Millikan experimentprocedure, uitleg, belang

Hij Millikan Experiment, uitgevoerd door Robert Millikan (1868-1953) met zijn student Harvey Fletcher (1884-1981), begon in 1906 en was bedoeld om de eigenschappen van de elektrische lading te bestuderen, waarbij de beweging van duizenden oliedruppels in het midden van een uniform elektrisch werd geanalyseerd veld.

De conclusie was dat de elektrische lading geen willekeurige waarde had, maar dat deze in veelvouden van 1 kwam.6 x 10^-19 C, wat de fundamentele belasting van het elektron is. Bovendien werd de elektronenmassa gevonden.

Figuur 1. Links links het originele apparaat dat Millikan en Fletcher in hun experiment gebruiken. Aan de rechterkant een vereenvoudigd schema van hetzelfde. Bron: Wikimedia Commons/F. Zapata,

Voorheen de fysieke J.J. Thompson had experimenteel de load-mandy relatie van dit elementaire deeltje gevonden, die hij "corpuscle" noemde, maar niet de waarden van elke grootte afzonderlijk.

Uit deze belasting - massatrelatie en de elektronenbelasting, werd de waarde van de massa bepaald: 9.11 x 10^-31 Kg.

Om hun doel te bereiken, dienden Millikan en Fletcher een verstuiver waarmee een fijne mist van oliedruppels werd gespoten. Sommige druppels werden elektrisch geladen dankzij wrijving in de spuiter.

Geladen druppels vestigden zich langzaam op parallelle platte plaque -elektroden, waar een paar door een klein gat in de bovenste plaat gingen, zoals weergegeven in het schema van figuur 1.

Binnen parallelle platen is het mogelijk om een ​​uniform elektrisch veld te creëren en loodrecht op de platen, waarvan de grootte en polariteit werden geregeld door de spanning te wijzigen.

Het gedrag van de druppels werd waargenomen door de binnenkant van de platen te verlichten met een fel licht.

[TOC]

Verklaring van het experiment

Als de druppel een lading heeft, oefent het veld dat tussen de platen is gemaakt, een kracht uit die de zwaartekracht tegengaat.

En als het er ook in slaagt te worden geschorst, betekent dit dat het veld een verticale kracht uitoefent, die precies in evenwicht is met de zwaartekracht. Deze voorwaarde is afhankelijk van de waarde van Q, de lading van de jicht.

Inderdaad, Millikan merkte op dat na het aan het veld aan te gaan, sommige druppels werden geschorst, anderen begonnen te klimmen of verder dalen.

Het aanpassen van de waarde van het elektrische veld -door de variabele weerstand, bijvoorbeeld -Een druppel kan in de platen worden gesuspendeerd. Hoewel het in de praktijk niet eenvoudig is om te bereiken, voor het geval het is gebeurd, werkt alleen de kracht die door het veld wordt uitgeoefend en de zwaartekracht op de daling.

Kan u van dienst zijn: absorptie: wat is, voorbeelden en oefeningen opgelost

Als de massa van de druppel is M En de belasting is Q, Wetende die kracht is evenredig met het uitgeoefende veld van grootte EN, De tweede wet van Newton stelt vast dat beide krachten in evenwicht moeten zijn:

mg = q.EN

Q = mg/e

De waarde van G, De versnelling van de zwaartekracht is bekend, evenals de grootte EN van het veld, dat afhangt van de spanning V gevestigd tussen de platen en de scheiding tussen deze L, als:

E = v/l

De vraag was om de massa van de kleine druppel olie te vinden. Zodra dit is bereikt, bepaalt u de belasting Q Het is perfect mogelijk. Natuurlijk dat M En Q Ze zijn respectievelijk de massa en de belasting van de druppel olie, niet die van de elektron.

Maar ... de druppel wordt geladen omdat deze elektronen verliest of wint, dus de waarde ervan is gerelateerd aan de belasting van deze deeltjes.

De massa van de oliedruppel

Millikan en Fletcher's probleem was om de massa van een druppel te bepalen, een taak die niet gemakkelijk is vanwege de kleine omvang ervan.

Als u de dichtheid van de olie kent, kan het deeg worden gewist als u het volume -volume hebt. Maar het volume was ook erg klein, dus de conventionele methoden waren niet nuttig.

Onderzoekers wisten echter dat dergelijke kleine objecten niet vrij vallen, omdat de weerstand van de lucht of de omgeving tussenbeide komt door hun beweging te vertragen. Hoewel het deeltje wanneer het wordt vrijgegeven met het off -field een versnelde verticale beweging ervaart en naar beneden, wordt het met constante snelheid gevallen.

Met deze snelheid wordt het "terminalsnelheid" of "limietsnelheid" genoemd, die in het geval van een bol afhangt van de straal en luchtviscositeit.

Bij afwezigheid van veld maten Millikan en Fletcher de tijd dat de druppels daalden om te vallen. Ervan uitgaande dat de druppels bolvormig waren en met de waarde van de viscositeit van de lucht, werden ze vastgesteld om de straal indirect uit de terminalsnelheid te bepalen.

Deze snelheid past de wet van Stokes toe en hier is de vergelijking:

 Waar:

-v_T is de eindsnelheid

-R Het is de straal van de jicht (bolvormig)

-η Het is de viscositeit van de lucht

-ρ Het is de dichtheid van de jicht

Belang

Millikan's experiment was cruciaal, omdat het verschillende belangrijke aspecten in de natuurkunde vertoonde:

I) De elementaire belasting is die van het elektron, waarvan de waarde 1 is.6 x 10 ^-19 C, een van de fundamentele wetenschapsconstanten.

Ii) Elke andere elektrische lading komt in veelvouden van de fundamentele belasting.

Kan u van dienst zijn: parabolisch schot: kenmerken, formules en vergelijkingen, voorbeelden

Iii) De lading van het elektron en de load-masa-verhouding van J kennen.J. Thomson, het was mogelijk om de elektronenmassa te bepalen.

Iii) Bij deeltjes zo klein als elementaire deeltjes zijn zwaartekrachteffecten te verwaarlozen tegen elektrostatisch.

Figuur 2. Millikan op de voorgrond aan de rechterkant, naast Albert Einstein en andere opmerkelijke fysici. Bron: Wikimedia Commons.

Millikan ontving de Nobelprijs voor natuurkunde in 1923 voor deze ontdekkingen. Zijn experiment is ook relevant omdat hij deze fundamentele eigenschappen van de elektrische lading heeft bepaald, gebaseerd op eenvoudige instrumentatie en het toepassen van wetten die goed bekend zijn bij iedereen.

Millikan werd echter bekritiseerd omdat hij in zijn experiment, zonder duidelijke reden, veel observaties had uitgesloten om de statistische fout van de resultaten te verminderen en dat ze meer "presentabel" waren.

Druppels met verscheidenheid aan ladingen

Millikan gemeten veel druppels in zijn experiment en niet allemaal waren olie. Hij testte ook met kwik en glycerine. Zoals gezegd, begon het experiment in 1906 en strekte het zich enkele jaren uit. Drie jaar later, in 1909, werden de eerste resultaten gepubliceerd.

Gedurende deze tijd verkreeg hij een verscheidenheid aan belastingen die werden geladen door het beïnvloeden van x -reacties door de platen, om de lucht ertussen te ioniseren. Op deze manier worden geladen deeltjes vrijgegeven die druppels kunnen accepteren.

Bovendien concentreerde het zich niet alleen op gesuspendeerde druppels. Millikan merkte op dat toen de druppels bedroegen, de stijgingsnelheid ook varieerde volgens de geleverde belasting.

En als de druppel daalde, deze extra extra belasting dankzij de interventie van de x -reeks, varieerde de snelheid niet, omdat elke massa elektronen die aan de druppel worden toegevoegd kleine letters is, vergeleken met de massa van de druppel zelf.

Ongeacht hoeveel belasting hij heeft toegevoegd, ontdekte Millikan dat alle druppels volledige veelvouden van een bepaalde waarde verwierven, dat is En, De fundamentele eenheid, zoals we hebben gezegd, is de elektronenbelasting.

Millikan verkregen aanvankelijk 1.592 x 10^-19 C voor deze waarde, iets lager dan die momenteel geaccepteerd, wat 1 is.602 x 10^-19 C. De reden kan de waarde zijn geweest die het gaf aan de viscositeit van de lucht in de vergelijking om de terminale snelheid van de daling te bepalen.

Voorbeeld

Een druppel olie zweven

We zien het volgende voorbeeld. Een druppel olie heeft dichtheid ρ = 927 kg/m³ en wordt vrijgegeven in het midden van de elektroden met het elektrische veld uit. De druppel bereikt snel de terminalsnelheid, waarbij de straal wordt bepaald, waarvan de waarde r = 4,37 x10 blijkt te zijn^-7 M.

Kan u van dienst zijn: voor- en nadelen van wrijving

Het uniforme veld is ingeschakeld, is verticaal naar boven gericht en heeft een grootte van 9,66 kN/c . Op deze manier wordt bereikt dat de druppel in rust is opgeschort.

Het wordt gevraagd:

a) Bereken de druppelbelasting

b) Zoek hoe vaak de elementaire belasting is opgenomen in de druppelbelasting.

c) Bepaal indien mogelijk, het teken van de belasting.

figuur 3. Een druppel olie in het midden van een constant elektrisch veld. Bron: Fundamentals of Physics. Rex-Wolfson.

Oplossing voor

Eerder werd de volgende uitdrukking afgeleid voor een rustslag:

Q = mg/e

Als je de dichtheid en straal van de jicht kent, wordt de massa hiervan bepaald:

ρ = m /v

V = (4/3) πr³

Daarom:

M = ρ.V = ρ. (4/3) πr³= 927 kg/m³. (4/3) π.((4.37 x10^-7 M)³= 3.24 x 10^-16 kg

Daarom is de belasting van de druppel:

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

Oplossing B

Wetende dat de fundamentele last e = 1 is.6 x 10 ^-19 C, de in de vorige sectie verkregen belasting wordt gedeeld door deze waarde:

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

Het resultaat is dat de belasting van de druppel ongeveer het dubbele is (n≈2) van de elementaire belasting. Het is niet bepaald dubbel, maar deze lichte discrepantie is te wijten aan de onvermijdelijke aanwezigheid van de experimentele fout, evenals de afronding in elk van de vorige berekeningen.

Oplossing C

Ja, het is mogelijk om het teken van de lading te bepalen, dankzij het feit dat de verklaring informatie geeft over de richting van het veld, die verticaal naar boven gericht is, net als de kracht.

De elektrische veldlijnen beginnen altijd bij positieve belastingen en eindigen in negatieve belastingen, daarom wordt de onderste plaat geladen met teken + en die hierboven met een teken - (zie figuur 3).

Aangezien de druppel wordt gericht op de bovenstaande plaat aangedreven door het veld, en omdat de tegenovergestelde tekenbelastingen worden aangetrokken, moet de druppel een positieve lading hebben.

Het is eigenlijk niet gemakkelijk om de gesuspendeerde daling te houden. Dus Millikan gebruikte de verticale verplaatsingen (UPS.

Deze verkregen belasting is evenredig met de elektronenbelasting, zoals we al hebben gezien, en kan worden berekend met de stijging- en afkomsttijden, de massa van de daling en de waarden van G En EN.

Referenties

1. Open geest. Millikan, de natuurkundige die het elektron kwam zien. Hersteld van: bbvaopenmind.com
2. Rex, a. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
3. Tippens, p. 2011. Fysica: concepten en toepassingen. 7e editie. McGraw Hill.
4. Amrit.  Millikan's Oil Drop Experiment. Hersteld van: vlab.Amrit.Edu
5. Wake Forest College. Millikan's Oil Drop Experiment. Hersteld van: wfu.Edu