Одну з елементарних частинок, здатну переносити енергію, називають електроном. Подільність його електричного заряду досягає певної величини, значення якої відповідає носію. Це число, рівне 6,02 ∙ 10-19 Кл, було отримано емпіричним шляхом після численних експериментів вчених. Значення менше невідомо, а всі інші заряди, відкриті під час експериментів, виявилися кратні йому.
Загальні відомості
Дві з половиною тисячі років тому вчений Фалес Мілетський виявив, що якщо бурштин натерти об шовк, він починає притягувати до себе легкі тіла. Наприклад, пушинки, пір’ячко.
З грецької мови «бурштин» «перекладається як “електрон”, тому надалі явище отримало назву електризація. Вчені встановили, що при її появі виникає якась нова властивість на тілах, яка і отримала назву електричний заряд.
З його допомогою фізичні тіла можуть діяти один на одного, при цьому сила цієї взаємодії буде в 1042 разів сильніше тяжіння Землі. Під час дослідів фізики і філософи могли спостерігати, що вплив був двох видів:
- притягувальний;
- відштовхувальний.
Це дозволило припустити, що заряд володіє знаком. Причому тіла з однаковим зарядом відштовхуються, а з різним притягуються. Наприклад, ебонітова паличка (мінус) зі скляною (плюс) будуть прагнути з’єднатися один з одним.
У XIX столітті, коли найбільш інтенсивно вивчалася електрика, єдиної думки про механізм впливу зарядів не існувало. Було 2 теорії: далекодії і близькодії. Перша виявилася помилкова.
Експериментально було підтверджено, що будь-який заряд поширює силу – електричне поле. Її значення хоч і велике, але завжди кінцеве. Основна ж ідея була запропонована Фарадеєм. Згідно з ним, будь-який з зарядів є джерелом матерії. Електрична сила визначається характеристиками поля там, де знаходиться заряд.
Будова твердого тіла була відкрита Резерфордом. Коротко воно полягає в наступному: ключовим елементом тіла є атом. Навколо нього знаходяться заряди. Тяжіння їх до центру відсутнє, оскільки частинки обертаються на орбіталях. Вони можуть бути:
- позитивними;
- негативними;
- нейтральними.
Ці мікрочастинки і є носіями зарядів, тобто сама по собі енергія існувати не може.
Дослід Міллікена і Іоффе
Теоретичні припущення про існування елементарного заряду довго не могли підтвердити експериментально. Цією темою займалися одночасно і незалежно один від одного 2 вчених.
Російський фізик Абрам Федорович Іоффе взяв 2 металеві пластини. У верхній їм було зроблено отвір. Через нього в простір, обмежений металом, фізик запускав порошинки цинку. За допомогою джерел напруги пластини (плоский конденсатор) вони отримували заряд. Верхня містила позитивні носії, а нижня негативні. Іоффе міркував, що в тому випадку, коли порошинка не несе заряд, вона просто падає під дією сили тяжіння, але при цьому її руху перешкоджає сила опору повітря. Якщо ж порошинку зарядити, вона вступить у взаємодію з пластинами.
Фізик почав створювати електричне поле, причому для зарядки пилинок використовував ультрафіолетове випромінювання (УФ). У той час для її генерації застосовували електричну дугу. Виявилося, що під дією УФ з цинку вилітали електрони.
Оскільки вибивався негативний заряд, порошинка ставала позитивною, а швидкість її падіння збільшувалася або зменшувалася. Іоффе зміг спостерігати це явище, змінюючи полярність і певні величини електричного поля.
Вчений, використовуючи мікроскоп, зміг визначити, що заряд змінювався на строго певне значення — абсолютне. При цьому він зміг виявити кратність зміни елементарного заряду, але його величину розрахувати фізику не вдалося. Пов’язано це було з тим, що частинки цинку мали неправильну форму, а значить, силу опору повітря знайти було неможливо.
Головною відмінністю було те, що замість цинку американець використовував найдрібніші краплі олії. Через те, що для круглого тіла, що падає в повітрі, досить просто можна обчислити опір, йому вдалося підрахувати мінімально можливий заряд.
Вимірюючи швидкість краплі і знаючи її діаметр, Міллікен визначив опір повітря, а по густині масла зміг обчислити силу тяжіння. Взявши до уваги характеристики електричного поля, Роберт знайшов величину заряду. Вона виявилася рівною 1,6 * 10-19 Кл. Називатися ця константа стала елементарною.
Подільність заряду
Якщо атом в цілому електрично нейтральний, це означає, що позитивна частка всередині обов’язково буде дорівнює цілому числу елементарних носіїв. Іншими словами, електричний заряд можна ділити на число кратне 1,6 * 10-19 кулон.
Встановлений закон дуже важливий, оскільки з його допомогою стало можливим визначити питоме значення мінімальної частки. Її вивчають при дослідженні руху носіїв в електромагнітному полі. По суті, це поняття пропорційне заряду електрона і обернено пропорційне його масі. Для елементарного електрона питома величина становить: e/m = 1,76 * 1011 Кл/кг.
Це дуже маленьке число, тому в повсякденному житті помітити, що енергія електрики дискретна і змінюється стрибкоподібно, неможливо. Здається, що заряд змінюється плавно, як можна побачити на досліді, який часто показується в 8 класі середньої школи. Для його проведення знадобиться:
- електроскоп;
- скляна паличка;
- провідник.
На рівну поверхню, наприклад, підлогу, потрібно поставити 2 електроскопи і з’єднати їх провідником. Стрілки приладів будуть показувати 0. Це означає, що ніякої зарядженості немає.
Тепер наелектризовану скляну паличку слід просто піднести до одного з приладів. Обидві стрілки відхиляться. Якщо провідник різко забрати, можна побачити, що покажчики практично не змінять положення.
Значить, один електрометр буде заряджений позитивно, а інший – негативно. Це припущення легко підтвердити, якщо знову замкнути прилади. Їх стрілки вкажуть на 0, оскільки знову відбудеться розподіл зарядів.
Цей експеримент можна назвати електризацією через вплив. Повідомлення через провідник, попри плавне відхилення стрілок, відбувається стрибком відповідно до кратності подільності.
Відкриття дискретності вплинуло на створення напівпровідникової теорії. Вчені змогли зрозуміти:
- закономірності p-n переходів;
- визначити рівні бар’єрів;
- вивчити збільшення енергії основного стану системи.
Поняття про електрон-вольт
Нехай є електричне поле, силові лінії якого спрямовані вправо. У нього можна помістити частинку, на яку почне діяти сила. Залежно від знака заряду, лінії дії поля будуть збігатися з нею або мати протилежний напрямок. Коли частка не має зв’язків, тобто вільна, вона почне прискорюватися. Іншими словами, вона отримає кінетичну енергію, яка з часом буде зростати.
Теорема про кінетичну енергію свідчить, що її зміна дорівнює сумарній роботі всіх сил, що діють на тіло:
ΔWk = A
Оскільки діє тільки електрополе, вплив буде електричним. Значить:
ΔWk = (f1 — f2)q
Оскільки в початковий момент частка була нерухома, а енергія дорівнювала 0, значить, зміна яку придбав носій, є прискореною. Її називають прискорює різницею потенціалів і визначають як f1—f2.
Наприклад, якщо q = 1 Кл, кінетична енергія складе 1 джоуль. Нехай заряд буде дорівнювати значенню електрона. Тоді енергія, яку придбає частка, становитиме один електрон-вольт: W = 1 еВ.
Кількісно це значення можна записати так: 1ев = 1,6 * 10-19 Кл * 1 в = 1,6 * 10-19 Дж. Існують і похідні одиниці, якими можна характеризувати заряд:
1 КЕВ = 10³ ев = 1,6 * 10-16 Дж;
1 МеВ = 106ев = 1,6 * 10-13 Дж;
1 Гев = 107ев = 1,6 * 10-10 Дж;
1 Тев = 1012ев = 1,6 * 10-7 Дж.
Припустимо, W = 7 ЄеВ, а швидкість руху частинки буде 1 м/с. Це реальні цифри, якими може володіти елементарна, розігнана в колайдері частка, що має мінімальний заряд. Тоді її масу можна визначити з формули для розрахунку енергії руху:
W = mV²/2
Звідси, виразивши шукане, можна визначити її значення, підставивши відомі дані:
m = 2 * W/V² = 2 * 7 * 1012* 1,6 * 10-19 Дж * с2/1м² = 22,4 * 10-7 кг.
А висновок можна зробити наступний: мікроскопічна частка, що є складовою частиною ядра, може бути розігнана до такої швидкості, коли енергія електрона буде відповідати макроскопічному тілу.
