MILLIKAN-EKSPERIMENT: PROSEDYRE, FORKLARING, VIKTIGHET - FYSISK - 2026

Den Millikan eksperiment , utført av Robert Millikan (1868-1953) sammen med sin elev Harvey Fletcher (1884-1981), begynte i 1906 og hadde som mål å studere egenskapene til elektrisk ladning, analysere bevegelsen av tusenvis av dråper av olje midt i et enhetlig elektrisk felt.

Konklusjonen var at den elektriske ladningen ikke hadde en vilkårlig verdi, men kom i multipler på 1,6 x 10 ^-19 C, som er den grunnleggende ladningen til elektronet. I tillegg ble massen til elektronet funnet.

Figur 1. Til venstre det originale apparatet som ble brukt av Millikan og Fletcher i deres eksperiment. Til høyre et forenklet diagram av det. Kilde: Wikimedia Commons / F. Zapata,

Tidligere hadde fysikeren JJ Thompson eksperimentelt funnet ladningen-masseforholdet til denne elementære partikkelen, som han kalte "corpuscle", men ikke verdiene i hver størrelsesorden hver for seg.

Fra denne ladning - masseforhold og ladningen til elektronet ble verdien av dens masse bestemt: 9,11 x 10 - ³¹ kg.

For å oppnå deres formål, brukte Millikan og Fletcher en forstøver som sprayet en fin tåke med oljedråper. Noen av dråpene var elektrisk ladet på grunn av friksjon i sprøyten.

De ladede dråpene satte seg sakte på parallelle flate plateelektroder, der noen få passerte gjennom et lite hull i den øvre platen, som vist i diagrammet i figur 1.

Inne i parallellplatene er det mulig å lage et jevnt elektrisk felt vinkelrett på platene, hvis størrelse og polaritet ble kontrollert ved å modifisere spenningen.

Dråpes oppførsel ble observert ved å belyse interiøret på platene med sterkt lys.

Forklaring av eksperimentet

Hvis dråpen har en ladning, utøver feltet som er opprettet mellom platene en kraft på det som motvirker tyngdekraften.

Og hvis den også klarer å forbli hengende, betyr det at feltet utøver en vertikal kraft oppover, som nøyaktig balanserer tyngdekraften. Denne tilstanden vil avhenge av verdien av q, ladningens fall.

Faktisk observerte Millikan at etter å ha snudd på feltet ble noen dråper suspendert, andre begynte å reise seg eller fortsatte å stige.

Ved å justere verdien av det elektriske feltet - gjennom en variabel motstand, for eksempel - kan det fås et fall for å forbli opphengt i platene. Selv om det i praksis ikke er lett å oppnå, skulle det skje, er det bare kraften som utøves av feltet og tyngdekraften, som virker på fallet.

Hvis massen til dråpen er m og dens ladning er q, vel vitende om at kraften er proporsjonal med det påførte felt i størrelsesorden E, sier Newtons andre lov at begge kreftene må balanseres:

Verdien av g, tyngdeakselerasjonen er kjent, så vel som størrelsen E av feltet, som avhenger av spenningen V som er etablert mellom platene og separasjonen mellom disse L, som:

Spørsmålet var å finne massen til den lille dråpen olje. Når dette er oppnådd, er det fullt mulig å bestemme ladningen q. Naturligvis er m og q henholdsvis massen og ladningen til oljedråpen, ikke elektronet.

Men … dråpen lades fordi den mister eller henter elektroner, så dens verdi er relatert til ladningen til nevnte partikkel.

Massen til oljen dropper

Millikan og Fletchers problem var å bestemme massen til en dråpe, ikke en lett oppgave på grunn av dens lille størrelse.

Når du kjenner tettheten til oljen, hvis du har volumet av dråpen, kan massen løses. Men volumet var også veldig lite, så konvensjonelle metoder var til ingen nytte.

Forskerne visste imidlertid at slike små gjenstander ikke faller fritt, siden motstanden i luften eller miljøet griper inn for å bremse bevegelsen. Selv om partikkelen, når den slippes med feltet slått av, opplever en akselerert vertikal bevegelse og nedover, ender den med å falle med konstant hastighet.

Denne hastigheten kalles "terminalhastighet" eller "grensehastighet", som, i tilfelle av en sfære, avhenger av dens radius og luftens viskositet.

I mangel av felt, målte Millikan og Fletcher tiden det tok før dråpene falt. Forutsatt at dråpene var sfæriske og med verdien av luftens viskositet, klarte de å bestemme radius indirekte fra terminalhastigheten.

Denne hastigheten blir funnet ved å anvende Stokes lov og her er dens ligning:

- v _t er terminalhastigheten

- R er fallets radius (sfærisk)

- η er viskositeten til luft

- ρ er tettheten til dråpen

Betydning

Millikans eksperiment var avgjørende, fordi det avslørte flere viktige aspekter i fysikk:

I) Elementladningen er den for elektronet, hvis verdi er 1,6 x 10 ^-19 C, en av vitenskapens grunnleggende konstanter.

II) Enhver annen elektrisk ladning kommer i multipler av den grunnleggende ladningen.

III) Når jeg kjenner til ladningen til elektronet og ladningsmasse-forholdet til JJ Thomson, var det mulig å bestemme elektronens masse.

III) På nivået av partikler så små som elementære partikler er gravitasjonseffektene ubetydelige sammenlignet med de elektrostatiske.

Figur 2. Millikan i forgrunnen til høyre, sammen med Albert Einstein og andre bemerkelsesverdige fysikere. Kilde: Wikimedia Commons.

Millikan mottok Nobelprisen i fysikk i 1923 for disse oppdagelsene. Eksperimentet hans er også relevant fordi han bestemte disse grunnleggende egenskapene til elektrisk ladning, ut fra en enkel instrumentering og anvender lover som er velkjente for alle.

Millikan ble imidlertid kritisert for å ha forkastet mange observasjoner i eksperimentet hans, uten åpenbar grunn, for å redusere den statistiske feilen i resultatene og gjøre dem mer "presentable".

Dråper med mange kostnader

Millikan målte mange, mange dråper i eksperimentet sitt, og ikke alle var olje. Han prøvde også kvikksølv og glyserin. Som nevnt, eksperimentet begynte i 1906 og varte i noen år. Tre år senere, i 1909, ble de første resultatene publisert.

I løpet av denne tiden fikk han en rekke ladede dråper ved å slå røntgenstråler gjennom platene for å ionisere luften mellom dem. På denne måten frigjøres ladede partikler som dråpene kan godta.

I tillegg fokuserte han ikke bare på de hengende dråpene. Millikan observerte at når dråpene steg, varierte også stigningshastigheten i henhold til den leverte belastningen.

Og hvis dråpen sank, endret denne ekstra ladningen takket være inngrepet fra røntgenstrålene ikke hastigheten, fordi massen av elektroner som er lagt til dråpen er liten, sammenlignet med massen til selve dråpen.

Uansett hvor mye ladning den la til, fant Millikan at alle dråpene skaffet ladninger som var heltallmultipler med en viss verdi, som er e, den grunnleggende enheten, som som vi har sagt er ladningen til elektronet.

Millikan oppnådde opprinnelig 1 592 x 10 ^-19 C for denne verdien, noe lavere enn den for tiden aksepterte verdien, som er 1 602 x 10 ^-19 C. Årsaken kan ha vært verdien som han ga til viskositeten til luft i ligningen for bestemme terminalens hastighet for fallet.

Eksempel

Leviterer en dråpe olje

Vi ser følgende eksempel. En oljedråpe har en tetthet ρ = 927 kg / m ³ og frigjøres midt i elektrodene med det elektriske feltet av. Dråpen når raskt terminalhastighet, hvorved radius bestemmes, hvis verdi viser seg å være R = 4,37 x ^10-7 m.

Det ensartede feltet slås på, er rettet vertikalt oppover og har en styrke på 9,66 kN / C. På denne måten oppnås det at dråpen forblir suspendert i ro.

Den spør:

a) Beregn dråpens ladning

b) Finn hvor mange ganger elementladningen er inneholdt i ladningen til slippet.

c) Bestem om mulig tegn på lasten.

Figur 3. En oljedråper midt i et konstant elektrisk felt. Kilde: Fundamentals of Physics. Rex-Wolfson.

Løsning på

Tidligere ble følgende uttrykk avledet for en dråpe i ro:

Når man kjenner tettheten og radiusen til dråpen, bestemmes massen til dråpen:

Og dermed:

Derfor er ladningen for dråpen:

Løsning b

Når du vet at den grunnleggende belastningen er e = 1,6 x 10 ^-19 C, deler du belastningen oppnådd i forrige seksjon med denne verdien:

Resultatet er at ladningen på slippet er omtrent to ganger (n2) elementarladningen. Det er ikke nøyaktig dobbelt, men denne lette uoverensstemmelsen skyldes den uunngåelige tilstedeværelsen av eksperimentell feil, samt avrunding i hver av de forrige beregningene.

Løsning c

Det er mulig å bestemme tegnets tegn, takket være det faktum at utsagnet gir informasjon om feltets retning, som er rettet loddrett oppover, så vel som styrken.

Elektriske feltlinjer starter alltid med positive ladninger og slutter med negative ladninger, derfor er den nedre platen ladet med et + -skilt og den øvre platen med et - tegn (se figur 3).

Siden dråpen er rettet mot platen ovenfor, drevet av feltet, og siden ladninger av motsatt fortegn tiltrekker hverandre, må dråpen ha en positiv ladning.

Det er ikke lett å oppnå å holde dråpen suspendert. Så Millikan brukte de vertikale forskyvningene (oppturer og nedturer) som slippet opplevde ved å slå av og på feltet, pluss endringer i røntgenladning og reisetid, for å estimere hvor mye ekstra lading dråpet hadde skaffet seg.

Denne ervervede ladningen er proporsjonal med ladningen på elektronet, som vi allerede har sett, og kan beregnes med stignings- og falltider, massen til fallet og verdiene til g og E.

referanser

1. Åpent sinn. Millikan, fysikeren som kom for å se elektronet. Gjenopprettet fra: bbvaopenmind.com
2. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
3. Tippens, P. 2011. Fysikk: begreper og applikasjoner. 7. utgave. McGraw Hill.
4. Amrita. Millikans eksperiment med oljedråpe. Hentet fra: vlab.amrita.edu
5. Wake Forest College. Millikans oljedråpe Eksperiment. Gjenopprettet fra: wfu.edu