Установка для досліду Ейнштейна -де Гааза


с. 1
Установка для досліду Ейнштейна –де Гааза

В 1820р. А.Ампер висловив ідею про те, що магнітні властивості речовини обумовлені замкнутими молекулярними струмами, що течуть всередині тіла. Гіпотеза Ампера одержала переконливе обґрунтування. За сучасним уявленням атом речовини має магнітні властивості тому, що в нього навколо додатного зарядженого ядра обертаються електрони, а також наявністю в електронів власного магнітного моменту.

Підтвердженням зв’язку магнітних властивостей атома з рухом електронів є сталість відношення магнітного моменту електрона до його механічного моменту імпульсу, так зване гіромагнітне відношення. Його величина визначається універсальними сталими і дорівнює половині питомого заряду електрона

(1)

Ідея досліду для перевірки цього відношення була запропонована Ейнштейном в 1915р. В цьому ж році експеримент було поставлено разом з де-Гаазом.


Д
ослід Ейнштейна – де Гааза – важливий експеримент в з’ясуванні природи магнетизму, в підтверджені гіпотези Ампера, нажаль, покищо не знайшов відображення в програмах і підручниках фізики для середньої школи. Лише в деяких посібниках попередніх років є посилання на цей експеримент [1, 2]. У зв’язку з тим, що в діючому підручнику «Фізика-11» для академічного та профільного рівнів [3] розглядається питання про спіновий та орбітальний моменти електрона в атомі, ми вважаємо, що було б доцільно не лише розповісти про ідею досліду Ейнштейна- де Гааза, а й продемонструвати його.

Пропонується опис нескладної установки (фото 1, рис. 1), яка дозволяє зробити цей експеримент зрозумілим для старшокласників і доступним для відтворення в умовах шкільного фізичного кабінету.

Стальний стержень 1 діаметром 10мм і висотою 30мм і підвішується на тонкій гумовій стрічці (20 см) 2 та розміщується всередині соленоїда 3.

З
а допомогою муфт 4 і 5 стержень треба якомога точніше розмістити на осі соленоїда. Його котушка складається з 500 витків проводу ПЕЛ-0,6; намотаних на пластмасовому каркасі з внутрішнім діаметром 12 мм і висотою 120 мм.

До гумової стрічки приклеюємо тоненьке дзеркальце 6 розміром 5х5 мм.

Прилад монтується на масивній підставці 7 з немагнітного матеріалу. Підійде диск стабілізатора обертів від лампових або транзисторних магнітофонів старих випусків. На підставці закріплюється пластмасова втулка 8, на яку насаджена котушка соленоїда, і вертикальна штанга 9. В якості втулки 8 можна використати циліндр шприца місткістю 10 мл, зрізавши його торець.

Як відомо, ідея досліду Ейнштейна – де Гааза ґрунтується на законі збереження моменту імпульсу. За відсутності зовнішнього магнітного поля, магнітні поля атомів орієнтовані хаотично(рис.2). П

ри пропусканні струму через котушку стержень намагнічується. В зовнішньому магнітному полі вектори індукції власних магнітних полів електронів та їх механічних моментів орієнтуються вздовж цього поля (рис. 3). Якщо змінити напрям струму в котушці на протилежний, то напрям векторів індукції магнітних полів атомів, а також і напрями їх механічних моментів імпульсу зміняться. Але тоді на основі закону збереження моменту імпульсу обертовий момент одержить сам стержень (рис. 4).

Повороти стержня під час демонстрації реєструється за допомогою світлового пучка від лазерної указки, який поправляється на дзеркало 6 (рис.1, фото 1). Експериментальне виявлення обертального імпульсу стержня дозволяє стверджувати: магнітні поля постійних магнітів створюються рухом електричних зарядів[4].

Для керування струмом використовується пристрій, принципова схема якого показана на рис. 5.

В
ін являє собою два електронних ключі на тиристорах VS1 і VS2. Схема працює так. При ввімкнені живлення заряджаються конденсатори С1 і С2. Якщо перемикач S2 перевести в нижнє по схемі положення, то на керуючі електроди буде подана напруга. Але тиристори включаться неодночасно. Першим спрацює тиристор VS2. Конденсатор С2 розряджається і через котушку L проходить імпульс струму в напрямі показаному нижньою стрілкою.

Затримка ввімкнення тиристора VS1 відбувається тому, що в коло його керуючого електрода ввімкнуто конденсатор С3. Тиристор спрацьовує тоді, коли конденсатор С2 майже повністю розрядиться. При цьому імпульс струму через соленоїд матиме напрям, позначений на схемі верхньою стрілкою. Таким чином, комутація струму через котушку L відбувається фактично в автоматичному режимі.

Ємність конденсаторів С1 і С2 підбирається такою, щоб струм через котушку проходив протягом дуже короткого проміжку часу (порядку 10-3 с). при тривалішому струмі успіху досліду завадили б неминучі неоднорідності магнітного поля котушки. Стальний стержень при цьому поступово втягувався б ділянки з найбільшою індукцією магнітного поля.[4]

Трансформатор Тр1 – будь-який малогабаритний трансформатор, що дає вихідну напругу 12 - 18В. Можна використати трансформатори від блоків живлення антенних підсилювачів.

Т
иристори VS1 і VS2 – КУ202В. Електролітичні конденсатори С1 і С2 – 220,0х63В; С3 – 40,0х16В. Резистори R1 – 200 КОм, R2 – 500 Ом, R3 – 39 КОм, R4 – 3,9 КОм. Як здвоєний перемикач S2 можна використати тумблер ТП1–2 або кнопку КМ2 – 1. Лампа LG1 – ИНС-1.

Поскільки механізм процесів, що відбувається в тілах при їх намагніченні, не можна спостерігати безпосередню, для розуміння ідеї досліду Ейнштейна – де Гааза слід пояснити суть закону збереження моменту імпульсу. Найкраще це зробити за допомогою простого приладу, який являє собою мініатюрну модель лави Жуковського.

П
рилад складається (фото 2, рис. 6) з масивної підставки 1, на якій закріплено підшипник 2 з металевим стержнем 3. На стержні жорстко закріплено диск 4 (грамофонна платівка), а в верхній частині вісь 5. На неї насаджується важіль 6, на одному з кінців якого встановлено диск на підшипнику 7, а на другому - тягарець 8.

Під час дослідів за допомогою підставки 10 важіль 6 встановлюється в горизонтальному положенні. На циліндр між дисками намотуємо кілька витків товстої міцної нитки. Притримуючи рукою важіль 6, другою рукою різко тягнемо за кінець нитки 9. Диск 7 починає швидко обертатись. Виймаємо підставку 10. Під дією тягарця 8 диск 7 переходить в горизонтальне положення. Диск 4 з віссю 3 починає обертатись в протилежну сторону до напрямку обертання диска 7. Система «Прилад» являється незамкнутою. Сила тяжіння для неї є зовнішньою. Але момент цієї сили відносно осі 3 (рис. 6) дорівнює нулю і тому момент імпульсу системи відносно цієї осі залишається сталим.

Дослід дозволяє краще зрозуміти ідею з експерименту з перемагніченням стержня, відображену на рис. 3 і 4.

У досліді Ейнштейна-де-Гааза було експериментально доведено наявність в атомі магнітного моменту, викликаного внутрішньоатомним рухом електронів. Детальний аналіз результатів експерименту показав, що відношення магнітного моменту до моменту імпульсу має очікуваний знак, що відповідає негативному заряду електрона, але числове значення величини виявилось в 2 рази більшим.[5].

Слід повідомити учням, що з’ясувати цю розбіжність виявилось можливим після того, як було відкрито існування спіна електрона, тобто наявність в електрона власних механічного і магнітного моментів.

Оскільки в цьому досліді експериментально підтверджується наявність в електронів атомів механічного орбітального моменту імпульсу, то, на нашу думку, установку доцільно використати не лише при вивченні магнітних властивостей речовини, а й при розгляді планетарної моделі атома Резерфорда-Бора.

У класах з поглибленим вивченням фізики, на заняттях факультативів учням можна дати виведення відношення (1) на основі уявлення теорії Бора про існування в електрона певної орбіти. Слід повідомити, що розрахунок, проведений методами квантової механіки, дає такий же результат.

Необхідно звернути увагу на межі виконання закону збереження моменту імпульсу. Дослід Ейнштейна-де-Гааза показує справедливість цього закону в мікросвіті. Демонстрація з лавою Жуковського підтверджує виконання закону в макросвіті. Як приклад прояву цього закону в мегасвіті слід навести другий закон Кеплера. Той факт, що радіус-вектор планети за однакові проміжки часу описує рівні площі є наслідком закону збереження моменту імпульсу [5].

Література



  1. А.В.Перышкин, С.Е.Каменецкий, Факутальтивный курс физики 9кл. Москва, Просвещение 1976г. ст. 128.

  2. М.Є.Фонкич. Сучасне вчення про електрику. Київ, Радянська школа 1974р. ст. 126.

  3. Т.М.Засєкіна, Д.О.Засєкін, Фізика-11. Харків, Сиция 2011р. ст.115.

  4. Р.В.Поль. Учение об электричестве. Москва, Физматгиз 1962г. ст.104.

  5. Б.М.Яворский, А.А.Пинский, Основи физики Т. 1. Москва, «Наука» 1974г. ст.191, 428

Марчук Святослав Дмитрович, вчитель фізики Млинівської ЗШ№3 І-ІІІ ст., Млинівського р-ну Рівненської обл.
с. 1

скачать файл

Смотрите также: