تحقیق مقاله پرتو های کاتدی

رابرت میلیکان دانشمند امریکایی توانست با طراحی یک ازمایش هوشمندانه مقدار بار الکتریکی الکترون را اندازه گیری نماید ازمایش میلیکان به این شرح است:

در این آزمایش قطرات روغن با استفاده از یک  اتمایزربه ذرات بسیار کوچکی تبدیل شده و پس از عبور از سوراخ  ایجاد شده در صفحه اول توسط اشعه ایکس باردار می گردند، به این ترتیب        ذرات روغن  متصل    الکترون های موجود در مولکول های هوا را جدا  کرده و به  که اشعه ایکس

می نماید،و ذرات روغن باردار می شوند . حال اگریک میدان الکتریکی را طوری برقرار نماییم که قطب مثبت در بالا و قطب منفی در پایین باشد، این میدان  نیرویی در جهت بالا به قطرات ریز روغن وارد خواهد نمود. در یک لحظه چنانچه نیروی وارده ازمیدان الکتریکی برابری نماید، قطره روغن بین دو صفحه بالا و پایین که دو قطب میدان الکتریکی نیز می باشند، معلق خواهد ماند.

چنانچه از چشمی دستگاه به درون آن بنگریم خواهیم دید که تعدادی از ذرات به حالت ساکن بین دوقطب در آمده و بطور معلق قرار می گیرند ولی بعد از گذشت چند لحظه این ذرات به سمت بالا یا پایین کشیده می شوند که نشان دهنده تغییر در بار الکتریکی می باشد.

دقت کنید وقتی که میدان الکتریکی برقرار نباشد ذرات روغن به دلیل وجود هوا با سرعت ثابتی این حالت سرعت ذره برابر است با :  سقوط خواهند نمود، که در

v = mg/6pnr  (۱)

که در این فرمول  منظوراز پی همان عدد پی می باشد، ان  با ویسکوزیته هوا برابر است و ار برابر با قطر دایره می باشد.

چکالی قطره روغن را نیز می توان از فرمول زیر بدست آورد:

d = m/((4/3)*pr3)   (۲)

در این فرمول نمادها مانند فرمول بالا انتخاب شده اند. که از ترکیب دو فرمول ۱ و ۲ می توان  

  بدست اورد. را  r, m

با برقرای جریان الکتریکی داریم:

v2= (qE - mg)/ 6pnr

که  v2 برابر است با سرعت جدید، q برابر است با مقدار بار الکتریکی ذره و E برابر است با اختلاف پتانسیل دو قطب میدان الکتریکی.

با قرار دادن E، m، v2، n و r در فرمول بالا می توان q را بدست آورد. لازم به ذکر است که در هر دو مورد سرعت ذرات با استفاده از مسافت طی شده در واحد زمان قابل اندازه گیری می باشد.

از آنجایی بر روی هر ذره روغن ممکن است تعداد بیشتر از یک الکترون قرار بگیرد بنابراین بایستی بین q های بدست آمده برای ذرات مختلف کوچکترین مقسوم علیه مشترک را بیابیم که این مقدار با بار یک الکترون برابر خواهد بود. با این روش مقدار بار بدست آمده برای الکترون برابر است با:

e = 1.6* 10-19 c

آزمایش دوم: -

لازم بود برای تأیید نتایج آزمایش اول آزمایش جدیدی طراحی گردد که در صورت انطباق نتایج با هم قطعیت آن پذیرفته شود. تامسون آزمایش دوم را به این شرح طراحی و ارائه نمود:

با توجه به اینکه اشعه کاتدی هم در میدان الکتریکی و هم در میدان مغناطیسی منحرف می شود، ابتدا میدان الکتریکی را بر اشعه تأثیر می دهیم، در این حالت اشعه از مسیر خود منحرف می شود. بعد از اندازه گیری داده های مورد نیاز، اشعه را طوری تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار می دهیم که اثر میدان الکتریکی را خنثی نموده و اشعه در این حالت به خط راست سیر نماید، با توجه به اینکه در این حالت نیروهای وارده از سمت میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی  با هم برابرند داریم:  

با توجه به شکل داریم:

Fe = eE = ma

FH = Hev

Fe = FH=> Hev = eE => v = E/H (1)

eE = ma

=> a = eE/ m (2)

x = 1/2 at2 (3)

t = L/v (4)

1 , 4 => t = LH/E (5)

2,3,5 => x = 1/2 (eE/m)*(L2H2/E2) => e/m = 2xE/L2H2

Fe: نیروی وارده از طرف میدان الکتریکی

 FH: نیروی وارده از طرف میدان مغناطیسی

E: شدت میدان الکتریکی

H: شدت میدان مغناطیسی

در این آزمایش به جای کاتد یک صفحه فلزی قرار می دهیم، وقتی که الکترونها به این صفحه برخورد می کنند، انرژی جنبشی آنها به صفحه منتقل شده و دمای صفحه بیشتر می شود. همچنین بار الکتریکی صفحه نیز افزایش می یابد. با اندازه گیری تغییر دما و بار صفحه داریم:

Q = m۱c(t2 -t1)

Q = N * 1/2 mv2     (۱)

q = Ne   (۲)

که در این فرمولها داریم :

Q:  گرمای ایجاد شده بر اثر برخورد الکترونها با صفحه فلزی

N: تعداد الکترون ها             m: جرم هر الکترون      e: بار یک الکترون

m۱: جرم صفحه فلزی          c: ظرفیت گرمایی صفحه فلزی

t2 وt1 : دمای اولیه و ثانویه صفحه فلزی

v: سرعت الکترون              q: بار صفحه

با توجه به اینکه Q و q برای ما معلوم است، از تقسیم فرمول ۲ بر فرمول ۱ داریم:

q/Q = 2/v2(e/m) (۳)

چنانچه بتوانیم مقدار v را اندازه گیری نماییم، می توانیم e/m را برحسب چند فاکتور معلوم بدست آوریم.برای به دست آوردن v از انحراف ذرات باردار در میدان مغناطیسی کمک می گیریم. به این صورت که می دانیم هرگاه در یک میدان مغناطیسی با شدت معلوم H، ذره ای با جرم معلوم m و بار الکتریکی e کمانی از دایره ای به شعاع r را که قابل اندازه گیری است بپیماید سرعت ذره از روش زیر بدست می آید:

v = erH/m

آنگاه با توجه به رابطه فوق و رابطه (۳) آمده داریم:

q/Q = e/m *( 2m2/e2 r2H2) => e/m = 2Q/ r2H2q 

اشعه کاتدی و نظریه اتمی:

بعد ها طی ازمایشاتی که بر روی الکترولیز توسط فراده انجام شد وی دو قانون معروف خود را به شرح زیر در سال 1830 میلادی منتشر نمود:

1- در الکترولیز مقدار عنصرآزاد شده متناسب با مقدار جریان الکتریسته است. به عنوان مثال اگر ۱ فاراد یا ۹۶۵۰۰ کولن الکتریسته را ازمحلول نمک حاوی یون تک ظرفیتی جیوه عبوردهیم، ۱ مول اتم جیوه و اگر از محلول نمک حاوی یون دو ظرفیتی عبور دهیم. 0.5مول اتم جیوه ته نشین می شود. پس بسته هایی از الکتریسته وجود دارد که یک بسته از آن ها به سمت فلز تک ظرفیتی و دو بسته به سمت فلز دو ظرفیتی حرکت می کنند.                                                                     2 هرگاه مقدار یکسان جریان الکتریسیته را ازسه ظرف بگذرانیم که حاوی نمک ها با ظرفیت های متفاوت هستند، یعنی در ظرف اول نمک یک ظرفیتی، در ظرف دوم نمک دو ظرفیتی و در ظرف سوم نمک سه ظرفیتی داشته باشیم. رسوبهای فلز حاصل از عبور جریان الکتریسیته از ظروف متناسب با جرم اتمی فلز تقسیم بر ظرفیت عناصر آن می باشد.

نتیجه: هر اتم مقداری ثابت بار می گیرد. اتم یک ظرفیتی یک بسته،اتم دو ظرفیتی دو بسته و اتم سه ظرفیتی سه بسته بار می تواند حمل نماید. و هرگز جزء کسری از بار الکتریکی مانند ۱.۲۳را به خود نمی گیرند. این بسته برای تمام اتمها یکسان است، یعنی الکتریسته از بسته ها یا ذرات کوچکی تشکیل شده اند. که آنها را الکترون می گوییم.