Inercia de un electrón: Tolman - Stuart y Mandelstam - Experimentos Papaleksi

Los científicos llevaron a cabo experimentos para encontrar la respuesta a la pregunta de si los electrones tienen una masa inerte a principios del siglo XX. Estos experimentos ayudaron a la comunidad científica de la época a establecerse al aceptar el hecho de que la corriente eléctrica en los metales está formada precisamente por partículas cargadas negativamente, electrones, en lugar de iones cargados positivamente, como se podría suponer.

El primer experimento cualitativo, que ilustró que las partículas cargadas que forman la corriente eléctrica en metales poseen precisamente masa, fue realizado por científicos (entonces el Imperio ruso) Leonid Isaakovich Mandelstam y Nikolai Dmitrievich Papaleksi, esto tuvo lugar en 1913.

Tres años más tarde, en 1916, los físicos estadounidenses Richard Tolman y Thomas Stewart realizaron un experimento más preciso, que en su trabajo no solo demostró que el electrón tiene una masa en un metal, sino que también lo midió con precisión mediante un método indirecto utilizando un galvanómetro.

Para comprender el principio de estos primeros experimentos, imagine un tranvía en el que los pasajeros van a trabajar temprano en la mañana. Aquí el tranvía se dispersó como debería, y delante de él un peatón disperso sale corriendo en el camino.

El conductor del tranvía, que quiere salvar la vida del pobre hombre, presiona bruscamente los frenos: los pasajeros en el compartimiento de pasajeros quedan asombrados al instante por toda la multitud. Y los golpea con la fuerza de la inercia, porque cada pasajero tiene una masa. Y aquellos pasajeros que estaban más cerca de la cabina del tranvía golpearán la pared dolorosamente.

Mandelstam y Papaleksi pensaron aproximadamente de la misma manera. Tomaron una bobina de alambre, equipados con contactos deslizantes, sus conclusiones aisladas del estuche, y conectaron un altavoz (auricular) a los contactos deslizantes. Desenrollaron la bobina hacia la derecha, se detuvieron abruptamente, un clic sonó en dinámica.

Girando hacia la izquierda, con frenos bruscos, haga clic nuevamente en dinámica. Conclusión: en el momento de detener la bobina, un pulso de corriente pasa a través de su cable, lo que aparece debido al hecho de que los electrones en el momento del frenado de la bobina se descartan en el borde del cable, como los pasajeros en un tranvía.

Y la fuerza de inercia aquí juega el papel de una fuerza externa, que crea lo que se puede medir como EMF. Esta conclusión, por supuesto, no permitió a los investigadores reconocer el signo de los portadores de carga y de alguna manera identificarlos de manera única, sin embargo, el experimento de Mandelstam y Papaleksi mostró claramente que la corriente en los metales sigue su camino a través de la red cristalina, lo que significa que está conectada con el libre cargar portadores.

Tolman y Stuart decidieron ir un poco más allá. También enrollaron la bobina, solo la longitud del cable se midió exactamente igual a 500 metros y comenzaron a desenrollarla. Se desenroscó hasta que se alcanzó una velocidad lineal de exactamente 500 m / s para conocer la relación entre la fem obtenida y la aceleración.

Ya no era un altavoz, pero un dispositivo más informativo, un galvanómetro, estaba conectado a los terminales deslizantes de la bobina. Al final del experimento, los investigadores integraron la fuerza extraña a lo largo de todo el conductor de la bobina, y obtuvieron una expresión para el EMF creado por la fuerza de inercia extraña cuando la velocidad cambia a cero.

La carga total que atraviesa el conductor se puede calcular de acuerdo con la ley de Ohm, teniendo en cuenta la resistencia del cable de la bobina. Entonces, conociendo la velocidad del cable antes de frenar, la longitud del cable, su resistencia, dirección de rotación, tiempo de frenado, magnitud y signo de la fem, puede encontrar el signo y la magnitud de la carga específica, realizada por Stuart y Tolman.

Hoy ya no parece extraño a nadie que la relación de carga de electrones a masa medida por Stuart y Tolman coincidiera con la obtenida hace casi 20 años, en 1897 por J.J. Thomson, la carga específica de las partículas que formaron los rayos catódicos. Probablemente ahora sepamos que tanto los rayos catódicos como la corriente en los metales se forman a partir de las mismas partículas elementales cargadas negativamente: los electrones.