Trägheit eines Elektrons: Tolman-Stuart- und Mandelstam-Papaleksi-Experimente

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden von Wissenschaftlern Experimente durchgeführt, um die Antwort auf die Frage zu finden, ob Elektronen eine inerte Masse haben. Diese Experimente halfen der damaligen wissenschaftlichen Gemeinschaft, die Tatsache zu akzeptieren, dass der elektrische Strom in Metallen genau von negativ geladenen Teilchen gebildet wird - Elektronen und nicht positiv geladenen Ionen, wie man annehmen könnte.

Das erste qualitative Experiment, das zeigte, dass die geladenen Teilchen, die den elektrischen Strom in Metallen bilden, genau Masse besitzen, wurde 1913 von Wissenschaftlern (damals das Russische Reich) Leonid Isaakovich Mandelstam und Nikolai Dmitrievich Papaleksi durchgeführt.

Drei Jahre später, 1916, führten die amerikanischen Physiker Richard Tolman und Thomas Stewart ein genaueres Experiment durch, die in ihrer Arbeit nicht nur zeigten, dass das Elektron eine Masse in einem Metall hat, sondern es auch mit einer indirekten Methode unter Verwendung eines Galvanometers genau gemessen haben.

Um das Prinzip dieser frühen Experimente zu verstehen, stellen Sie sich eine Straßenbahn vor, mit der die Passagiere am frühen Morgen zur Arbeit fahren. Hier wurde die Straßenbahn so verteilt, wie sie sollte, und davor läuft ein verstreuter Fußgänger direkt auf dem Weg hinaus.

Der Straßenbahnfahrer, der dem armen Kerl das Leben retten will, tritt scharf auf die Bremse - Passagiere im Fahrgastraum werden sofort von der ganzen Menge umgehauen. Und es bläst sie mit der Trägheitskraft, weil jeder Passagier eine Masse hat. Und die Passagiere, die der Straßenbahnkabine am nächsten waren, werden schmerzhaft gegen die Wand stoßen.

Mandelstam und Papaleksi dachten ungefähr gleich. Sie nahmen eine Drahtspule, die mit Schiebekontakten ausgestattet war und deren Schlussfolgerungen vom Gehäuse isoliert waren, und schlossen einen Lautsprecher (Kopfhörer) an die Schiebekontakte an. Sie wickelten die Spule nach rechts ab - stoppten abrupt - ein Klicken ertönte in Dynamik.

Nach links gedreht - scharf gebremst - in der Dynamik erneut klicken. Schlussfolgerung: Beim Anhalten der Spule fließt ein Stromimpuls durch den Draht, der darauf zurückzuführen ist, dass die Elektronen zum Zeitpunkt des Bremsens der Spule wie Fahrgäste in einer Straßenbahn an den Drahtrand verworfen werden.

Und die Trägheitskraft spielt hier die Rolle einer externen Kraft, die das erzeugt, was als EMF gemessen werden kann. Diese Schlussfolgerung erlaubte es den Forschern natürlich nicht, das Zeichen von Ladungsträgern zu erkennen und sie irgendwie eindeutig zu identifizieren. Das Experiment von Mandelstam und Papaleksi zeigte jedoch deutlich, dass der Strom in Metallen seinen Weg durch das Kristallgitter hält, was bedeutet, dass er mit dem freien verbunden ist Ladungsträger.

Tolman und Stuart beschlossen, etwas weiter zu gehen. Sie wickelten auch die Spule, nur die Länge des Drahtes wurde genau gleich 500 Metern gemessen und begann, ihn abzuwickeln. Es wurde aufgedreht, bis eine lineare Geschwindigkeit von genau 500 m / s erreicht war, um das Verhältnis zwischen der erhaltenen EMK und der Beschleunigung zu kennen.

An die Schiebeanschlüsse der Spule war bereits kein Lautsprecher, sondern ein informativeres Gerät, ein Galvanometer, angeschlossen. Am Ende des Experiments integrierten die Forscher die Fremdkraft über die gesamte Länge des Spulenleiters und erhielten einen Ausdruck für die EMK, die durch die Fremdträgheitskraft erzeugt wird, wenn sich die Geschwindigkeit auf Null ändert.

Die Gesamtladung, die durch den Leiter lief, konnte nach dem Ohmschen Gesetz unter Berücksichtigung des Widerstands des Spulendrahtes berechnet werden. Wenn Sie also die Geschwindigkeit des Drahtes vor dem Bremsen, die Länge des Drahtes, seinen Widerstand, seine Drehrichtung, seine Bremszeit, seine Größe und sein Vorzeichen der EMK kennen, können Sie das Vorzeichen und die Größe der spezifischen Ladung ermitteln, die von Stuart und Tolman durchgeführt wurde.

Heute erscheint es niemandem mehr seltsam, dass das von Stuart und Tolman gemessene Verhältnis der Ladung eines Elektrons zu seiner Masse mit dem vor fast 20 Jahren von J.J. Thomson, die spezifische Ladung der Teilchen, aus denen die Kathodenstrahlen bestehen. Wir wissen jetzt wahrscheinlich, dass sowohl die Kathodenstrahlen als auch der Strom in Metallen aus denselben negativ geladenen Elementarteilchen - Elektronen - gebildet werden.