Plik Millikan eksperyment, przeprowadzony przez Roberta Millikana (1868-1953) wraz ze swoim uczniem Harveyem Fletcherem (1884-1981), rozpoczął się w 1906 roku i miał na celu zbadanie właściwości ładunku elektrycznego, analizując ruch tysięcy kropel oleju w środku munduru pole elektryczne.
Wniosek był taki, że ładunek elektryczny nie miał arbitralnej wartości, ale był wielokrotnością 1,6 x 10-19 C, który jest podstawowym ładunkiem elektronu. Ponadto znaleziono masę elektronu.
Wcześniej fizyk J.J. Thompson odkrył eksperymentalnie zależność ładunek-masa tej elementarnej cząstki, którą nazwał „ciałkiem”, ale nie wartości każdej wielkości osobno..
Z tego stosunku ładunek - masa oraz ładunku elektronu wyznaczono wartość jego masy: 9,11 x 10-31 Kg.
Aby osiągnąć swój cel, Millikan i Fletcher użyli atomizera, za pomocą którego rozpylano drobną mgiełkę kropelek oleju. Niektóre kropelki były naładowane elektrycznie w wyniku tarcia w dyszy.
Naładowane krople powoli osiadały na równoległych płaskich elektrodach płytowych, gdzie kilka przechodziło przez mały otwór w górnej płytce, jak pokazano na schemacie na rysunku 1..
Wewnątrz równoległych płytek możliwe jest wytworzenie jednorodnego pola elektrycznego prostopadle do płytek, którego wielkość i polaryzacja były kontrolowane poprzez modyfikację napięcia..
Zachowanie się kropel obserwowano oświetlając wnętrze płytek jasnym światłem..
Indeks artykułów
Jeśli kropla ma ładunek, pole utworzone między płytami wywiera na nią siłę, która przeciwdziała grawitacji..
A jeśli udaje mu się również pozostać w zawieszeniu, oznacza to, że pole wywiera pionową siłę skierowaną w górę, która dokładnie równoważy grawitację. Warunek ten będzie zależał od wartości co, ciężar spadku.
Rzeczywiście Millikan zauważył, że po włączeniu pola niektóre krople zostały zawieszone, inne zaczęły się podnosić lub nadal opadać.
Dostosowując wartość pola elektrycznego - na przykład za pomocą zmiennej rezystancji - można by spowodować, że kropla pozostanie zawieszona w płytach. Chociaż w praktyce nie jest to łatwe do osiągnięcia, jeśli tak się stanie, na kroplę oddziałuje tylko siła wywierana przez pole i grawitacja..
Jeśli masa kropli to m a jego obciążenie jest co, wiedząc, że siła jest proporcjonalna do przyłożonego pola wielkości I, Drugie prawo Newtona mówi, że obie siły muszą być zrównoważone:
mg = q.E
q = mg / E
Wartość sol, znane jest przyspieszenie ziemskie, a także jego wielkość I pola, które zależy od napięcia V ustanowiony między płytami i szczeliną między nimi L, Co:
E = V / L.
Chodziło o znalezienie masy maleńkiej kropli oleju. Po wykonaniu tej czynności określ obciążenie co jest to całkowicie możliwe. Oczywiście, że m Y co to odpowiednio masa i ładunek kropli oleju, a nie elektronu.
Ale ... kropla jest naładowana, ponieważ traci lub zyskuje elektrony, więc jej wartość jest związana z ładunkiem tej cząstki.
Problemem Millikana i Fletchera było określenie masy kropli, co ze względu na jej niewielkie rozmiary nie było zadaniem łatwym..
Znając gęstość oleju, jeśli masz objętość kropli, masę można rozwiązać. Ale objętość była również bardzo mała, więc konwencjonalne metody nie były pomocne..
Jednak badacze wiedzieli, że takie małe obiekty nie spadają swobodnie, ponieważ opór powietrza lub otoczenia interweniuje, spowalniając ich ruch. Chociaż cząstka uwolniona przy wyłączonym polu doświadcza przyspieszonego ruchu pionowego i skierowanego w dół, ostatecznie spada ze stałą prędkością..
Ta prędkość nazywana jest „prędkością końcową” lub „prędkością graniczną”, która w przypadku kuli zależy od jej promienia i lepkości powietrza..
W przypadku braku pola Millikan i Fletcher zmierzyli czas potrzebny do opadnięcia kropli. Zakładając, że krople były kuliste, a wartością lepkości powietrza udało się wyznaczyć promień pośrednio na podstawie prędkości końcowej.
Tę prędkość można znaleźć stosując prawo Stokesa, a oto jej równanie:
-vt to prędkość końcowa
-R jest promieniem kropli (kulisty)
-η jest lepkością powietrza
-ρ to gęstość kropli
Eksperyment Millikana był kluczowy, ponieważ ujawnił kilka kluczowych aspektów fizyki:
I) Ładunek elementarny to ładunek elektronu, którego wartość wynosi 1,6 x 10 -19 C, jedna z podstawowych stałych nauki.
II) Każdy inny ładunek elektryczny jest wielokrotnością ładunku podstawowego.
III) Znajomość ładunku elektronu i relacji ładunek-masa J.J. Thomsona można było określić masę elektronu.
III) Na poziomie cząstek tak małych jak cząstki elementarne efekty grawitacyjne są pomijalne w porównaniu z elektrostatyką.
Za te odkrycia Millikan otrzymał w 1923 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Jego eksperyment jest również istotny, ponieważ określił te podstawowe właściwości ładunku elektrycznego, wychodząc od prostego oprzyrządowania i stosując prawa dobrze znane wszystkim..
Jednak Millikan był krytykowany za to, że odrzucił wiele obserwacji w swoim eksperymencie, bez wyraźnego powodu, aby zmniejszyć błąd statystyczny wyników i uczynić je bardziej "reprezentowalnymi".
Millikan zmierzył wiele, wiele kropli w swoim eksperymencie i nie wszystkie z nich były ropą. Próbował także rtęci i gliceryny. Jak wspomniano, eksperyment rozpoczął się w 1906 roku i trwał kilka lat. Trzy lata później, w 1909 roku, opublikowano pierwsze wyniki.
W tym czasie otrzymywał różne naładowane krople, uderzając promieniami rentgenowskimi w płytki, aby zjonizować powietrze między nimi. W ten sposób uwalniane są naładowane cząsteczki, które mogą przyjąć krople.
Ponadto nie skupił się wyłącznie na zawieszonych kropelkach. Millikan zauważył, że kiedy krople się wznosiły, tempo wzrostu zmieniało się również w zależności od dostarczanego obciążenia..
A jeśli kropla opadła, ten dodatkowy ładunek dodany dzięki interwencji promieni rentgenowskich nie zmienił prędkości, ponieważ masa elektronów dodanych do kropli jest bardzo mała w porównaniu z masą samej kropli..
Niezależnie od tego, ile dołożył ładunku, Millikan stwierdził, że wszystkie uzyskane krople ładunków są całkowitymi wielokrotnościami pewnej wartości, która jest i, podstawową jednostką, którą, jak powiedzieliśmy, jest ładunek elektronu.
Millikan początkowo zdobył 1592 x 10-19 C dla tej wartości, nieco mniej niż obecnie akceptowana, czyli 1 602 x 10-19 C. Stosunek mógł być wartością, którą podałeś lepkości powietrza w równaniu określającym końcową prędkość kropli..
Widzimy następujący przykład. Kropla oleju ma gęstość ρ = 927 kg / m3 i jest uwalniany w środku elektrod przy wyłączonym polu elektrycznym. Kropla szybko osiąga prędkość końcową, za pomocą której wyznaczany jest promień, którego wartość okazuje się wynosić R = 4,37 x10-7 m.
Jednolite pole jest włączone, skierowane pionowo w górę i ma wielkość 9,66 kN / C. W ten sposób kropla jest zawieszona w spoczynku..
Pyta:
a) Oblicz ładunek kropelkowy
b) Sprawdź, ile razy ładunek elementarny jest zawarty w ładunku kropli.
c) Określić, jeśli to możliwe, znak obciążenia.
Wcześniej dla spadku w stanie spoczynku wyprowadzono następujące wyrażenie:
q = mg / E
Znając gęstość i promień kropli, określa się masę kropli:
ρ = m / V
V = (4/3) πR3
W związku z tym:
m = ρ.V = ρ. (4/3) πR3= 927 kg / m3. (4/3) π. (4,37 x 10-7 m)3= 3,24 x 10-16 kg
Dlatego ładunek zrzutu wynosi:
q = mg / E = 3,24 x 10-16 kg x 9,8 m / sdwa/ 9660 N = 3,3 x 10-19 do
Wiedząc, że ładunek podstawowy wynosi e = 1,6 x 10 -19 C, obciążenie uzyskane w poprzedniej sekcji jest podzielone przez tę wartość:
n = q / e = 3,3 x 10-19 C /1,6 x 10 -19 C = 2,05
W rezultacie ładunek kropli jest w przybliżeniu dwa razy (n≈2) większy niż ładunek elementarny. Nie jest dokładnie podwójna, ale ta niewielka rozbieżność wynika z nieuniknionej obecności błędu eksperymentalnego, a także z zaokrąglenia w każdym z poprzednich obliczeń..
Możliwe jest określenie znaku ładunku, dzięki temu, że wyciąg podaje informację o kierunku pola, które jest skierowane pionowo do góry, a także o sile.
Linie pola elektrycznego zawsze zaczynają się od ładunków dodatnich i kończą się ładunkami ujemnymi, dlatego dolna płyta jest naładowana znakiem +, a górna znakiem - (patrz rysunek 3).
Ponieważ kropla jest skierowana w stronę płyty powyżej napędzanej przez pole, a ładunki o przeciwnym znaku przyciągają się, kropla musi mieć ładunek dodatni.
W rzeczywistości utrzymanie zawieszonej kropli nie jest łatwe do osiągnięcia. Tak więc Millikan wykorzystał przemieszczenia pionowe (wzloty i upadki), których doświadczał spadek po wyłączeniu i włączeniu pola, a także zmiany ładunku rentgenowskiego i czasu podróży, aby oszacować, ile dodatkowego ładunku przyniosła kropla..
Ten nabyty ładunek jest proporcjonalny do ładunku elektronu, jak już widzieliśmy, i można go obliczyć z czasów narastania i opadania, masy kropli i wartości sol Y I.
Jeszcze bez komentarzy