МИЛЛИКАНОВ ЕКСПЕРИМЕНТ: ПОСТУПАК, ОБЈАШЊЕЊЕ, ВАЖНОСТ - ФИЗИЧКИ - 2025

Миликен експеримент , спроводи Роберт Милликан (1868-1953), заједно са својим студентом Харви Флетцхер (1884-1981), почела је 1906. године и има за циљ да проучи својства електричног набоја, анализира кретање хиљада капи нафте усред једноличног електричног поља.

Закључак је био да електрични набој нема произвољну вредност, али долази у вишекратницима од 1,6 к 10 ^-19 Ц, што је основни набој електрона. Поред тога, пронађена је и маса електрона.

Слика 1. Са леве стране оригинални апарат који су Милликан и Флетцхер користили у свом експерименту. Са десне стране је поједностављен дијаграм. Извор: Викимедиа Цоммонс / Ф. Запата,

Раније је физичар ЈЈ Тхомпсон експериментално пронашао однос наелектрисања-масе ове елементарне честице, коју је назвао "лешина", али не и вредности сваке величине засебно.

Из овог односа наелектрисања - масе и набоја електрона одређена је вредност његове масе: 9,11 к 10 ^-31 Кг.

Да би постигли своју сврху, Милликан и Флетцхер користили су распршивач којим су прскали фину маглу капљица уља. Неке од капљица су биле електрично набијене због трења у прскалици.

Набијене капи полако су се таложиле на електродама паралелних равних плоча, где је неколико прошло кроз мали отвор у горњој плочи, као што је приказано на дијаграму на слици 1.

Унутар паралелних плоча могуће је створити једнолично електрично поље окомито на плоче, чија се величина и поларитет контролисали променом напона.

Понашање капљица примећено је осветљавањем унутрашњости плоча јаком светлошћу.

Објашњење експеримента

Ако кап има набој, поље које настаје између плоча делује на њега која делује противно гравитацији.

А ако такође успе да остане суспендован, то значи да поље делује вертикалном силом према горе, која тачно уравнотежује гравитацију. Овај услов ће зависити од вредности к, набоја капи.

Заиста, Милликан је приметио да су након скретања на терен неке капи суспендоване, друге су почеле да се дижу или настављају да се спуштају.

Подешавањем вредности електричног поља - на пример, променљивим отпором - може се постићи пад који остаје суспендован унутар плоча. Иако то у пракси није лако постићи, ако се то догоди, на пад дјелују само сила која делује напоном и гравитацијом.

Ако је маса пада м, а набој је к, знајући да је сила пропорционална примењеном пољу величине Е, Невтонов други закон каже да обе силе морају бити уравнотежене:

Позната је вредност г, убрзање гравитације, као и јачина поља која зависи од напона В утврђеног између плоча и одвајања између ових Л као:

Питање је било пронаћи масу сићушне капљице нафте. Једном када је то постигнуто, одређивање набоја к је потпуно могуће. Наравно, м и к су маса и набој капи за уље, а не електрон.

Али … кап се набија јер губи или добија електроне, па је његова вредност повезана са набојем наведене честице.

Маса капљице уља

Проблем Милликана и Флетцхера био је да одреди масу капи, што није био лак задатак због мале величине.

Знајући густину уља, ако имате запремину кап, маса се може решити. Али запремина је такође била врло мала, тако да конвенционалне методе нису биле од користи.

Међутим, истраживачи су знали да овако мали предмети не падају слободно, јер отпор ваздуха и околине интервенише, успоравајући њихово кретање. Иако честица, када се ослободи са искљученим пољем, доживи убрзани вертикални покрет и надоле, на крају пада сталном брзином.

Ова брзина се назива „крајња брзина“ или „гранична брзина“, која у случају сфере зависи од његовог радијуса и вискозности ваздуха.

У недостатку поља, Милликан и Флетцхер су одмерили време које је било потребно да капљице падну. Претпостављајући да су капи сферичне и са вредностом вискозности ваздуха, успели су да утврде радијус индиректно од крајње брзине.

Ову брзину проналазимо применом Стокесовог закона и ево његове једначине:

- в _т је крајња брзина

- Р је полумјер пада (сферног)

- η вискозитет ваздуха

- ρ је густина пада

Значај

Милликанов експеримент је био пресудан, јер је открио неколико кључних аспеката у физици:

И) Елементарни набој је електрон чија је вредност 1,6 к 10 ^-19 Ц, једна од основних константи науке.

ИИ) Било који други електрични набој долази у вишеструким основним набојима.

ИИИ) Знајући наелектрисање електрона и однос наелектрисања-масе ЈЈ Тхомсон-а, било је могуће одредити масу електрона.

ИИИ) На нивоу честица малих и елементарних честица, гравитациони ефекти су занемарљиви у поређењу са електростатичким.

Слика 2. Милликан у првом плану са десне стране, поред Алберта Ајнштајна и других угледних физичара. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Милликан је 1923. добио Нобелову награду за физику за та открића. Његов експеримент је такође битан јер је одредио ова основна својства електричног набоја, почевши од једноставне инструментације и примењивања закона свима добро познатих.

Међутим, Милликан је био критикован да је одбацио многа запажања у свом експерименту, без икаквог разлога, да би смањио статистичку грешку резултата и учинио их „представљивијима“.

Капи са разним набојима

Милликан је у свом експерименту измерио много, много капи и нису све биле уље. Такође је пробао живу и глицерин. Како је речено, експеримент је почео 1906. године и трајао је неколико година. Три године касније, 1909. године, објављени су први резултати.

За то време, добијао је разне набојне капи ударајући рендгенске зраке кроз плоче како би ионизовао ваздух између њих. На овај начин се ослобађају наелектрисане честице које капљице могу прихватити.

Даље, није се фокусирао само на суспендиране капљице. Милликан је приметио да када се капи повећавају, брзина пораста такође варира у складу са испорученим теретом.

А ако се кап спустила, ово додатно наелектрисање, захваљујуци интервенцији рендгенских зрака, није променило брзину, јер је свака маса електрона додата у кап мања, у поређењу са масом самог капи.

Без обзира на то колико је набоја додао, Милликан је открио да су све капљице стекле набоје који су били цели вишеструки од одређене вредности, што је е, основна јединица, која је, као што смо рекли, набој електрона.

Милликан је за ову вредност првобитно добио 1,592 к 10 ^-19 Ц, нешто мање од тренутно прихваћене вредности, која је 1,602 к 10 ^-19 Ц. Разлог је можда вредност коју је он дао једнаџби вискозности ваздуха за одредите крајњу брзину пада.

Пример

Левитација кап уља

Видимо следећи пример. Капљица уља има густину ρ = 927 кг / м ³ и ослобађа се у средини електрода са искљученим електричним пољем. Капљица брзо досеже крајњу брзину, при чему се одређује радијус, чија се вредност покаже као Р = 4,37 к10 ^-7 м.

Уједначено поље се укључује, усмерено вертикално према горе и има магнитуду 9,66 кН / Ц. На овај начин се постиже да кап остане суспендован у мировању.

Пита се:

а) Израчунајте набој капљица

б) Пронађите колико се елементарног набоја налази у набоју капи.

ц) Ако је могуће, одредите знак оптерећења.

Слика 3. Капљица уља усред сталног електричног поља. Извор: Основе физике. Рек-Волфсон.

Решење за

Раније је за пад у мировању изведен следећи израз:

Знајући густину и радијус пада, одређује се маса пада:

Тако:

Дакле, набој капи је:

Решење б

Знајући да је основно оптерећење е = 1,6 к 10 ^-19 Ц, оптерећење добијено у претходном одељку поделите са овом вредношћу:

Резултат тога је да је набој на паду приближно двоструко (н≈2) елементарног набоја. Није баш двоструко, али ово благо одступање је последица неизбежне присутности експерименталне грешке, као и заокруживања у сваком од претходних израчуна.

Решење ц

Знак наелектрисања могуће је одредити захваљујући чињеници да изјава даје информације о правцу поља који је усмерен вертикално према горе, као и о снази.

Линија електричног поља увек започиње позитивним наелектрисањем и завршава негативним наелектрисањем, стога је доња плоча напуњена знаком +, а горња плоча са знаком - (видети слику 3).

Пошто је кап усмерен према горњој плочи, покретан пољем, а пошто набоји супротног знака привлаче једни друге, кап мора имати позитиван набој.

Заправо задржавање капи суспендовано није лако постићи. Тако је Милликан искористио вертикалне помаке (успоне и падове) које је кап доживео искључивањем и укључивањем поља, плус променама набоја рендгенских зрака и времена путовања како би проценио колико додатног набоја је капи стекао.

Ово стечено наелектрисање пропорционално је наелектрисању електрона, као што смо већ видели, и може се израчунати временом пораста и пада, масом пада и вредностима г и Е.

Референце

1. Опен Минд. Милликан, физичар који је дошао да види електроне. Опоравак од: ббваопенминд.цом
2. Рек, А. 2011. Основе физике. Пеарсон.
3. Типпенс, П. 2011. Физика: појмови и апликације. 7тх Едитион. МцГрав Хилл.
4. Амрита. Милликанов експеримент капи уља. Преузето са: влаб.амрита.еду
5. Ваке Форест Цоллеге. Експеримент за кап уља Милликан. Опоравак од: вфу.еду