Postopek eksperimenta Millikana, razlaga, pomen

On Millikanov eksperiment, Izvedel ga je Robert Millikan (1868-1953) s študentom Harveyjem Fletcherjem (1884-1981), začel se je leta 1906 in je želel preučiti lastnosti električnega naboja, pri čemer je analiziral gibanje na tisoče naftnih padcev sredi enotne električne električne energije Polje.

Zaključek je bil, da električni naboj ni imel poljubne vrednosti, ampak da je bil v večkratnikih 1.6 x 10^-19 C, ki je temeljna obremenitev elektrona. Poleg tega je bila najdena elektronska masa.

Slika 1. Na levi originalni napravi, ki sta jo v poskusu uporabljala Millikan in Fletcher. Na desni poenostavljeni shemi iste. Vir: Wikimedia Commons/F. Zapata,

Prej fizični j.J. Thompson je eksperimentalno našel razmerje med obremenitvijo tega osnovnega delca, ki ga je poimenoval "corpuscle", ne pa tudi vrednosti vsake magnitude ločeno.

Iz te obremenitve - masnega razmerja in elektronske obremenitve je bila določena vrednost njegove mase: 9.11 x 10^-31 Kg.

Da bi dosegli svoj namen, sta Milkan in Fletcher postregla z atomizerjem, s katerim je bila razpršena fina megla oljnih kapljic. Nekatere kapljice so bile električno naložene zaradi trenja v razpršilcu.

Naložene kapljice so se počasi usedle na vzporednih elektrodah z ravnimi ploščami, kamor jih je nekaj prešlo skozi majhno luknjo v zgornji plošči, kot je prikazano na shemi slike 1.

Znotraj vzporednih plošč je mogoče ustvariti enakomerno električno polje in pravokotno na plošče, katerih velikost in polarnost sta bila nadzorovana s spreminjanjem napetosti.

Obnašanje kapljic smo opazili z osvetlitvijo notranjosti plošč s svetlo svetlobo.

[TOC]

Pojasnilo poskusa

Če ima kapljica obremenitev, polje, ki je ustvarjeno med ploščami.

In če mu uspe tudi suspendirati, to pomeni, da polje izvaja navpično silo, ki natančno uravnoteži gravitacijo. Ta pogoj bo odvisen od vrednosti q, obremenitev protina.

V resnici je Millikan opazil, da so se po vklopu na terenu nekatere kapljice suspendirale, druge so se začele vzpenjati ali nadaljevati spuščanje.

Prilagoditev vrednosti električnega polja -skozi spremenljivo upornost, na primer -padec lahko ostane obešen znotraj plošč. Čeprav v praksi ni enostavno doseči, v primeru, da se je zgodilo, le silo, ki jo izvajata polje in gravitacija, deluje na kapljici.

Vam lahko služi: absorbanca: kaj je, primeri in vaje rešene

Če je masa padca m In njegova obremenitev je q, Vedeti, da je sila sorazmerna z uporabljenim poljem velikosti In, Newtonov drugi zakon določa, da morata biti obe sili uravnoteženi:

mg = q.In

Q = mg/e

Vrednost g, Pospešek gravitacije je znan, pa tudi velikost In polja, ki je odvisno od napetosti V uveljavljen med ploščami in ločitvijo med njimi L, kot:

E = v/l

Vprašanje je bilo najti maso drobne kapljice olja. Ko to dosežemo, določite obremenitev q Je popolnoma mogoče. Seveda to m in q So masa in obremenitev kapljice olja, ne pa tudi elektrona.

Toda ... kapljica je naložena, ker izgubi ali pridobi elektrone, zato je njegova vrednost povezana z obremenitvijo omenjenega delca.

Masa padca olja

Milkan in Fletcherjev problem je bil določiti maso kapljice, nalogo, ki ni lahka zaradi njene majhnosti.

Če poznate gostoto olja, če imate količino volumna, je testo mogoče očistiti. Vendar je bila tudi glasnost zelo majhna, zato običajne metode niso bile koristne.

Vendar so raziskovalci vedeli, da takšni majhni predmeti ne padejo prosto, saj odpornost zraka ali okolja poseže tako, da upočasni njihovo gibanje. Čeprav delček, ko se sprosti z izklopljenim poljem, doživi pospešeno navpično gibanje in navzdol, na koncu pade s konstantno hitrostjo.

Pri tej hitrosti se imenuje "končna hitrost" ali "omejitvena hitrost", ki je v primeru krogle odvisna od njegovega polmera in viskoznosti zraka.

V odsotnosti polja sta Milkan in Fletcher izmerila čas, ko so kapljice vzele padce. Ob predpostavki, da so kapljice sferične in z vrednostjo viskoznosti zraka, so bile pritrjene, da se polmer posredno določi iz končne hitrosti.

Ta hitrost uporablja Stokesov zakon in tukaj je njegova enačba:

 Kje:

-v_t je končna hitrost

-R To je polmer protina (sferičnega)

-η To je viskoznost zraka

-ρ To je gostota protina

Pomembnost

Millikanov eksperiment je bil ključnega pomena, saj je pokazal več ključnih vidikov v fiziki:

I) Osnovna obremenitev je elektrona, katerega vrednost je 1.6 x 10 ^-19 C, ena temeljnih konstant znanosti.

Ii) kateri koli drug električni naboj je na voljo v večkratnih obremenitvah.

Vam lahko služi: parabolični posnetek: značilnosti, formule in enačbe, primeri

Iii) Poznavanje naboja elektrona in obremenitvenega razmerja J j.J. Thomson, mogoče je določiti maso elektronov.

Iii) pri delcih, ki so majhni kot osnovni delci, so gravitacijski učinki zanemarljivi proti elektrostatični.

Slika 2. Milkan v ospredju desno, poleg Alberta Einsteina in drugih pomembnih fizikov. Vir: Wikimedia Commons.

Millikan je leta 1923 prejel Nobelovo nagrado iz fizike za ta odkritja. Njegov eksperiment je tudi pomemben, ker je določil te temeljne lastnosti električnega naboja, ki temeljijo na preprostih instrumentih in uporabi zakonov, ki so dobro znani za vse.

Vendar je bil Millikana kritiziran, ker je brez očitnega razloga izključil številna opažanja, da bi zmanjšala statistično napako rezultatov in da so bolj "predstavljivi".

Kapljice z različnimi obremenitvami

Millikan je v svojem poskusu izmeril veliko kapljic in niso bili vsi nafti. Testiral je tudi z Merkurjem in glicerinom. Kot je bilo rečeno, se je poskus začel leta 1906 in se podaljšal nekaj let. Tri leta pozneje, leta 1909, so bili objavljeni prvi rezultati.

V tem času je pridobil različne obremenitve, naložene z vplivom na X -roje skozi plošče, da bi ioniziral zrak med njimi. Na ta način se sprostijo obremenjeni delci, ki lahko kapljice sprejmejo.

Poleg tega se ni osredotočil samo na suspendirane kapljice. Millikan je opazil, da se je ob kapljici, ko so kapljice zneske, tudi hitrost dviga spreminjala glede na priloženo obremenitev.

In če se je kapljica spustila, ta dodatna dodana obremenitev zahvaljujoč intervenciji x -roys, hitrost se ni spreminjala, ker je vsaka masa elektronov, dodana kapljici.

Ne glede na to, koliko obremenitve je dodal, je Milkan ugotovil, da so vse kapljice pridobile celotne večkratne vrednosti določene vrednosti in, Temeljna enota, kot smo rekli, je obremenitev elektronov.

Milkan je sprva dobil 1.592 x 10^-19 C Za to vrednost je nekoliko nižja od tiste, ki je trenutno sprejeta, ki je 1.602 x 10^-19 C. Razlog je bil morda vrednost, ki jo je dal viskoznosti zraka v enačbi za določitev končne hitrosti padca.

Primer

Levitacija kapljice olja

Vidimo naslednji primer. Kapljica olja ima gostoto ρ = 927 kg/m³ in je sproščena sredi elektrod z izklopom električnega polja. Kapljica hitro doseže končno hitrost, pri čemer je določen polmer, katerega vrednost se izkaže za r = 4,37 x10^-7 m.

Vam lahko služi: prednosti in slabosti trenja

Enotno polje je vklopljeno, usmerjeno je navpično navzgor in ima 9,66 kn/c magnitude . Na ta način je doseženo, da je kapljica v mirovanju suspendirana.

Zahteva se:

a) Izračunajte obremenitev padca

b) Poiščite, kolikokrat je osnovna obremenitev vsebovana v obremenitvi s kapljico.

c) Določite, ali je mogoče, znak obremenitve.

Slika 3. Kapljica olja sredi stalnega električnega polja. Vir: Osnove fizike. Rex-Wolfson.

Rešitev

Prej je bil sklenjen naslednji izraz za počitek:

Q = mg/e

Če poznate gostoto in polmer protina, se določi masa tega:

ρ = m /v

V = (4/3) πr³

Zato:

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

Zato je obremenitev kapljice:

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

Rešitev b

Vedeti, da je temeljno breme e = 1.6 x 10 ^-19 C, obremenitev, pridobljena v prejšnjem razdelku, je razdeljena s to vrednostjo:

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

Rezultat tega je, da je obremenitev padca približno dvojna (n≈2) osnovne obremenitve. Ni ravno dvojno, vendar je to majhno neskladje posledica neizogibne prisotnosti eksperimentalne napake in zaokroževanja v vsakem od prejšnjih izračunov.

Rešitev c

Da, mogoče je določiti znak obremenitve, zahvaljujoč dejstvu, da izjava daje informacije o smeri polja, ki je usmerjena navpično navzgor, tako kot sila.

Linije električnega polja se vedno začnejo iz pozitivnih obremenitev in se končajo v negativnih obremenitvah, zato je spodnja plošča naložena z znakom +, ena pa z znakom - (glej sliko 3).

Ker je kapljica usmerjena proti zgornji plošči, ki jo poganja polje, in ker so privlačne nasprotne obremenitve znakov, mora imeti kapljica pozitiven naboj.

Pravzaprav ohranjanje suspendiranega padca ni enostavno dobiti. Tako je Millikan uporabil navpične premike (UPS.

Ta pridobljena obremenitev je sorazmerna z obremenitvijo elektronov, kot smo že videli, in ga je mogoče izračunati s časom vzpona in spuščanja, maso padca in vrednosti g in In.

Reference

1. Odprte glave. Millikan, fizik, ki je prišel pogledat elektron. Obnovljeno od: bbvaopenmind.com
2. Rex, a. 2011. Osnove fizike. Pearson.
3. Tippens, str. 2011. Fizika: pojmi in aplikacije. 7. izdaja. McGraw Hill.
4. Amrit.  Millikanov eksperiment s padcem olja. Okreval od: VLab.Amrit.Edu
5. Wake Forest College. Millikanov eksperiment s padcem olja. Okreval od: wfu.Edu