Inerzia di un elettrone: esperimenti di Tolman - Stuart e Mandelstam - Papaleksi

Gli esperimenti per trovare la risposta alla domanda se gli elettroni hanno una massa inerte sono stati condotti dagli scienziati all'inizio del XX secolo. Questi esperimenti hanno aiutato la comunità scientifica di quel tempo ad affermarsi nell'accettare il fatto che la corrente elettrica nei metalli è formata precisamente da particelle caricate negativamente - elettroni e non ioni caricati positivamente, come si potrebbe supporre.

Il primo esperimento qualitativo, che ha dimostrato che le particelle cariche che formano la corrente elettrica nei metalli posseggono esattamente la massa, è stato condotto dagli scienziati (allora impero russo) Leonid Isaakovich Mandelstam e Nikolai Dmitrievich Papaleksi, e questo ebbe luogo nel 1913.

Tre anni dopo, nel 1916, fu condotto un esperimento più accurato dai fisici americani Richard Tolman e Thomas Stewart, che nel loro lavoro non solo dimostrarono che l'elettrone ha una massa in un metallo, ma lo misero anche accuratamente con un metodo indiretto usando un galvanometro.

Per comprendere il principio di questi primi esperimenti, immagina un tram su cui i passeggeri vanno a lavorare la mattina presto. Qui il tram è stato disperso come dovrebbe, e di fronte ad esso un pedone sparso corre lungo la strada.

L'autista del tram, volendo salvare la vita del povero, preme bruscamente sui freni: i passeggeri nell'abitacolo vengono immediatamente spazzati via da tutta la folla. E li soffia con la forza dell'inerzia, perché ogni passeggero ha una massa. E quei passeggeri che erano più vicini alla cabina del tram colpiranno dolorosamente il muro.

Mandelstam e Papaleksi pensarono più o meno allo stesso modo. Presero una bobina di filo, dotata di contatti scorrevoli le cui conclusioni erano isolate dalla custodia e collegarono un altoparlante (auricolare) ai contatti scorrevoli. Svolgevano la bobina a destra - si fermarono di colpo - un suono emesso in dinamica.

Girato a sinistra - bruscamente frenato - fai di nuovo clic in dinamica. Conclusione: al momento dell'arresto della bobina, un impulso di corrente passa attraverso il suo filo, il che appare dovuto al fatto che gli elettroni al momento della frenata della bobina vengono scartati sul bordo del filo, come i passeggeri di un tram.

E la forza di inerzia qui svolge il ruolo di una forza esterna, che crea ciò che può essere misurato come EMF. Questa conclusione, ovviamente, non ha permesso ai ricercatori di riconoscere il segno dei portatori di carica e di identificarli in modo univoco, tuttavia, l'esperimento di Mandelstam e Papaleksi ha mostrato chiaramente che la corrente nei metalli si fa strada attraverso il reticolo cristallino, il che significa che è collegata al libero portatori di addebiti.

Tolman e Stuart decisero di andare un po 'oltre. Hanno anche avvolto la bobina, solo la lunghezza del filo è stata misurata esattamente uguale a 500 metri e ha iniziato a svolgersi. Fu indistinto fino a quando fu raggiunta una velocità lineare di esattamente 500 m / s per conoscere il rapporto tra l'emf ottenuto e l'accelerazione.

Già non un altoparlante, ma un dispositivo più informativo, un galvanometro, era collegato ai terminali scorrevoli della bobina. Alla fine dell'esperimento, i ricercatori hanno integrato la forza estranea lungo l'intera lunghezza del conduttore della bobina e hanno ottenuto un'espressione per l'EMF creata dalla forza di inerzia estranea quando la velocità cambia a zero.

La carica totale che attraversava il conduttore poteva essere calcolata secondo la legge di Ohm, tenendo conto della resistenza del filo della bobina. Quindi, conoscendo la velocità del filo prima della frenata, la lunghezza del filo, la sua resistenza, la direzione di rotazione, il tempo di frenata, l'entità e il segno dell'emf, puoi trovare il segno e l'entità della carica specifica, che è stata eseguita da Stuart e Tolman.

Oggi non sembra più strano a nessuno che il rapporto tra carica elettronica e massa misurato da Stuart e Tolman coincidesse con quello ottenuto quasi 20 anni fa, nel 1897 da J.J. Thomson, la carica specifica delle particelle che componevano i raggi catodici. Probabilmente ora sappiamo che sia i raggi catodici che la corrente nei metalli sono formati dalle stesse particelle elementari caricate negativamente - elettroni.