PRÓBY WYZNACZENIA ELEMENTARNEGO
    W 1897 roku Thomson opublikował wyniki doświadczenia, w którym uzyskał wartość stosunku ładunku elektronu do jego masy - q/m. Stosunek ten wyniósł w przybliżeniu 1*10¹¹ kulombów na kilogram. Wielu naukowców wierzyło, że istnieje jakiś ładunek podstawowy, elementarny, który jest jednocześnie ładunkiem i elektronu. Zakładając to naukowcy starali się podać jego wielkość. W poniższym tekście przedstawiłem próby wyliczenia tego ładunku, jednak wielkości uzyskane przez uczonych nie musiały być właśnie wielkościami ładunku elementarnego - być może ładunki mierzone składały się z jakiś mniejszych cegiełek, które zazwyczaj są ze sobą połączone w takiej samej liczbie, a oddzielnie występują niezwykle rzadko. W tekście, aby nie komplikować, ładunkiem elementarnym nazywam właśnie wielkość mierzoną przez naukowców (jednak trzeba pamiętać, iż uczeni na początku naszego wieku nie mogli na sto procent powiedzieć, że to jest właśnie ładunek elementarny). Dopiero w toku doświadczeń prowadzonych po dzień dzisiejszy okazało się, iż mierzony na początku wieku XX ładunek jest właśnie ładunkiem elementarnym.
    Już w 1897 roku Townsend, jeden ze studentów Thomsona, podjął próbę wyznaczenia ładunku elementarnego. Wykorzystał on zjawisko skraplania się pary przesyconej wilgocią, na jonach znajdujących się w gazie unoszącym się nad elektrolitem. Powstawała swoista naładowana mgła, którą naukowiec zbierał przy pomocy pompy ssącej i wtłaczał do elektrycznie izolowanego pudła. Tutaj mgła była przepuszczana przez stężony kwas siarkowy. Zadaniem kwasu było zatrzymanie kropelek wody. Ładunek wciągany do pudełka był mierzony przez czuły elektrometr. Natomiast całkowitą ilość wody z mgły, naukowiec mierzył porównując wagę kwasu siarkowego przed procesem i po nim. Townsend znając gęstość wody i promień typowej kropli (promień ten naukowiec wyliczył ze wzoru Stokesa) mógł obliczyć jej masę. Znając masę pojedynczej kropli i masę całej wody Townsend mógł wyliczyć ilość wszystkich kropel. Dzieląc całkowity ładunek przez ilość kropel naukowiec otrzymał wartość ładunku elementarnego. Wielkość ta wynosiła w przybliżeniu 1*10^-19 kulomba. Wartość tą otrzymał naukowiec przy założeniu, że wszystkie krople przenosiły pojedyncze ładunki jednego znaku i wszystkie krople miały takie same promienie. Jednak mimo takich założeń Townsendowi udało się (jak się później okaże) w miarę dokładnie określić wielkość ładunku elementarnego.
    Również sam Thomson podjął próbę wyznaczenia ładunku elementarnego. W swoim doświadczeniu wykorzystał komorę Wilsona. W komorze tej po usunięciu kurzu znajdowało się powietrze pod znanym ciśnieniem i w znanej temperaturze oraz para wodna o znanym stopniu nasycenia. Gaz w komorze był jonizowany za pomocą promieni X, a tłok połączony z komorą powodował gwałtowny spadek ciśnienia i temperatury. Para stawała się przesycona, a na jonach kondensowały się kropelki wody. Całkowity ładunek zgromadzony w komorze był określany dzięki elektrometrowi. Ilość kropli Thomson obliczał podobnie jak Townsend używając wzoru Stokesa znając całkowitą masę skondensowanej w kroplach pary wodnej (masę tą liczył naukowiec na podstawie zmiany temperatury w procesie rozprężania, znajomości ciśnienia, objętości oraz termodynamicznych własności powietrza i pary wodnej - droga dość okrężna i skomplikowana, nie będę jej tutaj przytaczać). Wartość ładunku elementarnego wyliczona w tym doświadczeniu wynosiła około 2,2*10^-19 kulombów.
    W doświadczeniu z 1901 roku Thomson wykorzystał źródło radowe do jonizacji gazu (natężenie tego źródła było mniej więcej stałe w czasie w przeciwieństwie do źródła promieni X używanego wcześniej). Uzyskał on wówczas wielkość ładunku elementarnego równą 1,1*10^-19 kulombów. Wynik ten, w granicach błędu pomiarowego, nie zależał od rodzaju gazu, który podlegał jonizacji.
    W roku 1903, Charles Wilson zmienił nieco doświadczenie Thomsona. Stwierdził on, że krople o większej masie opadają prędzej niż o mniejszej. Tak więc jeśli chmura kropelek opada w polu grawitacyjnym, to na dole tej chmury znajdują się krople najcięższe, największe, a na górze najmniejsze, mające w przybliżeniu jednakowe promienie. Naukowiec postanowił obserwować tylko górną część tej chmury. Ponadto Wilson zastosował dwie poziome, równoległe płytki, między którymi wytwarzane było pole elektryczne. Znajdujące się między tymi płytkami kropelki obdarzone ładunkiem znajdowały się jednocześni w polu grawitacyjnym i elektrycznym.
    Prędkość mikroskopijnej kropelki w powietrzu (ośrodku dla niej lepkim) jest proporcjonalna do siły na nią działającej. Tak więc w polu grawitacyjnym prędkość kropelki v_g równa jest:

          (1)
gdzie: m - masa kropli, g - natężenie pola grawitacyjnego, k - pewna stała charakterystyczna dla danej kropli. Natomiast w polu grawitacyjnym i elektrycznym prędkość kropli v_e wynosi:

          (2)
gdzie E - natężenie pola elektrycznego, q - ładunek kropli.
Z równania (1) i (2) otrzymamy:

          (3)
Masa kropelki wynosi natomiast:


          (4)
gdzie f - gęstość wody, a - promień kropli. Podstawiając wyrażenie na masę do równania (3) jest:

          (5)
Ze wzoru Stokesa, gdzie prędkość opadania kropli w powietrzu w polu grawitacyjnym jest określona wzorem:

          (6)
gdzie n - lepkość ośrodka (powietrza). Wyliczając ze wzoru (6) promień kropli a i podstawiając go do równania (5) otrzymujemy:

          (7)

    Wilson mierzył wielkości: v_e, v_g (tak naprawdę mierzył prędkość górnej części chmury kropelek) i E. Podstawił je do wzoru (7)- resztę wyrażeń ze wzoru (f, g, n) naukowiec znał - obliczył wielkość q. Wyniosła ona 1,03*10^-19 kulombów. Wilson zauważył również, że niektóre małe kropelki poruszają się z taką prędkością jakby posiadały ładunek dwu lub trzykrotnie większy niż wielkość ładunku elementarnego.
    Kilka lat później, w 1906 roku Millikan powtórzył doświadczenie Wilsona stosując różne pola elektryczne obserwował ruch kropli. Otrzymał wartość ładunku elementarnego równą 1,33*10^-19 kulombów. Jednakże chmura kropelek była trudna do obserwacji i otrzymywało się znaczny błąd pomiarowy. Millikan wpadł na pomysł zastąpienia chmury wodnych kropel, pojedynczą kroplą oleju. Doświadczenie Millikana

BADANIA NAD ELEKTRONEM  |   PRÓBY WYZNACZENIA ŁADUNKU ELEMENTARNEGO  |   ODKRYCIE I BADANIE PROMIENI X  |   ODKRYCIE I BADANIE PROMIENIOTWÓRCZOŚCI  |   MODEL KELVINA-THOMSONA  |   NOWA WIELKA TEORIA - KWANTY  |   MODEL BOHRA BUDOWY ATOMU  |   UDOSKONALONA TEORIA BOHRA  |   ELEKTRON FALĄ  |   AKCELERATORY CZĄSTECZEK  |   CZARNOBYL  |   CZARNOBYL W STRONĘ POLSKI  |   ELEKTROWNIE JĄDROWE I ŚRODOWISKO  |   FALA PRAWDOPODOB. I NIEOZNACZONOŚĆ  |   JĄDRO ATOMOWE  |   JESZCZE O LICZBACH KWANTOWYCH  |   NEUTRINA  |   NEUTRONY  |   POZYTONY  |   REAKCJE JĄDROWE  |   REAKTOR JĄDROWY  |   DALSZE BADANIA PROMIENIOTWÓRCZOŚCI  |   SZCZEGÓLNA TEORIA WZGLĘDNOŚCI  |   TOKAMAK  |   ROZSZCZEPIENIE I SYNTEZA JĄDROWA  |   BOMBA ATOMOWA