Квантование электрического заряда измерили линейкой

Физики провели эксперимент, который невооруженным глазом позволяет убедиться в дискретности элементарного электрического заряда. Для этого они модифицировали классический опыт Милликена, заставив левитировать каплю силиконового масла в оптической ловушке с очень низкой жесткостью в постоянном электрическом поле. При этом изображение капли на стене, увеличенное линзой, менялось строго дискретными шагами. Исследование опубликовано в Scientific Reports.

Более ста лет назад Роберт Эндрюс Милликен провел свой знаменитый опыт, который позволил весьма достоверно доказать, что электрический заряд всегда кратен некоему малому значению, и даже довольно точно его вычислить. Эксперимент заключался в измерении скоростей пролета заряженных капелек масла между пластинами конденсатора. Скорость при этом оказывается пропорциональна числу электронов, пойманных каплей.

И хотя классический милликеновский опыт наблюдался непосредственно глазом в окуляр, дискретный характер скорости капли и, как следствие, электрического заряда был не очевиден для наблюдателя. Для развития физики этот факт, конечно, не имеет существенного значения, но необходимость пост-обработки результатов снижает демонстрационный потенциал опыта. В наши дни современная версия опыта Милликена проводится путем помещения капель в оптические или электростатические ловушки, однако до недавнего времени ни один из экспериментов не позволял убедиться в дискретности электрического заряда невооруженным глазом.

Исправить этот недостаток смогла группа физиков из Швеции и Мексики под руководством Дага Хансторпа (Dag Hanstorp) из Гётеборгского университета. Они смогли добиться этого, поместив капли силиконового масла в оптическую ловушку малой жесткости, что обеспечило высокую чувствительность пространственного положения капли в зависимости от ее заряда. Чтобы сделать эту зависимость видимой без дополнительных приспособлений со стороны наблюдателя, изображение капли увеличивалось с помощью линзы на экране.

Ученые создавали оптическую ловушку, фокусируя излучение лазера с длиной волны 532 нанометра с помощью длиннофокусной линзы в пространство между пластинами конденсатора. Про каплю, пойманную в такой оптический пинцет, говорят, что она левитирует, потому что сила, возвращающая ее в центр ловушки, уравновешивает все остальные силы, в том числе силу тяжести. Эту силу можно описывать моделью пружины с некоторой жесткостью, причем жесткость тем больше, чем сильнее градиент электромагнитного поля или, если говорить в терминах оптики, чем больше числовая апертура фокусировки. Физики так подобрали параметры системы, чтобы жесткость их ловушки была мала и составила 5,00±0,49 наноньютон на метр.

Схема эксперимента. Капля силиконового масла левитирует между двумя плоскими горизонтальными пластинами. Источник альфа-частиц расположен в близости от капель, чтобы создавать свободные электроны. Некоторые из них поглощаются каплей, что приводит к смещению ее положения. Поскольку свет от лазера рассеивается на капле преимущественно в верху и внизу, на экране после фокусировки линзой появляется пара точек.

Авторы подавали на пластины, расстояние между которыми было равно одному миллиметру, разность потенциалов, равную 666 вольтам. Несмотря на наличие отверстий для лазерного пучка, радиусами в один миллиметр, численные симуляции показали, что в промежутке между пластинами должно создаваться достаточно однородное поле, напряженностью 360±45 киловольт на метр. В купе с малой жесткостью оптической ловушки этой напряженности оказалось достаточно, чтобы положение капли смещалось на десять микрон при добавлении в нее единичного электрона. Чтобы сделать видимым такое смещение, физики установили рядом с пластинами собирающую асферическую линзу, которая фокусировала свет лазера, рассеянный верхней и нижней частью капли, на стену лаборатории с увеличением в 73 раза.

Чтобы индуцировать в камере свободные электроны, авторы, как и в классическом опыте, использовали ионизирующее излучение. В частности, физики использовали изотоп 241Am в качестве источника альфа-частиц, которые выбивали электроны из капель, электродов и воздуха. Некоторые из выбитых электронов садились на капли, что и фиксировалось в эксперименте.

Количество захваченных электронов варьировалось случайным образом от одного до нескольких штук. Это выражалось в скачках положения изображения капли на экране, пропорциональных приобретенному заряду. Откалибровав нужным образом экран с помощью горизонтальных меток, физики могли невооруженным глазом увидеть число захваченных электронов. Многоступенчатый процесс поглощения заряда был снят ими на видео.

(a) Серия снимков экрана, сделанных в промежутке между четырьмя последовательными скачками заряда. На шаге a был захвачен один электрон, b – один, c – четыре, d – шесть. На последнем изображении видна обычная миллиметровая линейка. (b) Истинное смещение капли в зависимости от времени.

Измеренная зависимость положения капли от времени имела ступенчатый характер, где каждый шаг был равен либо кратен некоторому минимальному значению. Физики аппроксимировали эту зависимость с помощью ровных ступенчатых функций и исследовали разность двух графиков. Гистограмма разности демонстрировала нормальное распределение в окрестности нуля с полушириной, не превышающей половину деления.

С помощью несложных вычислений физики также оценили величину элементарного заряда, которая в их опыте оказалась равной 1,44±0,25×10−19 кулон, что с учетом ошибки согласуется с известным на сегодня значением, равным 1,602×10−19 кулон. Такая большая ошибка по мнению авторов исходит из неопределенностей электрического поля и жесткости ловушки.

Конечно, проведенный эксперимент несет скорее демонстрационную ценность, нежели ценность измерительную, в силу его малой точности. Для сверхточного измерения электрических зарядов физики используют другие экспериментальные техники. Мы уже писали ранее, как физики ограничили максимальный заряд нейтрона очень малым значением.

Марат Хамадеев

Источник: nplus1.ru

0 0 голоса
Рейтинг статьи

Опубликовано: 27.05.2021 в 22:46

Автор:

Категории: Наука и технологии

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии