MILLIKANO EKSPERIMENTAS: PROCEDŪRA, PAAIŠKINIMAS, SVARBA - FIZINIS - 2025

Millikan eksperimentas , atliekamas Robert Millikan (1868-1953) kartu su savo studentu Harvey Fletcher (1884-1981), prasidėjo 1906 metais ir siekė studijuoti elektros mokestį savybes, analizuoti tūkstančių lašų judėjimo aliejaus vienodo elektrinio lauko viduryje.

Buvo padaryta išvada, kad elektros krūvis neturėjo savavališkos vertės, bet kilo iš 1,6 x 10 ^-19 C, kuris yra pagrindinis elektrono krūvis, kartotiniais . Be to, buvo rasta elektronų masė.

1 pav. Kairėje originalus aparatas, kurį Millikanas ir Fletcheris panaudojo savo eksperimente. Dešinėje supaprastinta jo schema. Šaltinis: „Wikimedia Commons“ / F. „Zapata“,

Anksčiau fizikas JJ Thompsonas eksperimentiškai nustatė šios elementariosios dalelės, kurią jis vadino „korpusu“, krūvio ir masės santykį, bet ne kiekvieno didumo reikšmes atskirai.

Iš šio krūvio ir masės santykio bei elektrono krūvio nustatyta jo masės vertė: 9,11 x ^10–31 Kg.

Siekdami savo tikslo, Millikanas ir Fletcheris panaudojo purkštuvą, išpurškiantį smulkų rūko aliejaus lašelius. Kai kurie lašeliai buvo įkrauti elektra dėl purkštuvo trinties.

Įkrauti lašai pamažu nusistovi ant lygiagrečių plokščių elektrodų, kur keli išėjo per mažą skylę viršutinėje plokštelėje, kaip parodyta 1 paveikslo diagramoje.

Lygiagrečių plokščių viduje galima sukurti vienodą statmeną plokštėms elektrinį lauką, kurio dydis ir poliškumas buvo kontroliuojami modifikuojant įtampą.

Lašų elgesys buvo stebimas apšviečiant plokštelių vidų ryškia šviesa.

Eksperimento paaiškinimas

Jei lašas turi krūvį, tarp plokščių sukurtas laukas į jį nukreipia jėgą, priešingą gravitacijai.

Ir jei jis taip pat sugeba išlikti pakabinamas, tai reiškia, kad laukas veikia aukštyn vertikalią jėgą, kuri tiksliai subalansuoja gravitaciją. Ši sąlyga priklausys nuo q vertės, kritimo krūvio.

Iš tiesų Millikanas pastebėjo, kad įjungus lauką kai kurie lašai buvo sustabdyti, kiti pradėjo kilti ar toliau nusileisti.

Koreguojant elektrinio lauko vertę - pavyzdžiui, per kintamą varžą -, galima būtų numesti, kad liktų pakabinta plokštėse. Nors praktiškai tai nėra lengva pasiekti, jei taip turėtų atsitikti, tik lašo ir jėgos, kurias veikia laukas, ir gravitacijos poveikis krenta.

Jei kritimo masė yra m, o jo krūvis yra q, žinant, kad jėga yra proporcinga pritaikytam lauko dydžiui E, Niutono antrasis įstatymas teigia, kad abi jėgos turi būti subalansuotos:

Yra žinoma g vertė, gravitacijos pagreitis, taip pat lauko E dydis, kuris priklauso nuo įtampos V, esančios tarp plokščių, ir atstumo tarp šių L, kaip:

Klausimas buvo rasti mažyčio aliejaus lašo masę. Tai atlikus, visiškai įmanoma nustatyti krūvį q. Natūralu, kad m ir q yra atitinkamai alyvos lašo masė ir krūvis, o ne elektronas.

Bet … lašas yra įkraunamas, nes jis praranda ar įgyja elektronus, todėl jo vertė yra susijusi su minėtos dalelės įkrovimu.

Alyvos lašo masė

Millikano ir Fletcherio problema buvo nustatyti lašo masę, nes tai nebuvo lengva užduotis dėl mažo jo dydžio.

Žinant alyvos tankį, jei turite lašo tūrį, masę galima išspręsti. Tačiau tūris taip pat buvo labai mažas, todėl tradiciniai metodai nebuvo naudingi.

Tačiau tyrėjai žinojo, kad tokie maži daiktai laisvai nenukrenta, nes lėtėjant jų judėjimui, atsiranda oro ar aplinkos atsparumas. Nors dalelė, išleidžiama su išjungtu lauku, patiria pagreitintą vertikalų judesį žemyn, ji baigiasi kritimu pastoviu greičiu.

Šis greitis vadinamas „galiniu greičiu“ arba „ribiniu greičiu“, kuris rutulio atveju priklauso nuo jo spindulio ir oro klampumo.

Trūkstant lauko, Millikanas ir Fletcheris išmatavo laiką, per kurį lašai krito. Darant prielaidą, kad lašai buvo sferiniai ir su oro klampumo verte, jiems pavyko nustatyti spindulį netiesiogiai iš galinio greičio.

Šis greitis nustatomas taikant Stokso įstatymą ir čia yra jo lygtis:

- v _t yra galinis greitis

- R yra kritimo spindulys (sferinis)

- η yra oro klampumas

- ρ yra lašo tankis

Svarba

Millikano eksperimentas buvo lemiamas, nes jis atskleidė kelis pagrindinius fizikos aspektus:

I) Elemento krūvis yra elektrono, kurio vertė 1,6 x 10 ^–19 C, kuri yra viena iš pagrindinių mokslo konstantų, krūvis .

II) Bet kuris kitas elektros krūvis yra dauginamas iš pagrindinio krūvio.

III) Žinant elektrono krūvį ir JJ Thomsono krūvio ir masės santykį, buvo galima nustatyti elektrono masę.

III) Mažų dalelių, kaip ir elementariųjų dalelių, gravitacinis poveikis yra nereikšmingas, palyginti su elektrostatiniais.

2 pav. Millikanas priekiniame plane dešinėje, kartu su Albertu Einšteinu ir kitais žymiais fizikais. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Už šiuos atradimus Millikanas 1923 m. Gavo Nobelio fizikos premiją. Jo eksperimentas taip pat yra svarbus, nes jis nustatė šias pagrindines elektros krūvio savybes, pradedant nuo paprastų prietaisų ir pritaikant visiems gerai žinomus įstatymus.

Tačiau Millikanas buvo kritikuojamas už tai, kad be jokios akivaizdžios priežasties atmetė daugelį stebėjimų eksperimente, siekdamas sumažinti statistinę rezultatų paklaidą ir padaryti juos labiau „pateiktinus“.

Lašai su įvairiais krūviais

Savo eksperimente Millikanas išmatavo daugybę lašų, ​​ir ne visi jie buvo aliejus. Jis taip pat išbandė gyvsidabrį ir gliceriną. Kaip teigiama, eksperimentas prasidėjo 1906 m. Ir truko keletą metų. Po trejų metų, 1909 m., Buvo paskelbti pirmieji rezultatai.

Per tą laiką jis išgaudavo įvairius įkrautus lašus, rentgeno spinduliais tepdamas plokšteles, kad jonizuotų orą tarp jų. Tokiu būdu išsiskiria įkrautos dalelės, kurias lašai gali priimti.

Be to, jis nekreipė dėmesio tik į pakabinamus lašelius. Millikanas pastebėjo, kad pakilus lašams, pakilimo greitis taip pat kinta priklausomai nuo pristatyto krovinio.

Ir jei lašas nusileido, šis papildomas krūvis, atliktas dėl rentgeno spinduliuotės įsikišimo, greičio nepakeitė, nes bet kokia lašo pridėta elektronų masė yra maža, palyginti su paties lašo mase.

Nepaisant to, kiek krūvio jis pridėjo, Millikanas nustatė, kad visi lašai įgavo krūvius, kurie buvo sveikieji skaičiai, tam tikros vertės kartotiniai, ty e, pagrindinis vienetas, kuris, kaip mes jau sakėme, yra elektrono krūvis.

Iš pradžių Millikanas už šią vertę gavo 1592 x 10 ^-19 C, šiek tiek mažesnę nei šiuo metu priimtina vertė, kuri yra 1,602 x 10 ^-19 C. Priežastis galėjo būti ta vertė, kurią jis pateikė oro klampumui lygtyje nustatyti galinį kritimo greitį.

Pavyzdys

Levitacija lašo aliejaus

Matome šį pavyzdį. Tepalo lašelio tankis ρ = 927 kg / m ³ ir jis išsiskiria elektrodų viduryje, kai elektrinis laukas yra išjungtas. Lašelis greitai pasiekia galinį greitį, pagal kurį nustatomas spindulys, kurio vertė pasirodo R = 4,37 x10 ^-7 m.

Vienodas laukas įsijungia, yra nukreiptas vertikaliai aukštyn ir jo amplitudė yra 9,66 kN / C. Tokiu būdu pasiekiama, kad lašas liktų pakabinamas ramybėje.

Jame klausiama:

a) Apskaičiuokite lašelio krūvį

b) Raskite, kiek kartų elementinis krūvis yra lašo krūvyje.

c) Jei įmanoma, nustatykite krovinio ženklą.

3 pav. Alyvos lašelis nuolatinio elektrinio lauko viduryje. Šaltinis: Fizikos pagrindai. Reksas-Volfsonas.

Sprendimas

Anksčiau lašas ramybėje buvo išvestas taip:

Žinant lašo tankį ir spindulį, nustatoma lašo masė:

Taigi:

Todėl lašo mokestis yra:

B sprendimas

Žinodami, kad pagrindinė apkrova yra e = 1,6 x 10 ^-19 C, ankstesniame skyriuje gautą apkrovą padalinkite iš šios vertės:

Rezultatas yra tas, kad lašo įkrova yra maždaug dvigubai didesnė (n≈2) nei elementinis krūvis. Tai nėra tiksliai dviguba, tačiau šis nedidelis neatitikimas atsiranda dėl neišvengiamos eksperimentinės paklaidos, taip pat apvalinimo kiekviename ankstesniame skaičiavime.

C sprendimas

Nustatyti krūvio ženklą galima dėl to, kad teiginyje pateikiama informacija apie lauko kryptį, nukreiptą vertikaliai aukštyn, taip pat apie jėgą.

Elektrinio lauko linijos visada prasideda nuo teigiamų krūvių ir baigiasi neigiamais krūviais, todėl apatinė plokštė yra pažymėta + ženklu, o viršutinė plokštė - ženklu (žr. 3 paveikslą).

Kadangi lašas yra nukreiptas į aukščiau esančią plokštę, varomą lauko, ir kadangi priešingo ženklo krūviai traukia vienas kitą, kritimas turi turėti teigiamą krūvį.

Iš tikrųjų išlaikyti lašą sustabdytą nėra lengva. Taigi Millikanas panaudojo vertikalius poslinkius (pakilimus ir nuosmukius), kuriuos patyrė kritimas, kai laukas buvo išjungtas ir įjungtas, taip pat rentgeno įkrovos ir kelionės laiko pokyčiai, kad būtų galima įvertinti, kiek papildomo krūvio įgijo.

Šis įgytas krūvis yra proporcingas krūviui elektrone, kaip mes jau matėme, ir jį galima apskaičiuoti atsižvelgiant į pakilimo ir kritimo laiką, kritimo masę ir g bei E reikšmes.

Nuorodos

1. Plačių pažiūrų. Millikanas, fizikas, atėjęs pažiūrėti elektronų. Atkurta iš: bbvaopenmind.com
2. Rex, A. 2011. Fizikos pagrindai. Pearsonas.
3. Tippens, P. 2011. Fizika: sąvokos ir programos. 7-asis leidimas. McGraw Hill.
4. Amrita. Millikano aliejaus lašo eksperimentas. Gauta iš: vlab.amrita.edu
5. „Wake Forest“ kolegija. Millikano aliejaus lašo eksperimentas. Atgauta iš: wfu.edu