MILLIKAN-KOE: MENETTELY, SELITYS, TÄRKEYS - FYYSINEN - 2026

Millikan kokeilu, suorittaa Robert Millikan (1868-1953) ja hänen opiskelija Harvey Fletcher (1884-1981), alkoi vuonna 1906 ja sen tarkoituksena oli tutkia ominaisuuksia sähkövaraus analysoiden liikkumisen tuhansia tippaa öljyä tasaisen sähkökentän keskellä.

Johtopäätös oli, että sähkövarauksella ei ollut mielivaltaista arvoa, mutta se tuli kerrannaisena 1,6 x 10 - ¹⁹ C, joka on elektronin perusvaraus. Lisäksi elektronin massa löydettiin.

Kuva 1. Vasemmalla alkuperäinen laite, jota Millikan ja Fletcher käyttivät kokeilussaan. Oikealla yksinkertaistettu kaavio siitä. Lähde: Wikimedia Commons / F. Zapata

Aikaisemmin fyysikko JJ Thompson oli kokeellisesti löytänyt tämän alkuainepartikkelin, jota hän kutsui "runkokerrokseksi", varaus-massa-suhteen, mutta ei kunkin suuruusluokan arvoja erikseen.

Tästä varaus- ja massa-suhteesta ja elektronin varauksesta määritettiin sen massan arvo: 9,11 x 10 - ³¹ kg.

Tarkoituksensa saavuttamiseksi Millikan ja Fletcher käyttivät sumutinlaitetta, joka ruiskutti hienon sumun öljypisarat. Jotkut pisaroista varautuivat sähköisesti ruiskun kitkan takia.

Varatut pisarat asettuivat hitaasti yhdensuuntaisille tasolevyelektrodeille, joista muutama kulki ylemmän levyn pienen reiän läpi, kuten kuvion 1 kaaviossa esitetään.

Rinnakkaislevyjen sisään on mahdollista luoda tasainen sähkökenttä kohtisuoraan levyihin nähden, joiden suuruutta ja napaisuutta säädettiin muuttamalla jännitettä.

Pisaroiden käyttäytymistä tarkkailtiin valaistamalla levyjen sisäpuoli kirkkaalla valolla.

Kokeen selitys

Jos pudotuksella on varaus, levyjen väliin luotu kenttä kohdistaa siihen voiman, joka vaikuttaa painovoimaan.

Ja jos se myös onnistuu pysymään ripustettuna, se tarkoittaa, että kenttä kohdistaa pystysuunnassa ylöspäin suuntautuvan voiman, joka tasapainottaa tarkalleen painovoiman. Tämä ehto riippuu q: n arvosta, pudotuksen varauksesta.

Itse asiassa Millikan havaitsi, että pellon päällekytkennän jälkeen jotkut tiput keskeytyivät, toiset alkoivat nousta tai jatkovat laskeutumistaan.

Säätämällä sähkökentän arvoa - esimerkiksi muuttuvan resistanssin kautta - voitaisiin tehdä pudotus pysyäkseen ripustettuna levyihin. Vaikka käytännössä sitä ei ole helppo saavuttaa, jos se tapahtuisi, vain kentän kohdistama voima ja painovoima vaikuttavat pudotukseen.

Jos pudotuksen massa on m ja sen varaus on q, tietäen, että voima on verrannollinen suuruusluokkaan E sovellettuun kenttään, Newtonin toisessa laissa todetaan, että molempien voimien on oltava tasapainossa:

G: n arvo, painovoiman kiihtyvyys, samoin kuin kentän suuruus E, joka riippuvat levyjen välille muodostetusta jännitteestä V ja näiden L: n etäisyydestä, ovat:

Kysymys oli löytää pienen öljypisaran massa. Kun tämä on suoritettu, varauksen q määrittäminen on täysin mahdollista. Luonnollisesti m ja q ovat vastaavasti öljypisaran massa ja varaus, ei elektroni.

Mutta… tippa latautuu, koska se menettää tai saa elektronit, joten sen arvo liittyy mainitun hiukkasen varaukseen.

Öljypisaran massa

Millikanin ja Fletcherin ongelmana oli määrittää pisaran massa, joka ei ole helppo tehtävä sen pienen koon takia.

Tietäen öljyn tiheyden, jos sinulla on tipan tilavuus, massa voidaan ratkaista. Mutta tilavuus oli myös hyvin pieni, joten tavanomaisilla menetelmillä ei ollut hyötyä.

Tutkijat tiesivät kuitenkin, että niin pienet esineet eivät pudota vapaasti, koska ilman tai ympäristön vastustuskyky puuttuu ja hidastaa niiden liikkumista. Vaikka hiukkanen vapautuessaan kentän ollessa sammutettuna kokee kiihtyneen pystysuuntaisen liikkeen ja alaspäin, se lopulta putoaa vakionopeudella.

Tätä nopeutta kutsutaan "terminaalinopeudeksi" tai "rajanopeudeksi", mikä pallon tapauksessa riippuu sen säteestä ja ilman viskositeetista.

Pellon puuttuessa Millikan ja Fletcher mittasivat pudottamiseen kuluvan ajan. Olettaen, että tipat olivat pallomaisia ​​ja joilla oli ilman viskositeetin arvo, ne onnistuivat määrittämään säteen epäsuorasti terminaalinopeudesta.

Tämä nopeus saadaan soveltamalla Stokesin lakia ja tässä on sen yhtälö:

- v _t on terminaalinopeus

- R on putouksen säde (pallomainen)

- η on ilman viskositeetti

- ρ on pudotuksen tiheys

Merkitys

Millikanin kokeilu oli ratkaisevan tärkeä, koska se paljasti useita fysiikan avainkysymyksiä:

I) Alkuainevaraus on elektroni, jonka arvo on 1,6 x 10 - ¹⁹ C, joka on yksi tieteen perusvakioista.

II) Mikä tahansa muu sähkövaraus tulee kerrannaisena perusvarauksesta.

III) Tietäen elektronin varauksen ja JJ Thomsonin varaus- ja massa-suhteen, elektronin massa oli mahdollista määrittää.

III) Pienten hiukkasten tasolla kuin perushiukkaset, gravitaatiovaikutukset ovat vähäiset verrattuna sähköstaattisiin.

Kuva 2. Millikan etualalla oikealla puolella Albert Einsteinin ja muiden merkittävien fyysikkojen rinnalla. Lähde: Wikimedia Commons.

Näistä löytöistä Millikan sai fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 1923. Hänen kokeilu on merkityksellinen myös siksi, että hän määritteli nämä sähkövarauksen perusominaisuudet yksinkertaisesta instrumentoinnista lähtien ja soveltamalla kaikille tunnettuja lakeja.

Millikania kritisoitiin kuitenkin siitä, että hän oli hylännyt monet havainnot kokeilussaan ilman näkyvää syytä vähentääkseen tulosten tilastollista virhettä ja tehdäkseen niistä "esitteellisempiä".

Tippaa erilaisia ​​latauksia

Millikan mittasi kokeilussaan monia, monia tippoja, eivätkä kaikki niistä olleet öljyä. Hän kokeili myös elohopeaa ja glyseriiniä. Kuten todettiin, kokeilu alkoi vuonna 1906 ja kesti muutaman vuoden. Kolme vuotta myöhemmin, vuonna 1909, ensimmäiset tulokset julkaistiin.

Tänä aikana hän sai erilaisia ​​varautuneita tippoja lyömällä röntgensäteitä levyjen läpi, jotta ionisoida ilma niiden välillä. Tällä tavalla vapautuvat varautuneet hiukkaset, jotka tiput voivat hyväksyä.

Lisäksi hän ei keskittynyt pelkästään suspendoituihin pisaroihin. Millikan havaitsi, että kun pudotukset nousivat, nousunopeus vaihteli myös toimitetun kuorman mukaan.

Ja jos tippa laski, tämä ylimääräinen lisäys, joka lisättiin röntgensäteiden väliintulon ansiosta, ei muuttanut nopeutta, koska kaikki pudotukseen lisättyjen elektronien massa on pienimuotoinen verrattuna itse pudotuksen massaan.

Riippumatta siitä, kuinka paljon varausta se lisäsi, Millikan havaitsi, että kaikki tipat hankkivat varauksia, jotka olivat kokonaislukumääräkertoimia tietyllä arvolla, joka on e, perusyksikkö, joka, kuten olemme sanoneet, on elektronin varaus.

Millikan sai alun perin tälle arvolle 1 592 x 10 ^-19 C, hieman alhaisempi kuin tällä hetkellä hyväksytty arvo, joka on 1 602 x 10 ^-19 C. Syynä on saattanut olla arvo, jonka hän antoi ilman viskositeetille yhtälössä määritä pudotuksen terminaalinopeus.

esimerkki

Levitating tippa öljyä

Näemme seuraavan esimerkin. Öljypisaran tiheys on ρ = 927 kg / m ^3, ja se vapautuu elektrodien keskelle, kun sähkökenttä on pois päältä. Pisara saavuttaa nopeasti terminaalinopeuden, jolloin säde määritetään, jonka arvo osoittautuu R = 4,37 x10 ^-7 m.

Yhtenäinen kenttä kytkeytyy päälle, on suunnattu pystysuoraan ylöspäin ja sen voimakkuus on 9,66 kN / C. Tällä tavalla saavutetaan, että tippa pysyy ripustettuna levossa.

Se kysyy:

a) Laske pisaran varaus

b) Etsi kuinka monta kertaa alkuainevaraus sisältyy pisaran varaukseen.

c) Määritä mahdollisuuksien mukaan kuorman merkki.

Kuva 3. Öljypisara vakiona olevan sähkökentän keskellä. Lähde: Fysiikan perusteet. Rex-Wolfson.

Ratkaisu

Aikaisemmin seuraava lauseke johdettiin pudotukselle levossa:

Pudotuksen massa määritetään laskemalla tiheys ja säde.

Täten:

Siksi pudotuksen maksu on:

Ratkaisu b

Tietäen, että peruskuorma on e = 1,6 x 10 ^-19 C, jaa edellisessä osassa saatu kuorma tällä arvolla:

Tuloksena on, että pisaran varaus on suunnilleen kaksi kertaa (n≈2) alkuainevaraus. Se ei ole tarkalleen kaksinkertainen, mutta tämä pieni ero johtuu kokeellisen virheen väistämättömästä esiintymisestä, samoin kuin pyöristyksestä jokaisessa edellisessä laskelmassa.

Ratkaisu c

Varauksen merkki on mahdollista määrittää, koska lausunto antaa tietoa pystysuoraan ylöspäin suunnatun kentän suunnasta sekä voimasta.

Sähkökenttäviivat alkavat aina positiivisilla varauksilla ja päättyvät negatiivisilla varauksilla, siksi alempi levy on varustettu + -merkillä ja ylempi levy - -merkillä (katso kuva 3).

Koska pudotus on suunnattu yllä olevaan levyyn kohti, kentän ohjaamana, ja koska vastakkaisten merkkien varaukset vetoavat, pudotuksella on oltava positiivinen varaus.

Itse asiassa pisaran pitäminen keskeytettynä ei ole helppo saavuttaa. Joten Millikan käytti pystysuuntaisia ​​siirtymiä (ylä- ja alamäkiä), joita pudotus kokenut, kun kenttä kytkettiin pois päältä ja päälle, sekä röntgenlatauksen ja matka-ajan muutokset arvioidakseen, kuinka paljon lisälaskua pudotus oli saanut.

Tämä saatu varaus on verrannollinen elektronin varaukseen, kuten olemme jo nähneet, ja se voidaan laskea nousu- ja laskuaikoilla, pudotusmassalla sekä g: n ja E: n arvoilla.

Viitteet

1. Avoin mieli. Millikan, fyysikko, joka tuli tapaamaan elektronia. Palautettu osoitteesta: bbvaopenmind.com
2. Rex, A. 2011. Fysiikan perusteet. Pearson.
3. Tippens, P. 2011. Fysiikka: Käsitteet ja sovellukset. 7. painos. McGraw Hill.
4. Amrita. Millikanin öljypudotuskoe. Haettu osoitteesta vlab.amrita.edu
5. Wake Forest -opisto. Millikanin öljypudotuskoe. Palautettu: wfu.edu