MILLIKAN-EKSPERIMENT: PROCEDURE, FORKLARING, BETYDNING - FYSISK - 2025

Den Millikan eksperiment, udført af Robert Millikan (1868-1953) sammen med sin elev Harvey Fletcher (1884-1981), begyndte i 1906 og har til formål at studere egenskaberne af elektrisk ladning, analysere bevægelsen af tusindvis af dråber olie midt i et ensartet elektrisk felt.

Konklusionen var, at den elektriske ladning ikke havde en vilkårlig værdi, men kom i multipla på 1,6 x 10 ^-19 C, hvilket er den grundlæggende ladning af elektronet. Derudover blev elektronens masse fundet.

Figur 1. Til venstre det oprindelige apparat brugt af Millikan og Fletcher i deres eksperiment. Til højre et forenklet diagram over det. Kilde: Wikimedia Commons / F. Zapata, Tidligere havde fysikeren JJ Thompson eksperimentelt fundet ladning-masseforholdet for denne elementære partikel, som han kaldte "corpuscle", men ikke værdierne for hver størrelse separat.

Fra denne ladning-masse-relation og ladningen af ​​elektronet blev værdien af ​​dens masse bestemt: 9,11 x 10 ^-31 Kg.

For at nå deres formål brugte Millikan og Fletcher en forstøver, der sprøjtede en fin tåge med oliedråber. Nogle af dråberne blev elektrisk ladet på grund af friktion i sprøjten.

De ladede dråber satte sig langsomt ned på parallelle flade pladeelektroder, hvor nogle få passerede gennem et lille hul i den øverste plade, som vist på diagrammet i figur 1.

Inde i de parallelle plader er det muligt at skabe et ensartet elektrisk felt vinkelret på pladerne, hvis størrelse og polaritet blev styret ved at ændre spændingen.

Dråbernes opførsel blev observeret ved at belyse pladernes indre med skarpt lys.

Forklaring af eksperimentet

Hvis dråben har en ladning, udøver feltet, der oprettes mellem pladerne, en kraft på det, der modvirker tyngdekraften.

Og hvis den også formår at forblive ophængt, betyder det, at feltet udøver en opadgående lodret kraft, som nøjagtigt afbalancerer tyngdekraften. Denne betingelse vil afhænge af værdien af ​​q, ladning af drop.

Faktisk observerede Millikan, at efter at have vendt på marken blev nogle dråber suspenderet, andre begyndte at stige eller fortsatte med at falde ned.

Ved at justere værdien af ​​det elektriske felt - for eksempel gennem en variabel modstand - kunne et fald bringes til at forblive ophængt i pladerne. Selv om det i praksis ikke er let at opnå, hvis det skulle ske, er det kun kraften, som udøves af marken og tyngdekraften, som virker på faldet.

Hvis massen af ​​dråbet er m, og dets ladning er q, vel vidende, at kraften er proportional med det anvendte felt i størrelsesorden E, siger Newtons anden lov, at begge kræfter skal afbalanceres:

Værdien af ​​g, tyngdeaccelerationen er kendt såvel som feltets størrelse E, der afhænger af spændingen V, der er etableret mellem pladerne og adskillelsen mellem disse L, som:

Spørgsmålet var at finde massen af ​​den lille dråbe olie. Når dette er opnået, er det muligt at bestemme ladningen q. Naturligvis er m og q henholdsvis massen og ladningen af ​​oliedråbet, ikke elektronet.

Men… dråbet debiteres, fordi det mister eller vinder elektroner, så dets værdi er relateret til ladningen af ​​nævnte partikel.

Massen af ​​olien falder

Millikan og Fletchers problem var at bestemme massen af ​​et fald, ikke en let opgave på grund af dens lille størrelse.

Når du kender oliets densitet, hvis du har volumen på dråbet, kan massen løses. Men voluminet var også meget lille, så konventionelle metoder nyttede ikke.

Forskerne vidste imidlertid, at sådanne små genstande ikke falder frit, da modstanden i luften eller miljøet griber ind og bremser deres bevægelse. Selvom partiklen, når den frigives med feltet slukket, oplever en accelereret lodret bevægelse og nedad, ender den med at falde med konstant hastighed.

Denne hastighed kaldes "terminalhastighed" eller "grænsehastighed", der i tilfælde af en kugle afhænger af dens radius og luftens viskositet.

I mangel af et felt målte Millikan og Fletcher den tid det tog, før dråberne faldt. Under antagelse af, at dråberne var sfæriske og med værdien af ​​luftens viskositet, formåede de at bestemme radius indirekte ud fra terminalhastigheden.

Denne hastighed findes ved at anvende Stokes lov, og her er dens ligning:

- v _t er terminalhastigheden

- R er dropens radius (sfærisk)

- η er luftens viskositet

- ρ er densitet for dråbet

Betydning

Millikans eksperiment var afgørende, fordi det afslørede flere centrale aspekter i fysik:

I) Elementladningen er elektronens, hvis værdi er 1,6 x 10 ^-19 C, en af ​​videnskabens grundlæggende konstanter.

II) Enhver anden elektrisk ladning kommer i multipla af den grundlæggende ladning.

III) Ved at kende elektronets ladning og JJ Thomsons ladningsmasse-forhold var det muligt at bestemme elektronens masse.

III) På niveauet med partikler, der er så små som elementære partikler, er tyngdekraftseffekten ubetydelig sammenlignet med de elektrostatiske.

Figur 2. Millikan i forgrunden til højre sammen med Albert Einstein og andre bemærkelsesværdige fysikere. Kilde: Wikimedia Commons.

Millikan modtog Nobelprisen i fysik i 1923 for disse opdagelser. Hans eksperiment er også relevant, fordi han bestemte disse grundlæggende egenskaber ved elektrisk ladning, ud fra en simpel instrumentering og anvender love, der er velkendte for alle.

Millikan blev imidlertid kritiseret for at have kasseret mange observationer i sit eksperiment uden nogen åbenbar grund for at mindske den statistiske fejl i resultaterne og gøre dem mere "præsenterbare".

Dråber med forskellige afgifter

Millikan målte mange, mange dråber i hans eksperiment, og ikke alle var olie. Han prøvede også kviksølv og glycerin. Som nævnt begyndte eksperimentet i 1906 og varede i et par år. Tre år senere, i 1909, blev de første resultater offentliggjort.

I løbet af denne periode opnåede han en række ladede dråber ved at slå røntgenstråler gennem pladerne for at ionisere luften mellem dem. På denne måde frigives ladede partikler, som dråberne kan acceptere.

Desuden fokuserede han ikke udelukkende på de ophængte dråber. Millikan observerede, at når dråberne steg, varierede stigningen også afhængigt af den leverede belastning.

Og hvis dråben faldt, ændrede denne ekstra ladning takket være indgrebet fra røntgenstrålene ikke hastigheden, fordi enhver masse af elektroner, der tilføjes til dråbet, er lille, sammenlignet med massen af ​​selve dråbet.

Uanset hvor meget ladning det tilføjede, fandt Millikan, at alle dråberne erhvervede ladninger, der var heltalmultipler med en bestemt værdi, hvilket er e, den grundlæggende enhed, som som sagt er ladningen for elektronet.

Millikan opnåede oprindeligt 1.592 x 10 ^-19 C for denne værdi, lidt mindre end den aktuelt accepterede værdi, hvilket er 1.602 x 10 ^-19 C. Årsagen kan have været den værdi, han gav luftens viskositet i ligningen for bestem terminalens hastighed for dråbet.

Eksempel

Leviterer en dråbe olie

Vi ser følgende eksempel. En oliedråbe har en densitet ρ = 927 kg / m ³ og frigøres midt i elektroderne med det elektriske felt slukket. Dråben når hurtigt terminalhastighed, hvorved radius bestemmes, hvis værdi viser sig at være R = 4,37 x ^10-7 m.

Det ensartede felt tændes, er rettet lodret opad og har en styrke på 9,66 kN / C. På denne måde opnås det, at dråbet forbliver ophængt i hvile.

Det spørger:

a) Beregn dråbeopladningen

b) Find hvor mange gange elementladningen er indeholdt i drops ladning.

c) Bestem om muligt tegn på belastningen.

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

Løsning på

Tidligere blev følgende udtryk afledt for et fald i hvile:

Når man kender dråbets tæthed og radius, bestemmes dråbets masse:

Dermed:

Derfor er afgiften for drop:

Løsning b

Når man kender til, at den grundlæggende belastning er e = 1,6 x 10 ^-19 C, skal du dele den belastning, der er opnået i det foregående afsnit, med denne værdi:

Resultatet er, at ladningen på drop er cirka to gange (n2) elementarladningen. Det er ikke nøjagtigt dobbelt, men denne lille forskel skyldes den uundgåelige tilstedeværelse af eksperimentel fejl såvel som afrunding i hver af de foregående beregninger.

Opløsning c

Det er muligt at bestemme tegnets tegn, takket være det faktum, at udsagnet giver information om feltets retning, der er lodret opad såvel som styrken.

Elektriske feltlinjer starter altid med positive ladninger og slutter med negative ladninger, derfor lades den nederste plade med et + -skilt og den øverste plade med et - tegn (se figur 3).

Da dråben er rettet mod pladen ovenfor, drevet af marken, og da ladninger af modsat fortegn tiltrækker hinanden, skal dråben have en positiv ladning.

Det er ikke let at opnå at holde dråbet suspenderet. Så Millikan brugte de lodrette forskydninger (op- og nedture), som dråbet oplevede ved at slå marken fra og til, plus ændringerne i røntgenopladning og rejsetider for at estimere, hvor meget ekstra gebyr dråben havde opnået.

Denne erhvervede ladning er proportional med ladningen på elektronet, som vi allerede har set, og kan beregnes med stigning og faldstid, massen af ​​faldet og værdierne for g og E.

Referencer

1. Åbent sind. Millikan, fysikeren, der kom for at se elektronet. Gendannes fra: bbvaopenmind.com
2. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
3. Tippens, P. 2011. Fysik: koncepter og applikationer. 7. udgave. McGraw Hill.
4. Amrita. Millikans eksperiment med oliedråbe. Hentet fra: vlab.amrita.edu
5. Wake Forest College. Millikans oliedråbeeksperiment. Gendannes fra: wfu.edu