3.1: Електрика та атом

Last updated
Save as PDF

Page ID: 20496

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Зрозумійте значимість експериментів, проведених Томсоном і Мілліканом.

Алессандро Джузеппе Антоніо Анастасіо Вольта (1745—1827) був італійським фізиком, хіміком та піонером електрики та енергетики; який зараховується як винахідник електричної батареї та першовідкривач метану. Він винайшов вольтову купу в 1799 році; цим винаходом Вольта довів, що електрику можна генерувати хімічним шляхом, і розвінчав поширену теорію про те, що електроенергія виробляється виключно живими істотами. Винахід Вольти викликало велику кількість наукового хвилювання і спонукало інших до проведення подібних експериментів, що в підсумку призвело до розвитку галузі електрохімії.

Електроліз

Сер Хамфрі Деві, 1-й баронет (1778—1829) — корніш хімік і винахідник. Він був піонером у галузі електролізу, який використовує вольтаїчну купу для розщеплення загальних сполук і, таким чином, підготовки багатьох нових елементів. Він продовжив електроліз розплавлених солей і відкрив кілька нових металів, включаючи натрій і калій в 1807 році. У наступному році він відкрив кальцій, стронцій, барій, магній і бор, а також елементарну природу хлору і йоду. Він також вивчав сили, що беруть участь в цих поділах, винайшовши нову область електрохімії.

Лаборант Деві, Майкл Фарадей, продовжував вдосконалювати роботу Деві і став більш відомим і впливовим вченим. Деві, як передбачається, навіть стверджував Фарадея як своє найбільше відкриття. Фарадей (1791—1867) був англійським вченим, який сприяв вивченню електромагнетизму та електрохімії. Його основні відкриття включають принципи, що лежать в основі електромагнітної індукції, діамагнетизму та електролізу.

Будучи хіміком, Фарадей відкрив бензол, досліджував гідрат клатрату хлору, винайшов ранню форму пальника Бунзена і систему окислювальних чисел, а також популяризував таку термінологію, як «анод», «катод», «електрод» і «іон». Фарадей в кінцевому підсумку став першим і головним професором хімії Fullerian в Королівському інституті, на життєвій посаді. Його роботи з електролізу проклали шлях для подальших експериментів, проведених з використанням електронно-променевих трубок.

Електронно-променеві трубки

Телевізор, показаний нижче, стає все важче і важче знайти в ці дні. Основна причина полягає в тому, що вони старіші і засновані на застарілих технологіях. Нові телевізори - це технологія з плоским екраном, яка займає менше місця та забезпечує кращу якість зображення, особливо з появою мовлення високої чіткості. Технологія, яка використовується в старих телевізорах, використовувала електронно-променеві трубки. Промінь електронів був розпорошений на картинну трубку, яка оброблялася, щоб реагувати з електронами для отримання зображення. Подібні ЕПТ (електронно-променева трубка) пристрої використовувалися в комп'ютерних моніторах, тепер також замінені моніторами з плоским екраном.

Зображення монітора електронно-променевої трубки

Перший прототип електронно-променевої трубки був розроблений німецьким склодувом і фізиком Генріхом Гайсслером. Він використовував ртутний насос для створення вакууму в трубці. Гайслер вивчив ряд методик видалення повітря з трубки і запобігання протікання, а також способи отримання хороших з'єднань проводів в трубках. У 1878 році сер Вільям Крукс, британський вчений, вивів перші катодні промені за допомогою модифікації апарату Гейслера. Його основним внеском в будівництво труби була розробка способів евакуації практично всього повітря з труби. Крукс також провів безліч експериментів, використовуючи більш надійне обладнання, щоб підтвердити раніше знахідку про властивості катодних променів. Він виявив дві речі, які підтримували гіпотезу про те, що електронний промінь складається з потоку частинок.

Коли предмет помістили між катодом і протилежним кінцем трубки, він відкидав тінь на скло. Тінь, викликана об'єктом, вказує на те, що частинки блокувалися на шляху від катода до анода.

Зображення електронно-променевої трубки

Електронно-променева трубка була побудована з невеликою металевою рейкою між двома електродами. До рейки кріпилося весло колесо, здатне обертатися уздовж рейки. При запуску електронно-променевої трубки колесо оберталося від катода до анода. Зверніть увагу, що катод і анод розташовані так, що промені будуть вдарятися у верхню частину лопаточного колеса. Крукс дійшов висновку, що електронний промінь був зроблений з частинок, які повинні мати масу.

Креслення електронно-променевої трубки

Електронно-променеву трубку вперше винайшов сер Вільям Крукс.

Подальші дослідження за допомогою трубки Крукса

Робота шахраїв відкрила двері до ряду важливих відкриттів. Інші вчені змогли продемонструвати, що «електронний промінь» насправді був потоком електронів. У 1897 році Карл Фердинанд Браун розробив перший осцилограф, використовуючи електронно-променеву трубку, щоб побачити електричний імпульс, коли він проходив через прилад. Винахід телебачення було б неможливим без електронно-променевої трубки. Робота з модифікованою системою привела до відкриття рентгенівських променів в 1895 році німецьким фізиком Вільгельмом Рентгеном. Цей простий пристрій призвело до великих досягнень в галузі науки і техніки.

Експеримент Томсона: співвідношення маси до заряду

У 1897 році британський фізик Джей Джей Томсон (1856—1940) довів, що атоми не є найосновнішою формою речовини. Він продемонстрував, що катодні промені можуть відхилятися або згинатися магнітними або електричними полями, що вказувало на те, що катодні промені складаються з заряджених частинок (рис. 1.17c). Що ще важливіше, вимірюючи ступінь відхилення катодних променів в магнітних або електричних полах різної сили, Томсон зміг обчислити відношення маси до заряду частинок. Ці частинки випромінювалися негативно зарядженим катодом і відштовхувалися негативним висновком електричного поля. Оскільки, як заряди відштовхують один одного, а протилежні заряди притягуються, Томсон зробив висновок, що частинки мають чистий негативний заряд; ці частинки тепер називаються електронами. Найбільш актуальним для галузі хімії Томсон виявив, що відношення маси до заряду катодних променів не залежить від природи металевих електродів або газу, що припускає, що електрони є основними компонентами всіх атомів.

Електронно-променева трубка

Відео\(\PageIndex{1}\) Електронно-променева трубка.

Експеримент Томсона

\(\PageIndex{2}\)Відео з коледжу Девідсона, що демонструє експеримент Томпсона e/m. Ви також можете використовувати аплет з Google Group Physics Flash для імітації експерименту, і ось ще один аплет, з Центру візуальних досліджень Kings в Альберті (KCVE) з детальним поясненням.

Олійно-краплинний експеримент Міллікана: Електронний заряд

У 1909 році більше інформації про електрон було розкрито американським фізиком Робертом Мілліканом через його експерименти «краплі нафти». Міллікан створив мікроскопічні краплі олії, які могли бути електрично заряджені тертям у міру їх утворення або за допомогою рентгенівських променів. Ці краплі спочатку падали через гравітацію, але їх низхідний прогрес міг бути сповільнений або навіть скасований електричним полем нижче в апараті. Регулюючи напруженість електричного поля і роблячи ретельні вимірювання і відповідні розрахунки, Міллікан зміг визначити заряд по окремих краплях (рис.\(\PageIndex{2}\)).

На малюнку\(\PageIndex{2}\) експеримент Міллікана вимірював заряд окремих крапель олії. Табличні дані є прикладами декількох можливих значень. (Експериментальний апарат складається з масляного пульверизатора, який розпилює дрібні краплі олії у велику герметичну ємність. Розпилена олія приземляється на позитивно заряджену латунну пластину з точковим отвором в центрі. Коли краплі потрапляють через отвір, вони подорожують через рентгенівські промені, які випромінюються всередині контейнера. Це дає крапелькам масла електричний заряд. Краплі олії потрапляють на латунну пластину, яка негативно заряджена. Телескопічний окуляр проникає всередину контейнера, щоб користувач міг спостерігати, як заряджені краплі масла реагують на негативно заряджену латунну пластину. Таблиця, яка супроводжує цю цифру, дає заряд, в кулоні або С, на 5 крапель масла. Крапля масла А має заряд 4,8 рази 10 до негативної 19 потужності. Масляна крапля В має заряд в 3,2 рази 10 до негативної 19 потужності. Масляна крапля С має заряд 6,4 рази 10 до негативної 19 потужності. Масляна крапля D має заряд в 1,6 рази 10 до негативної 19 потужності. Крапля масла Е має заряд 4,8 рази 10 до негативної 19 потужності.)

Потім він зробив висновок, що заряд одного електрона становить 1,6\(\times\) 10 ⁻¹⁹ С. За допомогою цієї інформації та відношення маси до заряду Томсона (1,759\(\times\) 10 ¹¹ С/кг). Міллікан визначив масу електрона:

\[Mass\: of\: electron = {charge}\times \dfrac {mass}{charge} \nonumber \]

\[\mathrm{=1.602\times 10^{-19}\:\cancel{C}\times \dfrac{1\: kg}{1.759\times 10^{11}\:\cancel{C}}=9.107\times 10^{-31}\:kg} \tag{3.1.2} \]

Зараз вчені встановили, що атом не є неподільним, як вважав Далтон, і завдяки роботі Томсона, Міллікана та інших, були відомі заряд і маса негативних, субатомних частинок - електронів. Однак позитивно заряджена частина атома ще не була добре зрозуміла.

Резюме

Електронно-променеву трубку вперше винайшов сер Вільям Крукс.
Експерименти показали, що промені мали масу.
Електронно-променева трубка Томсона показала, що атоми містять невеликі, негативно заряджені частинки, звані електронами.
Міллікан виявив, що існує фундаментальний електричний заряд - заряд електрона.