MILLIKANOV EXPERIMENT: POSTUP, VYSVETLENIE, DÔLEŽITOSŤ - FYZICKÝ - 2026

Millikan experiment , uskutočňujú cez Robert Millikan (1868-1953) spolu so svojím študentom Harvey Fletcher (1884 - 1981), sa začal v roku 1906 a jeho cieľom študovať vlastnosti elektrického náboja, analyzuje pohyb tisícov kvapiek ropy uprostred rovnomerného elektrického poľa.

Záver bol, že elektrický náboj nemal ľubovoľnú hodnotu, ale prišiel v násobkoch 1,6 x 10 ^-19 ° C, čo je základný náboj elektrónu. Okrem toho sa zistila hmotnosť elektrónu.

Obrázok 1. Vľavo pôvodný prístroj používaný Millikanom a Fletcherom v ich experimente. Vpravo je zjednodušená schéma. Zdroj: Wikimedia Commons / F. Zapata,

Predtým fyzik JJ Thompson experimentálne zistil vzťah náboj-hmotnosť tejto elementárnej častice, ktorú nazval „korpuskul“, ale nie hodnoty každej veľkosti osobitne.

Z tohto vzťahu náboj - hmotnosť a náboja elektrónu sa určila hodnota jeho hmotnosti: 9,11 x 10 - ³¹ kg.

Na dosiahnutie svojho cieľa Millikan a Fletcher použili rozprašovač, ktorý rozprašoval jemnú hmlu olejových kvapiek. Niektoré kvapôčky boli elektricky nabité v dôsledku trenia v postrekovači.

Nabité kvapky sa pomaly usadili na paralelných plochých elektródach, kde niekoľko z nich prešlo malým otvorom v hornej doske, ako je to znázornené na obrázku 1.

Vo vnútri rovnobežných dosiek je možné vytvoriť rovnomerné elektrické pole kolmé na platne, ktorých veľkosť a polarita bola riadená úpravou napätia.

Správanie sa kvapiek bolo pozorované osvetlením vnútrajšku dosiek jasným svetlom.

Vysvetlenie experimentu

Ak má kvapka náboj, pole vytvorené medzi doskami pôsobí na ňu silou, ktorá pôsobí proti gravitácii.

A ak sa mu aj podarí zostať pozastavený, znamená to, že pole vyvíja vertikálnu silu nahor, ktorá presne vyrovnáva gravitáciu. Tento stav bude závisieť od hodnoty q, poplatku za kvapku.

Millikan skutočne poznamenal, že po zapnutí poľa boli niektoré kvapky pozastavené, iné začali stúpať alebo zostupovať.

Úpravou hodnoty elektrického poľa - napríklad prostredníctvom premenlivého odporu - by sa mohla urobiť kvapka, ktorá by zostala zavesená vo vnútri dosiek. Aj keď v praxi nie je ľahké dosiahnuť, ak k tomu dôjde, na pokles pôsobí iba sila, ktorú vyvíja pole a gravitácia.

Ak je hmotnosť kvapky ma jej náboj je q, s vedomím, že sila je úmerná použitému poľu veľkosti E, Newtonov druhý zákon uvádza, že obe sily musia byť vyvážené:

Je známa hodnota g, zrýchlenie gravitácie, ako aj veľkosť poľa E, ktoré závisí od napätia V medzi platňami a oddeľovania týchto L, ako:

Otázkou bolo nájsť množstvo malej kvapky oleja. Len čo sa to dosiahne, je stanovenie náboja q úplne možné. Prirodzene, m a q sú hmotnosť a náboj olejovej kvapky, nie elektrón.

Ale … kvapka je nabitá, pretože stráca alebo získava elektróny, takže jej hodnota súvisí s nábojom uvedenej častice.

Hmotnosť kvapky oleja

Problémom Millikana a Fletchera bolo určiť hmotnosť kvapky, čo nie je ľahká úloha kvôli jej malej veľkosti.

Ak viete hustotu oleja, ak máte objem kvapky, hmotu je možné vyriešiť. Objem bol ale tiež veľmi malý, takže konvenčné metódy boli zbytočné.

Vedci však vedeli, že také malé predmety voľne neklesajú, pretože zasahuje odpor vzduchu alebo životného prostredia, čo spomaľuje ich pohyb. Aj keď častice, keď sú vypustené s vypnutým poľom, zažívajú zrýchlený vertikálny pohyb a smerom dole, nakoniec klesá konštantnou rýchlosťou.

Táto rýchlosť sa nazýva „konečná rýchlosť“ alebo „limitná rýchlosť“, ktorá v prípade gule závisí od jej polomeru a viskozity vzduchu.

Pri absencii poľa Millikan a Fletcher merali čas potrebný na pád kvapiek. Za predpokladu, že kvapky boli sférické a s hodnotou viskozity vzduchu, dokázali určiť polomer nepriamo z koncovej rýchlosti.

Túto rýchlosť nájdeme uplatnením Stokesovho zákona a tu je jej rovnica:

- v _t je koncová rýchlosť

- R je polomer kvapky (sférický)

- η je viskozita vzduchu

- ρ je hustota kvapky

dôležitosť

Millikanov experiment bol rozhodujúci, pretože odhalil niekoľko kľúčových aspektov fyziky:

I) Elementárny náboj je náboj elektrónu, ktorého hodnota je 1,6 x 10 - ¹⁹ ° C, jedna zo základných konštánt vedy.

II) Akýkoľvek iný elektrický náboj je násobkom základného náboja.

III) Znalosť náboja elektrónu a vzťahu náboj-hmotnosť JJ Thomsona, bolo možné určiť hmotnosť elektrónu.

III) Na úrovni častíc malých ako elementárne častice sú gravitačné účinky zanedbateľné v porovnaní s elektrostatickými.

Obrázok 2. Millikan v popredí vpravo, spolu s Albertom Einsteinom a ďalšími významnými fyzikmi. Zdroj: Wikimedia Commons.

Millikan získal za tieto objavy Nobelovu cenu za fyziku v roku 1923. Jeho experiment je tiež dôležitý, pretože určil tieto základné vlastnosti elektrického náboja, počínajúc jednoduchou prístrojovou technikou a uplatňoval zákony všeobecne známe všetkým.

Millikanovi však bolo vytýkané, že za jeho experiment vylúčil veľa pozorovaní, a to bez zjavného dôvodu, aby sa znížila štatistická chyba výsledkov a urobili sa „viac reprezentatívnymi“.

Kvapky s rôznymi poplatkami

Millikan vo svojom experimente zmeral veľa, veľa kvapiek a nie všetky boli olejom. Skúsil tiež ortuť a glycerín. Ako bolo uvedené, experiment sa začal v roku 1906 a trval niekoľko rokov. O tri roky neskôr, v roku 1909, boli uverejnené prvé výsledky.

Počas tejto doby získal rôzne nabité kvapky nárazom röntgenového lúča doskami, aby medzi nimi ionizoval vzduch. Týmto spôsobom sa uvoľňujú nabité častice, ktoré môžu kvapky prijať.

Okrem toho sa nezameriaval iba na visiace kvapky. Millikan poznamenal, že keď kvapky vzrástli, rýchlosť nárastu sa tiež líšila v závislosti od dodaného zaťaženia.

A ak pokles klesol, tento dodatočný poplatok, ktorý sa pridal vďaka zásahu röntgenového lúča, nezmenil rýchlosť, pretože akákoľvek hmotnosť elektrónov pridaných do kvapky je nepatrná v porovnaní s hmotnosťou kvapky samotnej.

Bez ohľadu na to, koľko poplatku to prinieslo, Millikan zistil, že všetky kvapky získali náboje, ktoré boli celočíselnými násobkami určitej hodnoty, čo je e, základná jednotka, ktorá, ako sme povedali, je náboj elektrónu.

Millikan spočiatku získal 1 592 x 10 ^-19 ° C pre túto hodnotu, o niečo menšiu ako aktuálne akceptovaná hodnota, ktorá je 1 602 x 10 ^-19 ° C. Dôvodom mohla byť hodnota, ktorú dal viskozite vzduchu v rovnici pre určiť konečnú rýchlosť poklesu.

príklad

Levitácia kvapky oleja

Vidíme nasledujúci príklad. Kvapiek oleja má hustotu ρ = 927 kg / m ³ , a je uvoľnený do stredu elektródy s elektrickým poľom off. Kvapôčka rýchlo dosiahne koncovú rýchlosť, čím sa stanoví polomer, ktorého hodnota sa ukáže ako R = 4,37 x ^10-7 m.

Jednotné pole sa zapne, je nasmerované vertikálne nahor a má veľkosť 9,66 kN / C. Týmto spôsobom sa dosiahne, že kvapka zostane zavesená v pokoji.

Pýta sa:

a) Vypočítajte náboj kvapiek

b) Zistite, koľkokrát je elementárny náboj obsiahnutý v poplatku za pokles.

c) Ak je to možné, určte značku nákladu.

Obrázok 3. Kvapôčka oleja uprostred konštantného elektrického poľa. Zdroj: Základy fyziky. Rex-Wolfson.

Riešenie

Predtým bol nasledujúci výraz odvodený pre kvapku v pokoji:

Pri znalosti hustoty a polomeru kvapky sa určuje hmotnosť kvapky:

teda:

Preto je poplatok za kvapku:

Riešenie b

S vedomím, že základné zaťaženie je e = 1,6 x 10 ^-19 ° C, vydelte zaťaženie získané v predchádzajúcej časti touto hodnotou:

Výsledkom je, že náboj pri poklese je približne dvakrát (n≈2) elementárny náboj. Nie je to presne dvojnásobok, ale tento mierny rozdiel je spôsobený nevyhnutnou prítomnosťou experimentálnej chyby a zaokrúhľovaním v každom z predchádzajúcich výpočtov.

Riešenie c

Znak poplatku je možné určiť vďaka skutočnosti, že vyhlásenie poskytuje informácie o smere poľa, ktorý je nasmerovaný zvisle nahor, ako aj o sile.

Elektrické elektrické vedenia začínajú vždy kladnými nábojmi a končia zápornými nábojmi, preto je spodná doska nabitá znamienkom + a horná doska znamienkom - (pozri obrázok 3).

Pretože kvapka je nasmerovaná na dosku nad ňou, poháňaná poľom, a pretože náboje opačného znamienka sa navzájom priťahujú, musí mať kvapka kladný náboj.

V skutočnosti nie je ľahké dosiahnuť zavesenie kvapky. Millikan teda použil vertikálne posuny (stúpania a klesania), ktoré pokles zaznamenal vypnutím a zapnutím poľa, plus zmeny v nábojoch röntgenových lúčov a dobách cestovania, aby odhadol, koľko dodatočného poplatku získal pokles.

Získaný náboj je, ako sme už videli, úmerný náboju elektrónu a dá sa vypočítať s dobou nábehu a pádu, hmotnosťou kvapky a hodnotami g a E.

Referencie

1. Otvorená myseľ. Millikan, fyzik, ktorý prišiel navštíviť elektrón. Obnovené z: bbvaopenmind.com
2. Rex, A. 2011. Základy fyziky. Pearson.
3. Tippens, P. 2011. Fyzika: Koncepty a aplikácie. 7. vydanie. McGraw Hill.
4. Amrita. Millikanov experiment s poklesom oleja. Zdroj: vlab.amrita.edu
5. Wake Forest College. Pokus s olejom Millikan Experiment. Získané z: wfu.edu