Procedura eksperymentu Millikan, wyjaśnienie, znaczenie

On Eksperyment Millikan, Przeprowadzony przez Roberta Millikana (1868–1953) ze swoim studentem Harveyem Fletcherem (1884–1981), rozpoczął się w 1906 r. I miał na celu zbadanie właściwości ładunku elektrycznego, analizując ruch tysięcy kropli oleju na środku jednolitego elektrycznego elektrycznego pole.

Wniosek był taki, że ładunek elektryczny nie miał dowolnej wartości, ale pojawił się w wielokrotności 1.6 x 10^-19 C, który jest podstawowym obciążeniem elektronu. Ponadto znaleziono masę elektronów.

Rysunek 1. Po lewej stronie oryginalne urządzenie używane przez Millikan i Fletcher w ich eksperymencie. Po prawej uproszczony schemat tego samego. Źródło: Wikimedia Commons/F. Zapata,

Wcześniej fizyczny j.J. Thompson znalazł eksperymentalnie związek z obciążeniem tej elementarnej cząstki, którą nazwał „ciałem”, ale nie wartościami każdej wielkości osobno.

Na podstawie tego obciążenia - masy i obciążenia elektronowego określono wartość jej masy: 9.11 x 10^-31 Kg.

Aby osiągnąć swój cel, Millikan i Fletcher podali atomizer, z którym spryskano drobną mgłę kropli oleju. Niektóre krople były ładowane elektrycznie dzięki tarciu w opryskiwaczu.

Załadowane krople powoli osadzały się na równoległych płaskich elektrodach płytki nazębnej, gdzie kilka przechodziło przez mały otwór na górnej płycie, jak pokazano na schemacie ryc. 1.

Wewnątrz równoległych płyt można utworzyć jednolite pole elektryczne i prostopadle do płyt, których wielkość i polaryzacja były kontrolowane przez modyfikację napięcia.

Zachowanie kropli zaobserwowano przez oświetlenie wnętrza płyt jasnym światłem.

[TOC]

Wyjaśnienie eksperymentu

Jeśli kropla ma obciążenie, pole utworzone między płytkami wywiera na niego siłę, która przeciwdziała grawitacji.

A jeśli uda się mu to zawiesić, oznacza to, że pole wywiera siłę pionową, która dokładnie równoważy grawitację. Ten warunek będzie zależeć od wartości Q, Ładunek dny moczanowej.

Rzeczywiście, Millikan zauważył, że po zwróceniu się na bois.

Dostosowanie wartości pola elektrycznego -przez zmienną rezystancję, na przykład -spadek może pozostać zawieszony w płytkach. Chociaż w praktyce nie jest łatwe do osiągnięcia, na wypadek, gdyby tak się stało, tylko siła wywierana przez pole, a grawitacja działa na kroplę.

Może ci służyć: Absorbancja: co jest, przykłady i ćwiczenia rozwiązane

Jeśli masa kropli jest M A jego obciążenie jest Q, Wiedząc, że siła jest proporcjonalna do przyłożonego pola wielkości I, Drugie prawo Newtona określa, że ​​obie siły muszą być zrównoważone:

mg = q.I

Q = mg/e

Wartość G, Przyspieszenie grawitacji jest znane, a także wielkość I pola, które zależy od napięcia V ustanowione między płytkami a oddzieleniem między nimi L, Jak:

E = v/l

Pytanie brzmiało, aby znaleźć masę niewielkiej kropli oleju. Po osiągnięciu tego obciążenia określa Q Jest to całkowicie możliwe. Oczywiście to M I Q Są odpowiednio masą i obciążeniem kropli oleju, a nie obciążenia elektronu.

Ale ... kropla jest ładowana, ponieważ traci lub zyskuje elektrony, więc jego wartość jest związana z obciążeniem wspomnianej cząstki.

Masa spadku oleju

Problem Millikan i Fletchera polegał na określeniu masy kropli, co nie jest łatwe z powodu niewielkiego rozmiaru.

Znając gęstość oleju, jeśli masz objętość, ciasto można wyczyścić. Ale objętość była również bardzo mała, więc konwencjonalne metody nie były przydatne.

Jednak naukowcy wiedzieli, że takie małe przedmioty nie spadają swobodnie, ponieważ odporność na powietrze lub środowisko interweniuje, spowalniając ich ruch. Chociaż cząsteczka po zwolnieniu z polem poza.

Przy tej prędkości nazywa się to „prędkością terminalową” lub „prędkością ograniczenia”, która w przypadku kuli zależy od jego promienia i lepkości powietrza.

W przypadku braku pola Millikan i Fletcher mierzyli czas, jaki spadł, aby upaść. Zakładając, że krople były sferyczne i przy wartości lepkości powietrza, zostały one naprawione w celu ustalenia promienia pośrednio od prędkości końcowej.

Ta prędkość stosuje prawo Stokesa i oto jego równanie:

 Gdzie:

-v_T to prędkość końcowa

-R Jest to promień dny moczanowej (sferycznej)

-η Jest to lepkość powietrza

-ρ Jest to gęstość dny moczanowej

Znaczenie

Eksperyment Millikana był kluczowy, ponieważ pokazał kilka kluczowych aspektów fizyki:

I) Obciążenie elementarne to elektron, którego wartość wynosi 1.6 x 10 ^-19 C, jeden z podstawowych stałych nauki.

Ii) Wszelkie inne ładunek elektryczny jest w mnożniku fundamentalnego obciążenia.

Może ci służyć: strzał paraboliczny: cechy, wzory i równania, przykłady

Iii) Znajomość ładunku elektronu i stosunku masy obciążenia J.J. Thomson, możliwe było określenie masy elektronowej.

Iii) w cząstkach tak małych jak cząstki elementarne, efekty grawitacyjne są nieistotne przeciwko elektrostatycznemu.

Rysunek 2. Millikan na pierwszym planie po prawej stronie, obok Alberta Einsteina i innych znaczących fizyków. Źródło: Wikimedia Commons.

Millikan otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1923 roku za te odkrycia. Jego eksperyment jest również istotny, ponieważ ustalił te podstawowe właściwości ładunku elektrycznego, na podstawie prostego oprzyrządowania i stosowania przepisów znanych wszystkim.

Jednak Millikan został skrytykowany za wykluczenie wielu obserwacji w swoim eksperymencie, bez widocznego powodu, w celu zmniejszenia błędu statystycznego wyników i że były one bardziej „prezentowalne”.

Drops z różnorodnymi obciążeniami

Millikan zmierzył wiele kropli w swoim eksperymencie i nie wszystkie były olejem. Testował także z rtęcią i gliceryną. Jak wspomniano, eksperyment rozpoczął się w 1906 roku i rozszerzył się na kilka lat. Trzy lata później, w 1909 r., Pierwsze wyniki zostały opublikowane.

W tym czasie uzyskał różnorodne obciążenia załadowane przez wpływające na x -kart przez płytki, aby jonizować powietrze między nimi. W ten sposób uwalniane są obciążeni cząstki, które mogą zaakceptować krople.

Ponadto nie koncentrowało się wyłącznie na zawieszonych kroplach. Millikan zauważył, że gdy spadki wyniosły, prędkość wzrostu również różniła się w zależności od dostarczonego obciążenia.

A jeśli spadek spadł, to dodatkowe dodatkowe obciążenie dzięki interwencji w kształcie X, prędkość nie zmieniła się, ponieważ każda masa elektronów dodanych do kropli jest małej litery, w porównaniu z masą samej kropli.

Niezależnie od tego, ile dodał, Millikan stwierdził, że wszystkie krople nabyły całe wielokrotności określonej wartości, czyli I, Podstawową jednostką, jak powiedzieliśmy, jest obciążenie elektronów.

Millikan początkowo uzyskał 1.592 x 10^-19 C Dla tej wartości, nieco niższej niż obecnie akceptowana, czyli 1.602 x 10^-19 C. Przyczyną mogła być wartość, jaką dała lepkość powietrza w równaniu w celu ustalenia prędkości końcowej kropli.

Przykład

Lewitując kroplę oleju

Widzimy następujący przykład. Kropla oleju ma gęstość ρ = 927 kg/m³ i jest uwalniany na środku elektrod z wyłączonym polem elektrycznym. Kropla szybko osiąga prędkość końcową, przy czym promień jest określany, którego wartość okazuje się R = 4,37 x10^-7 M.

Może ci służyć: zalety i wady tarcia

Włączone pole jednolitego jest ukierunkowane pionowo i ma wielkość 9,66 kN/c . W ten sposób osiąga się, że kropla jest zawieszona w spoczynku.

Jest to żądane:

a) Oblicz obciążenie upuszczone

b) Znajdź, ile razy obciążenie elementarne jest zawarte w obciążeniu kropli.

c) Określ, jeśli to możliwe, znak obciążenia.

Rysunek 3. Kropla oleju na środku stałego pola elektrycznego. Źródło: Podstawy fizyki. Rex-Wolfson.

Rozwiązanie

Wcześniej wydedukowano następujące wyrażenie na odpoczynek:

Q = mg/e

Znając gęstość i promień dny moczanowej, masa tego jest określana:

ρ = m /v

V = (4/3) πr³

Dlatego:

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

Dlatego obciążenie kropli wynosi:

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

Rozwiązanie b

Wiedząc, że podstawowym obciążeniem wynosi e = 1.6 x 10 ^-19 C, obciążenie uzyskane w poprzedniej sekcji jest podzielone przez tę wartość:

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

W rezultacie obciążenie kropli jest w przybliżeniu podwójne (n ≈2) obciążenia elementarnego. Nie jest to dokładnie podwójne, ale ta niewielka rozbieżność wynika z nieuniknionej obecności błędu eksperymentalnego, a także zaokrąglania w każdym z poprzednich obliczeń.

Rozwiązanie c

Tak, możliwe jest ustalenie znaku obciążenia, dzięki faktowi, że stwierdzenie podaje informacje o kierunku pola, który jest skierowany w pionie w górę, podobnie jak siła.

Linie pola elektrycznego zawsze zaczynają się od obciążeń dodatnich i kończą obciążenia ujemnym, dlatego dolna płyta jest ładowana znakiem + i powyższym znakiem - (patrz rysunek 3).

Ponieważ kropla jest skierowana w kierunku powyższej płyty napędzanej przez pole, a ponieważ przyciągane są obciążenia przeciwne znaków, kropla musi mieć ładunek dodatni.

W rzeczywistości utrzymanie zrzuconego spadku nie jest łatwe do zdobycia. Więc Millikan użył pionowych przemieszczeń (UPS.

To nabyte obciążenie jest proporcjonalne do obciążenia elektronem, jak już widzieliśmy, i można je obliczyć z czasem wzrostu i opadania, masą kropli i wartości G I I.

Bibliografia

1. Otwarty umysł. Millikan, fizyk, który przyszedł zobaczyć elektron. Odzyskane z: BBVAOPENMIND.com
2. Rex, a. 2011. Podstawy fizyki. osoba.
3. Tippens, s. 1. 2011. Fizyka: koncepcje i zastosowania. 7. edycja. McGraw Hill.
4. Amrit.  Eksperyment z kroplami oleju Millikan. Odzyskane z: vlab.Amrit.Edu
5. Wake Forest College. Eksperyment z kroplami oleju Millikan. Odzyskane z: wfu.Edu