Uživatel:Jakuba Škrdla/Úvahy/Atomy kontra elektrony 5: Porovnání verzí
Smazaný obsah Přidaný obsah
m →Poměr: typo |
+ Metoda kolmého magnetického pole + Metoda podélného magnetického pole |
||
Řádek 2:
== Vývoj metodiky měření náboje elektronu ==
Bezprostředně po objevu elektronu (J. J. Thomsonem 1897) se badatelé pokoušeli určit jeho náboj. Dobrým vodítkem k hledání řešení se stal jev pozorovaný Helmoltzem ještě před objevem elektronu v roce 1887. Helmoltzemův jev spočívá v kondenzaci přesycené vodní páry na nabytých částicích. J. S. E. Townsend využil znalosti o tomto jevu a elektrometrem změřil celkový náboj mlžného obláčku s přesně stanoveným počtem kapek. Za předpokladu, že každá kapka vznikla na jednom elementárním náboji, odhadl jeho řádovou velikost na 10<sup>-19</sup>. Přitom C. C. J. Thomson a H. A. Wilson tuto metodu dále zdokonalovali. Především však stanovili postup, jak z rychlosti '''''v<sub>0</sub>''''' (rychlost padání kapky ve vzduchu) a určit jejich poloměr a tedy i hmotnost.
Měrný náboj elektronu je jednou ze základních fyzikálních konstant. Přitom rozumíme poměr mezi jeho nábojem a hmotností. Problematika přímého měření náboje elektronu má přitom svou specifickou historii. Metody založené na studiu pohybu volných elektronů v elektrickém a magnetickém poli byly dále zdokonalovány a v prvních desetiletí dvacátého století přinesly značné zpřesnění výsledků. Měrný náboj elektronu je možné určit i ze štěpení spektrálních čar atomových spekter v magnetickém poli. Což představuje tzv. Zeemanův jev.
Bylo přitom zjištěno, že nejvhodnější je volit anodové napětí U<sub>a</sub> do hodnoty 350 V a žhavící proud by ideálně neměl přesahovat hodnotu I<sub>z</sub> = 2,5 A. V těchto případech lze snadno získat charakteristiky I<sub>a</sub> = ƒ(I<sub>m</sub>) i pro větší proudy, než je proud stanovený přímkovou extrapolací, bez nebezpečí projevu oscilací elektronů. Při měření měrného náboje elektronu realizovaným měřícím zařízením je třeba nastavit magnetizační cívky do vodorovné polohy a zapojit žhavení magnetronu. Pak je možno zapojit andový obvod, natavit anodové napětí a zapojit magnetizační proud. Dále je třeba sestrojit pro každé anodové napětí a konstantní hodnotu žhavícího proudu charakteristiku magnetronu I<sub>a</sub> = ƒ(I<sub>m</sub>).
===Millikanův pokus===
Řádek 23 ⟶ 28:
Bylo zjištěno, že tento '''náboj je vždy přesný násobek určitého velmi malého náboje'''. Usoudilo se, že je to náboj elektronu. Náboj elektronu je velmi malý: přibližně '''5,10<sup>-10</sup>''' v jednotkách již dříve používaných. Názorněji to znamená, že proud o intenzitě jednoho ampéru představuje průtok '''6×10<sup>18</sup>''' elektronů za vteřinu.
== Metoda kolmého magnetického pole ==
Hlavní části aparatury je skleněná baňka naplněná velmi zředěnými vzácnými plyny. Uvnitř baňky je umístněná žhavená katoda emitující elektrony. Elektrony jsou kovovým kuželem soustředěny do úzkého svazku a poté urychleny elektrickým polem při průchodu mezi dvěma destičkami (anodami), připojenými na vysoké kladné napětí (stovky voltů).
Baňka je umístněná v magnetickém poli dvou Helmholtzových cívek, kterými prochází stejnosměrný proud v řádů jednotek ampér. Na elektrony pohybující se v magnetickém poli působí Lorentzova síla, která je kolmá na směr jejich pohybu, a tím způsobuje, že se dráha elektronů stáčí do kružnice.
Některé elektrony přitom narážejí do atomů vzácných plynů, čímž jim přidávají část své pohybové energie, kterou atomy vyzařují v podobě viditelného světla. Tímto lze pozorovat dráhu elektronů.
Na zdroji anodového napětí a na zdroji proudu po Helmholtzovy cívky nastavujeme různé hodnoty tak, aby trajektorie svazku elektronů tvořila kružnici. Je proto nutné, aby baňka byla správně natočena, jinak není svazek elektronů kolmý na magnetické pole a elektrony se pohybují ve spirále. Abychom se přitom vyhnuli zkreslení rozměrů stěnami baňky, měříme obraz průměru kružnice v zrcadle za baňkou pomocí pravítka, které je součástí aparatury.
== Metoda podélného magnetického pole ==
Aparaturu tvoří osciloskopická obrazovka vložená do středu cívky napájené stejnosměrným proudem. Z katody vylétává svazek elektronů, který je všemi anodami zformován do kužele a urychlen. A to směrem ke stínítku obrazovky. První anoda je napájena pomocným napětím, druhá urychlovacím.
Pohyb elektronů se skládá ze dvou složek: podélná a příčná, jejíž poloha se uvádí vůči směru ke stěně obrazovky. Magnetické pole působí pouze na příčnou složku pohybu a tím jej soustředí do jednoho bodu. Pro výpočet velikosti měrného náboje elektronu nás zajímá, při jak velkém urychlovacím napětí a proudu tekoucí cívkou dojde k zaostření svazku elektronů na stínítko obrazovky.
Při měření si nastavíme urychlovací napětí v doporučeném rozsahu 800 až 1200 V, pomocné napětí zhruba na desítky voltů. Poté se snažíme nastavováním proudu tekoucí cívkou zaostřit obraz na stínítku do co nejmenšího ostrého bodu.
| |||