MILLIKANA EKSPERIMENTS: PROCEDŪRA, SKAIDROJUMS, NOZĪME - FIZISKĀ - 2025

Millikan eksperiments , ko veica Robert Millikan (1868-1953), kā arī ar savu skolēnu Harvey Fletcher (1884-1981), sākās 1906, un mērķis bija izpētīt īpašības elektrisko lādiņu, analizējot kustību tūkstošiem pilienu eļļas vienota elektriskā lauka vidū.

Secinājums bija tāds, ka elektriskajam lādiņam nebija patvaļīgas vērtības, bet tas nāca ar 1,6 x 10 ^-19 C, kas ir pamata elektronu lādiņš, reizinājumus . Turklāt tika atrasta elektronu masa.

1. attēls. Kreisajā pusē oriģinālais aparāts, kuru izmantoja Millikāns un Flethers savā eksperimentā. Labajā pusē tā vienkāršota diagramma. Avots: Wikimedia Commons / F. Zapata,

Iepriekš fiziķis Dž. Dž. Tompsons eksperimentāli bija atradis šīs elementārdaļiņas, ko viņš sauca par “korpuss”, lādiņa un masas attiecību, bet ne katra lieluma vērtības atsevišķi.

Izmantojot šo lādiņa un masas attiecību un elektronu lādiņu, tika noteikta tā masas vērtība: 9,11 x 10 ^-31 Kg.

Lai sasniegtu savu mērķi, Millikan un Fletcher izmantoja pulverizatoru, kas izsmidzināja smalku eļļas pilienu miglu. Daļa pilienu tika elektriski uzlādēta smidzinātāja berzes dēļ.

Uzlādētie pilieni lēnām nostādās uz paralēlās plaknes elektrodiem, kur daži izgāja caur nelielu caurumu augšējā plāksnē, kā parādīts 1. attēla diagrammā.

Paralēlu plātņu iekšpusē ir iespējams izveidot vienmērīgu elektrisko lauku perpendikulāri plāksnēm, kuru lielumu un polaritāti kontrolēja, mainot spriegumu.

Pilienu uzvedība tika novērota, apgaismojot plākšņu iekšpusi ar spilgtu gaismu.

Eksperimenta skaidrojums

Ja kritienam ir lādiņš, lauks, kas izveidots starp plāksnēm, uz to iedarbojas ar spēku, kas neitralizē smagumu.

Un, ja tas arī izdodas palikt apturēts, tas nozīmē, ka lauks rada vertikālu augšupvērstu spēku, kas precīzi līdzsvaro smagumu. Šis nosacījums būs atkarīgs no q vērtības, kritiena maksas.

Milikans patiešām novēroja, ka pēc lauka ieslēgšanas daži pilieni tika apturēti, citi sāka celties vai turpināja nolaisties.

Pielāgojot elektriskā lauka vērtību, piemēram, ar mainīgu pretestību, varētu samazināties, lai paliktu suspendēta plāksnēs. Lai arī praksē to nav viegli sasniegt, ja tā notiek, tikai kritums ietekmē lauka spēks un gravitācija.

Ja kritiena masa ir m un tā lādiņš ir q, zinot, ka spēks ir proporcionāls pielietotajam laukam ar E lielumu, Ņūtona otrais likums nosaka, ka abiem spēkiem jābūt līdzsvarotiem:

Ir zināma g vērtība, gravitācijas paātrinājums, kā arī lauka E lielums, kas ir atkarīgs no sprieguma V, kas izveidots starp plāksnēm, un attāluma starp šiem L, kā:

Jautājums bija atrast niecīgā eļļas piliena masu. Kad tas ir paveikts, lādiņa q noteikšana ir pilnīgi iespējama. Dabiski, ka m un q ir attiecīgi eļļas piliena masa un lādiņš, nevis elektrons.

Bet … piliens ir uzlādēts, jo tas zaudē vai iegūst elektronus, tāpēc tā vērtība ir saistīta ar minētās daļiņas lādiņu.

Eļļas piliena masa

Millikana un Flečera problēma bija noteikt piliena masu, kas nebija mazs uzdevums tā mazā izmēra dēļ.

Zinot eļļas blīvumu, ja jums ir piliena tilpums, masu var atrisināt. Bet apjoms bija arī ļoti mazs, tāpēc parastajām metodēm nebija nozīmes.

Tomēr pētnieki zināja, ka tik mazi objekti brīvi nekrīt, jo iejaucas gaisa vai vides pretestība, palēninot to kustību. Kaut arī daļiņa, kad tā tiek atbrīvota ar izslēgtu lauku, piedzīvo paātrinātu vertikālu kustību un lejup, tā nonāk kritienā ar nemainīgu ātrumu.

Šo ātrumu sauc par "gala ātrumu" vai "ierobežojošo ātrumu", kas lodes gadījumā ir atkarīgs no tā rādiusa un gaisa viskozitātes.

Ja lauka nebija, Millikan un Fletcher izmērīja laiku, kas nepieciešams pilienu krišanai. Pieņemot, ka pilieni bija sfēriski un ar gaisa viskozitātes vērtību, viņiem izdevās netieši noteikt rādiusu no spailes ātruma.

Šis ātrums tiek noteikts, piemērojot Stokes likumu, un šeit ir šāds vienādojums:

- v _t ir termināla ātrums

- R ir kritiena rādiuss (sfērisks)

- η ir gaisa viskozitāte

- ρ ir piliena blīvums

Svarīgums

Millikana eksperiments bija izšķirošs, jo tas atklāja vairākus galvenos fizikas aspektus:

I) Elementārais lādiņš ir elektronam, kura vērtība ir 1,6 x ^10–19 C, kas ir viena no zinātnes pamatkonstancēm.

II) Jebkura cita elektriskā lādiņa nāk no pamata uzlādes reizinājumiem.

III) Zinot elektronu lādiņu un Dž. Thomsona lādiņa un masas attiecības, bija iespējams noteikt elektronu masu.

III) Tik mazu daļiņu līmenī kā elementārdaļiņas gravitācijas efekti ir niecīgi, salīdzinot ar elektrostatiskajiem.

2. attēls. Millikans priekšplānā labajā pusē līdzās Albertam Einšteinam un citiem ievērojamiem fiziķiem. Avots: Wikimedia Commons.

Par šiem atklājumiem Millikans 1923. gadā saņēma Nobela prēmiju fizikā. Viņa eksperiments ir būtisks arī tāpēc, ka viņš noteica šīs elektriskā lādiņa pamatīpašības, sākot ar vienkāršu instrumentēšanu un piemērojot visiem labi zināmus likumus.

Tomēr Millikans tika kritizēts par daudzu novērojumu atmešanu savā eksperimentā bez redzama iemesla, lai samazinātu rezultātu statistisko kļūdu un padarītu tos "reprezentablākus".

Pilieni ar dažādiem lādiņiem

Millikāns eksperimentā izmērīja daudz, daudz pilienu, un ne visi no tiem bija eļļa. Viņš izmēģināja arī dzīvsudrabu un glicerīnu. Kā teikts, eksperiments sākās 1906. gadā un ilga dažus gadus. Trīs gadus vēlāk, 1909. gadā, tika publicēti pirmie rezultāti.

Šajā laikā viņš ieguva dažādus uzlādētus pilienus, sitot rentgenstarus caur plāksnēm, lai jonizētu gaisu starp tām. Tādā veidā tiek atbrīvotas uzlādētas daļiņas, kuras pilieni var pieņemt.

Turklāt viņš nekoncentrējās tikai uz suspendētajām pilieniņām. Millikans novēroja, ka tad, kad pilieni cēlās, arī celšanās ātrums mainījās atkarībā no piegādātās kravas.

Un, ja piliens nolaidās, šī papildu maksa, kas tika pielietota, pateicoties rentgenstaru iejaukšanās, nemainīja ātrumu, jo jebkura pilienam pievienotā elektronu masa ir minimāla, salīdzinot ar paša piliena masu.

Neatkarīgi no tā, cik lielu lādiņu tas pievienoja, Millikans atklāja, ka visi pilieni ieguvuši lādiņus, kas ir veseli skaitļi, ar noteiktu vērtības reizinājumu, kas ir e, pamatvienība, kas, kā mēs jau teicām, ir elektronu lādiņš.

Sākotnēji Millikans par šo vērtību ieguva 1592 x 10 ^-19 C, nedaudz zemāku par šobrīd pieņemto vērtību, kas ir 1,602 x 10 ^-19 C. Iemesls varētu būt bijusi vērtība, ko viņš devis gaisa viskozitātei vienādojumā nosaka kritiena gala ātrumu.

Piemērs

Levitējot pilienu eļļas

Mēs redzam šādu piemēru. Eļļas pilienam ir blīvums ρ = 927 kg / m ^3, un tas tiek atbrīvots elektrodu vidū ar izslēgtu elektrisko lauku. Piliens ātri sasniedz gala ātrumu, ar kuru nosaka rādiusu, kura vērtība izrādās R = 4,37 x10 ^-7 m.

Vienveidīgais lauks ieslēdzas, ir vērsts vertikāli uz augšu, un tā stiprums ir 9,66 kN / C. Tādā veidā tiek panākts, ka piliens paliek apturēts miera stāvoklī.

Tas jautā:

a) aprēķiniet pilienu lādiņu

b) Atrodiet, cik reizes elementa lādiņš atrodas piliena lādiņā.

c) ja iespējams, nosakiet kravas zīmi.

3. attēls. Eļļas piliens pastāvīga elektriskā lauka vidū. Avots: Fizikas pamati. Rekss-Volfsons.

Risinājums

Iepriekš tika atvasināts šāds izteiciens nomest miera stāvoklī:

Zinot kritiena blīvumu un rādiusu, nosaka kritiena masu:

Tādējādi:

Tāpēc piliens ir:

Risinājums b

Zinot, ka pamatkrava ir e = 1,6 x 10 ^-19 C, iepriekšējā sadaļā iegūto slodzi daliet ar šo vērtību:

Rezultātā piliena lādiņš ir aptuveni divreiz lielāks (n≈2) nekā pamata lādiņš. Tas nav precīzi divkāršs, taču šī nelielā neatbilstība ir saistīta ar neizbēgamu eksperimentālās kļūdas klātbūtni, kā arī noapaļošanu katrā no iepriekšējiem aprēķiniem.

Risinājums c

Lādiņa zīmi ir iespējams noteikt, pateicoties tam, ka paziņojums sniedz informāciju par lauka virzienu, kas vērsts vertikāli uz augšu, kā arī par spēku.

Elektriskā lauka līnijas vienmēr sākas ar pozitīvu lādiņu un beidzas ar negatīvu lādiņu, tāpēc apakšējā plāksne ir uzlādēta ar + zīmi, bet augšējā plāksne - ar zīmi (sk. 3. attēlu).

Tā kā kritiens ir vērsts uz augšējo plāksni, ko virza lauks, un tā kā pretējās zīmes lādiņi piesaista viens otru, kritienam jābūt ar pozitīvu lādiņu.

Faktiski noturēt pilienu apturētu nav viegli. Tātad Millikan izmantoja vertikālos pārvietojumus (kāpumus un kritumus), ko kritums piedzīvoja, izslēdzot un ieslēdzot lauku, kā arī izmaiņas rentgenstaru lādiņā un pārvietošanās laikos, lai novērtētu, cik lielu papildu lādiņu tas ir ieguvis.

Šis iegūtais lādiņš ir proporcionāls elektronu lādiņam, kā mēs jau redzējām, un to var aprēķināt ar pieauguma un krišanas laiku, kritiena masu un g un E vērtībām.

Atsauces

1. Atver prātu. Millikans, fiziķis, kurš ieradās redzēt elektronu. Atgūts no: bbvaopenmind.com
2. Rekss, A. 2011. Fizikas pamati. Pīrsons.
3. Tippens, P. 2011. Fizika: jēdzieni un pielietojumi. 7. izdevums. Makgreiva kalns.
4. Amrita. Millikana eļļas piliena eksperiments. Saturs iegūts no: vlab.amrita.edu
5. Veika meža koledža. Millikana eļļas piliena eksperiments. Atgūts no: wfu.edu