1 of 43

2 ΑΝΑΚΑΛΥΨΕΙΣ ΣΤΑΘΜΟΙ ΓΙΑ ΤΗ ΣΥΓΧΡΟΝΗ ΦΥΣΙΚΗ

ΦΟΡΤΙΟ ΚΑΙ ΜΑΖΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΟΥ

ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΠΑΠΑΘΑΝΑΣΙΟΥ ΜΑΘΗΤΗΣ Β΄ 5^ο ΛΥΚΕΙΟ ΑΙΓΑΛΕΩ

2 of 43

ΣΩΛΗΝΕΣ CROOKES

Ποιος ήταν William Crookes ;

Ο Sir William Crookes (1832 – 1919) ήταν Βρετανός χημικός και φυσικός , που φοίτησε στο Royal College of Chemistry στο Λονδίνο και εργάστηκε στη φασματοσκοπία. Ήταν πρωτοπόρος των σωλήνων κενού, εφευρίσκοντας τον σωλήνα Crookes , που κατασκευάστηκε το 1875. Αυτή ήταν μια θεμελιώδης ανακάλυψη που άλλαξε τελικά ολόκληρη τη χημεία και τη φυσική .

Όλα ξεκίνησαν όταν ο William Crookes κατασκεύασε σωλήνες , που ήταν η εξέλιξη των σωλήνων Geissler .

3 of 43

Τι είναι οι σωλήνες Crookes ;

Ένας σωλήνας Crookes (επίσης σωλήνας Crookes–Hittorf) είναι ένας πρώιμος πειραματικός σωλήνας ηλεκτρικής εκκένωσης, με μερικό κενό, που εφευρέθηκε από τον Άγγλο φυσικό William Crookes και άλλους γύρω στο 1869-1875, στον οποίο ανακαλύφθηκαν οι καθοδικές ακτίνες .

4 of 43

Αναπτύχθηκε από τον σωλήνα Geissler , που μοιάζει με τις σύγχρονες λάμπες νέον και που εφευρέθηκε από τον Γερμανό φυσικό Geissler . Ο σωλήνας Crookes αποτελείται από μια μερικώς εκκενωμένη γυάλινη λάμπα διαφόρων σχημάτων, με δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια, την κάθοδο και την άνοδο, ένα σε κάθε άκρο. Όταν εφαρμόζεται υψηλή τάση μεταξύ των ηλεκτροδίων, παράγονται καθοδικές ακτίνες , δηλαδή δέσμη ηλεκτρόνιων . Χρησιμοποιήθηκε και από άλλους για να ανακαλύψουν τις ιδιότητες των καθοδικών ακτίνων, με αποκορύφωμα τον J.J. Thomson το 1897 . Οι σωλήνες Crookes χρησιμοποιούνται πλέον μόνο για την επίδειξη καθοδικών ακτίνων.

Σωλήνας Crookes :

Σωλήνες Geissler :

5 of 43

ΚΑΘΟΔΙΚΟΣ ΣΩΛΗΝΑΣ

Τι είναι ο καθοδικός σωλήνας ;

Ο καθοδικός σωλήνας είναι ένας γυάλινος «σωλήνας» το εσωτερικό του οποίου βρίσκεται σε υψηλό κενό . Η λειτουργία του στηρίζεται σε τρεις διαδοχικές διατάξεις :
Το τηλεβόλο ηλεκτρονίων που είναι υπεύθυνο για την παραγωγή , επιτάχυνση και εστίαση μιας δέσμης ηλεκτρονίων .
Ένα συνδυασμό ομογενών ηλεκτρικών πεδίων . Μεταβάλλοντας την ένταση των πεδίων κατευθύνουμε τη δέσμη των ηλεκτρονίων .
Την οθόνη στην οποία παρατηρούμε τη θέση όπου προσπίπτουν τα ηλεκτρόνια . Ο σωλήνας απέναντι από το τηλεβόλο είναι επιστρωμένος με ειδικό υλικό που εχει την ιδιότητα να φθορίζει , δηλαδή να εκπέμπει φως , όταν πάνω του προσπίπτουν σωματίδια με μεγάλη ταχύτητα . Πάνω σ’ αυτό το τμήμα του σωλήνα , που αποτελεί την οθόνη , πέφτουν με μεγάλη ταχύτητα τα ηλεκτρόνια της δέσμης . Στο σημείο στο οποίο πέφτουν τα ηλεκτρόνια η οθόνη φθορίζει έντονα και δημιουργείται μια φωτεινή κηλίδα .

6 of 43

Πώς λειτουργεί ο καθοδικός σωλήνας ;

Παράγονται ηλεκτρόνια με τη θέρμανση ενός μεταλλικού νήματος (κάθοδος) . Θερμαίνοντας ένα μέταλλο δίνουμε σε κάποια από τα ελεύθερα ηλεκτρόνιά του κινητική ενέργεια αρκετή για να το εγκαταλείψουν . Έπειτα , τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται από το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται ανάμεσα στην κάθοδο και σε ένα άλλο ηλεκτρόδιο (άνοδος) . Η δέσμη ηλεκτρονίων διέρχεται ανάμεσα από δύο ζεύγη μεταλλικών πλακιδίων (πλακίδια απόκλισης) , κατακόρυφα και οριζόντια . Μετά την έξοδο από τα πεδία των πλακιδίων απόκλισης και μέχρι την πρόσκρουση στη φθορίζουσα οθόνη τα ηλεκτρόνια κινούνται ευθύγραμμα ομαλά.

7 of 43

Οι καθοδικοί σωλήνες χρησιμοποιούνται σε πολλές ηλεκτρικές συσκευές όπως :

στις οθόνες υπολογιστών
στις τηλεοράσεις
στις οθόνες ραντάρ
στους παλμογράφους για επιστημονικούς και ιατρικούς σκοπούς
Και στον φασματογράφο μάζας

Το κύριο στοιχείο ενός παλμογράφου είναι ένας καθοδικός σωλήνας του οποίου η οθόνη είναι βαθμολογημένη ώστε να μας επιτρέπει να κάνουμε μετρήσεις .

8 of 43

TO ΠΕΙΡΑΜΑ ΤΟΥ THOMSON

Ποιος ήταν ο Thomson ;

Ο J.J. Thomson , δηλαδή Sir Joseph John Thomson, (1856 - 1940), ήταν Άγγλος φυσικός που άλλαξε την εικόνα που είχαν για τη δομή του ατόμου , με την ανακάλυψη του ηλεκτρόνιου (1897). Έλαβε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1906 .

9 of 43

Τι είναι το πείραμα του Thomson ;

Με αυτό ο J. J. Thomson απόδειξε πειραματικά την ύπαρξη του ηλεκτρονίου . Το πείραμα του Thomson έγινε στο εργαστήριο του Cavendish του πανεπιστημίου του Cambridge .

10 of 43

Μέσα σε έναν καθοδικό σωλήνα , ηλεκτρόνια επιταχύνονται από διαφορά δυναμικού V ανάμεσα στην κάθοδο και τις ανόδους και σχηματίζουν δέσμη . Υπάρχουν δύο άνοδοι , έτσι ώστε να μπορεί να σχηματιστεί δέσμη . Σύμφωνα με το θεώρημα έργου-ενέργειας η κινητική ενέργεια που θα αποκτήσουν τα ηλεκτρόνια είναι ίση με το έργο της δύναμης του ηλεκτρικού πεδίου .

Όπου e το φορτίο του ηλεκτρονίου κατ’ απόλυτη τιμή .

11 of 43

Η δέσμη των ηλεκτρονίων εισέρχεται σε ένα φίλτρο ταχυτήτων .

Τι είναι το φίλτρο ταχυτήτων ;

Για να το απαντήσουμε θα πρέπει να καταλάβουμε αρχικά τη δύναμη Lorentz .

Μαγνητικό πεδίο ασκεί στα κινούμενα ηλεκτρικά φορτία δύναμη (ονομάζεται δύναμη Lorentz) μέτρου :

Όπου θ η γωνία που σχηματίζει η ταχύτητα του σωματιδίου με την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου .

12 of 43

Ποια είναι η κατεύθυνση της δύναμης Lorentz ;

Η δύναμη αυτή είναι κάθετη στο επίπεδο που ορίζεται από την ταχύτητα και τη διεύθυνση του μαγνητικού πεδίου και η φορά της δίνεται από τον κανόνα των τριών δακτύλων του δεξιού χεριού .

Ο τύπος της δύναμης Laplace αποδεικνύεται γνωρίζοντας τη δύναμη Lorentz .

14 of 43

Δηλαδή :

15 of 43

Οι ποσότητες E,V και B μπορούν να μετρηθούν και έτσι να προσδιοριστεί το e/m .

16 of 43

Παρ’ ολ’ αυτά , το συμπέρασμα στο οποίο κατέληξε για τη δομή του ατόμου με το πρότυπο που πρότεινε είναι λάθος.

20 of 43

Υπάρχει κάποιο ακόμα στοιχείο που να επιβεβαιώνει ότι η δέσμη στο πείραμα του Thomson αποτελείται από σωματίδια ;

Όταν μεταβάλλουμε τα πεδία στο φίλτρο ταχυτήτων η δέσμη καμπυλώνεται . Αν δεν αποτελούνταν από σωματίδια η δέσμη , τότε θα βλέπαμε το φορτίο να διαχωρίζεται από αυτήν και θα μεταβαλλόταν η τροχιά του φορτίου μόνο . Άρα , αποτελείται από σωματίδια .

Η διαφορά δυναμικού μεταξύ της ανόδου και της καθόδου είναι μερικά kV .

21 of 43

ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ ΤΟΥ MILLIKAN

Ποιος ήταν ο Millikan ;

Ο Robert Andrews Millikan (1868 – 1953) ήταν Αμερικανός πειραματικός φυσικός που τιμήθηκε με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1923 για τη μέτρηση του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου και για το έργο του στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

22 of 43

Τι είναι το πείραμα του Millikan ;

Δεκαπέντε χρόνια μετά το πείραμα του Thomson (1909 – 1913) ο Robert Millikan και ο Harvey Fletcher με ένα εμπνευσμένα απλό πείραμα που πραγματοποίησαν στο πανεπιστήμιο του Σικάγου μέτρησαν για πρώτη φορά το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο e και απέδειξαν ότι το ηλεκτρικό φορτίο είναι κβαντισμένο . Ο Millikan εστίασε το πειραματικό του ενδιαφέρον στη βελτίωση των παραγόντων που επηρέαζαν την ακρίβεια των μετρήσεων .

23 of 43

Η έρευνα της διατριβής του Fletcher αφορούσε μεθόδους προσδιορισμού του φορτίου ενός ηλεκτρονίου. Αυτό περιελάμβανε το πείραμα της πτώσης λαδιού που συνήθως αποδίδεται στον σύμβουλο και συνεργάτη του , Millikan. Ο Millikan πήρε την αποκλειστική πίστωση για το πείραμα και ο Fletcher διεκδίκησε την πλήρη συγγραφή ενός σχετικού αποτελέσματος για τη διατριβή του. Οι συνεισφορές του Fletcher ήταν προσανατολισμένες στη λεπτομέρεια, αλλά συνέβαλαν στο επιτυχημένο πείραμα .

24 of 43

Πώς είναι η πειραματική συσκευή του Millikan ;

Αποτελείται από δύο παράλληλες μεταλλικές πλάκες . Η πάνω πλάκα έχει μια μικρή τρύπα από την οποία διέρχονται μικρά σταγονίδια λαδιού . Τα σταγονίδια αυτά είναι φορτισμένα λόγω της τριβής τους με το ακροφύσιο του ψεκαστήρα με το οποίο ψεκάζεται το λάδι και ιονισμένα εξαιτίας ακτίνων Χ . Μια οριζόντια δέσμη φωτός φωτίζει τα σταγονίδια λαδιού , τα οποία μπορούν να παρατηρηθούν με ένα μικροσκόπιο . Καθώς το φως πέφτει πάνω στα σταγονίδια αυτά φαίνονται σαν λαμπερά σημεία μέσα στο σκοτάδι . Ολόκληρη η συσκευή βυθίστηκε σε λουτρό θερμότητας σταθερής θερμοκρασίας .

25 of 43

Γιατί χρησιμοποίησε σταγόνες λαδιού ;

Χρησιμοποίησε σταγόνες από λάδι επειδή οι σταγόνες νερού είχαν την τάση να εξατμίζονται εύκολα .

Γιατί επέλεξε την χρήση σταγόνων ;

Από το να χρησιμοποιήσει ολόκληρα σύννεφα συνέλαβε την απλή ιδέα της διαδοχής σταγόνων για να αποφύγει κάποιες ασάφειες που δημιουργούνται .

29 of 43

Τώρα συνδέουμε τις πλάκες με τους πόλους μιας πηγής , έτσι ώστε η επάνω πλάκα να έχει το υψηλό δυναμικό . Στο σταγονίδιο ασκείται επίσης δύναμη από το ηλεκτροστατικό πεδίο Eq. Η ηλεκτρική δύναμη κατευθύνεται προς τα πάνω . Από το μέτρο της δύναμης θα εξαρτηθεί αν το σταγονίδιο θα συνεχίσει να κινείται προς τα κάτω, με μικρότερη ταχύτητα , ή θα αντιστρέψει την κίνησή του . Πάντως , η συνισταμένη των τριών δυνάμεων γίνεται μηδέν και η σταγόνα αποκτά νέα οριακή ταχύτητα .

32 of 43

Με μια μεγάλη σειρά μετρήσεων ο Millikan βρήκε ότι το φορτίο κάθε σταγόνας ήταν ακέραιο πολλαπλάσιο μιας στοιχειώδους ποσότητας φορτίου e . Έκανε ακόμα την υπόθεση ότι , το φορτίο αυτό ήταν ίσο , σε απόλυτη τιμή , με το φορτίο ενός ηλεκτρονίου . Η υπόθεση του επιβεβαιώθηκε .

36 of 43

Επιστημονική απάτη ;

Ο Millikan δημοσιεύει μετρήσεις με πολύ μικρό ποσοστό λάθους .
Τα αποτελέσματα του 1913 εκθέτουν 58 μετρημένες σταγόνες.
Όμως τα εργαστηριακά σημειωματάρια αποκαλύπτουν 175 σταγόνες που μετριούνται σε διάστημα 5 μηνών .
Περίπου 75 σταγόνες μετριούνται σε 63 ημέρες .
Ενώ ο ίδιος δηλώνει ότι δεν είναι μια επιλεγμένη ομάδα σταγόνων , αλλά αντιπροσωπεύει όλες τις σταγόνες που πειραματίστηκε σε 60 διαδοχικές ημέρες .

37 of 43

Ο Millikan και ο Ehrenhaft είχαν απολύτως διαφορετικές φιλοσοφίες της πειραματικής μεθόδου . Ο Ehrenhaft κατέγραφε με ακρίβεια και χρησιμοποίησε όλες τις μετρήσεις του . Αν και δεν το είπε δημόσια , ο Millikan έλεγξε τους υπολογισμούς του για το e και απέρριψε στοιχεία που δεν του έκαναν για κάποιους λόγους . Ο Millikan κατέληξε στη κβάντωση του φορτίου , ενώ ο Ehrenhaft στη συνέχεια του φορτίου . Το αποτέλεσμα ήταν μια επιχειρηματολογία που κράτησε 20 χρόνια για το πιο συμπέρασμα ήταν σωστό .

Η διαφορά ήταν ότι ο Millikan χρησιμοποίησε τη διαίσθησή του και παρατήρησε πολύ προσεκτικά τι συνέβαινε . Κατά συνέπεια , ο Millikan ήξερε πότε ένα πείραμα είχε πάει στραβά . Ο Ehrenhaft δέχεται όλα τα πειραματικά δεδομένα , χωρίς αξιολόγηση του πιθανού λάθους .

Ο πραγματικός στόχος στο πείραμα σταγόνων λαδιού ήταν η φυσική των θεμελιωδών σωματιδίων , παρά η φυσική του πειραματικού σχεδιασμού .

38 of 43

Τι άλλο μπορούμε να υπολογίσουμε ξέροντας το e ;

Υπάρχει τύπος που συνδέει τον αριθμό Avogadro με το e . Άρα , μπορούμε να υπολογίσουμε και τον αριθμό Avogadro.

39 of 43

Πώς ξέρουμε όμως ότι το φορτίο στο ηλεκτρόνιο στο πείραμα του Thomson είναι το ίδιο με το e ;

Οι περισσότεροι φυσικοί από τον Thomson και μετά έχουν υποθέσει ότι το φορτίο σε αυτά τα σωματίδια είναι ίσο με το φορτίο που μετριέται στο πείραμα του Millikan . Ποια είναι τα πειραματικά στοιχεία για αυτήν την υπόθεση ; Υπάρχουν ελάχιστα ή κανένα άμεσο στοιχείο . Η υπόθεση του Thomson ξεκίνησε πιθανόν από την εργασία του Lenard και τη μεγάλη διεισδυτική ικανότητα των καθοδικών ακτίνων . Οι ακτίνες θα έπρεπε να αποτελούνται από σωματίδια πολύ μικρότερα από τα άτομα . Με την πάροδο του χρόνου τα στοιχεία συσσωρεύτηκαν από ένα ολόκληρο πλέγμα πειραμάτων και θεωριών , που έχουν νόημα μόνο εάν τα σωματίδια αυτά είναι φορτισμένα με e .

1 of 43

2 of 43

3 of 43

4 of 43

5 of 43

6 of 43

7 of 43

8 of 43

9 of 43

10 of 43

11 of 43

12 of 43

13 of 43

14 of 43

15 of 43

16 of 43

17 of 43

18 of 43

19 of 43

20 of 43

21 of 43

22 of 43

23 of 43

24 of 43

25 of 43

26 of 43

27 of 43

28 of 43

29 of 43

30 of 43

31 of 43

32 of 43

33 of 43

34 of 43

35 of 43

36 of 43

37 of 43

38 of 43

39 of 43

40 of 43

41 of 43

42 of 43

43 of 43