Millikan -Experimentverfahren, Erklärung, Wichtigkeit

Er Millikan -Experiment, durchgeführt von Robert Millikan (1868-1953) mit seinem Studenten Harvey Fletcher (1884-1981), begann 1906 und zielte darauf ab, die Eigenschaften der elektrischen Ladung zu untersuchen und die Bewegung von Tausenden von Ölabfällen in der Mitte eines einheitlichen elektrischen Elektros zu analysieren Feld.

Die Schlussfolgerung war, dass die elektrische Ladung keinen willkürlichen Wert hatte, sondern dass sie in Vielfachen von 1 kam.6 x 10^-19 C, das ist die grundlegende Belastung des Elektrons. Zusätzlich wurde die Elektronenmasse gefunden.

Abbildung 1. Links das ursprüngliche Gerät, das Millikan und Fletcher in ihrem Experiment verwendet haben. Auf der rechten Seite ein vereinfachtes Schema desselben. Quelle: Wikimedia Commons/f. Zapata,

Früher das physische j.J. Thompson hatte experimentell die Last-Mandy-Beziehung dieses Elementarteilchens gefunden, das er als "Korpuskel" bezeichnete, aber nicht die Werte jeder Größe getrennt.

Aus dieser Last - Massenbeziehung und der Elektronenlast wurde der Wert seiner Masse bestimmt: 9.11 x 10^-31 Kg.

Um ihren Zweck zu erreichen, servierten Millikan und Fletcher einen Zerstäuber, mit dem ein feiner Nebel Öltropfen gesprüht wurde. Einige der Tropfen wurden dank der Reibung im Sprühgerät elektrisch beladen.

Beladene Tropfen setzten sich langsam auf parallelen flachen Plaque -Elektroden ab, wo einige durch ein kleines Loch in der oberen Platte fuhren, wie im Schema von Abbildung 1 gezeigt.

Innerhalb paralleler Platten Es ist möglich, ein gleichmäßiges elektrisches Feld und senkrecht zu den Platten zu erzeugen, deren Größe und Polarität durch Modifizierung der Spannung gesteuert wurden.

Das Verhalten der Tropfen wurde beobachtet, indem das Innere der Platten mit einem hellen Licht beleuchtet wurde.

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Erklärung des Experiments

Wenn der Tropfen eine Last hat, übt das Feld, das zwischen den Platten erzeugt wird, eine Kraft darauf aus, die der Schwerkraft entgegenwirkt.

Und wenn es auch suspendiert werden kann, bedeutet dies, dass das Feld eine vertikale Kraft ausübt, die genau zur Schwerkraft ausbalanciert wird. Diese Bedingung hängt vom Wert von ab Q, die Ladung der Gicht.

In der Tat stellte Millikan fest, dass nach dem Einschalten des Feld.

Einstellen des Wertes des variablen Widerstands des elektrischen Feldes durch Einstellen von -beispielsweise kann ein Abfall in den Platten suspendiert bleiben. Obwohl es in der Praxis nicht leicht zu erreichen ist, falls es geschehen ist.

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Wenn die Masse des Tropfens ist M Und seine Ladung ist Q, Zu wissen, dass die Kraft proportional zum angelegten Größenfeld ist UND, Newtons zweites Gesetz stellt fest, dass beide Kräfte ausgeglichen werden müssen:

mg = q.UND

Q = mg/e

Der Wert von G, Die Beschleunigung der Schwerkraft ist sowie die Größe bekannt UND des Feldes, was von der Spannung abhängt V zwischen den Platten und der Trennung zwischen diesen etabliert L, als:

E = v/l

Die Frage war, die Masse des winzigen Öltropfens zu finden. Sobald dies erreicht ist, bestimmen Sie die Last Q Es ist durchaus möglich. Natürlich das M Und Q Sie sind jeweils die Masse und die Last des Ölabfalls, nicht die des Elektrons.

Aber ... der Tropfen ist geladen, weil er Elektronen verliert oder gewinnt, so.

Die Masse des Ölabfalls

Das Problem von Millikan und Fletcher bestand darin, die Masse eines Tropfens zu bestimmen, eine Aufgabe, die aufgrund der geringen Größe nicht einfach ist.

Wenn Sie das Volumenvolumen haben, kann der Teig gelöscht werden. Das Volumen war aber auch sehr klein, daher waren die herkömmlichen Methoden nicht nützlich.

Die Forscher wussten jedoch, dass solche kleinen Objekte nicht frei fallen, da der Widerstand der Luft oder der Umwelt durch Verlangsamung ihrer Bewegung eingreift. Obwohl das Partikel, wenn er mit dem Off -Feld freigesetzt wird.

Bei dieser Geschwindigkeit wird es als "Anschlussgeschwindigkeit" oder "Grenzgeschwindigkeit" bezeichnet, was im Fall einer Kugel von seinem Radius und seiner Luftviskosität abhängt.

In Abwesenheit von Feld maß Millikan und Fletcher die Zeit, als die Tropfen zum Sturz benötigten. Unter der Annahme, dass die Tropfen kugelförmig waren und mit dem Wert der Viskosität der Luft befestigt wurden, um den Radius indirekt von der Klemmengeschwindigkeit zu bestimmen.

Diese Geschwindigkeit wendet das Stokes -Gesetz an und hier ist seine Gleichung:

 Wo:

-v_T ist die Terminalgeschwindigkeit

-R Es ist der Radius der Gicht (sphärisch)

-η Es ist die Viskosität der Luft

-ρ Es ist die Dichte der Gicht

Bedeutung

Millikans Experiment war entscheidend, da es mehrere wichtige Aspekte in der Physik zeigte:

I) Die Elementarlast ist die des Elektrons, dessen Wert 1 beträgt.6 x 10 ^-19 C, einer der grundlegenden Konstanten der Wissenschaft.

Ii) Jede andere elektrische Ladung ist in mehrfacher Grundlast erhältlich.

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Iii) Kennen Sie die Ladung des Elektrons und des Last-MASA-Verhältnisses von J.J. Thomson, es war möglich, die Elektronenmasse zu bestimmen.

Iii) Bei Partikeln, die so klein wie Elementarteilchen sind, sind Gravitationseffekte gegen elektrostatisch vernachlässigbar.

Figur 2. Millikan im Vordergrund rechts neben Albert Einstein und anderen bemerkenswerten Physikern. Quelle: Wikimedia Commons.

Millikan erhielt 1923 den Nobelpreis für Physik für diese Entdeckungen. Sein Experiment ist auch relevant, da er diese grundlegenden Eigenschaften der elektrischen Ladung festgelegt hat, basierend auf einfachen Instrumenten und Anwenden von Gesetzen, die allen bekannt sind.

Millikan wurde jedoch dafür kritisiert, dass er viele Beobachtungen in seinem Experiment ohne offensichtlichen Grund ausgeschlossen hatte, um den statistischen Fehler der Ergebnisse zu verringern und dass sie "präsentierbarer" waren.

Tropfen mit einer Vielzahl von Lasten

Millikane hat viele Tropfen in seinem Experiment gemessen und nicht alle waren Öl. Er testete auch mit Quecksilber und Glycerin. Wie bereits erwähnt, begann das Experiment 1906 und erweiterte sich einige Jahre lang. Drei Jahre später, im Jahr 1909, wurden die ersten Ergebnisse veröffentlicht.

Während dieser Zeit erhielt er eine Vielzahl von Lasten, die durch Beeinflussung von X -Strahlen durch die Platten beladen waren, um die Luft zwischen ihnen zu ionisieren. Auf diese Weise werden beladene Partikel freigesetzt, die Tropfen akzeptieren können.

Außerdem konzentrierte es sich nicht nur auf suspendierte Tropfen. Millikan beobachtete, dass die Anstiegsgeschwindigkeit, wenn die Tropfen bestanden, je nach gelieferter Last variiert wurde.

Und wenn der Tropfen abfällt, war diese zusätzliche Last dank der Intervention der X -Strahlen nicht unterschiedlich, da eine Masse von Elektronen, die zum Tropfen hinzugefügt wurden.

Unabhängig davon, wie viel Ladung er hinzugefügt hat, stellte Millikan fest Und, Die grundlegende Einheit ist, wie wir gesagt haben.

Millikan erhielt zunächst 1.592 x 10^-19 C für diesen Wert, etwas niedriger als der derzeit akzeptierte Wert, das ist 1.602 x 10^-19 C. Der Grund könnte der Wert gewesen sein, den es der Viskosität der Luft in der Gleichung gegeben hat, um die Anschlussgeschwindigkeit des Tropfens zu bestimmen.

Beispiel

Einen Ölabfall schweben

Wir sehen das folgende Beispiel. Ein Öltropfen hat Dichte ρ = 927 kg/m³ und wird in der Mitte der Elektroden mit dem elektrischen Feld freigesetzt. Das Tröpfchen erreicht schnell die Klemmengeschwindigkeit, wobei der Radius bestimmt wird und dessen Wert R = 4,37 x 10 beträgt^-7 M.

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Das gleichmäßige Feld ist eingeschaltet, vertikal nach oben gerichtet und hat eine Größe von 9,66 kN/c . Auf diese Weise wird erreicht, dass der Tropfen in Ruhe suspendiert wird.

Es wird angefordert:

a) Berechnen Sie die Tropfenlast

b) Finden Sie, wie oft die Elementarlast in der Tropfenlast enthalten ist.

c) Bestimmen Sie, wenn möglich, das Vorzeichen der Last.

Figur 3. Ein Öltröpfchen in der Mitte eines konstanten elektrischen Feldes. Quelle: Grundlagen der Physik. Rex-Wolfson.

Lösung für

Zuvor wurde der folgende Ausdruck für einen Ruhestropfen abgeleitet:

Q = mg/e

Kennt man die Dichte und den Radius der Gicht und wird bestimmt:

ρ = m /v

V = (4/3) πr³

Deshalb:

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

Daher ist die Last des Tropfens:

Q = mg/e = 3.24 x 10^-16 kg x 9.8 m/s²/9660 n = 3.3 x 10^-19 C

Lösung b

Zu wissen, dass die grundlegende Belastung e = 1 ist.6 x 10 ^-19 C, die im vorherige Abschnitt erhaltene Last ist durch diesen Wert geteilt:

n = q/e = 3.3 x 10^-19 C/1.6 x 10 ^-19 C = 2.05

Das Ergebnis besteht. Es ist nicht genau das Doppel.

Lösung c

Ja, es ist möglich, das Zeichen der Last zu bestimmen, dank der Tatsache, dass die Erklärung Informationen über die Richtung des Feldes gibt, die vertikal nach oben gerichtet ist, genau wie die Kraft.

Die elektrischen Feldleitungen beginnen immer von positiven Lasten und enden in negativen Lasten. Daher wird die untere Platte mit Vorzeichen + und der obigen mit einem Vorzeichen geladen - (siehe Abbildung 3).

Da der Tropfen auf die vom Feld angetriebene Platte gerichtet ist und die gegenüberliegenden Vorzeichenbelastungen angezogen werden, muss der Tropfen eine positive Ladung haben.

Eigentlich ist es nicht einfach, den suspendierten Tropfen zu erhalten. Also verwendete Millikan die vertikalen Verschiebungen (UPS.

Diese erworbene Last ist proportional zur Elektronenlast, wie wir bereits gesehen haben, und kann mit dem Anstieg und den Abstiegszeiten, der Masse des Tropfens und den Werten von berechnet werden G Und UND.

Verweise

1. Aufgeschlossen. Millikan, der Physiker, der kam, um das Elektron zu sehen. Erholt von: bbvaopenmind.com
2. Rex, a. 2011. Grundlagen der Physik. Pearson.
3. Tippens, p. 2011. Physik: Konzepte und Anwendungen. 7. Ausgabe. McGraw Hill.
4. Amrit.  Millikans Ölabfall -Experiment. Erholt von: vlab.Amrit.Edu
5. Wake Forest College. Millikans Ölabfall -Experiment. Erholt von: WFU.Edu