Inércia de um elétron: experimentos de Tolman - Stuart e Mandelstam - Papaleksi

Experiências para encontrar a resposta para a questão de saber se os elétrons têm uma massa inerte foram realizadas por cientistas no início do século XX. Esses experimentos ajudaram a comunidade científica da época a se estabelecer ao aceitar o fato de que a corrente elétrica nos metais é formada precisamente por partículas com carga negativa - elétrons, em vez de íons com carga positiva, como se poderia supor.

O primeiro experimento qualitativo, que ilustrou que as partículas carregadas que formam a corrente elétrica nos metais possuem precisamente massa, foi realizado pelos cientistas (então Império Russo) Leonid Isaakovich Mandelstam e Nikolai Dmitrievich Papaleksi, ocorridos em 1913.

Três anos depois, em 1916, um experimento mais preciso foi conduzido pelos físicos americanos Richard Tolman e Thomas Stewart, que em seu trabalho não apenas mostraram que o elétron tem uma massa em um metal, mas também o mediram com precisão por um método indireto usando um galvanômetro.

Para entender o princípio dessas primeiras experiências, imagine um bonde no qual os passageiros vão trabalhar de manhã cedo. Ali, o bonde estava disperso como deveria e, diante dele, um pedestre disperso sai correndo pelo caminho.

O motorista do bonde, querendo salvar a vida do pobre coitado, pressiona fortemente os freios - os passageiros no compartimento de passageiros são instantaneamente surpreendidos por toda a multidão. E sopra-os com a força da inércia, porque cada passageiro tem uma massa. E os passageiros que estavam mais próximos da cabine do bonde baterão na parede dolorosamente.

Mandelstam e Papaleksi pensaram aproximadamente da mesma maneira. Eles pegaram uma bobina de arame, equipada com contatos deslizantes, suas conclusões foram isoladas do gabinete, e conectaram um alto-falante (fone de ouvido) aos contatos deslizantes. Eles desenrolaram a bobina para a direita - pararam abruptamente - um clique soou em dinâmica.

Torcido para a esquerda - fortemente travado - clique novamente em dinâmica. Conclusão: no momento da parada da bobina, um pulso de corrente passa pelo seu fio, o que aparece devido ao fato de que os elétrons no momento da frenagem da bobina são descartados na borda do fio, como passageiros em um bonde.

E a força de inércia aqui desempenha o papel de uma força externa, que cria o que pode ser medido como EMF. Essa conclusão, é claro, não permitiu que os pesquisadores reconhecessem o sinal dos portadores de carga e de alguma forma os identificassem de maneira única; no entanto, o experimento de Mandelstam e Papaleksi mostrou claramente que a corrente nos metais segue seu caminho através da rede cristalina, o que significa que ela está conectada com a corrente transportadoras de carga.

Tolman e Stuart decidiram ir um pouco mais longe. Eles também enrolaram a bobina, apenas o comprimento do fio foi medido exatamente igual a 500 metros e começaram a desenrolá-lo. Ele ficou sem torção até que uma velocidade linear de exatamente 500 m / s fosse alcançada, a fim de conhecer a razão entre a fem e a aceleração obtidas.

Já não era um alto-falante, mas um dispositivo mais informativo, um galvanômetro, estava conectado aos terminais deslizantes da bobina. No final do experimento, os pesquisadores integraram a força estranha ao longo de todo o comprimento do condutor da bobina e obtiveram uma expressão para a EMF criada pela força de inércia estranha quando a velocidade muda para zero.

A carga total percorrida pelo condutor pode ser calculada de acordo com a lei de Ohm, levando em consideração a resistência do fio da bobina. Assim, sabendo a velocidade do fio antes da frenagem, o comprimento do fio, sua resistência, direção de rotação, tempo de frenagem, magnitude e sinal da fem, você pode encontrar o sinal e a magnitude da carga específica, realizada por Stuart e Tolman.

Hoje, não parece mais estranho para ninguém que a razão entre a carga de elétrons e a massa medida por Stuart e Tolman coincidisse com a obtida quase 20 anos atrás, em 1897 por J.J. Thomson, a carga específica das partículas que compunham os raios catódicos. Agora sabemos que provavelmente os raios catódicos e a corrente nos metais são formados a partir das mesmas partículas elementares carregadas negativamente - elétrons.