EXPERIMENT MILLIKAN: PROCEDURĂ, EXPLICAȚIE, IMPORTANȚĂ - FIZIC - 2025

Experimentul Millikan , realizat de Robert Millikan (1868-1953) , împreună cu elevul lui Harvey Fletcher (1884-1981), a început în 1906 și care vizează să studieze proprietățile sarcină electrică, analiza mișcarea de mii de picături de ulei în mijlocul unui câmp electric uniform.

Concluzia a fost că sarcina electrică nu a avut o valoare arbitrară, ci a venit cu multipli de 1,6 x 10 ^-19 C, care este sarcina fundamentală a electronului. În plus, s-a găsit masa electronului.

Figura 1. În stânga aparatul original folosit de Millikan și Fletcher în experimentul lor. În dreapta, o diagramă simplificată a acesteia. Sursa: Wikimedia Commons / F. Zapata,

Anterior, fizicianul JJ Thompson a găsit experimental relația sarcină-masă a acestei particule elementare, pe care a numit-o „corpuscle”, dar nu valorile fiecărei mărimi separat.

Din această relație sarcină - masă și încărcarea electronului, valoarea masei sale a fost determinată: 9,11 x 10 ^-31 Kg.

Pentru a-și atinge scopul, Millikan și Fletcher au folosit un atomizor care pulverizează o ceață fină de picături de ulei. Unele picături au fost încărcate electric din cauza frecării în pulverizator.

Picăturile încărcate s-au așezat încet pe electrozi cu plăci plane paralele, unde câțiva au trecut printr-o mică gaură în placa superioară, așa cum se arată în diagrama din figura 1.

În interiorul plăcilor paralele este posibil să se creeze un câmp electric uniform perpendicular pe plăci, a căror magnitudine și polaritate au fost controlate prin modificarea tensiunii.

Comportamentul picăturilor a fost observat iluminând interiorul plăcilor cu lumină strălucitoare.

Explicația experimentului

Dacă picătura are o încărcare, câmpul creat între plăci exercită asupra sa o forță care contracarează gravitația.

Și dacă, de asemenea, reușește să rămână suspendat, înseamnă că câmpul exercită o forță verticală în sus, care echilibrează exact gravitația. Această condiție va depinde de valoarea q, de sarcina picăturii.

Într-adevăr, Millikan a observat că, după ce a pornit pe teren, unele picături au fost suspendate, altele au început să se ridice sau au continuat să coboare.

Prin ajustarea valorii câmpului electric - printr-o rezistență variabilă, de exemplu - s-ar putea face o cădere pentru a rămâne suspendat în interiorul plăcilor. Deși în practică nu este ușor de obținut, ar trebui să se întâmple, doar forța exercitată de câmp și gravitația acționează asupra picăturii.

Dacă masa picăturii este m și încărcarea sa este q, știind că forța este proporțională cu câmpul de magnitudine E aplicat, a doua lege a lui Newton afirmă că ambele forțe trebuie să fie echilibrate:

Se cunoaște valoarea g, accelerația gravitației, precum și magnitudinea E a câmpului, care depinde de tensiunea V stabilită între plăci și de separarea dintre aceste L, ca:

Întrebarea era să găsești masa micii picături de ulei. Odată ce acest lucru este realizat, determinarea sarcinii q este perfect posibilă. Desigur, m și q sunt respectiv masa și sarcina căderii de ulei, nu electronul.

Dar … căderea este încărcată pentru că pierde sau câștigă electroni, deci valoarea acesteia este legată de încărcarea particulei menționate.

Masa picăturii de ulei

Problema lui Millikan și Fletcher a fost să determine masa unei picături, nu o sarcină ușoară datorită dimensiunilor mici.

Cunoscând densitatea uleiului, dacă aveți volumul picăturii, masa poate fi rezolvată. Dar volumul a fost, de asemenea, foarte mic, astfel încât metodele convenționale nu au fost de niciun folos.

Cu toate acestea, cercetătorii au știut că astfel de obiecte mici nu cad liber, deoarece rezistența aerului sau a mediului înconjurător intervine, încetinind mișcarea acestora. Deși particula, atunci când este eliberată cu câmpul oprit, experimentează o mișcare verticală accelerată și în jos, ea sfârșește să cadă cu viteză constantă.

Această viteză se numește „viteză terminală” sau „viteză limită”, care, în cazul unei sfere, depinde de raza ei și de vâscozitatea aerului.

În lipsa unui câmp, Millikan și Fletcher au măsurat timpul necesar ca picăturile să cadă. Presupunând că picăturile erau sferice și cu valoarea vâscozității aerului, au reușit să determine indirect raza de viteză a terminalului.

Această viteză se găsește aplicând legea lui Stokes și iată ecuația acesteia:

- v _t este viteza terminalului

- R este raza picăturii (sferice)

- η este vâscozitatea aerului

- ρ este densitatea picăturii

Importanţă

Experimentul lui Millikan a fost crucial, deoarece a dezvăluit câteva aspecte cheie în fizică:

I) Sarcina elementară este cea a electronului, a cărei valoare este 1,6 x 10 ^-19 C, una dintre constantele fundamentale ale științei.

II) Orice altă sarcină electrică se încadrează în multiplii sarcinii fundamentale.

III) Cunoscând sarcina electronului și relația sarcină-masă a JJ Thomson, a fost posibil să se determine masa electronului.

III) La nivel de particule cât mai mici ca particulele elementare, efectele gravitaționale sunt neglijabile în comparație cu cele electrostatice.

Figura 2. Millikan în prim-planul din dreapta, alături de Albert Einstein și alți fizicieni notabili. Sursa: Wikimedia Commons.

Millikan a primit Premiul Nobel pentru fizică în 1923 pentru aceste descoperiri. Experimentul său este relevant și pentru că a determinat aceste proprietăți fundamentale ale încărcării electrice, pornind de la o simplă instrumentare și aplicând legi bine cunoscute de toți.

Cu toate acestea, Millikan a fost criticat pentru că a aruncat multe observații în experimentul său, fără un motiv aparent, pentru a reduce eroarea statistică a rezultatelor și a le face mai „prezentabile”.

Picături cu o varietate de taxe

Millikan a măsurat multe, multe picături în experimentul său și nu toate au fost ulei. A încercat, de asemenea, mercur și glicerină. După cum s-a spus, experimentul a început în 1906 și a durat câțiva ani. Trei ani mai târziu, în 1909, au fost publicate primele rezultate.

În acest timp, el a obținut o varietate de picături încărcate lovind razele X prin plăci, pentru a ioniza aerul dintre ele. În acest fel, sunt eliberate particule încărcate pe care picăturile le pot accepta.

În plus, el nu sa concentrat doar pe picăturile suspendate. Millikan a observat că atunci când picăturile au crescut, rata de creștere a variat și în funcție de sarcina livrată.

Și dacă scăderea a scăzut, această încărcare suplimentară adăugată datorită intervenției razelor X nu a modificat viteza, deoarece orice masă de electroni adăugată la cădere este minusculă, comparativ cu masa picăturii în sine.

Indiferent de cât de mult a adăugat, Millikan a constatat că toate picăturile au dobândit sarcini care erau multipli întregi cu o anumită valoare, care este e, unitatea fundamentală, care, după cum am spus, este încărcarea electronului.

Millikan a obținut inițial 1.592 x 10 ^-19 C pentru această valoare, puțin mai mică decât valoarea acceptată în prezent, care este 1.602 x 10 ^-19 C. Motivul ar fi fost valoarea pe care a dat-o vâscozității aerului în ecuația pentru determinați viteza terminală a picăturii.

Exemplu

Levitarea unei picături de ulei

Vedem următorul exemplu. O picătură de ulei are o densitate ρ = 927 kg / m ³ și este eliberată în mijlocul electrozilor cu câmpul electric oprit. Picătura atinge rapid viteza terminalului, prin care este determinată raza, a cărei valoare se dovedește a fi R = 4,37 x10 ^-7 m.

Câmpul uniform se activează, este direcționat vertical în sus și are magnitudinea 9,66 kN / C. În acest fel, se obține că picătura rămâne suspendată în repaus.

Se întreabă:

a) Calculați sarcina picăturii

b) Aflați de câte ori sarcina elementară este conținută în sarcina picăturii.

c) Determinați dacă este posibil, semnul încărcăturii.

Figura 3. O picătură de ulei în mijlocul unui câmp electric constant. Sursa: Fundamente ale fizicii. Rex-Wolfson.

Solutie la

Anterior, următoarea expresie a fost derivată pentru o picătură în repaus:

Cunoscând densitatea și raza picăturii, masa picăturii este determinată:

Prin urmare:

Prin urmare, taxa căderii este:

Soluție b

Știind că sarcina fundamentală este e = 1,6 x 10 ^-19 C, împărțiți sarcina obținută în secțiunea anterioară la această valoare:

Rezultatul este că sarcina pe picătură este de aproximativ două ori (n≈2) sarcina elementară. Nu este exact dublă, dar această ușoară discrepanță se datorează prezenței inevitabile a erorii experimentale, precum și rotunjirea în fiecare dintre calculele anterioare.

Soluție c

Este posibil să se determine semnul încărcării, datorită faptului că declarația oferă informații despre direcția câmpului, care este direcționată vertical în sus, precum și despre forță.

Liniile de câmp electric încep întotdeauna cu sarcini pozitive și se termină cu sarcini negative, de aceea placa inferioară este încărcată cu un semn + și placa superioară cu un semn - a se vedea figura 3).

Întrucât căderea este îndreptată spre placa de deasupra, condusă de câmp și din moment ce sarcinile cu semn opus se atrag reciproc, căderea trebuie să aibă o încărcare pozitivă.

De fapt, menținerea suspendată a picăturii nu este ușor de obținut. Așadar, Millikan a folosit deplasările verticale (urcări și coborâșuri) pe care le-a experimentat scăderea prin oprirea și pornirea câmpului, plus modificări ale încărcărilor cu raze X și a timpilor de călătorie, pentru a estima cât de multă taxă suplimentară a dobândit.

Această încărcare dobândită este proporțională cu sarcina pe electron, așa cum am văzut deja, și poate fi calculată cu timpul de creștere și de cădere, masa căderii și valorile g și E.

Referințe

1. Minte deschisă. Millikan, fizicianul care a venit să vadă electronul. Recuperat de pe: bbvaopenmind.com
2. Rex, A. 2011. Fundamentele fizicii. Pearson.
3. Tippens, P. 2011. Fizică: concepte și aplicații. Ediția a VII-a. McGraw Hill.
4. Amrita. Experimentul picăturii de ulei de Millikan. Preluat de la: vlab.amrita.edu
5. Wake Forest College. Experimentul picăturii de ulei de la Millikan. Recuperat din: wfu.edu