MILLIKAN-KÍSÉRLET: ELJÁRÁS, MAGYARÁZAT, FONTOSSÁG - FIZIKAI - 2026

A Millikan-kísérlet, amelyet Robert Millikan (1868–1953) és tanítványa, Harvey Fletcher (1884–1981) közösen hajtott végre, 1906-ban indult, és célja az volt, hogy megvizsgálja az elektromos töltés tulajdonságait, elemezve ezer csepp mozgását olaj az egyenletes elektromos mező közepén.

A következtetés az volt, hogy az elektromos töltésnek nem volt tetszőleges értéke, hanem 1,6 x ^10–19 ° C-os ^szorzóként jött létre, amely az elektron alapvető töltése. Ezen felül meghatározzuk az elektron tömegét.

1. ábra. Bal oldalon az eredeti készülék, amelyet Millikan és Fletcher használtak a kísérletükben. Jobbról egy egyszerűsített rajza. Forrás: Wikimedia Commons / F. Zapata, Korábban JJ Thompson fizikus kísérletileg megtalálta ennek az alapszemcséknek a testtestnek nevezett töltés-tömeg összefüggést, de nem minden egyes nagyságértékét külön-külön.

Ebből a töltés-tömeg viszonyból és az elektron töltéséből meghatározzuk tömegének értékét: 9,11 x 10 ^-31 Kg.

Céljuk eléréséhez Millikan és Fletcher porlasztót használtunk, amely finom köd olajcseppekkel permetezett be. A cseppek egy részét elektromosan töltötték a permetezőgép súrlódása miatt.

A feltöltött cseppek lassan leülepednek a párhuzamos lapos elektródákon, ahol néhányuk áthaladt a felső lemez egy kis lyukán, az 1. ábra diagramjának megfelelően.

A párhuzamos lemezeken belül egy egyenletes, a lemezekre merőleges elektromos mezőt lehet létrehozni, amelynek nagyságát és polaritását a feszültség módosításával lehetett szabályozni.

A cseppek viselkedését megfigyelték a lemezek belsejének erős megvilágításával.

A kísérlet magyarázata

Ha a cseppnek van töltése, akkor a lemezek között létrehozott mező olyan erőt gyakorol rá, amely ellensúlyozza a gravitációt.

És ha azt is sikerül felfüggeszteni, ez azt jelenti, hogy a mező függőlegesen felfelé hajt egy erőt, amely pontosan kiegyensúlyozza a gravitációt. Ez a feltétel a q értékétől, a csepp töltésétől függ.

Valójában Millikan megfigyelte, hogy a mező bekapcsolása után néhány csepp felfüggesztésre került, mások emelkedni kezdtek vagy tovább zuhantak.

Az elektromos mező értékének - például egy változó ellenálláson keresztüli - beállításával csepegtethetjük a lemezen belüli felfüggesztést. Bár a gyakorlatban ezt nem könnyű elérni, ha történne, csak a mező által kifejtett erő és a gravitáció hat a cseppre.

Ha a csepp tömege m, és töltése q, akkor, ha tudjuk, hogy az erő arányos az alkalmazott E nagyságú mezővel, akkor Newton második törvénye szerint mindkét erőnek egyensúlyban kell lennie:

Ismert g értéke, a gravitációs gyorsulás, valamint a mező E nagysága, amely a lemezek között létrehozott V feszültségtől és az L közötti távolságtól függ, mint:

A kérdés az volt, hogy megtalálják az apró csepp olaj tömegét. Ha ez megtörtént, a q töltés meghatározása teljesen lehetséges. Természetesen m és q az olajcsepp tömege és töltése, nem pedig az elektron.

De… a csepp azért van feltöltve, mert elveszíti vagy elnyeri az elektronokat, tehát az érték az említett részecske töltésével függ össze.

Az olajcsepp tömege

Millikan és Fletcher feladata egy csepp tömegének meghatározása volt, ez a kis mérete miatt nem könnyű feladat.

Az olaj sűrűségének ismeretében, ha megvan a csepp térfogata, a tömeg megoldható. De a térfogat is nagyon kicsi volt, tehát a hagyományos módszereknek nem volt értelme.

A kutatók azonban tudták, hogy az ilyen kis tárgyak nem esnek szabadon, mivel a levegő vagy a környezet ellenállása beavatkozik, és lelassítja mozgásukat. Noha a részecske, amikor szabadon engedik, amikor a mező ki van téve, felgyorsult függőleges mozgást tapasztal lefelé, lefelé állandó sebességgel esik le.

Ezt a sebességet "végsebességnek" vagy "végsebességnek" nevezzük, amely gömb esetében a sugárától és a levegő viszkozitásától függ.

A mező hiányában Millikan és Fletcher megmérték az időt, amíg a csepp esik. Feltételezve, hogy a cseppek gömb alakúak és a levegő viszkozitásának értékével meg tudták határozni a sugarat közvetetten a végső sebesség alapján.

Ezt a sebességet Stokes-törvény alkalmazásával állapíthatjuk meg, és itt van az egyenlete:

- v _t a végsebesség

- R a csepp sugara (gömb alakú)

- η a levegő viszkozitása

- ρ a csepp sűrűsége

fontosság

Millikan kísérlete döntő fontosságú volt, mert számos alapvető szempontot tárt fel a fizikában:

I) Az elemi töltés az elektron töltöttsége, amelynek értéke 1,6 x ^10–19 ° C, a tudomány egyik alapvető állandója.

II) Minden egyéb elektromos töltés az alaptöltés többszöröse.

III) Ismerve az elektron töltését és JJ Thomson töltés-tömeg viszonyát, meghatározható volt az elektron tömege.

III) Az olyan részecskék szintjén, mint az elemi részecskék, a gravitációs hatások elhanyagolhatóak az elektrosztatikusokkal szemben.

2. ábra: Millikan az előtérben a jobb oldalon, Albert Einstein és más figyelemreméltó fizikusok mellett. Forrás: Wikimedia Commons.

Millikan ezekért a felfedezésekért 1923-ban fizikai Nobel-díjat kapott. Kísérlete azért is releváns, mert meghatározta az elektromos töltés ezen alapvető tulajdonságait, kezdve egy egyszerű műszeren és a mindenki által jól ismert törvények alkalmazásával.

Millikanot azonban kritizálták azért, hogy számos megfigyelést - nyilvánvaló ok nélkül - elhagyta a kísérletében annak érdekében, hogy csökkentse az eredmények statisztikai hibáját, és "megjeleníthetőbbé" tegye őket.

Csepp különféle töltésekkel

Millikan sok-sok cseppet mért a kísérletében, és nem mindegyik volt olaj. Kipróbálta a higanyt és a glicerint is. Mint állítottuk, a kísérlet 1906-ban kezdődött és néhány évig tartott. Három évvel később, 1909-ben, megjelent az első eredmények.

Ez idő alatt számos töltött csepphez jutott, amikor röntgen sugarat vezetett át a lemezeken, hogy ionizálják a közöttük lévő levegőt. Ily módon olyan töltött részecskék szabadulnak fel, amelyeket a cseppek képesek elfogadni.

Ezenkívül nem kizárólag a szuszpendált cseppekre összpontosított. Millikan megfigyelte, hogy amikor a cseppek emelkedtek, az emelkedés üteme a szállított terhelés függvényében is változott.

És ha a csepp leereszkedett, akkor a röntgensugarak beavatkozásának köszönhetően hozzáadott többlet nem változtatta meg a sebességet, mivel a csepphez hozzáadott elektronok tömege csekély, maga a csepp tömegéhez viszonyítva.

Függetlenül attól, hogy a töltést mekkora mértékben töltötte be, Millikan megállapította, hogy az összes csepp olyan töltéseket szerez, amelyek egy bizonyos érték egész számának szorzói, azaz az e alapegység, amely, amint mondtuk, az elektron töltése.

Millikan kezdetben 1592 x 10 ^-19 C-ot kapott erre az értékre, kissé alacsonyabb, mint a jelenleg elfogadott érték, amely 1,602 x 10 ^-19 C. Ennek oka lehet az az érték, amelyet a levegő viszkozitására adott a határozza meg a csepp végső sebességét.

Példa

Levegő egy csepp olajat

A következő példát látjuk. Az olajcseppek sűrűsége ρ = 927 kg / m ^3, és az elektródok közepén szabadul fel, ha az elektromos mező nincs. A csepp gyorsan eléri a végsebességet, ekkor meghatározzuk a sugarat, amelynek értéke R = 4,37 x10 ^-7 m.

Az egységes mező bekapcsol, függőlegesen felfelé és 9,66 kN / C nagyságrendű. Ily módon elérjük, hogy a csepp nyugalomban maradjon.

Azt kérdezi:

a) Számítsa ki a csepp töltését

b) Keresse meg, hogy hányszor van az elemi töltés a csepp töltésében.

c) Határozza meg, ha lehetséges, a rakomány jelét.

3. ábra: Olajcsepp az állandó elektromos mező közepén. Forrás: A fizika alapjai. Rex-Wolfson.

Megoldás

Korábban a következő kifejezést származtattuk egy csepp nyugalomban:

A csepp sűrűségének és sugárának ismeretében meghatározzuk a csepp tömegét:

Így:

Ezért a csepp díja:

B. Megoldás

Tudva, hogy az alapterhelés e = 1,6 x 10 ^-19 C, ossza meg az előző szakaszban kapott terhelést ezzel az értékkel:

Ennek eredményeként a csepp töltése körülbelül kétszer (n≈2) az elemi töltésnek. Nem pontosan kettős, de ezt a kis eltérést a kísérleti hiba elkerülhetetlen jelenléte, valamint az előző számítások kerekítése okozza.

C. Megoldás

A töltés jele meghatározható, köszönhetően annak, hogy az állítás információkat ad a függőlegesen felfelé irányuló mező irányáról, valamint az erőről.

Az elektromos terepi vonalak mindig pozitív töltésekkel kezdődnek, és negatív töltésekkel fejeződnek be, ezért az alsó lemezt egy + jel, és a felső lemezt egy - jel jelzi (lásd a 3. ábrát).

Mivel a csepp a fenti lemez felé irányul, és a mező hajtja, és mivel az ellenkező jelű töltések vonzzák egymást, a cseppnek pozitív töltéssel kell rendelkeznie.

A csepp felfüggesztett tartását valójában nem könnyű elérni. Millikan tehát a függőleges elmozdulásokat (emelkedéseket és lejtőket), amelyeket a csepp a mező ki- és bekapcsolása során tapasztalt, valamint a röntgen-töltés és az utazási idő változásait használta, megbecsülte, hogy a csepp milyen nagy töltettel jár.

Ez a megszerzett töltés arányos az elektron töltésével, amint azt már láttuk, és kiszámítható a növekedési és esési időkkel, a csepp tömegével és g és E értékekkel.

Irodalom

1. Nyitott. Millikan, a fizikus, aki az elektronhoz jött. Helyreállítva: bbvaopenmind.com
2. Rex, A. 2011. A fizika alapjai. Pearson.
3. Tippens, P. 2011. Fizika: Fogalmak és alkalmazások. 7. kiadás. McGraw Hill.
4. Amrita. Millikan olajcsepp-kísérlete. Vissza a következőhöz: vlab.amrita.edu
5. Wake Forest Főiskola. Millikan olajcsepp-kísérlete. Helyreállítva: wfu.edu