Опыты Иоффе и Милликена. Электрон

Существование частиц, имеющих наименьший электрический заряд, доказано многими опытами. Рассмотрим опыты, проведенные советским ученым А. Ф. Иоффе и, независимо от него, американским ученым Р. Милликеном.

Ознакомимся сначала с физическим явлением, которое использовано в этих опытах. Это явление состоит в том, что под действием света (особенно ультрафиолетового¹) отрицательный: заряд тела уменьшается. Например, цинковая пластинка, заряженная отрицательно, разряжается под действием ультрафиолетового света (рис. 220).

На рисунке 221 изображена установка, использованная в опыте А. Ф. Иоффе. В закрытом сосуде находились две металлические пластины П, расположенные горизонтально. Из камеры A через отверстие 0 в пространство между пластинами попадали мелкие заряженные пылинки цинка. Эти пылинки наблюдали в микроскоп.

1. Ультрафиолетовое излучение — это то самое излучение, которое вызывает загар кожи человека; оно имеется не только в солнечном свете, но и в свете специальных электрических ламп.

Положим, что пылинка k заряжена отрицательно. Под действием силы тяжести F_T она начнет падать вниз. Но ее падение можно задержать, если нижнюю пластину, зарядить отрицательным зарядом, а верхнюю — положительным. В электрическом поле между пластинами на пылинку станет действовать электрическая сила F_эл. Эта сила пропорциональна заряду пылинки: чем больше заряд у пылинки, тем больше будет и сила F_эл; действующая на нее. Можно так зарядить пластины, что эта сила уравновесит силу тяжести: F_эл = F_T. При этих условиях пылинка будет находиться в равновесии сколь угодно долго. Затем отрицательный заряд пылинки уменьшали, действуя на нее ультрафиолетовым светом. Пылинка начинала падать, так как сила F_эл, действовавшая на нее, уменьшалась вследствие уменьшения заряда пылинки. Сообщая пластинам дополнительный заряд, и этим усиливая электрическое поле между пластинами, пылинку снова останавливали. Так поступали несколько раз.

Иоффе Абрам Федорович (1880— 1960) — советский физик, академик. Ему принадлежит ряд открытий в области учения о твердом теле, диэлектриках и полупроводниках. А. Ф, Иоффе является одним из крупных организаторов физических исследований в СССР.

Опыты показали, что при этом все изменения заряда пылинки были в целое число раз (т. е. в 2,3, 4, 5 и т. д.) больше начального заряда пылинки. Следовательно, заряд пылинки изменялся определенными порциями. Из этого опыта А. Ф. Иоффе сделал следующий вывод: «При освещении ультрафиолетовым светом пылинка теряет отрицательный заряд не непрерывно, а отдельными порциями. Заряд пылинки всегда выражается целыми кратными значениями элементарного заряда е₀. Но заряд с пылинки уходит вместе с частицей вещества. Следовательно, в природе существует такая частица вещества, которая имеет самый маленький заряд, далее уже не делимый. Эту частицу назвали электроном».

Значение заряда электрона впервые определил Р. Милликен. В своих опытах он пользовался мелкими капельками масла, наблюдая за их движением в электрическом поле.

Масса электрона оказалась равной 9,1•10^-28 г, она в 3700 раз меньше массы молекулы водорода, наименьшей из всех молекул. Электрический заряд — одно из основных свойств электрона. Нельзя представить, что этот заряд можно «снять» с электрона, он является неотделимым свойством электрона. Электрон — частица с наименьшим отрицательным зарядом.

Упражнение. В описанном опыте нижнюю пластину зарядили отрицательно. Находящаяся ранее в равновесии капля стала двигаться вверх. Как изменился ее заряд? Увеличилось или уменьшилось число электронов на ней?