§ 196. Элементарный электрический заряд

Законы электролиза, открытые Фарадеем, свидетельствуют в пользу существования мельчайших, неделимых количеств электричества. При электролизе один моль любого  - валентного элемента переносит заряд  кулонов ( — постоянная Фарадея). На один атом (точнее, ион) приходится, таким образом, заряд

На одновалентный ион  приходится заряд , на двухвалентный  — заряд , на трехвалентный  — заряд  и т. д.

Эту закономерность легко понять, если принять, что заряд  является мельчайшей порцией заряда, элементарным зарядом.

Но законы электролиза можно понимать и в том смысле, что  является средней порцией заряда, переносимой одновалентным ионом; свойство  - валентного иона переносить в  раз больший заряд должно было бы объясняться тогда не атомарной структурой электричества, а только свойствами иона. Поэтому для выяснения вопроса о существовании элементарного заряда необходимы прямые опыты по измерению мельчайших количеств электричества. Такие опыты были выполнены американским физиком Робертом Милликеном (1868—1953) в 1909 г.

Установка Милликена изображена схематически на рис. 348. Основной ее частью является плоский конденсатор 2,3, на пластины которого с помощью переключателя 4 можно подавать разность потенциалов того или иного знака.

Рис. 348. Схема опыта по измерению элементарного электрического заряда. Рентгеновская трубка 7 служит для изменения заряда капель; ее излучение создает в объеме между пластинами 2 и 3 ионы, которые, прилипая к капле, изменяют ее заряд

В сосуд 1 с помощью пульверизатора вбрызгиваются мельчайшие капли масла или другой жидкости. Некоторые из этих капель через отверстие в верхней пластине попадают в пространство между пластинами конденсатора, освещаемое лампой 6. Капли наблюдаются в микроскоп через окошко 5; они выглядят яркими звездочками на темном фоне.

Когда между пластинами конденсатора нет электрического поля, капли падают вниз с постоянной скоростью. При включении поля незаряженные капли продолжают опускаться с неизменной скоростью. Но многие капли при разбрызгивании приобретают заряд (электризация трением). На такие заряженные капли действует, кроме силы тяжести, также сила электрического поля. В зависимости от знака заряда можно выбрать направление поля так, чтобы электрическая сила была направлена навстречу силе тяжести. В таком случае заряженная капелька после включения поля будет падать с меньшей скоростью, чем в отсутствие поля. Можно подобрать значение напряженности поля  так, что электрическая сила превзойдет силу тяжести и капля будет двигаться вверх.

В установке Милликена можно наблюдать за одной и той же каплей в течение нескольких часов; для этого достаточно выключать (или уменьшать) поле, как только капля начнет приближаться к верхней пластине конденсатора, и включать (или увеличивать) его снова, когда она будет опускаться к нижней пластине.

Равномерность движения капли свидетельствует о том, что действующая на нее сила уравновешивается сопротивлением воздуха, которое пропорционально скорости капли. Поэтому для такой капли можно написать равенство

,              (196.1)

где  — сила тяжести, действующая на каплю с массой ,  — скорость капли,  — сила сопротивления воздуха (сила трения),  — коэффициент, зависящий от вязкости воздуха и размеров капли.

Измерив с помощью микроскопа диаметр капли, следовательно, зная ее массу, и определив далее скорость свободного равномерного падения , мы можем найти из (196.1) значение коэффициента , которое для данной капли сохраняется неизменным. Условие равномерного движения для капли с зарядом , поднимающейся со скоростью  в электрическом поле , имеет вид

    (196.2)

Из (196.2) получаем

Таким образом, проделав с одной и той же каплей измерения в отсутствие поля и при его наличии, найдем заряд капли . Мы можем изменить этот заряд. Для этой цели служит рентгеновская трубка 7 (рис, 348), с помощью которой можно ионизовать воздух в конденсаторе. Образовавшиеся ионы будут захватываться капелькой, и заряд ее изменится, сделавшись равным . При этом изменится скорость равномерного движения капли и она станет равной , так что

    (196.3)

Из (196.2) и (196.3) найдем изменение заряда

,

которое также может быть определено, поскольку коэффициент  для капли известен.

Многочисленные измерения этого рода с каплями из различных веществ (вода, масло, глицерин, ртуть), заряженными положительно и отрицательно, обнаружили, что как заряд , так и все наблюдаемые изменения зарядов  всегда оказываются кратными одному и тому же минимальному заряду

Этот минимальный заряд равен, как мы видим, элементарному заряду, проявляющемуся в процессе электролиза. Важно отметить, что начальный заряд капли есть «электричество трения», изменения же этого заряда происходили за счет захвата каплей ионов газа, образованных рентгеновскими лучами. Таким образом, заряд, образующийся при трении, заряды ионов газа и ионов электролита слагаются из одинаковых элементарных зарядов. Данные других опытов позволяют обобщить этот вывод: все встречающиеся в природе положительные и отрицательные заряды состоят из целого числа элементарных зарядов .

В частности, заряд электрона равен по абсолютному значению одному элементарному заряду.