластинами, в котором существовало электрическое поле. В опыте Милликена использовались капли размером порядка микрометра.

Похожий эксперимент  был проведен Абрамом Федоровичем  Иоффе (1890–1960) с разницей всего в  пару лет (Иоффе опубликовал свою работу в 1913 г., уже после Милликена, поэтому в литературе обычно ссылаются на последнего). В его опыте электрическим полем уравновешивались не капли масла, а металлические пылинки, которые электризовались при помощи ионизирующего излучения (тут, однако, заряд должен был быть всегда положительным, поскольку пылинка должна была терять электроны в результате поглощения квантов этого излучения). Поскольку плотность металла значительно превышает плотность воздуха, сила Архимеда является несущественной, кроме того, в опыте Иоффе наблюдалось равновесие частиц, а не их равномерное движение, которое обеспечивалось регулировкой напряжения между пластинами.

Особенность опыта  Иоффе была в том, что пылинки, вбрасываемые в камеру-конденсатор, не были изначально нейтральными, однако можно было заметить, что под действием  ультрафиолетового излучения они  теряли отрицательный заряд, что  говорило именно о таком знаке  заряда электрона. Это не что иное как фотоэффект, открытый и исследованный Столетовым.

В результате опытов Милликена и Иоффе был установлен фундаментальный для физики факт — дискретность электрического заряда — и найдена количественная характеристика дискретности. Тем не менее, в современной теоретической физике существуют объекты, обладающие дробным зарядом. Это кварки, заряды которых по абсолютной величине составляют и  элементарного. Однако эти частицы не существуют в свободном виде, а их связанные состояния — адроны — обладают уже целым зарядом (в единицах элементарного). Тем не менее, в опытах по рассеянию высокоэнергетических частиц на адронах были действительно получены значения зарядов кварков внутри них, кратные трети элементарного заряда.

Величина элементарного  электрического заряда тесно связана  с безразмерной постоянной тонкой структуры, которая определяет силу электромагнитного взаимодействия и известна сегодня с поразительной точностью:

Одно из теоретических  объяснений дискретности заряда было предложено в начале XX века Калуцей и Кляйном на основе представления о высших размерностях пространства-времени. Тем не менее, дискретность электрического заряда остается на сегодняшний день принятой, но не объясненной.

Заряд электрона неделим и равен  −1,602176565(35)·10⁻¹⁹ Кл;