Опыты Иоффе и Милликена
К началу XX в. существование электронов было установлено в целом ряде независимых экспериментов. Но, несмотря на огромный экспериментальный материал, накопленный различными научными школами, электрон оставался, строго говоря, гипотетической частицей. Причина в том, что не было ни одного опыта, в котором участвовали бы одиночные электроны.
Сначала электроны появились как удобная гипотеза для объяснения законов электролиза, затем они были обнаружены в газовом разряде, что подтвердило их существование во всех телах. Однако не было ясно, имеет ли физика дело с одним и тем же электроном, одинаковым для всех веществ и тел или же свойства электрона представляют собой усреднённые характеристики самых разнообразных «электронов-братьев».
 |
Для ответа на этот вопрос в 1910-1911 годах американский учёный Роберт Эндрюс Милликен и советский физик Абрам Фёдорович Иоффе независимо друг от друга проделали точные эксперименты, в которых было возможно вести наблюдние за одиночными электронами.
https://youtu.be/AIDBmfxUWDc
В их опытах в закрытом сосуде 1, воздух из которого откачан насосом до высокого вакуума, находились две горизонтально расположенные металлические пластины 2. Между ними через трубку 3 помещали облако заряженных металлических пылинок или капелек масла. За ними наблюдали в микроскоп 4 со специальной шкалой, позволявший наблюдать за их оседанием (падением) вниз.
Предположим, что пылинки или капельки до помещения между пластинами были заряжены отрицательно. Поэтому их оседание (падение) можно остановить, если нижнюю пластину зарядить отрицательно, а верхнюю – положительно. Так и поступали, добиваясь равновесия пылинки (капельки), за которой наблюдали в микроскоп.
Затем заряд пылинок (капелек) уменьшали, действуя на них ультрафиолетовым или рентгеновским излучением. Пылинки (капельки) начинали падать, так как уменьшалась поддерживающая электрическая сила. Сообщая металлическим пластинам дополнительный заряд и этим усиливая электрическое поле, пылинку снова останавливали. Так поступали несколько раз, каждый раз по специальной формуле вычисляя заряд пылинок.
Опыты Милликена и Иоффе показали, что заряды капель и пылинок всегда изменяются скачкообразно. Минимальная «порция» электрического заряда – элементарный электрический заряд, равный e = 1,6·10-19 Кл. Однако заряд пылинки уходит не сам по себе, а вместе с частицей вещества. Следовательно, в природе существует такая частица вещества, которая имеет самый маленький заряд, далее уже неделимый — заряд электрона. Благодаря экспериментам Иоффе-Милликена существование электрона превратилось из гипотезы в научно подтверждённый факт.
В настоящее время есть сведения о существовании элементарных частиц (кварков) с дробными электрическими зарядами, равными 1/Зе и 2/Зе. Однако электрический заряд любого тела всегда целочисленно кратен элементарному электрическому заряду; других «порций» электрического заряда, способных переходить от одного тела к другому, в природе до сих пор экспериментально обнаружить не удалось.