ЭКСПЕРИМЕНТ МИЛЛИКЕНА: ПРОЦЕДУРА, ОБЪЯСНЕНИЕ, ВАЖНОСТЬ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Милликен эксперимент , проведенный Роберт Милликен (1868-1953) вместе со своим учеником Харви Флетчер (1884-1981), началась в 1906 году и был направлен на исследование свойств электрического заряда, анализируя движение тысяч капель масла посреди однородного электрического поля.

Был сделан вывод, что электрический заряд не имеет произвольного значения, а кратен 1,6 x 10 ^-19 Кл, что является фундаментальным зарядом электрона. Кроме того, была найдена масса электрона.

Рис. 1. Слева оригинальное устройство, использованное Милликеном и Флетчером в их эксперименте. Справа упрощенная схема. Источник: Wikimedia Commons / Ф. Сапата,

Ранее физик Дж. Дж. Томпсон экспериментально обнаружил соотношение заряд-масса этой элементарной частицы, которую он назвал «корпускулой», но не значения каждой величины в отдельности.

Из этого отношения заряд-масса и заряда электрона было определено значение его массы: 9,11 x 10 ^-31 кг.

Для достижения своей цели Милликен и Флетчер использовали распылитель, который распылял мелкий туман из капель масла. Некоторые капли были электрически заряжены из-за трения в распылителе.

Заряженные капли медленно оседали на параллельных плоских пластинчатых электродах, некоторые из которых проходили через небольшое отверстие в верхней пластине, как показано на диаграмме на рисунке 1.

Внутри параллельных пластин можно создать однородное электрическое поле, перпендикулярное пластинам, величина и полярность которого контролировались изменением напряжения.

За поведением капель наблюдали, освещая внутреннюю часть пластин ярким светом.

Объяснение эксперимента

Если капля имеет заряд, поле, созданное между пластинами, оказывает на нее силу, противодействующую гравитации.

И если ему также удается оставаться в подвешенном состоянии, это означает, что поле оказывает восходящую вертикальную силу, которая точно уравновешивает гравитацию. Это условие будет зависеть от значения q - заряда капли.

Действительно, Милликен заметил, что после включения поля некоторые капли приостановились, другие начали подниматься или продолжали опускаться.

Регулируя величину электрического поля - например, с помощью переменного сопротивления - можно заставить каплю оставаться в подвешенном состоянии внутри пластин. Хотя на практике этого добиться непросто, но если это произойдет, на каплю действуют только сила поля и гравитации.

Если масса капли равна m, а ее заряд равен q, зная, что сила пропорциональна приложенному полю величиной E, второй закон Ньютона утверждает, что обе силы должны быть уравновешены:

Известно значение g, ускорение свободного падения, а также величина E поля, которая зависит от напряжения V, установленного между пластинами, и расстояния между ними L, как:

Вопрос состоял в том, чтобы найти массу крошечной капли масла. Как только это будет выполнено, определение заряда q станет вполне возможным. Естественно, m и q - это масса и заряд масляной капли, а не электрона.

Но … капля заряжена, потому что она теряет или приобретает электроны, поэтому ее величина связана с зарядом указанной частицы.

Масса масляной капли

Задача Милликена и Флетчера заключалась в том, чтобы определить массу капли, что было непростой задачей из-за ее небольшого размера.

Зная плотность масла, если у вас есть объем капли, можно решить массу. Но и объем был очень мал, поэтому обычные методы были бесполезны.

Однако исследователи знали, что такие маленькие объекты не падают свободно, так как сопротивление воздуха или окружающей среды вмешивается, замедляя их движение. Хотя частица, выпущенная с выключенным полем, испытывает ускоренное вертикальное движение вниз, в конечном итоге она падает с постоянной скоростью.

Эта скорость называется «конечной скоростью» или «предельной скоростью», которая в случае шара зависит от его радиуса и вязкости воздуха.

В отсутствие поля Милликен и Флетчер измерили время, за которое капли упали. Предполагая, что капли были сферическими и с учетом вязкости воздуха, им удалось определить радиус косвенно по конечной скорости.

Эта скорость находится с помощью закона Стокса, и вот его уравнение:

- v _t - конечная скорость

- R - радиус капли (сферический)

- η - вязкость воздуха

- ρ - плотность капли

значение

Эксперимент Милликена имел решающее значение, потому что он выявил несколько ключевых аспектов физики:

I) Элементный заряд - это заряд электрона, значение которого составляет 1,6 x 10 ^-19 Кл, одна из фундаментальных констант науки.

II) Любой другой электрический заряд кратен фундаментальному заряду.

III) Зная заряд электрона и соотношение заряд-масса Дж. Дж. Томсона, можно было определить массу электрона.

III) На уровне таких мелких частиц, как элементарные частицы, гравитационные эффекты незначительны по сравнению с электростатическими.

Рис. 2. Милликен на переднем плане справа, рядом с Альбертом Эйнштейном и другими известными физиками. Источник: Wikimedia Commons.

За эти открытия Милликен получил Нобелевскую премию по физике в 1923 году. Его эксперимент важен еще и потому, что он определил эти фундаментальные свойства электрического заряда, начав с простых приборов и применив хорошо известные всем законы.

Однако Милликена критиковали за то, что он отказался от многих наблюдений в своем эксперименте без видимой причины, чтобы уменьшить статистическую ошибку результатов и сделать их более «презентабельными».

Капли с множеством зарядов

Милликен измерил очень много капель в своем эксперименте, и не все из них были маслом. Он также пробовал ртуть и глицерин. Как уже говорилось, эксперимент начался в 1906 году и длился несколько лет. Три года спустя, в 1909 году, были опубликованы первые результаты.

За это время он получил множество заряженных капель, пропуская рентгеновские лучи через пластины, чтобы ионизировать воздух между ними. Таким образом высвобождаются заряженные частицы, которые могут принять капли.

Более того, он не сосредоточился исключительно на взвешенных каплях. Милликен заметил, что, когда капли поднимаются, скорость подъема также варьируется в зависимости от доставляемой нагрузки.

И если капля опустилась, этот дополнительный заряд, добавленный благодаря вмешательству рентгеновских лучей, не изменил скорость, потому что любая масса электронов, добавленных к капле, мизерна по сравнению с массой самой капли.

Независимо от того, сколько заряда он добавил, Милликен обнаружил, что все капли приобрели заряды, которые были целыми числами, кратными определенной величине, которая является е, фундаментальной единицей, которая, как мы уже сказали, является зарядом электрона.

Первоначально Милликен получил для этого значения 1592 x 10 ^-19 ° C, что немного ниже принятого в настоящее время значения, которое составляет 1602 x 10 ^-19 ° C. Причиной может быть значение, которое он дал вязкости воздуха в уравнении для определить конечную скорость капли.

пример

Поднимая каплю масла

Мы видим следующий пример. Капля масла имеет плотность ρ = 927 кг / м ³ и выделяется в середине электродов при выключенном электрическом поле. Капля быстро достигает предельной скорости, в результате чего определяется радиус, значение которого оказывается R = 4,37 · 10 ^-7 м.

Равномерное поле включается, направлено вертикально вверх и имеет величину 9,66 кН / С. Таким образом достигается то, что капля остается приостановленной в состоянии покоя.

Спрашивает:

а) Рассчитайте заряд капли

б) Найдите, сколько раз элементарный заряд содержится в заряде капли.

c) Определите, если возможно, знак нагрузки.

Рис. 3. Капля масла посреди постоянного электрического поля. Источник: Основы физики. Rex-Вольфсон.

Решение для

Ранее для капли в состоянии покоя было получено следующее выражение:

Зная плотность и радиус капли, определяется масса капли:

Таким образом:

Следовательно, заряд капли равен:

Решение б

Зная, что основная нагрузка равна e = 1,6 x ^10-19 C, разделите нагрузку, полученную в предыдущем разделе, на это значение:

В результате заряд капли примерно вдвое (n≈2) заряда элемента. Это не совсем двойное значение, но это небольшое несоответствие связано с неизбежным присутствием экспериментальной ошибки, а также округлением в каждом из предыдущих расчетов.

Решение c

Определить знак заряда возможно, благодаря тому, что в выписке даются сведения о направлении поля, которое направлено вертикально вверх, а также о силе.

Линии электрического поля всегда начинаются положительными зарядами и заканчиваются отрицательными зарядами, поэтому нижняя пластина заряжена знаком +, а верхняя пластина - знаком (см. Рисунок 3).

Поскольку капля направлена ​​к пластине вверху под действием поля и поскольку заряды противоположных знаков притягиваются друг к другу, капля должна иметь положительный заряд.

На самом деле, удерживать каплю в подвешенном состоянии непросто. Таким образом, Милликен использовал вертикальные смещения (взлеты и падения), которые испытывала капля при включении и выключении поля, а также изменения заряда рентгеновского излучения и времени пробега, чтобы оценить, сколько дополнительного заряда приобрела капля.

Этот приобретенный заряд пропорционален заряду электрона, как мы уже видели, и может быть рассчитан с учетом времени нарастания и спада, массы капли и значений g и E.

Ссылки

1. Открытый разум. Милликен, физик, который пришел посмотреть на электрон. Получено с: bbvaopenmind.com
2. Рекс, А. 2011. Основы физики. Пирсон.
3. Типпенс, П. 2011. Физика: концепции и приложения. 7-е издание. Макгроу Хилл.
4. Амрита. Эксперимент Милликена с каплей масла. Получено с: vlab.amrita.edu
5. Колледж Уэйк Форест. Капля масла Милликена Эксперимент. Получено с: wfu.edu