2.2. Вимірювання заряду електрона. Досліди Міллікена

В 1911 році американський фізик Роберт Ендрюс Міллікен спостерігав за маленькими зарядженими масляними краплинами з радіусом в електричному полі плоского конденсатора. Схема досліду наведена на рис.2.5. Масляні краплини утворювались пульверизацією. Частина їх виявлялась електрично зарядженими. Для спостереження за окремою краплинкою використовувалось додаткове освітлення (4) й оптичний мікроскоп (3). Краплинка спостерігалась як яскрава зірочка на темному фоні. У відсутності електричного поля в конденсаторі на краплинку в повітряній атмосфері будуть діяти три сили: 1) –тяжіння , 2) – виштовхувальна Архімеда і 3) – опору тертя навколишнього повітря – сила в’язкості Стокса . У присутності електричного поля в конденсаторі до них додається ще й електростатична сила . Тут і – густини масла і повітря відповідно, - прискорення земного тяжіння, - в’язкість повітря, і – швидкості руху краплинки у відсутності і в присутності електричного поля відповідно, а - електричний заряд краплинки. При малих електричних полях, коли електростатична сила співвимірна з силою в’язкості Стокса, опір тертя настільки значний, що падіння маленької краплинки буде відбуватись із сталою швидкістю, значення якої залежить від напруженості електричного поля: при і при . Стаціонарний рух має місце при виконанні таких умов:

, (2.10)

(2.10*)

Рис.2.5. Схема досліду Міллікена з вимірювання елементарного заряду: 1) – розпорошувач масляних краплин, 2) – масляні краплини у плоскому конденсаторі, 3) – мікроскоп, 4) – джерело світла.

Після підстановки в (2.10) і (2.10*) виразів для діючих сил, із цих двох рівнянь можна знайти заряд краплинки

. (2.11)

Отже, вимірявши експериментально - швидкість падіння краплини при і при , коли величина і напрямок підібраний так, щоб краплинка рухалася рівномірно вгору, можна визначити за формулою (2.11) заряд краплинки .

Іонізуючи повітря між пластинами конденсатора, можна змінити заряд краплинки від до . Залишаючи сталою величиною значення напруженності електричного поля в конденсаторі , для частинки з зарядом отримаємо нове значення швидкості, яке можна виміряти і визначити за допомогою співвідношення (2.11). Знайдемо зміну заряду краплинки

. (2.11*)

З великої кількості дослідів було доведено, що зміна заряду відбувалась не неперервно, а дискретними порціями, причому зміна заряду була кратною одній й тій самій величині, яка дорівнювала деякому мінімальному значенню заряду.

Абсолютна величина мінімального заряду збігалася із зарядом, який визначив Гельмгольц. Більш досконалі вимірювання з урахуванням залежності сили внутрішнього тертя – сили в’язкості Стокса від розміру краплинки дозволили отримати

Таким чином, у цих дослідах вдалося виміряти найменший від’ємний заряд речовини і його приписали зарядові електрона. За ці класичні досліди Мілікен у 1923 році був відзначений Нобелівською премією.

Скориставшись значенням заряду електрона, можна з експериментального значення знайти масу електрона (масу спокою). Вона виявилась такою,що дорівнює

,

(атомна одиниця маси (а.о.м) є 1/12 маси атому вуглецю: ).

В 1964 р. Гелл-Манн і Цвейг висунули гіпотезу про існування елементарних частинок з дробовим зарядом – кварків з зарядами та для пояснення внутрішньої структури важких елементарних частинок (адронів) Експериментально частинки з дробовим зарядом у вільному стані не спостерігаються. Хоча аналіз результатів з розсіяння електронів високих енергій на протонах привів до висновку, що всередині адронів можуть бути частинки з електричними зарядами і , тобто кварки. Вони існують тільки в зв`язаному стані.