Номер 2, страница 220 - гдз по физике 10 класс учебник Громыко, Зенькович

2. Как было доказано, что носителями электрического заряда в металлах являются электроны?

Доказательство того, что носителями электрического заряда в металлах являются электроны, было получено в результате серии экспериментов, основанных на явлении инерции носителей заряда. Ключевыми стали опыты, в которых измерялось отношение заряда носителя к его массе ($e/m$).

Опыты по инерции носителей заряда (опыты Рикке, Мандельштама-Папалекси, Толмена-Стюарта)

Идея этих экспериментов заключается в следующем: если носители заряда в проводнике обладают массой, то при резком изменении скорости движения проводника (ускорении или торможении) они будут, в силу своей инерции, смещаться относительно кристаллической решетки металла. Это смещение эквивалентно возникновению кратковременного электрического тока, который можно зарегистрировать.

Наиболее известным и убедительным стал опыт Толмена и Стюарта (1916 г.). В этом эксперименте катушка с большим количеством витков тонкой металлической проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг своей оси, а затем резко останавливалась. Концы катушки были подключены к очень чувствительному гальванометру.

При резкой остановке вращающейся катушки, свободные носители заряда внутри проволоки продолжали двигаться по инерции. Их движение вдоль провода создавало кратковременный электрический ток, который фиксировался гальванометром. Направление этого тока указывало на то, что движущиеся частицы имеют отрицательный заряд, так как они смещались в направлении, противоположном тому, в котором сместились бы положительные заряды. Самое главное, что удалось сделать Толмену и Стюарту, — это измерить удельный заряд носителей, то есть отношение их заряда $e$ к массе $m$.

Теоретическое обоснование расчетов было следующим. При торможении катушки на каждый носитель заряда массой $m$ действует сила инерции $F_{ин} = -ma$, где $a$ — ускорение (в данном случае отрицательное, то есть замедление). Эта сила заставляет носители двигаться, что эквивалентно действию некоторого стороннего электрического поля $E_{ст} = F_{ин} / e$. В результате в цепи возникает ЭДС инерции $\mathcal{E}_{ин}$. Измерив полный заряд $Q$, прошедший через гальванометр за время торможения, и зная параметры установки (длину провода $L$, его сопротивление $\mathcal{R}$ и линейную скорость $v$ до торможения), можно рассчитать удельный заряд.

Полный заряд $Q$, прошедший по цепи, связан с параметрами следующим образом:

$Q = \int I dt = \frac{1}{\mathcal{R}} \int \mathcal{E}_{ин} dt = \frac{1}{\mathcal{R}} \int \frac{F_{ин}}{e} L dt = \frac{L}{e\mathcal{R}} \int m a dt = \frac{m L}{e \mathcal{R}} \Delta v$

Отсюда удельный заряд носителей:

$\frac{e}{m} = \frac{L \Delta v}{Q \mathcal{R}}$

где $\Delta v$ — изменение скорости проводника (от начальной $v$ до 0).

Полученное в экспериментах Толмена и Стюарта значение удельного заряда составило примерно $1.77 \times 10^{11}$ Кл/кг. Это значение с хорошей точностью совпало с удельным зарядом электрона, измеренным ранее Дж. Дж. Томсоном в опытах с катодными лучами ($1.7588 \times 10^{11}$ Кл/кг).

Таким образом, было неопровержимо доказано, что носители заряда в металлах подвижны и обладают массой, имеют отрицательный знак, а их удельный заряд совпадает с удельным зарядом электрона. Это позволило сделать однозначный вывод о том, что электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов.

Ответ: Было доказано, что носителями электрического заряда в металлах являются электроны, с помощью экспериментов по инерции носителей заряда (в частности, в опытах Толмена и Стюарта). В этих экспериментах измерялся удельный заряд (отношение заряда к массе) частиц, создающих ток при резком торможении металлического проводника. Полученное значение совпало с удельным зарядом электрона, а знак заряда оказался отрицательным.