The millikanský experiment, provedl Robert Millikan (1868-1953) společně se svým studentem Harveyem Fletcherem (1884-1981), začal v roce 1906 a jeho cílem bylo studovat vlastnosti elektrického náboje a analyzovat pohyb tisíců kapek oleje uprostřed uniformy elektrické pole.
Závěr byl, že elektrický náboj neměl libovolnou hodnotu, ale že se dostal v násobcích 1,6 x 10-19 C, což je základní náboj elektronu. Kromě toho byla nalezena hmotnost elektronu.
Dříve fyzik J.J. Thompson experimentálně zjistil vztah náboj-hmotnost této elementární částice, kterou nazval „tělísko“, ale ne hodnoty každé velikosti zvlášť..
Z tohoto vztahu náboj - hmotnost a náboje elektronu byla určena hodnota jeho hmotnosti: 9,11 x 10-31 Kg.
Aby dosáhli svého účelu, Millikan a Fletcher použili atomizér, kterým byla nastříkána jemná mlha kapiček oleje. Některé kapičky byly elektricky nabité v důsledku tření v trysce.
Nabité kapky se pomalu usazovaly na deskových elektrodách s paralelní rovinou, kde několik jich prošlo malým otvorem v horní desce, jak je znázorněno na schématu na obrázku 1.
Uvnitř paralelních desek je možné vytvořit rovnoměrné elektrické pole kolmé na desky, jejichž velikost a polarita byly řízeny úpravou napětí..
Chování kapek bylo pozorováno osvětlením vnitřku desek jasným světlem..
Rejstřík článků
Pokud má kapka náboj, pole vytvořené mezi deskami na něj působí silou, která působí proti gravitaci..
A pokud také dokáže zůstat zavěšen, znamená to, že pole vyvíjí vertikální sílu nahoru, která přesně vyvažuje gravitaci. Tato podmínka bude záviset na hodnotě co, břemeno pádu.
Millikan skutečně poznamenal, že po zapnutí pole byly některé kapky pozastaveny, jiné začaly stoupat nebo pokračovaly v klesání.
Nastavením hodnoty elektrického pole - například pomocí proměnného odporu - lze provést pokles, který zůstane zavěšen v deskách. I když to v praxi není snadné dosáhnout, pokud k tomu dojde, na pokles bude působit pouze síla vyvíjená polem a gravitací..
Pokud je hmotnost kapky m a jeho zatížení je co, s vědomím, že síla je úměrná použitému velikostnímu poli A, Druhý Newtonův zákon stanoví, že obě síly musí být vyvážené:
mg = q.E.
q = mg / E
Hodnota G, je známé gravitační zrychlení i jeho velikost A pole, které závisí na napětí PROTI mezi deskami a mezerou mezi nimi L, Co:
E = V / L
Otázkou bylo najít hmotu malé kapky oleje. Jakmile je toho dosaženo, určete zatížení co je to naprosto možné. Přirozeně m Y co jsou hmotnost a náboj kapky oleje, nikoli elektron.
Ale ... kapka je nabitá, protože ztrácí nebo získává elektrony, takže její hodnota souvisí s nábojem uvedené částice.
Problémem Millikana a Fletchera bylo určit hmotnost kapky, což není vzhledem k její malé velikosti snadný úkol..
Znát hustotu oleje, pokud máte objem kapky, může být hmotnost vyřešena. Ale objem byl také velmi malý, takže konvenční metody nebyly užitečné..
Vědci však věděli, že takové malé předměty nespadají volně, protože odpor vzduchu nebo prostředí zasahuje zpomalením jejich pohybu. Přestože částice, když se uvolní s vypnutým polem, zažijí zrychlený vertikální pohyb a dolů, nakonec padají s konstantní rychlostí..
Tato rychlost se nazývá „konečná rychlost“ nebo „mezní rychlost“, která v případě koule závisí na jejím poloměru a viskozitě vzduchu..
Při absenci pole měřili Millikan a Fletcher čas potřebný k tomu, aby kapky padly. Za předpokladu, že kapky byly sférické as hodnotou viskozity vzduchu se jim podařilo určit poloměr nepřímo z koncové rychlosti.
Tuto rychlost zjistíme podle Stokesova zákona a zde je její rovnice:
-protit je konečná rychlost
-R je poloměr kapky (sférický)
-η je viskozita vzduchu
-ρ je hustota kapky
Millikanův experiment byl zásadní, 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 J.J. Thomson, bylo možné určit hmotnost elektronu.
III) Na úrovni částic malých jako elementární jsou gravitační účinky zanedbatelné ve srovnání s elektrostatikou.
Millikan za tyto objevy obdržel v roce 1923 Nobelovu cenu za fyziku. Jeho experiment je také relevantní, protože určoval tyto základní vlastnosti elektrického náboje, počínaje jednoduchým přístrojovým vybavením a uplatňováním zákonů dobře známých všem..
Millikan však byl kritizován za to, že ve svém experimentu odhodil mnoho pozorování, a to bez zjevného důvodu, aby snížil statistickou chybu výsledků a učinil je více „prezentovatelnými“.
Millikan ve svém experimentu změřil mnoho a mnoho kapek a ne všechny byly olejem. 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 úderem rentgenového záření přes desky, aby ionizoval vzduch mezi nimi. Tímto způsobem se uvolňují nabité částice, které kapky mohou přijmout.
Kromě toho se nezaměřoval pouze na suspendované kapičky. Millikan poznamenal, že když kapky vystoupaly, rychlost vzrůstu se také lišila podle dodávaného zatížení..
A pokud kapka sestoupila, tento dodatečný náboj přidaný díky zásahu rentgenových paprsků nezměnil rychlost, protože jakákoli hmotnost elektronů přidaných do kapky je nepatrná ve srovnání s hmotou samotné kapky..
Bez ohledu na to, kolik náboje přidal, Millikan zjistil, že všechny získané kapky nabijí celočíselné násobky určité hodnoty, což je a, základní jednotka, kterou, jak jsme řekli, je náboj elektronu.
Millikan původně zaznamenal 1 592 x 10-19 C pro tuto hodnotu, o něco méně, než je v současné době akceptováno, což je 1602 x 10-19 C. Poměrem mohla být hodnota, kterou jste zadali k viskozitě vzduchu v rovnici, abyste určili konečnou rychlost kapky..
Vidíme následující příklad. Kapička oleje má hustotu ρ = 927 kg / m3 a uvolňuje se uprostřed elektrod s vypnutým elektrickým polem. Kapička rychle dosáhne konečné rychlosti, kterou se určí poloměr, jehož hodnota se ukáže být R = 4,37 x10-7 m.
Jednotné pole je zapnuto, směrováno svisle nahoru a má velikost 9,66 kN / C. Tímto způsobem je kapka pozastavena v klidu..
Ptá se:
a) Vypočítejte náboj kapiček
b) Zjistěte, kolikrát je elementární náboj obsažen v náboji kapky.
c) Určete, pokud je to možné, znaménko nákladu.
Dříve byl pro pokles v klidu odvozen následující výraz:
q = mg / E
Známe hustotu a poloměr kapky, určí se hmotnost kapky:
ρ = m / V
V = (4/3) πR3
Proto:
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
Poplatek za pokles je tedy:
q = mg / E = 3,24 x 10-16 kg x 9,8 m / sdva/ 9660 N = 3,3 x 10-19 C
S vědomím, že základní náboj je e = 1,6 x 10 -19 C, zátěž získaná v předchozí části se vydělí touto hodnotou:
n = q / e = 3,3 x 10-19 C /1,6 x 10 -19 C = 2,05
Výsledkem je, že náboj na kapce je přibližně dvakrát (n≈2) elementární náboj. Není to přesně dvojnásobek, ale tato nepatrná nesrovnalost je způsobena nevyhnutelnou přítomností experimentální chyby a zaokrouhlením v každém z předchozích výpočtů..
Je možné určit znaménko náboje díky tomu, že příkaz poskytuje informace o směru pole, který je směrován svisle nahoru, a také o síle.
Elektrické siločáry vždy začínají od kladných nábojů a končí zápornými náboji, proto je spodní deska nabitá znaménkem + a horní deska znaménkem - (viz obrázek 3).
Vzhledem k tomu, že pokles je směrován směrem k desce výše poháněné polem, a protože náboje opačného znaménka přitahují, musí mít pokles kladný náboj.
Ve skutečnosti není snadné dosáhnout udržení poklesu. Takže Millikan použil svislé posuny (vzestupy a pády), které pokles zaznamenal při vypínání a zapínání pole, plus změny rentgenového náboje a doby jízdy, aby odhadl, kolik dalšího náboje pokles získal..
Tento získaný náboj je úměrný náboji elektronu, jak jsme již viděli, a lze jej vypočítat s dobami vzestupu a pádu, hmotností kapky a hodnotami G Y A.
Zatím žádné komentáře