Bezwładność elektronu: eksperymenty Tolmana - Stuarta i Mandelstama - Papaleksiego

Eksperymenty mające na celu znalezienie odpowiedzi na pytanie, czy elektrony mają masę obojętną, zostały przeprowadzone przez naukowców na samym początku XX wieku. Eksperymenty te pomogły ówczesnej społeczności naukowej w zaakceptowaniu faktu, że prąd elektryczny w metalach jest wytwarzany właśnie przez cząstki ujemnie naładowane - elektrony, a nie jony dodatnio naładowane, jak można by przypuszczać.

Pierwszy eksperyment jakościowy, który pokazał, że naładowane cząstki tworzące prąd elektryczny w metalach dokładnie posiadają masę, został przeprowadzony przez naukowców (wówczas Imperium Rosyjskie) Leonida Isaakovicha Mandelstama i Nikolaja Dmitrievicha Papaleksiego, który miał miejsce w 1913 roku.

Trzy lata później, w 1916 r., Bardziej dokładny eksperyment przeprowadzili amerykańscy fizycy Richard Tolman i Thomas Stewart, którzy w swojej pracy nie tylko wykazali, że elektron ma masę w metalu, ale także dokładnie zmierzyli go metodą pośrednią za pomocą galwanometru.

Aby zrozumieć zasadę tych wczesnych eksperymentów, wyobraź sobie tramwaj, którym pasażerowie jadą do pracy wcześnie rano. Tutaj tramwaj został rozproszony tak, jak powinien, a przed nim wybiegał rozproszony pieszy.

Kierowca tramwaju, chcąc uratować życie biedakowi, gwałtownie naciska na hamulce - pasażerowie w przedziale pasażerskim są natychmiast wywiewani przez cały tłum. I uderza ich siłą bezwładności, ponieważ każdy pasażer ma masę. A ci, którzy byli najbliżej kabiny tramwajowej, boleśnie uderzą w ścianę.

Mandelstam i Papaleksi myśleli w przybliżeniu w ten sam sposób. Wzięli cewkę z drutu, wyposażoną w przesuwne styki, których wnioski wyciągnięto z obudowy, i podłączono głośnik (słuchawki) do przesuwnych styków. Odwijali cewkę w prawo - nagle zatrzymali się - rozległo się dynamiczne kliknięcie.

Skręcony w lewo - gwałtownie zahamowany - kliknij ponownie w dynamikę. Wniosek: w momencie zatrzymania cewki przez przewód przechodzi impuls prądowy, który pojawia się z tego powodu, że elektrony w momencie hamowania cewki są odrzucane do krawędzi drutu, podobnie jak pasażerowie w tramwaju.

A siła bezwładności odgrywa tutaj rolę siły zewnętrznej, która tworzy to, co można zmierzyć jako EMF. Wniosek ten oczywiście nie pozwolił badaczom rozpoznać znaku nośników ładunku i jakoś jednoznacznie je zidentyfikować, jednak eksperyment Mandelstama i Papaleksiego wyraźnie wykazał, że prąd w metalach przepływa przez sieć krystaliczną, co oznacza, że ​​jest związany z wolną przewoźników ładunków.

Tolman i Stuart postanowili pójść nieco dalej. Uzwojeli również cewkę, tylko długość drutu została zmierzona dokładnie równa 500 metrów i zaczęli ją rozwijać. Rozkręcano go do momentu osiągnięcia prędkości liniowej dokładnie 500 m / s, aby poznać stosunek między uzyskanym emf a przyspieszeniem.

Już nie głośnik, ale bardziej pouczające urządzenie, galwanometr, zostało podłączone do przesuwnych zacisków cewki. Pod koniec eksperymentu naukowcy zintegrowali siłę zewnętrzną na całej długości przewodnika cewki i uzyskali wyrażenie dla pola elektromagnetycznego utworzonego przez zewnętrzną siłę bezwładności, gdy prędkość zmienia się na zero.

Całkowity ładunek przebiegający przez przewodnik można obliczyć zgodnie z prawem Ohma, biorąc pod uwagę rezystancję drutu cewki. Znając więc prędkość drutu przed hamowaniem, długość drutu, jego rezystancję, kierunek obrotu, czas hamowania, wielkość i znak emfa, można znaleźć znak i wielkość określonego ładunku, co zrobili Stuart i Tolman.

Dziś już nikomu nie wydaje się dziwne, że stosunek ładunku elektronu do masy mierzony przez Stuarta i Tolmana był zbieżny z tym uzyskanym prawie 20 lat temu, w 1897 roku przez J.J. Thomson, ładunek właściwy cząstek tworzących promienie katodowe. Prawdopodobnie wiemy już, że zarówno promienie katodowe, jak i prąd w metalach powstają z tych samych ujemnie naładowanych cząstek elementarnych - elektronów.