Опыт Иоффе и Милликена: значение для физики элементарных частиц

Опыты Иоффе и Милликена 1910-1911 годов стали революционными для физики элементарных частиц. Они впервые экспериментально доказали существование дискретного электрического заряда и позволили открыть электрон.

Предпосылки опытов Иоффе и Милликена

К началу XX века в ряде экспериментов было установлено существование частицы, несущей отрицательный электрический заряд. Эту частицу назвали электроном. Однако электрон оставался гипотетической частицей, так как не было проведено ни одного эксперимента с участием отдельного электрона.

Оставались открытыми вопросы о размере элементарного электрического заряда, о его делимости, о связи заряда и электрона как частицы. Необходимо было экспериментально подтвердить или опровергнуть гипотезу о квантовании электрического заряда.

.

Экспериментальные установки Иоффе и Милликена

Абрам Федорович Иоффе сконструировал установку, позволяющую наблюдать за движением отдельных заряженных частиц — пылинок цинка. Она состояла из герметичной камеры с вакуумом, горизонтально расположенных металлических пластин и микроскопа (Рисунок 1).

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки А.Ф. Иоффе.

Американский физик Роберт Милликен также создал экспериментальную установку для исследования электрического заряда. В ней использовались капли масла в электростатическом поле между металлическими пластинами (Рисунок 2).

Рисунок 2. Схема экспериментальной установки Р. Милликена.

Ключевая идея обеих экспериментальных установок заключалась в регистрации дискретных изменений заряда частиц при их движении в электрическом поле.

Результаты опытов Иоффе и Милликена

Опыт Иоффе и Милликена показал, что электрический заряд частиц (пылинок, капель) изменяется скачкообразно, дискретно. При этом минимальный электрический заряд равен $1,6 \cdot 10^{-19}$ Кл и в дальнейшем не делится.

Этот фундаментальный результат Иоффе и Милликена экспериментально подтвердил существование отдельных электронов — частиц с минимальным неделимым электрическим зарядом.

Данные опыты также впервые позволили численно определить величину элементарного электрического заряда (заряда электрона), равную приблизительно $1,6 \cdot 10^{-19}$ Кл.

Таким образом, опыты Иоффе и Милликена не только подтвердили гипотезу о квантовании электрического заряда, но и дали количественную оценку величины минимального неделимого заряда — заряда электрона.

Значение опытов Иоффе и Милликена

Результаты опытов Иоффе и Милликена имели огромное значение для развития физики элементарных частиц и изучения строения атома.

Во-первых, электрон перешел из разряда гипотетических частиц в реально существующие, что позволило использовать его в теоретических моделях строения атома.

Во-вторых, была экспериментально подтверждена квантовая природа электрического заряда с определенной дискретной величиной элементарного заряда.

В-третьих, появилась количественная основа для изучения электрохимических и электромагнитных процессов на уровне атомов и молекул.

цель опытов Иоффе и Милликена

Основной целью опыта иоффе милликена была проверка гипотезы о существовании элементарного электрического заряда и определение его величины. Эта фундаментальная научная проблема оставалась нерешенной на протяжении десятилетий.

Описание опытов Иоффе и Милликена

В описании опыта иоффе милликена приводятся подробные схемы экспериментальных установок обоих ученых, методики проведения измерений и регистрации результатов.

Другие достижения Абрама Федоровича Иоффе

Абрам Федорович внес значительный вклад и в другие области физики. Он является основателем научной школы физики полупроводников и первым предложил использовать полупроводники в радиотехнике.

Нобелевские премии за опыты с электронами

За революционное открытие дискретности электрического заряда Иоффе и Милликен в последующем были удостоены Нобелевской премии.

Дальнейшие исследования элементарных частиц

Опыты Иоффе и Милликена стимулировали дальнейшие исследования в области элементарных частиц. Физики начали целенаправленный поиск новых элементарных частиц и изучение их свойств.

Открытие протона и нейтрона

В экспериментах Э. Резерфорда было показано, что в составе атома, помимо электронов, находится маленькое положительно заряженное ядро. Природа этого заряда оставалась неясной. В 1919 году Резерфорд выдвинул гипотезу о существовании в атомном ядре частицы, которую он назвал протоном. В 1932 году был открыт нейтрон - нейтральная частица в ядре атома.

Создание ускорителей элементарных частиц

Для изучения свойств элементарных частиц и их взаимодействий физики начали создавать мощные ускорители заряженных частиц - циклотроны, синхрофазотроны, линейные ускорители и коллайдеры. Это позволило открыть множество новых нестабильных частиц при энергиях соударений порядка 100 МэВ - 10 ТэВ.

Построение теорий элементарных частиц

На основе накопленных экспериментальных данных разрабатывались различные теоретические модели элементарных частиц и их взаимодействий: квантовая электродинамика, теория слабых и сильных взаимодействий, электрослабая теория, квантовая хромодинамика и др. Наибольшего успеха достигла Стандартная модель.

Поиск единой теории поля

В настоящее время остается открытым вопрос о создании единой теории элементарных частиц, описывающей их происхождение и все без исключения взаимодействия. Разрабатываются гипотезы о Великом объединении фундаментальных взаимодействий, теории суперсимметрии, струнные теории и другие подходы.