ЕКСПЕРИМЕНТ МІЛІКАН: ПРОЦЕДУРА, ПОЯСНЕННЯ, ЗНАЧЕННЯ - ФІЗИЧНІ - 2025

Експеримент Мілілікана , проведений Робертом Мілліканом (1868-1953) разом зі своїм учнем Гарві Флетчером (1884-1981), розпочався в 1906 р. І спрямований на вивчення властивостей електричного заряду, аналізу руху тисяч крапель нафти посеред рівномірного електричного поля.

Висновок полягав у тому, що електричний заряд не мав довільного значення, але входив кратним 1,6 x 10 ^-19 C, що є основним зарядом електрона. Крім того, була знайдена маса електрона.

Малюнок 1. Зліва оригінальний апарат, який використовували Мілікан і Флетчер у своєму експерименті. Праворуч спрощена його схема. Джерело: Wikimedia Commons / F. Сапата,

Раніше фізик Дж. Дж. Томпсон експериментально виявив співвідношення заряд-маса цієї елементарної частинки, яку він назвав "тілом", але не значення кожної величини окремо.

З цього співвідношення заряд - маса та заряд електрона визначали значення його маси: 9,11 х 10 ^-31 Кг.

Для досягнення своєї мети Мілікан і Флетчер використовували пульверизатор, який розпилював дрібну мряку крапель олії. Деякі краплі були електрично заряджені через тертя в обприскувачі.

Заряджені краплі повільно осідали на паралельних плоских електродах пластини, де декілька проходили через невеликий отвір у верхній пластині, як показано на схемі на фіг.1.

Усередині паралельних пластин можна створити рівномірне електричне поле, перпендикулярне пластинам, величиною та полярністю яких керували шляхом зміни напруги.

Поведінку крапель спостерігали при освітленні внутрішньої частини плит яскравим світлом.

Пояснення експерименту

Якщо крапля має заряд, поле, створене між пластинами, чинить на неї силу, яка протидіє силі тяжіння.

І якщо йому також вдасться залишитися підвішеним, це означає, що поле чинить вертикальну силу вгору, яка точно врівноважує силу тяжіння. Ця умова буде залежати від величини q, заряду краплі.

Дійсно, Мілікан зауважив, що після повороту на поле одні краплі припинилися, інші почали підніматися або продовжували спускатися.

Наприклад, регулюючи значення електричного поля - через змінний опір - може бути зроблено падіння, щоб воно залишалося підвішеним всередині плит. Хоча на практиці цього досягти нелегко, якщо це трапиться, на падіння діє лише сила, що надається полем і сила тяжіння.

Якщо маса падіння дорівнює m, а її заряд дорівнює q, знаючи, що сила пропорційна прикладеному полі величини Е, другий закон Ньютона зазначає, що обидві сили повинні бути збалансовані:

Відомо значення g, прискорення сили тяжіння, а також величина поля поля, яка залежить від напруги V, встановленої між пластинами, і розділення між цими L, як:

Питання полягало в тому, щоб знайти масу крихітної краплі олії. Як тільки це буде досягнуто, визначити заряд q абсолютно можливо. Природно, що m і q - це відповідно маса і заряд краплі масла, а не електрон.

Але … крапля заряджається тому, що втрачає або набирає електрони, тому її значення пов'язане із зарядом зазначеної частинки.

Маса краплі масла

Проблема Мілілікана і Флетчера полягала в тому, щоб визначити масу краплі, непросте завдання через невеликі розміри.

Знаючи густину олії, якщо у вас є об’єм краплі, маса можна розчинити. Але обсяг був також дуже малий, тому звичайні методи не принесли користі.

Однак дослідники знали, що такі маленькі предмети не падають вільно, оскільки опір повітря чи навколишнього середовища втручається, сповільнюючи їх рух. Хоча частинка, вивільняючись із вимкненим полем, відчуває прискорений вертикальний рух і вниз, вона закінчується падінням із постійною швидкістю.

Ця швидкість називається "кінцевою швидкістю" або "граничною швидкістю", яка у випадку сфери залежить від її радіусу та в'язкості повітря.

За відсутності поля Міллікан і Флетчер вимірювали час, необхідний для падіння крапель. Припускаючи, що краплі були сферичними і зі значенням в'язкості повітря, їм вдалося визначити радіус опосередковано від кінцевої швидкості.

Ця швидкість визначається, застосовуючи закон Стокса, і ось його рівняння:

- v _t - кінцева швидкість

- R - радіус падіння (сферичного)

- η - в'язкість повітря

- ρ - щільність краплі

Важливість

Експеримент Мілікана був вирішальним, оскільки він виявив кілька ключових аспектів фізики:

I) Елементарний заряд - це електрон, значення якого 1,6 x 10 ^-19 C, одна з фундаментальних констант науки.

II) Будь-який інший електричний заряд є множиною основного заряду.

III) Знаючи заряд електрона та заряд-масову залежність Дж. Дж. Томсона, можна було визначити масу електрона.

III) На рівні частинок, менших, як елементарні, гравітаційні ефекти незначні порівняно з електростатичними.

Малюнок 2. Мілілікан на передньому плані праворуч, поряд з Альбертом Ейнштейном та іншими помітними фізиками. Джерело: Wikimedia Commons.

За ці відкриття Мілікан отримав Нобелівську премію з фізики в 1923 році. Його експеримент також актуальний, оскільки він визначав ці основні властивості електричного заряду, починаючи з простого приладобудування та застосовуючи добре відомі всім закони.

Однак Міллікана критикували за те, що він відкинув багато спостережень у своєму експерименті без видимих ​​причин, щоб зменшити статистичну помилку результатів і зробити їх більш "презентабельними".

Краплі з різноманітними зарядами

Мілілік вимірював багато, багато крапель у своєму експерименті, і не всі вони були олією. Він також спробував ртуть і гліцерин. Як зазначалося, експеримент розпочався в 1906 році і тривав кілька років. Через три роки, в 1909 році, були опубліковані перші результати.

За цей час він отримав різноманітні заряджені краплі шляхом удару рентгенівських променів через пластини, щоб іонізувати повітря між ними. Таким чином вивільняються заряджені частинки, які краплі можуть прийняти.

Крім того, він не зосереджувався лише на підвішених краплях. Мілілік зауважив, що коли краплі зростали, швидкість підйому також змінювалася залежно від навантаженого навантаження.

І якщо крапля опустилася, ця додаткова зарядка, додана завдяки втручанню рентгенівських променів, не змінила швидкості, тому що будь-яка маса електронів, доданих до краплі, є мізерною, порівняно з масою самої краплі.

Незалежно від того, скільки заряду він додав, Мілікан виявив, що всі краплі набули зарядів, які були цілими кратними певної величини, тобто e, основної одиниці, яка, як ми вже говорили, є зарядом електрона.

Мілілікан спочатку отримав 1592 х 10 ^-19 С для цього значення, трохи нижчого за прийняте в даний час значення, яке становить 1,602 х 10 ^-19 С. Причиною може бути значення, яке він дав в'язкості повітря в рівнянні для визначити кінцеву швидкість падіння.

Приклад

Левітація краплі олії

Ми бачимо наступний приклад. Крапелька масла має щільність ρ = 927 кг / м ³ і виділяється в середині електродів з відключеним електричним полем. Крапелька швидко досягає кінцевої швидкості, завдяки якій визначається радіус, значення якого виявляється R = 4,37 x10 ^-7 м.

Рівномірне поле включається, спрямоване вертикально вгору і має величину 9,66 кН / С. Таким чином досягається, що крапля залишається суспендованою в спокої.

Він запитує:

а) Обчисліть заряд краплі

б) Знайдіть, скільки разів елементарний заряд міститься в заряді краплі.

в) Визначте, якщо можливо, знак вантажу.

Малюнок 3. Краплина масла в середині постійного електричного поля. Джерело: Основи фізики. Рекс-Вольфсон.

Рішення для

Раніше для краплі в спокої було виведено наступний вираз:

Знаючи щільність і радіус падіння, визначається маса краплі:

Таким чином:

Тому заряд краплі:

Рішення b

Знаючи, що основне навантаження становить e = 1,6 x 10 ^-19 C, розділіть навантаження, отримане в попередньому розділі, на це значення:

У результаті виходить, що заряд на падінні приблизно вдвічі (n≈2) елементарного заряду. Він не зовсім подвійний, але ця невелика невідповідність обумовлена ​​неминучою наявністю експериментальної помилки, а також округленням у кожному з попередніх розрахунків.

Розв’язання c

Визначити ознаку заряду можна завдяки тому, що виписка дає інформацію про напрямок поля, який спрямований вертикально вгору, як і сила.

Лінії електричного поля завжди починаються з позитивних зарядів і закінчуються негативними зарядами, тому нижня пластина заряджається знаком +, а верхня - зі знаком - (див. Рисунок 3).

Оскільки крапля спрямована у напрямку до плити, що рухається полем, і оскільки заряди протилежної ознаки притягують один одного, крапля повинна мати позитивний заряд.

Насправді тримати призупинену краплю нелегко. Тож Мілікан використовував вертикальні переміщення (підйоми та падіння), які випала крапля, вимикаючи та вмикаючи поле, а також змінюючи заряд рентгенівського випромінювання та час подорожі, щоб оцінити, скільки додаткової заряду отримала крапля.

Цей набутий заряд пропорційний заряду на електроні, як ми вже бачили, і може бути обчислений із часом підйому та падіння, масою падіння та значеннями g та E.

Список літератури

1. Відкрий розум. Мілікан, фізик, який прийшов побачити електрон. Відновлено з: bbvaopenmind.com
2. Рекс, А. 2011. Основи фізики. Пірсон.
3. Тіппенс, П. 2011. Фізика: поняття та програми. 7-е видання. McGraw Hill.
4. Амріта. Експеримент з крапель масла Мілікана. Отримано з: vlab.amrita.edu
5. Wake Forest College. Експеримент з краплинами масла Мілікана. Відновлено з: wfu.edu