אינרציה של אלקטרון: ניסויים טולמן - סטיוארט ומנדלשטאם - פפאלקסי

ניסויים למציאת התשובה לשאלה האם לאלקטרונים יש מסה אינרטית, בוצעו על ידי מדענים כבר בראשית המאה העשרים. ניסויים אלה עזרו לקהילה המדעית של אותה תקופה להתבסס בהכרה עם העובדה שהזרם החשמלי במתכות נוצר בדיוק על ידי חלקיקים טעונים באופן שלילי - אלקטרונים, ולא יונים טעונים חיובי, כפי שניתן היה להניח.

הניסוי האיכותי הראשון, שהמחיש כי החלקיקים הטעונים היוצרים את הזרם החשמלי במתכות הם בעלי מסה מדויקת, בוצע על ידי מדענים (אז האימפריה הרוסית) ליאוניד איסאקוביץ 'מנדלשטאם וניקולאי דמיטרייביץ' פפאלקסי, זה התרחש בשנת 1913.

שלוש שנים לאחר מכן, בשנת 1916, נערך ניסוי מדויק יותר על ידי הפיזיקאים האמריקאים ריצ'רד טולמן ותומאס סטיוארט, אשר בעבודתם לא רק הראו כי לאלקטרון יש מסה במתכת, אלא גם מדדו אותה במדויק בשיטה עקיפה באמצעות גלוונומטר.

כדי להבין את עקרון הניסויים המוקדמים הללו, דמיין חשמלית עליה נוסעים נוסעים לעבודה מוקדם בבוקר. כאן התפזרה החשמלית כמו שצריך, ומולה הולך רגל מפוזר ממש בדרך.

נהג החשמלית, המבקש להציל את חייו של הבחור המסכן, לוחץ בחדות על הבלמים - הנוסעים בתא הנוסעים מפוצצים מייד על ידי כל הקהל. וזה מפוצץ אותם בכוח האינרציה, מכיוון שלכל נוסע יש מסה. והנוסעים שהיו הקרובים ביותר לתא החשמלית יפגעו בקיר בכאב.

מנדלשטאם ופפאלקסי חשבו באותו אופן בערך. הם לקחו סליל חוט, מצויד במגעי הזזה שלו, את מסקנותיו מבודדות מהמקרה, וחיברו רמקול (אוזניות) למגעי הזזה. הם נותנים את הסליל ימינה - נעצרו בפתאומיות - קליק נשמע בדינמיקה.

סובב שמאלה - בלם בחדות - לחץ שוב בדינמיקה. מסקנה: ברגע עצירת הסליל, דופק זרם עובר דרך התיל שלו, שמופיע בגלל העובדה שהאלקטרונים בזמן בלימת הסליל מושלכים לקצה החוט, כמו נוסעים בחשמלית.

וכוח האינרציה כאן ממלא את תפקידו של כוח חיצוני, שיוצר את מה שניתן למדוד כ EMF. מסקנה זו, כמובן, לא אפשרה לחוקרים לזהות את הסימן של נושאי מטען ואיכשהו באופן ייחודי, אולם הניסוי של מנדלשטם ופפאלקסי הראה בבירור כי הזרם במתכות ממשיך את דרכו דרך סריג הגביש, מה שאומר שהוא קשור לחופשי נושאי מטען.

טולמן וסטיוארט החליטו להמשיך עוד קצת. הם גם פצעו את הסליל, רק שאורך החוט נמדד שווה בדיוק ל 500 מטר, והחלו להתיר אותו. זה לא התהפך עד שהגיעה למהירות ליניארית של 500 מ '/ ש' בדיוק, כדי לדעת מה היחס בין ה- emf המתקבל לבין התאוצה.

כבר לא רמקול, אלא מכשיר אינפורמטיבי יותר, גלווניומטר, היה מחובר למסופי ההזזה של הסליל. בסוף הניסוי, החוקרים שילבו את הכוח הזרחי לכל אורכו של מוליך הסליל, וקיבלו ביטוי ל- EMF שנוצר על ידי כוח האינרציה החיצוני כאשר המהירות משתנה לאפס.

ניתן לחשב את המטען הכולל שעבר במוליך על פי חוק אוהם, תוך התחשבות בהתנגדות חוט הסליל. לכן, בידיעת מהירות החוט לפני הבלימה, אורך החוט, התנגדותו, כיוון הסיבוב, זמן הבלימה, גודל הסימן של ה- emk, תוכלו למצוא את הסימן ואת גודל המטען הספציפי, שנעשה על ידי סטיוארט וטולמן.

כיום כבר לא נראה למישהו מוזר שהיחס בין מטען האלקטרונים למסה שנמדד על ידי סטיוארט וטולמן התאם לזה שקיבל לפני כמעט 20 שנה, בשנת 1897 על ידי ג'יי ג'יי. תומסון, המטען הספציפי של החלקיקים שהרכיבו את קרני הקתודה. כעת אנו כנראה יודעים כי קרני הקתודה והן הזרם במתכות נוצרים מאותם חלקיקים אלמנטריים טעונים לרעה - אלקטרונים.