До сих пір ми виходили з того, що мінімальний існуючий в природі електричний заряд - заряд електрона (або, що те ж саме, протона), відомий, і що його зуміли якось обчислити. Зараз можна повернутися до цього питання, так як експеримент, поставлений американцем Міллікеном, насправді дуже оригінальний і напрочуд простий. Дивно в ньому те, що за допомогою придуманого ним досвіду не тільки вдалося довести існування мінімального електричного заряду, але і точно обчислити його! І це в 1909 році - на самому початку століття, коли рівень технологій сама розумієш який був ...
Мені цікаво. Міллікен придумав ось що. В якусь камеру він впорскував з самого звичайного пульверизатора найдрібніші частинки масла. Одне натискання на важіль - і в камері сотні дрібних бульбашок. Вони такі дрібні, що падають вниз не поспішаючи, долаючи опір повітря. Спочатку вони розганяються до максимально можливої швидкості, і чим швидше вони падають, тим більше сила тертя об повітря, і через пару секунд вони починають вже падати з постійною швидкістю - так відбувається взагалі з будь-яким тілом, що падає в якоїсь газової або рідкому середовищі. Якщо ти вистрибнеш з літака, то спочатку будеш прискорюватися, а потім в кінці кінців почнеш летіти з постійною швидкістю.
Незабаром крапельки масла досягають дна камери. А в ньому - отвір. Маленьке. У нього потраплять не всі сотні крапельок, а тільки десять. Зате за ними зручно спостерігати в мікроскоп (!), Який вправлений в скляну стінку нижньої камери. А нижня камера до всього іншого влаштована хитро - її стеля та підлога є пластини конденсатора, тобто, простіше кажучи, в цій нижній камері створюється електричне поле, спрямоване вертикально.
Ми вже знаємо, що відбувається, якщо створити тертя між вовняною ганчіркою і скляним стрижнем - з'явиться електричний заряд. Коли відбувається вприскування крапельок, то в цьому процесі теж відбувається тертя масла об стінки капіляра, і деякі мініатюрні крапельки виходять наелектризованими, тобто отримують негативний електричний заряд (ми пам'ятаємо, що можна так підібрати труться одна об одну матеріали, що ми будемо отримувати заряди потрібного знака - плюс або мінус, і нам зараз потрібно, щоб краплі були негативно зарядженими).
Тому, коли ми включаємо електричне поле в нижній камері, ті крапельки, що не наелектризований, спокійно падають на підлогу і йдуть у небуття. Але якщо одна з цих крапельок виявилася наелектризованої, тоді за допомогою регулювання напруженості електричного поля їй можна почати управляти. Якщо електрична сила буде направлена проти сили тяжіння, то крапелька стане падати повільніше або зовсім піде вгору.
У подібній установці за однією крапелькою можна спостерігати хоч по кілька годин - для цього досить вчасно збільшувати або зменшувати поле, як тільки крапля почне наближатися до стелі або підлозі. За допомогою мікроскопа ми легко можемо виміряти діаметр краплі, після чого обчислимо її обсяг. Знаючи щільність масла, ми обчислимо масу краплі, помноживши щільність на обсяг.
Спочатку ми вимкнемо поле. Через пару секунд крапля набере максимальну швидкість і почне з цієї постійною швидкістю падати вниз. Сталість швидкості і означає, що сила тяжіння врівноважити силою тертя об повітря, і сумарна діюча сила дорівнює нулю.
Як ми знаємо, якщо на тіло не діє ніяка сила (або - що те ж саме, якщо всі діючі на тіло сили врівноважуються і погашають один одного), то тіло рухається рівномірно і прямолінійно. Якщо дивитися на таке тіло з спостережного пункту (або, кажучи мовою фізики, з системи відліку), який рухається з тією ж постійною швидкістю в тому ж напрямку, то крапля буде здаватися нерухомою. Спокій і рівномірний прямолінійний рух абсолютно тотожні, тому що залежать від того - з якої точки відліку ми спостерігаємо рухається (покоїться) тіло. Якщо ти стоїш на підлозі, то сила тяжіння Землі врівноважується силою пружності статі. При цьому ти вважаєш, що стоїш на місці. Але з точки зору проїжджає повз машину, ти рухаєшся. Вірні обидві точки зору. Якщо діючі на тіло сили не врівноважені, то це тіло буде рухатися під дією підсумовує сили (не дорівнює нулю), тобто буде рухатися з прискоренням. Якщо я штовхаю віз, і вона при цьому рухається з постійною швидкістю, значить сила, з якою я її штовхаю, і сила тертя коліс об землю врівноважили один одного - в результаті віз їде з постійною швидкістю. Випадок з краплею ідентичний: сила тяжіння Землі врівноважити силою тертя об повітря, і в результаті крапля стала рухатися з постійною швидкістю. Інший приклад: якщо ти тягнеш за собою санки, і вони легко ковзають по снігу (сила тертя мала), то до тих пір, поки ти прикладаєш силу, санки будуть прискорюватися - проведена тобою робота переходить в кінетичну енергію санок, лише частково витрачаючи на подолання тертя, їх швидкість збільшується, а це і означає, що вони рухаються з прискоренням. Отже: якщо результуюча всіх діючих на тіло сил дорівнює нулю, тіло рухається рівномірно і прямолінійно (або знаходиться в спокої), а якщо результуюча сил не дорівнює нулю, тіло рухається з прискоренням.
Значить, якщо крапля падає рівномірно, тобто з постійною швидкістю, значить сила тяжіння Землі, що обчислюється за формулою F = mg (тут «g» - прискорення вільного падіння Землі, рівне приблизно 9,8) зрівнялася з силою опору повітря, яку можна обчислити за формулою F = av. У цій формулі «v» - це швидкість, з якою рухається частка, а «а» - деякий коефіцієнт, який залежить від в'язкості повітря і розмірів краплі. Чим більше в'язкість повітря, тим сильніше його опір. Те ж саме буде, якщо збільшиться розмір краплі - тертя об повітря збільшиться і сила опору повітря зросте відповідно. Прирівнявши обидві праві частини, отримаємо вираз для «а»: а = mg / v Масу ми вже знаємо, а швидкість легко обчислимо за допомогою того ж мікроскопа і заздалегідь нанесених мікроделеній на бічну стінку нижньої камери. Так ми обчислимо потрібний нам коефіцієнт «а». А потрібен він нам тому, що тепер ми включимо нарешті електричне поле, і зробимо його такої сили щоб крапля стала рівномірно підніматися вгору! І коли рівномірний рух буде досягнуто, то це означає, що настала рівновага вже трьох сил: сили тертя, сили гравітації і сили електричного впливу поля на краплю. Поле тягне краплю вгору, повітря чинить опір, тобто сила опору спрямована вниз, і вниз ж спрямована сила гравітації. Сила, що діє на заряд в електричному полі, обчислюється за формулою: F = qE, де «q» - величина заряду краплі, а «E» - напруженість поля.
Отримуємо: qE = mg + av, і звідси: q = (mg + av) / E
Ми можемо багато разів провести ці виміри з однієї і тієї ж краплею, і в результаті обчислимо з високою точністю початковий заряд краплі. Але після цього ми цю краплю не кидаємо, ми робимо з неї дещо ще - ми опромінюємо повітря в камері за допомогою спеціального жорсткого випромінювання, наприклад рентгенівським випромінюванням (далі ми дізнаємося - що це таке). Під впливом рентгенівського випромінювання повітря в камері починає іонізуватися, тобто з деяких атомів повітря вибиваються електрони, і в повітрі починають носитися позитивні іони. Звичайно, негативно заряджена крапля буде притягувати позитивні іони і ті будуть до неї прилипати. Через деякий час ми повторимо все виміру, і отримаємо нову величину заряду. І так багато разів з однією краплею олії, з іншого, з краплею води, гліцерину, ртуті, кавунового киселю і так далі.
Міллікен постарався і все це зробив. Зізнатися, не знаю, де він взяв кавуновий кисіль, і не переплутав він його випадково з картопляним морсом, але коли Міллікен обчислив різницю між отриманими величинами зарядів, він виявив, посидівши з калькулятором, що всі зміни зарядів завжди виявляються кратними однієї і тієї ж величиною: 1,6 × 10 -19 Кл. (Бути кратним - значить ділитися без залишку. Наприклад величини 3, 6, 9 і 264 кратні трьом).
Висновок очевидний і для Милликена, і для нас, і коли він кинувся до свого мобільного, щоб на радощах зателефонувати професору грецької мови, його збудження можна зрозуміти - він відкрив мінімальну порцію електричного заряду - він відкрив електрон.
Звичайно, калькуляторів і мобільників тоді не було - це жарт, а ось грецький - це не жарт, і про це - Новомосковськ в наступному параграфі.