Элементарный электрический заряд, опыты Милликена и природа многократно заряженных ионов (стр. 4 )

Ионы, образованные после воздействия Х-лучей, пробираясь на электроды через слой масла и пленки, заряжают поверхность и объем диэлектрика. Напряженность поля будет медленнее восстанавливаться в местах масляного покрытия и диэлектрических пленок на пластинах.

2.4.3  Роль Х-лучей в опытах Милликена

После Х-облучения промежутка конденсатора и наложения электрического поля большинство заряженных капель масла и ионов оседает на пластинах.

Х-лучи, сильный УФ-свет, ионная бомбардировка приводят к образованию полимерных пленок на пластинах конденсатора. 

При Х-облучении промежутка конденсатора происходит разряд. После этого, при наличии диэлектрических и полупроводниковых пленок или включений, наблюдается послеразрядная эмиссия. Так (в вакууме) [25], "после возбуждения разряда в результате эмиссии электронов с катода, под действием УФ-света или бомбардировки ионами, а также осаждения ионов, поверхностные пленки оказываются заряженными, возникают локальные электрические поля большой интенсивности, сохраняющиеся довольно длительное время. Под действием этих полей электрод может эмитировать электроны даже в отсутствии внешнего поля… Ток послеразрядной эмиссии очень мал, за исключением случаев, когда наносятся пленки по специальным технологиям… Существует эмиссия электронов сквозь тонкие пленки диэлектриков (0,01 – 0,1 мкм) с высоким объемным электрическим сопротивлением".

Заряд капель и заряженных пленок электродов влияет на скорость свободного падения капель при выключенном электрическом поле.

Закон Стокса оказался неудовлетворителен для малых капель. То же должно касаться и закона Архимеда.

Посадка иона на каплю во время ее движения непредсказуемо скажется на результирующей скорости, т. к. измеряется только время прохождения каплей известного пути. 

Заканчивая далеко не полный перечень возможных влияний, важно отметить, что их огромное количество обнаруживается и в экспериментах самого Р. Милликена. Так, с 1910 по 1913 гг. Милликен, обосновывая свою позицию в споре с Ф. Эренгафтом по поводу существования субэлектронного заряда, опубликовал статью с новыми точными результатами. В статье сообщалось, что "это не выборочные результа­ты по отдельной группе капель, а результаты по всем каплям за время эксперимента, который продолжался в течение шестидесяти дней". Однако последующее изучение лабораторных журналов Милликена [26, 27] показало, что каждый из первичных результатов был снабжен пометками: "очень низкий, что-то не так" или "прекрасно, опубликовать". В итоге, из 140 полученных результатов были приведены только 58! Это означает, что под влиянием каких-то неучтенных факторов оказалось в 2.4 раза больше забракованных измерений, чем опубликованных. Неотсортированные данные Эренгафта имели гораздо больший разброс, чем выборочные результаты Миллике­на. И хотя в споре с Эренгафтом о субэлектроне Милликен, похоже, оказался прав, вопрос о причинах низкой воспроизводимости его результатов остается открытым. [22], как и Эренгафт, в своих экспериментах на частицах металлов получал дробные электрические заряды.

Многие из перечисленных в предыдущем разделе влияний на опыты Милликена были обнаружены и учтены в экспериментах по поиску субэлектрона [23, 28 – 41]. В каждом из таких экспериментов имеются свои особенности, например, индивидуальные критерии отбора капель или частиц для дальнейших измерений. Важнейшей задачей при поиске дробных электрических зарядов является многократное увеличение числа измерений.

Заключение

3.1  Размышления о природе ээз

Слово "электрон" введено в науку в 1891 году Джонстоном Стонеем в качестве названия для "естественной единицы электричества", т. е. для того количества электричества, которое должно пройти через раствор, чтобы освободить на одном из электродов один атом водорода или какого-нибудь одновалентного вещества. Стоней говорит [4, стр.21]: "необходимо обратить внимание на закон электролиза Фарадея, равносильный утверждению, что на каждую разорванную химическую связь приходится определенное и одинаковое во всех случаях количество электричества, прошедшее через раствор. Приведенная цитата показывает, что слово "электрон" было введено для обозначения элементарного количества электричества, без всякого указания на массу или инерцию, которая может быть с ним связана. Первое содержание понятия "электрон" было изменено".

Из электролиза известно, что превращение 1.0364·10-5 молей одновалентного вещества вызывает подвод 1 Кл электричества к электродам электролизера. Данное число молей получается при любом напряжении, способном обеспечить протекание электролиза, т. к. q = I·t. При меньших скоростях реакций – меньше ток, но больше время для его протекания. При этом 1.0364·10-5 молей вещества соответствует превращению 1.0364·10-5·NAv = 6.2415·1018 частиц. Отсюда и ээз привязали к числу превращаемых в электролизе частиц (см. определение "электрона", данное Стонеем, и тезис "Б" из раздела 2.2), приняли, что 6.2415·1018 частиц – это число электронов тока 1 A за 1 с. Делением 1 Кл электричества на число частиц превращенного в электролизе вещества: 1/6.2415·1018 получается величина ээз, e - = 1.6022·10-19 Кл, а из экспериментального значения e-/m рассчитывается масса электрона me = 9.1094·10-31 кг. Из превращения целого моля вещества, или NAv частиц, получается число Фарадея, F = 1/1.0364·10-5 = 96484.56 Кл/моль, делением которого на NAv опять получается ээз, равный 1.6022·10-19 Кл.

3.1.1  Связь электрической энергии с механической и ээз

Напряжение U и его единица измерения вольт определяются как производные величины из равенства (7).

P·l = U·I·t         (7) 

где P – сила, ньютон; l – путь, метр. Значения энергии, измеренные механически и электрически равны друг другу в том случае, если они одинаково повышают температуру двух тождественных  калориметров. Опыт показывает, что это имеет место тогда, когда в (7) произведения, выраженные слева в единицах "ньютон-метр", а справа в "вольт-ампер-секунда", имеют одинаковые численные значения: 1 ньютон-метр = 1 вольт-ампер-секунда. При этом равенство единиц механической и электрической энергий (7) является не физической необходимостью, а только результатом очень важного международного соглашения: единицу "вольт" установили так, чтобы равенство (7) выполнялось: 1 вольт = 1 ньютон-метр/1 ампер-секунда. То есть 1 вольт – это такая величина, когда при прохождении тока 1 А в электрической цепи выделяется мощность в 1 Вт. Или другими словами: 1 вольт производит работу в один джоуль, перемещая 1 кулон электричества.

Для электронов, ускоренных в электрическом поле, уравнение, связывающее механические и электрические величины, можно записать так:

me·Ve2/2 = U·q  (8)

где: me·Ve2/2 – кинетическая энергия электронов, во внешнем эклектическом поле; U·q – их электрическая энергия.

Для определения ээз e - из (8) требуется знать число частиц n, с массой me.

U·n·e - = n·me·V2/2  (9)

U·n·e - – электрическая энергия n электронов во внешнем электрическом поле; m = n·me – масса n электронов; Ve – скорость электронов в электрическом поле с ускоряющим напряжением U. Сократив в (9) число частиц n, получаем

U·e - = meV2/2  (10)

То есть дискретность электрического заряда в виде числа частиц n можно игнорировать, т. к. и один электрон, и одна порция связанных электронов ("капля"), и множество штучных (несвязанных) электронов дают одно и то же соотношение e-/m. 

Экспериментальное значение e-/m получают из определения скорости электронов [1, 2] (и др. методами). Если дискретность электричества не учитывать, то из уравнений (7, 8), при условии: 1 Дж = 1 В·1 Кл, из e-/m = –1.7588·1011 [42], для электрического заряда 1 Кл, суммарная масса заряженных частиц должна составлять 5.6932·10-12 кг, чтобы обладать энергией в 1 Дж после ускорения напряжением 1 В. При этом скорость частиц, которая даст электрический ток 1 А (за 1 с это 1 Кл), должна быть 593 км/с. Т. е. 1.0364·10-5 молей электронов (исходя из ээз = е-), ускоренных разностью потенциалов в 1 В, дают электрический ток 1 А и за 1 с –энергию 1 Дж, что согласуется с определением (7) единицы напряжения 1 В.

Из уравнения (10) следует, что любые частицы с зарядом e - и любой массой, после прохождения разности потенциалов 1 В получают одну и ту же энергию, но разные скорости. При этом, одинаковые числа частиц, электронов и ионов, с одинаковыми электрическими зарядами на каждой из них, но с разными массами, после ускорения разностью потенциалов в 1 В за 1 с перенесут разные количества электричества и энергии, вследствие приобретения разных скоростей. Например, скорость частиц с массой в 100 раз большей, массы me и тем же ээз e-, будет в 10 раз меньше скорости электрона. Следовательно, для более тяжелых частиц в 10 раз меньшими окажутся и электрический ток, и количество электричества за 1 с, и перенесенная энергия. Для уравнивания токов, количества электричества и энергии потребуется за 1 с в 10 раз больше частиц с массой 100me, чем электронов. Следовательно, условие, заданное в определении единицы напряжения 1 В, выполняется только для частиц с e-/m = –1.7588·1011, и в принятой системе единиц измерения понятие ээз уже жестко привязано к электрону, а точнее к e-/m = –1.7588·1011.

Из (10) следует, что e - – это константа, пропорциональная минимальной кинетической энергии заряженной частицы после прохождения ею разности потенциалов 1 В. Сейчас такой энергией "назначена" величина 1.6022·10-19 Дж (1 эВ).

Игнорируя недостаток данного исследования – его незавершенность: отсутствие подробного анализа методов определения субэлектрона и природы числа "1.0364·10-5" – перейдем к главной части работы.

3.2  Предпосылки появления гипотезы о природе МЗИ

Результаты, полученные предшественниками, влияют на последователей. Милликен опирался на законы электролиза, а искатели дробного электрического заряда опирались уже и на Фарадея, и на Милликена, и на других авторитетных ученых. Однако, как было показано в работе [8] и рассмотрено выше, законы электролиза не являются доказательством дискретности электрических зарядов в атомах и молекулах, а в химии вовсе отсутствуют надежные доказательства существования дискретного электричества и МЗИ.