MILLIKANOV POSKUS: POSTOPEK, RAZLAGA, POMEN - FIZIČNO - 2026

Millikanov poskus , ki ga izvaja Robert Millikanov (1868-1953) skupaj s svojim študentom Harvey Fletcher (1884-1981), se je začela leta 1906 in namenjen za preučevanje lastnosti električnega naboja, analizo gibanja tisoče kapljic nafte sredi enotnega električnega polja.

Zaključek je bil, da električni naboj ni imel poljubne vrednosti, ampak je bil večkratnik 1,6 x 10 ^-19 C, kar je temeljni naboj elektrona. Poleg tega so našli maso elektrona.

Slika 1. Na levi je originalni aparat, ki sta ga uporabila Millikan in Fletcher v svojem poskusu. Na desni strani poenostavljen diagram. Vir: Wikimedia Commons / F. Zapata,

Pred tem je fizik JJ Thompson eksperimentalno ugotovil razmerje med nabojem in maso tega osnovnega delca, ki ga je poimenoval "korpuscle", ne pa vrednosti vsake magnitude posebej.

Iz tega razmerja med nabojem in maso in nabojem elektrona smo določili vrednost njegove mase: 9,11 x 10 ^-31 Kg.

Da bi dosegla svoj namen, sta Millikan in Fletcher uporabila atomizer, ki je razpršil fino meglico oljnih kapljic. Nekatere kapljice so bile zaradi trenja v razpršilcu električno napolnjene.

Napolnjene kapljice so se počasi usedle na vzporedne ploščate elektrode plošče, kjer je nekaj prešlo skozi majhno luknjo v zgornji plošči, kot je prikazano na diagramu na sliki 1.

Znotraj vzporednih plošč je mogoče ustvariti enakomerno električno polje, pravokotno na plošče, katerih velikost in polarnost sta se uravnavali s spreminjanjem napetosti.

Obnašanje kapljic smo opazili z osvetlitvijo notranjosti plošč s svetlo svetlobo.

Pojasnilo poskusa

Če ima kapljica naboj, polje, ustvarjeno med ploščami, nanjo izvaja silo, ki deluje proti gravitaciji.

In če tudi uspe obesiti, to pomeni, da polje izvaja navpično silo navzgor, ki ravnotežje gravitacijo. Ta pogoj bo odvisen od vrednosti q, naboja kapi.

Dejansko je Millikan opazil, da so po vrtenju na igrišču nekatere kapljice suspendirane, druge so se začele dvigati ali še naprej spuščati.

S prilagoditvijo vrednosti električnega polja - na primer s spremenljivim uporom - lahko pride do padca, ki ostane znotraj plošč. Čeprav v praksi tega ni enostavno doseči, če se zgodi, na kapljico delujeta le sila, ki jo imata polje in gravitacija.

Če je masa padca m in je njen naboj q, ob vedenju, da je sila sorazmerna z uporabljenim poljem veličine E, Newtonov drugi zakon določa, da morata biti obe sili uravnoteženi:

Znana je vrednost g, pospešek gravitacije, kot tudi jakost polja E, ki je odvisna od napetosti V, postavljene med ploščami in ločitve med temi L, kot:

Vprašanje je bilo najti maso drobne kapljice nafte. Ko je to doseženo, je določitev naboja q povsem možna. Seveda sta m in q masi in naboj kapljice olja, ne pa elektrona.

Toda … kapljica se napolni, ker izgubi ali pridobi elektrone, zato je njena vrednost povezana z nabojem omenjenega delca.

Masa kapljice olja

Težava Millikana in Fletcherja je bila določiti maso kapljice, saj zaradi majhnosti ni bila lahka naloga.

Če poznamo gostoto olja, če imamo količino kapljice, se lahko masa reši. Vendar je bila tudi prostornina zelo majhna, zato običajne metode niso bile koristne.

Vendar so raziskovalci vedeli, da tako majhni predmeti ne padajo prosto, saj se odpornost zraka ali okolja vmešava, upočasni njihovo gibanje. Čeprav delček, ko se sprosti z izklopljenim poljem, doživi pospešeno navpično gibanje in navzdol, na koncu pade s konstantno hitrostjo.

Ta hitrost se imenuje "končna hitrost" ali "mejna hitrost", ki je v primeru krogle odvisna od njegovega polmera in viskoznosti zraka.

V odsotnosti polja sta Millikan in Fletcher izmerila čas, ki je trajal, da so kapljice padle. Ob predpostavki, da so bile kapljice sferične in z vrednostjo viskoznosti zraka, so uspele določiti polmer posredno s končne hitrosti.

To hitrost najdemo z uporabo Stokesovega zakona in tukaj je enačba:

- v _t je končna hitrost

- R je polmer padca (sferična)

- η viskoznost zraka

- ρ je gostota padca

Pomen

Millikanov poskus je bil ključen, saj je razkril več ključnih vidikov fizike:

I) Elementarni naboj je elektron, katerega vrednost je 1,6 x 10 ^-19 C, ena temeljnih konstant znanosti.

II) Vsak drug električni naboj je večkratnik osnovnega naboja.

III) S poznavanjem naboja elektrona in razmerja med nabojem in maso JJ Thomson je bilo mogoče določiti maso elektrona.

III) Na ravni majhnih delcev kot osnovni delci so gravitacijski učinki zanemarljivi v primerjavi z elektrostatičnimi.

Slika 2. Millikan v ospredju na desni, poleg Alberta Einsteina in drugih pomembnih fizikov. Vir: Wikimedia Commons.

Millikan je za ta odkritja leta 1923 prejel Nobelovo nagrado za fiziko. Njegov eksperiment je pomemben tudi zato, ker je določil te temeljne lastnosti električnega naboja, izhajajoč iz preprostega instrumentacijskega merjenja in uporabe dobro poznanih zakonov.

Vendar pa so Millikanu očitali, da je v svojem poskusu brez očitnega razloga zavrgel veliko opazk, da bi zmanjšal statistično napako rezultatov in jih naredil bolj "predstavljive".

Kapljice z različnimi naboji

Millikan je v njegovem poskusu meril veliko, veliko kapljic in niso bile vse olje. Poskusil je tudi živo srebro in glicerin. Kot rečeno, poskus se je začel leta 1906 in je trajal nekaj let. Tri leta kasneje, leta 1909, so bili objavljeni prvi rezultati.

V tem času je z udarci rentgenskih žarkov skozi plošče dobil različne nabitih kapljic, da bi ioniziral zrak med njimi. Na ta način se sprostijo nabiti delci, ki jih kapljice lahko sprejmejo.

Poleg tega se ni osredotočil samo na suspendirane kapljice. Millikan je opazil, da se je hitrost naraščanja kapljic spreminjala tudi glede na obremenitev.

In če se je kapljica spustila, to doplačilo, dodano zahvaljujoč intervenciji rentgenskih žarkov, ni spremenilo hitrosti, saj je vsaka masa elektronov, dodanih kapljici, v primerjavi z maso samega kapljice majhna.

Ne glede na to, koliko naboja je dodal, je Millikan ugotovil, da so vse kapljice pridobivale naboje, ki so bili celi večkratniki določene vrednosti, to je e, temeljna enota, ki je, kot smo rekli, naboj elektrona.

Millikan je za to vrednost sprva pridobil 1,592 x 10 ^-19 C, kar je nekoliko nižje od trenutno sprejete vrednosti, ki je 1,602 x 10 ^-19 C. Razlog je lahko bila vrednost, ki jo je v enačbi dal viskoznosti zraka v določite končno hitrost padca.

Primer

Levitacija kapljice olja

Vidimo naslednji primer. Kapljica olja ima gostoto ρ = 927 kg / m ³ in se sprosti v sredini elektrod pri izključenem električnem polju. Kapljica hitro doseže končno hitrost, pri čemer se določi polmer, katerega vrednost se izkaže za R = 4,37 x10 ^-7 m.

Enotno polje se vklopi, usmerjeno je navpično navzgor in ima magnitudo 9,66 kN / C. Na ta način dosežemo, da kapljica v mirovanju ostane suspendirana.

Vpraša:

a) Izračunajte naboj kapljice

b) Poiščite, kolikokrat je elementni naboj vsebovan v naboju kaplje.

c) Če je mogoče, določite znak bremena.

Slika 3. Kapljica olja sredi stalnega električnega polja. Vir: Osnove fizike. Rex-Wolfson.

Rešitev za

Prej je bil za padec v mirovanju izbran naslednji izraz:

Ob gostoti in polmeru padca se določi masa kapljice:

Tako:

Zato je naboj kapljice:

Rešitev b

Ob upoštevanju, da je osnovna obremenitev e = 1,6 x 10 ^-19 C, razdelite obremenitev, dobljeno v prejšnjem razdelku, s to vrednostjo:

Rezultat tega je, da je naboj na kapljici približno dvakrat (n≈2) elementarnega naboja. Ni ravno dvojno, vendar je to majhno neskladje posledica neizogibne prisotnosti eksperimentalne napake, pa tudi zaokroževanja pri vsakem od prejšnjih izračunov.

Rešitev c

Znak naboja je mogoče določiti, zahvaljujoč dejstvu, da izjava daje podatke o smeri polja, ki je usmerjeno navpično navzgor, pa tudi o sili.

Električne poljske linije se vedno začnejo s pozitivnimi naboji in končajo z negativnimi naboji, zato je spodnja plošča napolnjena z znakom +, zgornja plošča pa z znakom - (glej sliko 3).

Ker je kapljica usmerjena proti zgornji plošči, ki jo poganja polje in ker se naboji nasprotnega znaka med seboj privlačijo, mora padec imeti pozitiven naboj.

Pravzaprav zadrževanje kapljice suspendirano ni enostavno doseči. Torej je Millikan uporabil vertikalne premike (vzpone in padce), ki jih je padec doživel z izklopom in vklopom polja, plus spremembami naboja rentgenskih žarkov in časa potovanja, da je ocenil, koliko dodatnih nabojev je kapljica pridobila.

Ta pridobljeni naboj je sorazmeren z nabojem na elektronu, kot smo že videli, in ga lahko izračunamo s časi vzpona in padca, maso padca in vrednostima g in E.

Reference

1. Odprte glave. Millikan, fizik, ki je prišel pogledat elektrone. Pridobljeno: bbvaopenmind.com
2. Rex, A. 2011. Osnove fizike. Pearson.
3. Tippens, P. 2011. Fizika: pojmi in aplikacije. 7. izdaja McGraw Hill.
4. Amrita. Millikanov eksperiment s kapljicami olja. Pridobljeno z: vlab.amrita.edu
5. Wake Forest College. Preizkus o kapljicah olja Millikan. Pridobljeno: wfu.edu