Az elektron inerciája: Tolman - Stuart és Mandelstam - Papaleksi kísérletek

A 20. század elején a tudósok kísérleteket tettek arra, hogy választ találjanak arra a kérdésre, hogy az elektronok inert tömeggel rendelkeznek-e. Ezek a kísérletek elősegítették az akkori tudományos közösséget abban, hogy elfogadják azt a tényt, hogy a fémekben az elektromos áramot pontosan negatív töltésű részecskék - elektronok képezik, és nem lehetnek pozitív töltésű ionok, amint azt feltételezhetjük.

Az első kvalitatív kísérletet, amely azt szemlélteti, hogy a fémekben az elektromos áramot alkotó töltött részecskék pontosan tömegükkel rendelkeznek, tudósok (akkor az Orosz Birodalom), Leonid Isaakovich Mandelstam és Nikolai Dmitrievich Papaleksi tudósok végezték, ez 1913-ban történt.

Három évvel később, 1916-ban, egy pontosabb kísérletet végeztek Richard Tolman és Thomas Stewart amerikai fizikusok, akik munkájuk során nemcsak megmutatták, hogy az elektron tömegének van egy fémben, hanem közvetett módszerrel pontosan meghatározták azt egy galvanométer segítségével.

A korai kísérletek elvének megértése érdekében képzeljen el egy villamossal, amelyen az utasok kora reggel mennek dolgozni. A villamos itt szétszóródott, ahogy kellene, és előtte egy szétszórt gyalogos fut ki az út felé.

A villamosvezető, akinek meg akarja menteni a szegény ember életét, élesen megnyomja a féket - az utastérben lévő utasokat az egész tömeg azonnal elfújja. És ez tehetetlenségi erővel fújja őket, mert minden utasnak van tömege. És azok az utasok, akik a villamosfülkéhez vannak a legközelebb, fájdalmasan megüt a falon.

Mandelstam és Papaleksi körülbelül azonos módon gondolkodtak. Fogtak egy huzaltekercset, amely csúszó érintkezőkkel van felszerelve, az esetétől levont következtetésekkel, és hangszórót (fülhallgatót) csatlakoztattak a csúszó érintkezőkhöz. Jobbra tekercselték a tekercset - hirtelen megálltak - egy kattanás hangzott a dinamikában.

Balra csavart - erősen fékezve - kattintson újra a dinamikában. Következtetés: A tekercs leállításának pillanatában egy áramimpulzus halad át a huzalán, ami annak a ténynek a következménye, hogy a tekercs fékezésekor az elektronok a huzal széléhez kerülnek, mint a villamosban utazók.

És a tehetetlenségi erő itt egy külső erő szerepet játszik, amely létrehozza azt, amely EMF-ként mérhető. Ez a következtetés természetesen nem tette lehetővé a kutatók számára, hogy felismerjék a töltéshordozók jeleit, és valamilyen módon egyedileg azonosítsák azokat, azonban Mandelstam és Papaleksi kísérlete egyértelmûen kimutatta, hogy a fémek áramlása folyamatosan átjut a kristályrácson, ami azt jelenti, hogy összekapcsolódik a szabad töltő hordozók.

Tolman és Stuart egy kicsit tovább mentek. Feltekerték a tekercset is, csak a huzal hosszát pontosan 500 méterrel mérték, és elkezdett leereszkedni. Nem csavarták, amíg pontosan 500 m / s lineáris sebességet nem értek el annak érdekében, hogy megismerjük a kapott emf és a gyorsulás arányát.

Már nem hangszórót, hanem egy informatív eszközt, a galvanométert csatlakoztattak a tekercs csúszó termináljaihoz. A kísérlet végén a kutatók beépítették az idegen erőt a tekercsvezető teljes hossza mentén, és kifejezést kaptak az EMF-re, amelyet a külső inerciális erő hoz létre, amikor a sebesség nullára változik.

A vezetéken áthaladó teljes töltöttséget Ohm törvénye alapján lehet kiszámítani, figyelembe véve a tekercs huzalának ellenállását. Tehát, tudva a huzal sebességét a fékezés előtt, a huzal hosszát, ellenállását, forgásirányát, fékezési idejét, az emf nagyságát és jelét, megtalálja az adott töltés jelét és nagyságát, amit Stuart és Tolman végeztek.

Ma már senkinek nem tűnik furcsának, hogy Stuart és Tolman által mért elektron töltés és tömeg arány megegyezett azzal, amely majdnem 20 évvel ezelőtt, 1897-ben, J.J. Thomson, a katód-sugarak alkotó részecskék fajlagos töltése. Most valószínűleg tudjuk, hogy mind a katód, mind a fémben lévő áram ugyanazon negatív töltésű elemi részecskékből - elektronokból - képződik.