“Determinación de la carga de un electrón. Determinación de carga eléctrica elemental mediante electrólisis Trabajo de laboratorio en física medición de carga elemental

10.01.2022

DEFINICIÓN DE PRIMARIA

CARGA ELÉCTRICA POR MÉTODO DE ELECTRÓLISIS

Equipo: Fuente de CC, cubeta con electrodos del juego de electrolitos, voltímetro de laboratorio, resistencia, báscula con pesas o electrónica, llave, cables de conexión, solución de sulfato de cobre, cronómetro (o reloj con segundero).

EXPLICACIONES PARA LA OBRA. Para determinar la carga de un electrón, se puede utilizar la ley de electrólisis de Faraday, donde m es la masa de la sustancia liberada en el cátodo; M es la masa molar de la sustancia; n es la valencia de la sustancia; e - carga de electrones; Na es la constante de Avogadro; I es la intensidad de la corriente en el electrolito; ∆t es el tiempo que tarda la corriente en pasar a través del electrolito.

De esta fórmula se desprende claramente que para lograr el objetivo del trabajo es necesario conocer la masa molar de la sustancia liberada en el cátodo, su valencia y la constante de Avogadro. Además, durante el experimento es necesario medir la fuerza de la corriente y el tiempo que fluye, y una vez finalizada la electrólisis, la masa de la sustancia liberada en el cátodo.

Para realizar el experimento se utiliza una solución acuosa saturada de sulfato de cobre, que se vierte en una cubeta con dos electrodos de cobre. Un electrodo está rígidamente fijado en el centro de la cubeta y el otro (extraíble) en su pared.

En una solución acuosa se produce, aunque en menor medida, una disociación de moléculas no sólo de sulfato de cobre (CuS04 = Cu2++), sino también de agua (H20 = H+ + OH -). Por tanto, una solución acuosa de CuS04 contiene iones positivos Cu2+ y H+ e iones negativos SO2- y OH-. Si se crea un campo eléctrico entre los electrodos, los iones positivos comenzarán a moverse hacia el cátodo y los negativos hacia el ánodo. Los iones Cu2+ y H+ se acercan al cátodo, pero no todos se descargan. Esto se explica por el hecho de que los átomos de cobre y de hidrógeno se transforman fácilmente en iones cargados positivamente, perdiendo sus electrones externos. Pero el ion cobre fija un electrón más fácilmente que el ion hidrógeno. Por tanto, los iones de cobre se descargan en el cátodo.

Los iones negativos y OH- se moverán hacia el ánodo, pero ninguno de ellos se descargará. En este caso, el cobre comenzará a disolverse. Esto se explica por el hecho de que los átomos de cobre ceden electrones a la parte externa del circuito eléctrico más fácilmente que los iones y OH - y, habiéndose convertido en iones positivos, se disuelven: Cu = Cu2+ + 2e-.

Por lo tanto, cuando los electrodos se conectan a una fuente de corriente continua, se producirá un movimiento dirigido de iones en la solución de sulfato de cobre, lo que dará como resultado la liberación de cobre puro en el cátodo.

Para que la capa de cobre liberada sea densa y esté bien retenida en el cátodo, se recomienda realizar la electrólisis con una corriente baja en la solución. Y dado que esto conducirá a un gran error de medición, en lugar de un amperímetro de laboratorio, se utiliza una resistencia y un voltímetro en el trabajo. Con base en la lectura del voltímetro U y la resistencia de la resistencia R (está indicada en su cuerpo), se determina la intensidad de la corriente I. El diagrama esquemático de la configuración experimental se muestra en la Figura 12.

La intensidad de la corriente en el electrolito puede cambiar durante el experimento, por lo que su valor promedio 1sr se sustituye en la fórmula para determinar la carga. El valor de corriente promedio se determina registrando las lecturas del voltímetro cada 30 s durante todo el tiempo de observación, luego se suman y el valor resultante se divide por el número de mediciones. Así se encuentra la Ucp. Luego, utilizando la ley de Ohm, se encuentra Icp para una sección del circuito. Es más conveniente registrar los resultados de las mediciones de voltaje en una tabla auxiliar.

El tiempo del flujo de corriente se mide con un cronómetro.

PROCEDIMIENTO DE PREPARACIÓN PARA EL TRABAJO

1. Indique qué cantidades físicas son objeto de medición directa para determinar la carga de un electrón por el método utilizado en este trabajo. ¿Qué instrumentos de medición se utilizarán para tomar medidas? Determine y anote los límites de los errores absolutos de estos instrumentos.

2. Determinar y anotar los límites de errores absolutos de lectura cuando se utiliza un cronómetro mecánico, un voltímetro y básculas.

3. Escriba la fórmula para determinar el límite de error absoluto ∆е.

4. Prepare una tabla para registrar sus medidas, errores y cálculos.

Prepare una tabla de ayuda para registrar las lecturas del voltímetro.

RESPONDE A LAS PREGUNTAS

¿Por qué el tiempo de flujo de corriente en el electrolito afecta el error en el resultado de medir la carga del electrón?

¿Cómo afecta la concentración de una solución al resultado de medir la carga de un electrón?

¿Cuál es la valencia del cobre?

¿Cuál es la masa molar del cobre?

¿Cuál es la constante de Avogadro?

PROCEDIMIENTO PARA LA REALIZACIÓN DEL TRABAJO

1. Determine la masa del electrodo extraíble t1 en la escala.

2. Conecte el electrodo a la cubeta y ensamble el circuito eléctrico que se muestra en la Figura 12. Asegúrese de que el electrodo removible esté conectado al polo negativo de la fuente de voltaje.

3. Llene la cubeta con solución de sulfato de cobre, cierre la llave y registre las lecturas del voltímetro cada 30 segundos durante 15 minutos.

4. Pasados los 15 minutos, abrir la llave, desmontar el circuito, retirar el electrodo, secarlo y determinar su masa m2 junto con el cobre depositado en él.

5. Calcule la masa de cobre liberado: t- y el límite del error absoluto de su medición ∆t.

6. Calcule el voltaje promedio a través de la resistencia Uav y la corriente promedio en el electrolito. I Casarse

7. Calcula la carga del electrón e.

8. Calcule el límite de error absoluto para determinar la carga del electrón ∆e.

9. Anote el resultado de la determinación del cargo, teniendo en cuenta el límite de error absoluto.

10. Compare la carga de electrones determinada a partir de los resultados del experimento con el valor de la tabla.

Parshina Anna, Sevalnikov Alexey, Luzyanin Roman.

Objeto del trabajo: aprender a determinar el valor de la carga elemental mediante electrólisis; estudiar métodos de determinación de carga electrón.

Equipo: recipiente cilíndrico con solución de sulfato de cobre, lámpara, electrodos, balanza, amperímetro, fuente de voltaje constante, reóstato, reloj, llave, cables de conexión.

Descargar:

Avance:

Para utilizar vistas previas de presentaciones, cree una cuenta de Google e inicie sesión en ella: https://accounts.google.com

Títulos de diapositivas:

Trabajo de laboratorio Determinación de la carga elemental por electrólisis Realizado por estudiantes de la escuela secundaria Chuchkovskaya del décimo grado: Parshina Anna, Sevalnikov Alexey, Luzyanin Roman. Responsable: profesora de física Chekalina O.Yu.

Objeto del trabajo: aprender a determinar el valor de la carga elemental mediante electrólisis; Métodos de estudio para determinar la carga de un electrón. Equipo: recipiente cilíndrico con solución de sulfato de cobre, lámpara, electrodos, balanza, amperímetro, fuente de voltaje constante, reóstato, reloj, llave, cables de conexión.

Hemos montado la cadena: Avance del trabajo:

El resultado de nuestro trabajo.

Aprendimos cómo determinar el valor de la carga elemental mediante electrólisis y estudiamos métodos para determinar la carga de un electrón. Conclusión:

V. Ya. Bryusov "El mundo del electrón" ¡Quizás estos electrones sean mundos donde hay cinco continentes, artes, conocimientos, guerras, tronos y la memoria de cuarenta siglos! También, quizás, cada átomo sea un Universo con cien planetas; Todo lo que está aquí está allí, en un volumen comprimido, pero también lo que no está aquí. Sus medidas son pequeñas, pero Su infinidad sigue siendo la misma, como aquí; Hay tristeza y pasión, como aquí, e incluso allí hay la misma arrogancia mundana. Sus sabios, habiendo colocado su mundo ilimitado en el centro de la existencia, se apresuran a penetrar en las chispas del misterio y piensan, como lo hago yo ahora; Y en el momento en que de la destrucción se crean corrientes de nuevas fuerzas, Gritan, en los sueños de la autohipnosis, ¡Que Dios ha apagado su antorcha!

Ministerio de Educación de la Federación de Rusia

Universidad Pedagógica Estatal de Amur

Métodos para determinar la carga eléctrica elemental.

Completado por el estudiante 151g.

Venzelev a.a.

Comprobado por: Cheraneva T.G.

Introducción.

1. Antecedentes del descubrimiento del electrón

2. Historia del descubrimiento del electrón.

3. Experimentos y métodos para descubrir el electrón.

3.1.El experimento de Thomson

3.2.La experiencia de Rutherford

3.3. método Millikan

3.3.1. Breve biografía

3.3.2. Descripción de la instalación

3.3.3. Cálculo de carga elemental

3.3.4. Conclusiones del método.

3.4. Método de imágenes de Compton

Conclusión.

Introducción:

ELECTRÓN: la primera partícula elemental descubierta; el material portador de menor masa y menor carga eléctrica en la naturaleza; componente de un átomo.

La carga del electrón es 1,6021892. 10-19 Cl

4.803242. 10 -10 unidades SSSE

La masa del electrón es 9,109534. 10-31 kilos

Carga específica e/m e 1.7588047. 10 11 cl. kilos -1

El espín del electrón es igual a 1/2 (en unidades de h) y tiene dos proyecciones ±1/2; los electrones obedecen a la estadística de Fermi-Dirac, los fermiones. Están sujetos al principio de exclusión de Pauli.

El momento magnético de un electrón es igual a - 1,00116 m b, donde m b es el magnetón de Bohr.

El electrón es una partícula estable. Según datos experimentales, la vida útil t e > 2. 10 22 años.

No participa en la interacción fuerte, leptón. La física moderna considera al electrón como una partícula verdaderamente elemental que no tiene estructura ni tamaño. Si estos últimos son distintos de cero, entonces el radio del electrón r e< 10 -18 м

1.Antecedentes de la inauguración

El descubrimiento del electrón fue el resultado de numerosos experimentos. A principios del siglo XX. la existencia del electrón se estableció en una serie de experimentos independientes. Pero, a pesar del colosal material experimental acumulado por escuelas nacionales enteras, el electrón seguía siendo una partícula hipotética, porque la experiencia aún no había respondido a una serie de preguntas fundamentales. En realidad, el “descubrimiento” del electrón tardó más de medio siglo y no terminó hasta 1897; En él participaron muchos científicos e inventores.

En primer lugar, no hubo un solo experimento que involucrara electrones individuales. La carga elemental se calculó basándose en mediciones de la carga microscópica, suponiendo la validez de una serie de hipótesis.

Había incertidumbre en un punto fundamentalmente importante. El electrón apareció por primera vez como resultado de una interpretación atómica de las leyes de la electrólisis y luego fue descubierto en una descarga de gas. No estaba claro si la física en realidad estaba tratando con el mismo objeto. Un gran grupo de científicos naturales escépticos creía que la carga elemental es un promedio estadístico de cargas de los más variados tamaños. Además, ninguno de los experimentos que midieron la carga de los electrones dio valores estrictamente repetibles.
Hubo escépticos que generalmente ignoraron el descubrimiento del electrón. Académico A.F. Ioffe en sus recuerdos de su maestro V.K. Roentgene escribió: “Hasta 1906 - 1907. La palabra electrón no debería haberse pronunciado en el Instituto de Física de la Universidad de Munich. Roentgen la consideró una hipótesis no probada, utilizada a menudo sin fundamento suficiente y sin necesidad”.

La cuestión de la masa del electrón no se ha resuelto y no se ha demostrado que las cargas tanto de los conductores como de los dieléctricos estén formadas por electrones. El concepto de "electrón" no tenía una interpretación inequívoca, porque el experimento aún no había revelado la estructura del átomo (el modelo planetario de Rutherford apareció en 1911 y la teoría de Bohr en 1913).

El electrón aún no ha entrado en construcciones teóricas. La teoría electrónica de Lorentz presentaba una densidad de carga distribuida continuamente. La teoría de la conductividad metálica, desarrollada por Drude, trataba de cargas discretas, pero eran cargas arbitrarias, sobre cuyo valor no se imponían restricciones.

El electrón aún no ha abandonado el marco de la ciencia "pura". Recordemos que el primer tubo de electrones apareció recién en 1907. Para pasar de la fe a la convicción, fue necesario, en primer lugar, aislar el electrón e inventar un método para medir directa y exactamente la carga elemental.

La solución a este problema no se hizo esperar. En 1752, B. Franklin expresó por primera vez la idea de la discreción de la carga eléctrica. Experimentalmente, la discreción de las cargas se justificó por las leyes de la electrólisis, descubiertas por M. Faraday en 1834. El valor numérico de una carga elemental (la carga eléctrica más pequeña que se encuentra en la naturaleza) se calculó teóricamente basándose en las leyes de la electrólisis utilizando el número de Avogadro. . La medición experimental directa de la carga elemental fue realizada por R. Millikan en experimentos clásicos realizados entre 1908 y 1916. Estos experimentos también proporcionaron pruebas irrefutables del atomismo de la electricidad. Según los conceptos básicos de la teoría electrónica, la carga de un cuerpo surge como resultado de un cambio en el número de electrones contenidos en él (o iones positivos, cuyo valor de carga es un múltiplo de la carga del electrón). Por lo tanto, la carga de cualquier cuerpo debe cambiar abruptamente y en porciones que contengan un número entero de cargas de electrones. Habiendo establecido experimentalmente la naturaleza discreta del cambio de carga eléctrica, R. Millikan pudo obtener confirmación de la existencia de electrones y determinar el valor de la carga de un electrón (carga elemental) mediante el método de la gota de aceite. El método se basa en el estudio del movimiento de gotas de aceite cargadas en un campo eléctrico uniforme de intensidad conocida E.

2.Descubrimiento del electrón:

Si ignoramos lo que precedió al descubrimiento de la primera partícula elemental, el electrón, y lo que acompañó a este extraordinario acontecimiento, podemos decir brevemente: en 1897, el famoso físico inglés THOMSON Joseph John (1856-1940) midió la carga específica q/m partículas de rayos catódicos - "corpúsculos", como él los llamó, basándose en la desviación de los rayos catódicos *) en campos eléctricos y magnéticos.

Comparando el número obtenido con la carga específica del ion de hidrógeno monovalente conocido en ese momento, mediante un razonamiento indirecto, llegó a la conclusión de que la masa de estas partículas, que luego recibieron el nombre de "electrones", es significativamente menor (más que mil veces) que la masa del ion de hidrógeno más ligero.

En el mismo año 1897, planteó la hipótesis de que los electrones son una parte integral de los átomos y que los rayos catódicos no son átomos ni radiación electromagnética, como creían algunos investigadores de las propiedades de los rayos. Thomson escribió: "Así, los rayos catódicos representan un nuevo estado de la materia, esencialmente diferente del estado gaseoso ordinario...; en este nuevo estado la materia es la sustancia a partir de la cual se construyen todos los elementos".

A partir de 1897, el modelo corpuscular de los rayos catódicos comenzó a ganar aceptación general, aunque existía una gran variedad de opiniones sobre la naturaleza de la electricidad. Así, el físico alemán E. Wichert creía que “la electricidad es algo imaginario que en realidad sólo existe en los pensamientos”, y el famoso físico inglés Lord Kelvin en el mismo año 1897 escribió sobre la electricidad como una especie de “fluido continuo”.

La idea de Thomson de los corpúsculos de rayos catódicos como componentes básicos del átomo no fue recibida con mucho entusiasmo. Algunos de sus colegas pensaron que los había desconcertado cuando sugirió que las partículas de rayos catódicos deberían considerarse como posibles componentes del átomo. El verdadero papel de los corpúsculos de Thomson en la estructura del átomo podría entenderse en combinación con los resultados de otros estudios, en particular con los resultados del análisis de espectros y el estudio de la radiactividad.

El 29 de abril de 1897, Thomson pronunció su famoso mensaje en una reunión de la Royal Society de Londres. El momento exacto del descubrimiento del electrón (día y hora) no se puede nombrar debido a su singularidad. Este evento fue el resultado de muchos años de trabajo de Thomson y sus empleados. Ni Thomson ni nadie había observado jamás un electrón, ni nadie había podido aislar una sola partícula de un haz de rayos catódicos y medir su carga específica. El autor del descubrimiento es J.J. Thomson porque sus ideas sobre el electrón eran cercanas a las modernas. En 1903 propuso uno de los primeros modelos del átomo: el "pudín de pasas", y en 1904 propuso que los electrones de un átomo se dividen en grupos, formando diferentes configuraciones que determinan la periodicidad de los elementos químicos.

Se conoce con precisión el lugar del descubrimiento: el Laboratorio Cavendish (Cambridge, Reino Unido). Creado en 1870 por J.C. Maxwell, durante los siguientes cien años se convirtió en la “cuna” de toda una cadena de brillantes descubrimientos en diversos campos de la física, especialmente en la física atómica y nuclear. Sus directores fueron: Maxwell J.K. - de 1871 a 1879, Lord Rayleigh - de 1879 a 1884, Thomson J.J. - de 1884 a 1919, Rutherford E. - de 1919 a 1937, Bragg L. - de 1938 a 1953; Subdirector 1923-1935 - Chadwick J.

La investigación científica experimental fue llevada a cabo por un científico o un pequeño grupo en una atmósfera de exploración creativa. Lawrence Bragg recordó más tarde su trabajo en 1913 con su padre, Henry Bragg: “Era una época maravillosa en la que casi cada semana se obtenían nuevos resultados emocionantes, como el descubrimiento de nuevas áreas auríferas donde las pepitas se podían recoger directamente del suelo. . Esto continuó hasta el comienzo de la guerra *), lo que detuvo nuestro trabajo conjunto."

3.Métodos para abrir un electrón:

3.1.El experimento de Thomson

José John Thomson José John Thomson, 1856–1940

Físico inglés, más conocido simplemente como J. J. Thomson. Nacido en Cheetham Hill, un suburbio de Manchester, en la familia de un anticuario de segunda mano. En 1876 ganó una beca para Cambridge. En 1884-1919, fue profesor en el Departamento de Física Experimental de la Universidad de Cambridge y, al mismo tiempo, director del Laboratorio Cavendish, que, gracias a los esfuerzos de Thomson, se convirtió en uno de los centros de investigación más famosos del mundo. Al mismo tiempo, en 1905-1918, fue profesor en el Royal Institute de Londres. Ganador del Premio Nobel de Física en 1906 con la frase “por sus estudios del paso de la electricidad a través de gases”, que, por supuesto, incluye el descubrimiento del electrón. El hijo de Thomson, George Paget Thomson (1892-1975), también recibió el Premio Nobel de Física en 1937 por el descubrimiento experimental de la difracción de electrones en cristales.

Detalles Categoría: Electricidad y magnetismo Publicado 08/06/2015 05:51 Vistas: 6694

Una de las constantes fundamentales de la física es la carga eléctrica elemental. Se trata de una cantidad escalar que caracteriza la capacidad de los cuerpos físicos para participar en la interacción electromagnética.

Se considera carga eléctrica elemental a la carga positiva o negativa más pequeña que no se puede dividir. Su valor es igual a la carga del electrón.

El hecho de que cualquier carga eléctrica que se encuentre en la naturaleza sea siempre igual a un número entero de cargas elementales fue sugerido en 1752 por el famoso político Benjamín Franklin, político y diplomático que también se dedicó a actividades científicas e inventivas, el primer estadounidense en convertirse en miembro de la Academia de Ciencias de Rusia.

Benjamín Franklin

Si la suposición de Franklin es correcta y la carga eléctrica de cualquier cuerpo o sistema de cuerpos cargado consiste en un número entero de cargas elementales, entonces esta carga puede cambiar abruptamente en una cantidad que contenga un número entero de cargas de electrones.

Por primera vez, esto fue confirmado y determinado experimentalmente con bastante precisión por el científico estadounidense, profesor de la Universidad de Chicago, Robert Millikan.

Experiencia Millikan

Diagrama del experimento de Millikan

Millikan realizó su primer experimento famoso con gotas de aceite en 1909 junto con su asistente Harvey Fletcher. Dicen que al principio planearon hacer el experimento utilizando gotas de agua, pero se evaporaron a los pocos segundos, lo que claramente no fue suficiente para obtener el resultado. Luego Milliken envió a Fletcher a la farmacia, donde compró un atomizador y una botella de aceite para relojes. Esto fue suficiente para que el experimento fuera un éxito. Posteriormente, Millikan recibió el Premio Nobel por ello y Fletcher se doctoró.

Robert Milliken

Harvey Fletcher

¿Cuál fue el experimento de Millikan?

Una gota de aceite electrificada cae bajo la influencia de la gravedad entre dos placas de metal. Pero si se crea un campo eléctrico entre ellos, evitará que la gota caiga. Midiendo la intensidad del campo eléctrico se puede determinar la carga de la gota.

Los experimentadores colocaron dos placas metálicas de condensador dentro del recipiente. Allí se introdujeron pequeñas gotas de aceite mediante una botella rociadora, que durante la pulverización se cargaba negativamente debido a su fricción con el aire.

En ausencia de un campo eléctrico, la gota cae

Bajo la influencia de la gravedad F w = mg, las gotas comenzaron a caer. Pero como no estaban en el vacío, sino en un ambiente, la fuerza de resistencia del aire les impedía caer libremente. Fras = 6πη caravana 0 , Dónde η – viscosidad del aire. Cuando fw Y fras equilibrada, la caída se hizo uniforme con la velocidad v 0 . Midiendo esta velocidad, el científico determinó el radio de la caída.

Una gota “flota” bajo la influencia de un campo eléctrico

Si, en el momento en que caía la gota, se aplicaba voltaje a las placas de tal manera que la placa superior recibiera una carga positiva y la placa inferior una carga negativa, la caída se detenía. Se lo impidió el campo eléctrico emergente. Las gotas parecían flotar. Esto sucedió cuando la fuerza fr equilibrado por la fuerza que actúa desde el campo eléctrico F r = eE ,

Dónde fr – la resultante de la gravedad y la fuerza de Arquímedes.

F r = 4/3 πr 3 ( ρ – ρ 0) gramo

ρ - densidad de la gota de aceite;

ρ 0 – densidad del aire.

r es el radio de la caída.

Conocimiento fr Y mi , podemos determinar el valor mi .

Como era muy difícil garantizar que una gota permaneciera estacionaria durante mucho tiempo, Millikan y Fletcher crearon un campo en el que la gota, después de detenerse, comenzaba a moverse hacia arriba a una velocidad muy baja. v . En este caso

Los experimentos se repitieron muchas veces. Se impartieron cargas a las gotas irradiándolas con una instalación de rayos X o ultravioleta. Pero cada vez, la carga total de la gota siempre fue igual a varias cargas elementales.

En 1911, Millikan estableció que la carga de un electrón es 1,5924(17) x 10 -19 C. El científico se equivocó sólo en un 1%. Su valor moderno es 1,602176487(10) x 10 -19 C.

El experimento de Ioffe

Abram Fedorovich Ioffe

Hay que decir que casi simultáneamente con Millikan, pero independientemente de él, el físico ruso Abram Fedorovich Ioffe llevó a cabo experimentos similares. Y su configuración experimental era similar a la de Millikan. Pero se bombeó aire fuera del recipiente y se creó un vacío en él. Y en lugar de gotas de aceite, Ioffe utilizó pequeñas partículas cargadas de zinc. Su movimiento fue observado a través de un microscopio.

instalación de ioffé

1- tubo

2 cámaras

3 - placas de metal

4 - microscopio

5 - emisor ultravioleta

Bajo la influencia de un campo electrostático, cayó una mota de polvo de zinc. Tan pronto como la gravedad del grano de polvo se volvió igual a la fuerza que actuaba sobre él desde el campo eléctrico, la caída se detuvo. Mientras la carga de la partícula de polvo no cambiaba, seguía suspendida inmóvil. Pero si se exponía a la luz ultravioleta, su carga disminuía y se alteraba el equilibrio. Ella empezó a caer de nuevo. Luego se aumentó la cantidad de carga en las placas. En consecuencia, el campo eléctrico aumentó y la caída se detuvo nuevamente. Esto se hizo varias veces. Como resultado, se encontró que cada vez la carga del grano de polvo cambiaba en una cantidad que era un múltiplo de la carga de la partícula elemental.

Ioffe no calculó la magnitud de la carga de esta partícula. Pero, habiendo realizado un experimento similar en 1925 junto con el físico N.I. Dobronravov, modificando ligeramente la configuración experimental y utilizando partículas de polvo de bismuto en lugar de zinc, confirmó la teoría.

Ministerio de Educación de la Federación de Rusia

Universidad Pedagógica Estatal de Amur

Métodos para determinar la carga eléctrica elemental.

Completado por el estudiante 151g.

Venzelev a.a.

Comprobado por: Cheraneva T.G.

Introducción.

1. Antecedentes del descubrimiento del electrón

2. Historia del descubrimiento del electrón.

3. Experimentos y métodos para descubrir el electrón.

3.1.El experimento de Thomson

3.2.La experiencia de Rutherford

3.3. método Millikan

3.3.1. Breve biografía

3.3.2. Descripción de la instalación

3.3.3. Cálculo de carga elemental

3.3.4. Conclusiones del método.

3.4. Método de imágenes de Compton

Conclusión.

Introducción:

ELECTRÓN: la primera partícula elemental descubierta; el material portador de menor masa y menor carga eléctrica en la naturaleza; componente de un átomo.

La carga del electrón es 1,6021892.

10-19 Cl

4.803242.

10 -10 unidades SSSE

La masa del electrón es 9,109534.

10-31 kilos

Carga específica e/m e 1.7588047.< 10 -18 м

1.Antecedentes de la inauguración

2.Descubrimiento del electrón:

10 11 cl.

kilos -1

3.Métodos para abrir un electrón:

3.1.El experimento de Thomson

José John Thomson José John Thomson, 1856–1940

El momento magnético de un electrón es igual a - 1,00116 m b, donde m b es el magnetón de Bohr.

Utilizando un nuevo diseño de tubo, Thomson demostró sucesivamente que: (1) los rayos catódicos se desvían en un campo magnético en ausencia de uno eléctrico; (2) los rayos catódicos se desvían en un campo eléctrico en ausencia de un campo magnético; y (3) bajo la acción simultánea de campos eléctricos y magnéticos de intensidad equilibrada, orientados en direcciones que por separado provocan desviaciones en direcciones opuestas, los rayos catódicos se propagan rectilíneamente, es decir, la acción de los dos campos está mutuamente equilibrada.

Thomson descubrió que la relación entre los campos eléctrico y magnético en la que se equilibran sus efectos depende de la velocidad a la que se mueven las partículas. Después de realizar una serie de mediciones, Thomson pudo determinar la velocidad de movimiento de los rayos catódicos. Resultó que se mueven mucho más lentamente que la velocidad de la luz, lo que significa que los rayos catódicos solo pueden ser partículas, ya que cualquier radiación electromagnética, incluida la luz misma, viaja a la velocidad de la luz (ver Espectro de radiación electromagnética). Estas partículas desconocidas. Thomson los llamó “corpúsculos”, pero pronto pasaron a ser conocidos como “electrones”.

Inmediatamente quedó claro que los electrones deben existir como parte de los átomos; de lo contrario, ¿de dónde vendrían? El 30 de abril de 1897, fecha del informe de Thomson sobre sus resultados en una reunión de la Royal Society de Londres, se considera el cumpleaños del electrón. Y ese día, la idea de la "indivisibilidad" de los átomos pasó a ser cosa del pasado (ver Teoría atómica de la estructura de la materia). Junto con el descubrimiento del núcleo atómico, que se produjo poco más de diez años después (véase el experimento de Rutherford), el descubrimiento del electrón sentó las bases del modelo moderno del átomo.

Los tubos "cátodos" descritos anteriormente, o más precisamente, los tubos de rayos catódicos, se convirtieron en los predecesores más simples de los tubos de imagen de televisión y monitores de computadora modernos, en los que cantidades estrictamente controladas de electrones son eliminados de la superficie de un cátodo caliente, bajo la influencia de campos magnéticos alternos se desvían en ángulos estrictamente especificados y bombardean las células fosforescentes de las pantallas, formando sobre ellas una imagen clara resultante del efecto fotoeléctrico, cuyo descubrimiento también sería imposible sin nuestro conocimiento de la verdadera naturaleza del cátodo. rayos.

3.2.La experiencia de Rutherford

Ernest Rutherford, primer barón Rutherford de Nelson, 1871-1937

Físico neozelandés. Nacido en Nelson, hijo de un granjero artesano. Ganó una beca para estudiar en la Universidad de Cambridge en Inglaterra. Después de graduarse, fue destinado a la Universidad McGill de Canadá, donde, junto con Frederick Soddy (1877-1966), estableció las leyes básicas del fenómeno de la radiactividad, por lo que recibió el Premio Nobel de Química en 1908. Pronto el científico se trasladó a la Universidad de Manchester, donde, bajo su dirección, Hans Geiger (1882-1945) inventó su famoso contador Geiger, comenzó a investigar la estructura del átomo y en 1911 descubrió la existencia del núcleo atómico. Durante la Primera Guerra Mundial, participó en el desarrollo de sonares (radares acústicos) para detectar submarinos enemigos. En 1919 fue nombrado profesor de física y director del Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge y ese mismo año descubrió la desintegración nuclear como resultado del bombardeo de partículas pesadas de alta energía. Rutherford permaneció en este cargo hasta el final de su vida, siendo al mismo tiempo durante muchos años presidente de la Royal Scientific Society. Fue enterrado en la Abadía de Westminster junto a Newton, Darwin y Faraday.

Ernest Rutherford es un científico único en el sentido de que hizo sus principales descubrimientos después de recibir el Premio Nobel. En 1911, logró un experimento que no sólo permitió a los científicos observar profundamente el átomo y obtener información sobre su estructura, sino que también se convirtió en un modelo de gracia y profundidad de diseño.

Utilizando una fuente natural de radiación radiactiva, Rutherford construyó un cañón que producía una corriente de partículas dirigida y enfocada. El arma era una caja de plomo con una ranura estrecha, en cuyo interior se colocaba material radiactivo. Debido a esto, las partículas (en este caso partículas alfa, que consisten en dos protones y dos neutrones) emitidas por la sustancia radiactiva en todas las direcciones excepto una, fueron absorbidas por la pantalla de plomo, y solo un haz dirigido de partículas alfa salió a través de la ranura. .

Esquema de experiencia

Más adelante en la trayectoria del rayo había varias pantallas de plomo más con rendijas estrechas que cortaban las partículas que se desviaban de lo estrictamente

dirección dada. Como resultado, un rayo perfectamente enfocado de partículas alfa voló hacia el objetivo, y el objetivo en sí era una fina lámina de oro. Fue el rayo alfa el que la golpeó. Después de chocar con los átomos de la lámina, las partículas alfa continuaron su camino y chocaron contra una pantalla luminiscente instalada detrás del objetivo, en la que se registraron destellos cuando las partículas alfa impactaron contra él. A partir de ellos, el experimentador pudo juzgar en qué cantidad y en qué medida las partículas alfa se desvían de la dirección del movimiento rectilíneo como resultado de las colisiones con los átomos de las láminas.

Rutherford, sin embargo, observó que ninguno de sus predecesores había intentado probar experimentalmente si algunas partículas alfa se desviaban en ángulos muy grandes. El modelo de rejilla de pasas simplemente no permitía la existencia de elementos estructurales en el átomo tan densos y pesados que pudieran desviar partículas alfa rápidas en ángulos significativos, por lo que nadie se molestó en probar esta posibilidad. Rutherford pidió a uno de sus alumnos que reequipara la instalación de tal manera que fuera posible observar la dispersión de partículas alfa en grandes ángulos de desviación, solo para limpiar su conciencia y excluir finalmente esta posibilidad. El detector era una pantalla recubierta con sulfuro de sodio, un material que produce un destello fluorescente cuando una partícula alfa lo golpea. ¡Imagínese la sorpresa no sólo del estudiante que llevó a cabo directamente el experimento, sino también del propio Rutherford cuando resultó que algunas partículas se desviaban en ángulos de hasta 180°!

Hoy conocemos bien la imagen del átomo dibujada por Rutherford basándose en los resultados de su experimento. Un átomo consta de un núcleo compacto y superdenso que lleva una carga positiva y electrones ligeros cargados negativamente a su alrededor. Más tarde, los científicos proporcionaron una base teórica fiable para esta imagen (ver El átomo de Bohr), pero todo comenzó con un simple experimento con una pequeña muestra de material radiactivo y un trozo de lámina de oro.

3.2.Método Milliken

3.2.1. Breve biografía:

Robert Milliken nació en 1868 en Illinois en el seno de una familia de sacerdotes pobres. Pasó su infancia en la ciudad provincial de Maquoketa, donde se prestaba mucha atención al deporte y a la mala enseñanza. Un director de escuela secundaria que enseñaba física dijo, por ejemplo, a sus jóvenes alumnos: “¿Cómo es posible generar sonido a partir de ondas? ¡Tonterías, muchachos, todo es una tontería!

El Oberdeen College no fue mejor, pero Milliken, que no tenía apoyo financiero, tuvo que enseñar él mismo física en la escuela secundaria. En Estados Unidos en aquella época sólo existían dos libros de texto de física, traducidos del francés, y el talentoso joven no tuvo dificultades para estudiarlos y enseñarlos con éxito. En 1893 ingresó en la Universidad de Columbia y luego fue a estudiar a Alemania.

Milliken tenía 28 años cuando recibió una oferta de A. Michelson para ocupar un puesto de asistente en la Universidad de Chicago. Al principio, se dedicó aquí casi exclusivamente al trabajo pedagógico, y solo a los cuarenta años comenzó la investigación científica, lo que le dio fama mundial.

3.2.2. Primeras experiencias y soluciones a problemas:

Los primeros experimentos se redujeron a lo siguiente. Entre las placas de un condensador plano, al que se aplicó una tensión de 4.000 V, se creó una nube formada por gotas de agua depositadas sobre los iones. En primer lugar, se observó que la cima de la nube caía en ausencia de un campo eléctrico. Luego se creó una nube mientras se encendía el voltaje. La caída de la nube se produjo bajo la influencia de la gravedad y la fuerza eléctrica.
La relación entre la fuerza que actúa sobre una gota en una nube y la velocidad que adquiere es la misma en el primer y segundo caso. En el primer caso, la fuerza es igual a mg, en el segundo mg + qE, donde q es la carga de la gota, E es la intensidad del campo eléctrico. Si la velocidad en el primer caso es igual a υ 1 en el segundo υ 2, entonces

Conociendo la dependencia de la velocidad de caída de la nube υ de la viscosidad del aire, podemos calcular la carga requerida q. Sin embargo, este método no proporcionó la precisión deseada porque contenía suposiciones hipotéticas fuera del control del experimentador.

Para aumentar la precisión de las mediciones, fue necesario, en primer lugar, encontrar una manera de tener en cuenta la evaporación de la nube, que inevitablemente se producía durante el proceso de medición.

Reflexionando sobre este problema, Millikan ideó el método clásico de la gota, que abrió una serie de posibilidades inesperadas. Dejaremos que el propio autor cuente la historia del invento:
“Al darme cuenta de que la tasa de evaporación de las gotas seguía siendo desconocida, traté de idear un método que eliminara por completo este valor incierto. Mi plan era el siguiente. En experimentos anteriores, el campo eléctrico sólo podía aumentar o disminuir ligeramente la velocidad de caída de la cima de la nube bajo la influencia de la gravedad. Ahora quería fortalecer tanto este campo que la superficie superior de la nube permaneciera a una altura constante. En este caso, fue posible determinar con precisión la tasa de evaporación de las nubes y tenerla en cuenta en los cálculos”.

Para implementar esta idea, Millikan diseñó una batería recargable de pequeño tamaño que producía un voltaje de hasta 10 4 V (en ese momento, este era un logro sobresaliente del experimentador). Tenía que crear un campo lo suficientemente fuerte como para mantener la nube suspendida, como el "ataúd de Mahoma". “Cuando tuve todo listo”, dice Milliken, y cuando se formó la nube, giré el interruptor y la nube estaba en un campo eléctrico. Y en ese momento se derritió ante mis ojos, es decir, de toda la nube no quedó ni un pequeño trozo que pudiera observarse con la ayuda de un instrumento óptico de control, como hizo Wilson y como iba a hacer yo. Como me pareció al principio, la desaparición de la nube sin dejar rastro en el campo eléctrico entre las placas superior e inferior significó que el experimento terminó sin resultados...” Sin embargo, como ha sucedido a menudo en la historia de la ciencia, el fracaso dio surgir una nueva idea. Esto llevó al famoso método de la caída. “Experimentos repetidos”, escribe Millikan, “mostraron que después de que una nube se disipa en un poderoso campo eléctrico, en su lugar Se pueden distinguir varias gotas de agua individuales."(énfasis añadido por mí - V.D.). El experimento “fallido” permitió descubrir la posibilidad de mantener en equilibrio las gotas individuales y observarlas durante bastante tiempo.

Pero durante el período de observación, la masa de una gota de agua cambió significativamente como resultado de la evaporación, y Millikan, después de muchos días de búsqueda, pasó a experimentar con gotas de aceite.

El procedimiento experimental resultó sencillo. La expansión adiabática forma una nube entre las placas del condensador. Está formado por gotitas con cargas de diferente magnitud y signo. Cuando se activa el campo eléctrico, las gotas con cargas idénticas a la carga de la placa superior del condensador caen rápidamente y las gotas con la carga opuesta son atraídas por la placa superior. Pero un cierto número de gotas tienen tal carga que la fuerza de gravedad se equilibra con la fuerza eléctrica.

Después de 7 u 8 minutos. la nube se disipa y en el campo de visión queda una pequeña cantidad de gotas, cuya carga corresponde al equilibrio de fuerzas indicado.

Millikan observó estas gotas como puntos brillantes distintos. “La historia de estas gotas suele ser la siguiente”, escribe, “en el caso de un ligero predominio de la gravedad sobre el campo de fuerza, comienzan a caer lentamente, pero como se evaporan gradualmente, su movimiento descendente pronto se detiene y desaparecen. permanecer inmóvil durante bastante tiempo”. Entonces el campo empieza a dominar y las gotas empiezan a subir lentamente. Al final de su vida en el espacio entre las placas, este movimiento ascendente se acelera con mucha fuerza y son atraídas con gran velocidad hacia la placa superior”.

3.2.3. Descripción de la instalación:

En la Figura 17 se muestra un diagrama de la instalación de Millikan, con la que se obtuvieron resultados decisivos en 1909.

En la cámara C se colocó un condensador plano hecho de placas redondas de latón M y N con un diámetro de 22 cm (la distancia entre ellas era de 1,6 cm). Se hizo un pequeño agujero p en el centro de la placa superior, a través del cual pasaban gotas de aceite. Estos últimos se formaron inyectando una corriente de aceite mediante un pulverizador. Previamente el aire se limpió de polvo haciéndolo pasar por un tubo con lana de vidrio. Las gotitas de aceite tenían un diámetro de aproximadamente 10 -4 cm.

Se suministró un voltaje de 10 4 V desde la batería B a las placas del capacitor. Usando un interruptor, fue posible cortocircuitar las placas y esto destruiría el campo eléctrico.

Las gotas de aceite que caían entre las placas M y N estaban iluminadas por una fuente potente. El comportamiento de las gotas se observó perpendicular a la dirección de los rayos a través del telescopio.

Los iones necesarios para la condensación de las gotas se crearon mediante la radiación de un trozo de radio que pesa 200 mg, situado a una distancia de 3 a 10 cm del lado de las placas.

Usando un dispositivo especial, al bajar el pistón se expandió el gas. 1 - 2 s después de la expansión, el radio fue eliminado u oscurecido por una pantalla de plomo. Luego se encendió el campo eléctrico y comenzó la observación de las gotas en el telescopio. La tubería tenía una escala en la que se podía contar el camino recorrido por la gota durante un período de tiempo determinado. El tiempo se registró utilizando un reloj preciso con cerradura.

Durante sus observaciones, Millikan descubrió un fenómeno que sirvió como clave para toda la serie de mediciones precisas posteriores de cargas elementales individuales.

“Mientras trabajaba con gotas suspendidas”, escribe Millikan, “me olvidé varias veces de protegerlas de los rayos de radio. Entonces me di cuenta de que de vez en cuando una de las gotas cambiaba repentinamente su carga y comenzaba a moverse a lo largo del campo o contra él, aparentemente capturando en el primer caso un ion positivo y en el segundo un ion negativo. Esto abrió la posibilidad de medir de forma fiable no sólo la carga de gotas individuales, como lo había hecho hasta entonces, sino también la carga de un ion atmosférico individual.

De hecho, midiendo la velocidad de la misma gota dos veces, una antes y otra después de la captura del ion, obviamente podría excluir completamente las propiedades de la gota y las propiedades del medio y operar con un valor proporcional sólo a la carga. del ion capturado”.

3.2.4. Cálculo de carga elemental:

Millikan calculó la carga elemental basándose en las siguientes consideraciones. La velocidad de movimiento de una gota es proporcional a la fuerza que actúa sobre ella y no depende de la carga de la gota.
Si una gota cayó entre las placas de un condensador bajo la influencia de la gravedad únicamente con una velocidad v, entonces

Cuando se activa un campo dirigido contra la gravedad, la fuerza que actúa será la diferencia qE - mg, donde q es la carga de la gota, E es el módulo de intensidad del campo.

La velocidad de la caída será igual a:

υ 2 =k(qE-mg) (2)

Si dividimos la igualdad (1) entre (2), obtenemos

Desde aquí

Dejemos que la gota capture un ion y su carga sea igual a q", y la velocidad de movimiento υ 2. Denotemos la carga de este ion capturado por e.

Entonces e= q"- q.

Usando (3), obtenemos

El valor es constante para una caída determinada.

3.2.5. Conclusiones del método Millikan

En consecuencia, cualquier carga capturada por una gota será proporcional a la diferencia de velocidad (υ " 2 - υ 2), en otras palabras, proporcional al cambio en la velocidad de la gota debido a la captura de un ion. Entonces, la La medición de la carga elemental se redujo a medir el camino recorrido por la gota y el tiempo durante el cual recorrió el camino. Numerosas observaciones demostraron la validez de la fórmula (4). Resultó que el valor de e sólo puede cambiar en saltos. ! Siempre se respetan las cargas e, 2e, 3e, 4e, etc.

“En muchos casos”, escribe Millikan, “la caída se observó durante cinco o seis horas, y durante ese tiempo capturó no ocho o diez iones, sino cientos de ellos. En total he observado la captura de muchos miles de iones de esta manera, y en todos los casos la carga capturada... era exactamente igual a la más pequeña de todas las cargas capturadas, o era igual a un pequeño múltiplo entero de esta valor. Esta es una prueba directa e irrefutable de que el electrón no es un "promedio estadístico", sino que todas las cargas eléctricas de los iones son exactamente iguales a la carga del electrón o representan pequeños múltiplos enteros de esa carga.

Así, la atomicidad, discreción o, en lenguaje moderno, cuantificación de la carga eléctrica se ha convertido en un hecho experimental. Ahora era importante demostrar que el electrón es, por así decirlo, omnipresente. Cualquier carga eléctrica en un cuerpo de cualquier naturaleza es la suma de las mismas cargas elementales.

El método de Millikan permitió responder inequívocamente a esta pregunta. En los primeros experimentos, las cargas se creaban mediante la ionización de moléculas de gas neutro mediante una corriente de radiación radiactiva. Se midió la carga de iones capturados por las gotas.

Cuando se rocía un líquido con una botella rociadora, las gotas se electrifican debido a la fricción. Esto era bien conocido en el siglo XIX. ¿Estas cargas también están cuantificadas, como las cargas de iones? Millikan "pesa" las gotas después de la pulverización y mide las cargas de la manera descrita anteriormente. La experiencia revela la misma discreción de la carga eléctrica.

Rociando gotas de aceite (dieléctrico), glicerina (semiconductor), mercurio (conductor), Millikan demuestra que las cargas en cuerpos de cualquier naturaleza física consisten en todos los casos, sin excepción, en porciones elementales individuales de magnitud estrictamente constante. En 1913, Millikan resumió los resultados de numerosos experimentos y dio el siguiente valor para la carga elemental: e = 4,774. 10 -10 unidades Cargo SGSE. Así se estableció una de las constantes más importantes de la física moderna. La determinación de la carga eléctrica se convirtió en un simple problema aritmético.

3.4 Método de imágenes de Compton:

El descubrimiento de C.T.R. jugó un papel importante en el fortalecimiento de la idea de la realidad del electrón. Wilson, el efecto de la condensación del vapor de agua sobre los iones, lo que permitió fotografiar huellas de partículas.

Dicen que A. Compton durante una conferencia no pudo convencer a un oyente escéptico de la realidad de la existencia de micropartículas. Insistió en que sólo creería después de verlos con sus propios ojos.
Luego Compton mostró una fotografía con una pista de partículas alfa, junto a la cual había una huella digital. "¿Sabes qué es esto?" - preguntó Compton. “Dedo”, respondió el oyente. "En ese caso", dijo solemnemente Compton, "esta franja luminosa es la partícula".
Las fotografías de trayectorias de electrones no sólo dan testimonio de la realidad de los electrones. Confirmaron la suposición del pequeño tamaño de los electrones y permitieron comparar los resultados de los cálculos teóricos, que incluían el radio del electrón, con los experimentos. Los experimentos que comenzaron con el estudio de Lenard sobre el poder de penetración de los rayos catódicos demostraron que los electrones muy rápidos emitidos por sustancias radiactivas producen huellas en el gas en forma de líneas rectas. La longitud de la pista es proporcional a la energía del electrón. Las fotografías de trayectorias de partículas α de alta energía muestran que las trayectorias constan de una gran cantidad de puntos. Cada punto es una gota de agua que aparece sobre un ion, que se forma como resultado de la colisión de un electrón con un átomo. Conociendo el tamaño de un átomo y su concentración, podemos calcular el número de átomos por los que debe pasar una partícula α a una distancia determinada. Un cálculo simple muestra que una partícula alfa debe viajar aproximadamente 300 átomos antes de encontrar en su camino uno de los electrones que forman la capa del átomo y producir ionización.

Este hecho indica de manera convincente que el volumen de electrones es una fracción insignificante del volumen de un átomo. La trayectoria de un electrón de baja energía es curva, por lo que el electrón lento es desviado por el campo intraatómico. Produce más eventos de ionización a lo largo de su recorrido.

De la teoría de la dispersión se pueden obtener datos para estimar los ángulos de desviación en función de la energía del electrón. Estos datos están bien confirmados por el análisis de pistas reales. La coincidencia de la teoría con el experimento fortaleció la idea del electrón como la partícula más pequeña de materia.

Conclusión:

La medición de la carga eléctrica elemental abrió la posibilidad de determinar con precisión una serie de constantes físicas importantes.
Conocer el valor de e permite determinar automáticamente el valor de la constante fundamental: la constante de Avogadro. Antes de los experimentos de Millikan, sólo existían estimaciones aproximadas de la constante de Avogadro, que venían dadas por la teoría cinética de los gases. Estas estimaciones se basaron en cálculos del radio promedio de una molécula de aire y variaron en un rango bastante amplio desde 2. 10 23 a 20 . 10 23 1/mol.

Supongamos que conocemos la carga Q que pasó a través de la solución electrolítica y la cantidad de sustancia M que se depositó sobre el electrodo. Entonces, si la carga del ion es Ze 0 y su masa m 0, se cumple la igualdad

Si la masa de la sustancia depositada es igual a un mol,

entonces Q = F- Constante de Faraday, y F = N 0 e, de donde:

Obviamente, la precisión de la determinación de la constante de Avogadro está determinada por la precisión con la que se mide la carga del electrón. La práctica ha requerido un aumento en la precisión en la determinación de las constantes fundamentales, y este fue uno de los incentivos para seguir mejorando la metodología de medición del cuanto de carga eléctrica. Este trabajo, que ahora es de naturaleza puramente metrológica, continúa hasta el día de hoy.

Los valores más precisos actualmente son:

e = (4,8029±0,0005) 10-10. unidades cargo SGSE;

N0 = (6,0230±0,0005) 10 23 1/mol.

Conociendo N o, es posible determinar el número de moléculas de gas en 1 cm 3, ya que el volumen que ocupa 1 mol de gas es un valor constante ya conocido.

Conocer el número de moléculas de gas en 1 cm 3 permitió, a su vez, determinar la energía cinética promedio del movimiento térmico de una molécula. Finalmente, a partir de la carga del electrón se pueden determinar la constante de Planck y la constante de Stefan-Boltzmann en la ley de la radiación térmica.