Người ta đã tiến hành nhiều thí nghiệm để khám phá bản chất các hạt mang điện trong kim loại. Trước hết ta hãy kể đến thí nghiệm do nhà Vật lý người Đức Carl Riecke (1845 -
1915) tiến hành vào năm 1912. Ông đã dùng ba vật dẫn hình trụ, hai bằng đồng và một bằng nhôm với các đầu được đánh bóng kỹ càng. Sau khi cân, các thanh hình trụ được đặt kế tiếp nhau theo thứ tự đồng – nhôm – đồng và cho dòng điện chạy qua tổ hợp ba hình trụ dẫn đó trong thời gian một năm. Như vậy, trong thời gian này đã có 3.5×106C chạy qua. Sau đó, người ta đem các hình trụ này ra cân lại thì thấy trọng lượng của chúng không hề thay đổi. Soi bằng kính hiển vi các đầu của hình
trụ ta cũng không thấy có sự xâm nhập vật chất từ các thanh dẫn khác. Kết quả thực nghiệm này chứng tỏ rằng các hạt mang điện tích không phải là nguyên tử mà là các hạt có trong tất cả các kim loại. Các điện tử mà J.J.Thomson phát hiện ra trong năm 1897 có thể là các hạt mang điện đó.
Để khẳng định được các hạt mang điện trong kim loại là các điện tử ta cần phải xác định được dấu cũng như độ lớn điện tích của các hạt mang điện trong kim loại. Ý tưởng như sau: Nếu kim loại chứa các hạt mang điện có thể chuyển động thì khi vật dẫn kim loại bị giảm tốc thì các hạt đó theo quán tính vẫn tiếp tục chuyển động trong một khoảng thời
gian nào đó và làm xuất hiện một dòng điện đẩy, đồng thời có một số hạt sẽ thoát ra khỏi kim loại.
Giả sử lúc đầu dây dẫn được chuyển động với vận tốc v0 (hình 4.1).
Ta tiến hành giảm tốc với giá trị của gia tốc bằng a. Do quán tính các hạt mang điện sẽ tiếp tục chuyển động với gia tốc −a so với vật dẫn. Một gia tốc như vậy sẽ chuyển cho các hạt mang điện đứng yên trong vật dẫn và tạo trong đó một điện trường bằng
E = −ma / e ' . Điều này có nghĩa là tạo nên hai đầu vật dẫn một hiệu điện thế bằng:
2 2 1 2 1 1 ma mal V V Edl dl e ' e ' − =∫ = −∫ = −
trong đó: m là khối lượng và e’ là điện tích của hạt tải điện, l là độ dài của dây dẫn.
Trong trường hợp này sẽ có dòng điện I=(V V / R1− 2) , với R là điện trở của dây dẫn. Như vậy, sẽ có dòng điện tích dq chạy qua các tiết diện trong dây dẫn trong thời gian dt với:
mal ml
dq Idt dt dv
e 'R e 'R
= = − = −
Số điện tích chạy qua các tiết diện trong suốt thời gian giảm tốc sẽ là:
0 - a a e’ 0 v l Hình 4.1. Tìm hạt mang điện trong kim loại.
0 t 0 0 0 v lv ml m q dq dv e 'R e ' R =∫ = −∫ = (4.1)
Điện tích q dương nếu như nó được chuyển theo hướng chuyển động của dây dẫn.
Như vậy, nếu đo được l, v0, R cũng như lượng điện tích q chuyển qua dây dẫn trong thời gian giảm tốc ta có thể xác định được tỷ số e’/m của hạt mang điện trong dây dẫn. Hướng của xung dòng sẽ cho biết dấu của điện tích của hạt mang điện.
Theo hướng này hai nhà bác học người Nga là Leonid Mandenshtam (1879 - 1944) và Nikolai Papaleksi (1880 - 1947) đã tiến hành thí nghiệm vào năm 1913. Các ông đã thu được các kết quả có tính chất định tính.
Năm 1916 hai nhà Vật lý người Mỹ là R. Tolman và T. Stewart đã thu được các kết quả định lượng. Một cuộn dây dài 500m được quay với vận tốc dài bằng 300m/s. Dây được hãm lại đồng thời người ta dùng một điện kế xung kích để đo lượng điện tích chạy qua dây. Kết quả tỷ số e’/m đo được theo thí nghiệm này gần với giá trị e/m của điện tử. Điều này chứng tỏ rằng các hạt mang điện trong kim loại chính là các điện tử.
Trong kim loại với một hiệu số điện thế rất bé người ta cũng có thể tạo nên dòng điện, điều đó cho ta cơ sở để có thể khẳng định rằng các hạt mang điện có thể chuyển động mà không bị cản trở.
Sự tồn tại của điện tử trong kim loại được giải thích như sau: Khi mạng tinh thể được hình thành, các điện tử có liên kết yếu nhất (điện tử hóa trị) tách ra khỏi nguyên tử và trở thành các điện tử chung của toàn mẫu kim loại. Nếu cứ một điện tử tách ra khỏi một nguyên tử thì nồng độ các điện tử tự do (số điện tử n trong một đơn vị thể tích) sẽ bằng số nguyên tử trong một đơn vị thể tích. Mà số nguyên tử trong một đơn vị thể tích bằng
(δ/ M N) A. Trong đó, δ là khối lượng riêng của kim loại, M là khối lượng của một mol kim loại đó, NA là số Avogadro. / Mδ khoảng 2.104 mol/m3, của Berili khoảng 2.105 mol/m3. Vì vậy đối với kim loại:
28 29 3
n 10= −10 / m (4.2)