MILLIKANŮV EXPERIMENT: POSTUP, VYSVĚTLENÍ, VÝZNAM - FYZICKÝ - 2025

Millikan experiment, uskutečňují přes Robert Millikan (1868-1953) spolu se svým studentem Harvey Fletcher (1884 - 1981), byl zahájen v roce 1906 a jeho cílem studovat vlastnosti elektrického náboje, analyzuje pohyb tisíců kapek oleje uprostřed stejného elektrického pole.

Závěr byl ten, že elektrický náboj neměl libovolnou hodnotu, ale přišel v násobcích 1,6 x 10 ^-19 ° C, což je základní náboj elektronu. Kromě toho byla zjištěna hmotnost elektronu.

Obrázek 1. Na levé straně původní aparát používaný Millikanem a Fletcherem v jejich experimentu. Vpravo jeho zjednodušený diagram. Zdroj: Wikimedia Commons / F. Zapata, Dříve fyzik JJ Thompson experimentálně našel vztah náboj-hmotnost této elementární částice, kterou nazval „korpuskula“, ale nikoli hodnoty každé velikosti zvlášť.

Z tohoto vztahu náboj - hmotnost a náboje elektronu byla stanovena hodnota jeho hmotnosti: 9,11 x 10 ^{- 31} kg.

K dosažení svého účelu použili Millikan a Fletcher rozprašovač, který stříkal jemnou mlhu olejových kapiček. Některé kapičky byly elektricky nabíjeny kvůli tření v postřikovači.

Nabité kapky se pomalu usazovaly na paralelních elektrodách s plochými deskami, kde několik prošlo malým otvorem v horní desce, jak je znázorněno na obrázku na obrázku 1.

Uvnitř rovnoběžných desek je možné vytvořit rovnoměrné elektrické pole kolmé k deskám, jejichž velikost a polarita byla řízena úpravou napětí.

Chování kapek bylo pozorováno osvětlením vnitřku desek jasným světlem.

Vysvětlení experimentu

Pokud má kapka náboj, pole vytvořené mezi talíři na ni působí silou, která působí proti gravitaci.

A pokud se mu také podaří zůstat zavěšeno, znamená to, že pole vyvíjí vzestupnou vertikální sílu, která přesně vyrovnává gravitaci. Tato podmínka bude záviset na hodnotě q, poplatku za pokles.

Millikan skutečně poznamenal, že po zapnutí pole byly některé kapky pozastaveny, jiné začaly stoupat nebo pokračovaly v sestupu.

Úpravou hodnoty elektrického pole - například proměnlivým odporem - by mohla být provedena kapka, která by zůstala zavěšena uvnitř desek. Ačkoli v praxi není snadné dosáhnout, pokud by se to stalo, na pokles působí pouze síla působící polem a gravitace.

Pokud je hmotnost kapky ma její náboj je q, s vědomím, že síla je úměrná aplikovanému poli velikosti E, Newtonův druhý zákon říká, že obě síly musí být vyváženy:

Hodnota g, zrychlení gravitace je známá, stejně jako velikost E pole, která závisí na napětí V vytvořeném mezi deskami a oddělení mezi těmito L, jako:

Otázkou bylo najít množství malé kapky oleje. Jakmile je toho dosaženo, je stanovení náboje q naprosto možné. Přirozeně, m a q jsou příslušně hmotnost a náboj kapky oleje, nikoli elektron.

Ale… kapka je nabita, protože ztrácí nebo získává elektrony, takže její hodnota souvisí s nábojem uvedené částice.

Hmotnost kapky oleje

Millikanem a Fletcherovým problémem bylo určit hmotnost kapky, ne snadný úkol kvůli její malé velikosti.

Znalost hustoty oleje, pokud máte objem kapky, lze hmotu vyřešit. Objem byl ale také velmi malý, takže konvenční metody nebyly k ničemu.

Vědci však věděli, že takové malé předměty nespadají volně, protože odpor vzduchu nebo životního prostředí zasahuje a zpomaluje jejich pohyb. Ačkoli částice, když se uvolní s vypnutým polem, zažije zrychlený vertikální pohyb a směrem dolů, ale končí konstantní rychlostí.

Tato rychlost se nazývá „koncová rychlost“ nebo „mezní rychlost“, která v případě koule závisí na jejím poloměru a viskozitě vzduchu.

V nepřítomnosti pole Millikan a Fletcher změřili dobu, po kterou kapky klesly. Za předpokladu, že kapky byly sférické a s hodnotou viskozity vzduchu, dokázaly určit poloměr nepřímo z koncové rychlosti.

Tato rychlost je nalezena použitím Stokesova zákona a zde je jeho rovnice:

- v _t je koncová rychlost

- R je poloměr kapky (kulový)

- η je viskozita vzduchu

- ρ je hustota kapky

Důležitost

Millikanův experiment byl rozhodující, protože odhalil několik klíčových aspektů ve fyzice:

I) Elementární náboj je náboj elektronu, jehož hodnota je 1,6 x 10 - ¹⁹ C, jedna ze základních konstant vědy.

II) Jakýkoli jiný elektrický náboj přichází v násobcích základního náboje.

III) Znát náboj elektronu a vztah náboj-hmotnost JJ Thomsona, bylo možné určit hmotnost elektronu.

III) Na úrovni malých částic jako elementárních částic jsou gravitační účinky zanedbatelné ve srovnání s elektrostatickými.

Obrázek 2. Millikan v popředí vpravo, vedle Alberta Einsteina a dalších významných fyziků. Zdroj: Wikimedia Commons.

Millikan získal za tyto objevy Nobelovu cenu za fyziku v roce 1923. Jeho experiment je také relevantní, protože určil tyto základní vlastnosti elektrického náboje, počínaje jednoduchou instrumentací a aplikováním zákonů dobře známým všem.

Millikan však byl kritizován za to, že v experimentu zahodil mnoho pozorování, a to bez zjevného důvodu, aby se snížila statistická chyba výsledků a učinily je více „prezentovatelnými“.

Kapky s různými poplatky

Millikan měřil mnoho, mnoho kapek ve svém experimentu a ne všechny z nich byly oleje. Vyzkoušel také rtuť a glycerin. Jak bylo uvedeno, experiment začal v roce 1906 a trval několik let. O tři roky později, v roce 1909, byly zveřejněny první výsledky.

Během této doby získal řadu nabitých kapek nárazem rentgenového záření skrz desky, aby ionizoval vzduch mezi nimi. Tímto způsobem se uvolní nabité částice, které kapky mohou přijmout.

Kromě toho se nezaměřoval pouze na zavěšené kapičky. Millikan poznamenal, že když kapky vzrostly, rychlost růstu se také lišila v závislosti na dodávaném nákladu.

A pokud pokles klesl, tento dodatečný poplatek přidaný díky zásahu rentgenového záření nezměnil rychlost, protože jakákoli hmotnost elektronů přidaných do kapky je nepatrná ve srovnání s hmotností kapky samotné.

Bez ohledu na to, kolik poplatků to přidalo, Millikan zjistil, že všechny kapky získaly náboje, které byly celočíselnými násobky určité hodnoty, což je e, základní jednotka, která, jak jsme řekli, je náboj elektronu.

Millikan zpočátku získal pro tuto hodnotu 1 592 x 10 ^-19 ° C, o něco nižší než aktuálně přijímaná hodnota, která je 1 602 x 10 ^-19 C. Důvodem může být hodnota, kterou dal viskozitě vzduchu v rovnici pro určete konečnou rychlost poklesu.

Příklad

Levitující kapka oleje

Vidíme následující příklad. Kapek oleje má hustotu ρ = 927 kg / m ³, a je uvolněn do středu elektrody s elektrickým polem off. Kapička rychle dosáhne koncové rychlosti, čímž se stanoví poloměr, jehož hodnota se ukáže jako R = 4,37 x ^10-7 m.

Jednotné pole se zapne, je směrováno svisle nahoru a má velikost 9,66 kN / C. Tímto způsobem se dosáhne toho, že kapka zůstane zavěšena v klidu.

Ptá se:

a) Vypočtěte náboj kapek

b) Zjistěte, kolikrát je elementární náboj obsažen v poplatku za pokles.

c) Pokud je to možné, určete označení nákladu.

Obrázek 3. Kapička oleje uprostřed konstantního elektrického pole. Zdroj: Základy fyziky. Rex-Wolfson.

Řešení

Dříve byl následující výraz odvozen pro kapku v klidu:

Při znalosti hustoty a poloměru kapky se určuje hmotnost kapky:

Tím pádem:

Poplatek za pokles je tedy:

B. Řešení

S vědomím, že základní zatížení je e = 1,6 x 10 ^-19 ° C, vydělte zatížení získané v předchozí sekci touto hodnotou:

Výsledkem je, že náboj na kapce je přibližně dvakrát (n≈2) elementární náboj. Není to přesně dvojnásobek, ale tento mírný nesoulad je způsoben nevyhnutelnou přítomností experimentální chyby a zaokrouhlováním v každém z předchozích výpočtů.

Řešení c

Znaménko náboje je možné určit díky skutečnosti, že prohlášení poskytuje informace o směru pole, které je směrováno svisle nahoru, a také o síle.

Elektrické vedení pole vždy začíná kladným nábojem a končí záporným nábojem, proto je spodní deska nabita znaménkem + a horní deska znaménkem - (viz obrázek 3).

Protože kapka je nasměrována na desku nahoře, poháněna polem, a protože nálože opačného znaménka se vzájemně přitahují, musí mít kapka kladný náboj.

Ve skutečnosti není snadné dosáhnout kapky zavěšené. Millikan tedy použil svislé posuny (nahoru a dolů), které pokles zaznamenal vypnutím a zapnutím pole, plus změny rentgenového náboje a doby cestování, aby odhadl, kolik dodatečného poplatku tento pokles získal.

Tento nabitý náboj je, jak jsme již viděli, úměrný náboji elektronu a lze jej vypočítat s dobou náběhu a pádu, hmotností kapky a hodnotami g a E.

Reference

1. Otevřená mysl. Millikan, fyzik, který přišel navštívit elektron. Obnoveno z: bbvaopenmind.com
2. Rex, A. 2011. Základy fyziky. Pearson.
3. Tippens, P. 2011. Fyzika: Koncepty a aplikace. 7. vydání. McGraw Hill.
4. Amrita. Millikanův experiment s kapkami oleje. Citováno z: vlab.amrita.edu
5. Wake Forest College. Millikanova ropná kapka Experiment. Obnoveno z: wfu.edu