Millikan -kokeilumenetelmä, selitys, merkitys

Hän Millikan -koe, Robert Millikanin (1868-1953) suorittama opiskelijansa Harvey Fletcherin (1884-1981) kanssa alkoi vuonna 1906 ja pyrkii tutkimaan sähkövarauksen ominaisuuksia analysoimalla tuhansien öljypisaroiden liikkumista yhtenäisen sähköisen sähkökäytön keskellä ala.

Johtopäätös oli, että sähkövarauksella ei ollut mielivaltaista arvoa, mutta että se tuli monikerroksina 1.6 x 10^-19 C, joka on elektronin peruskuorma. Lisäksi löydettiin elektronimassa.

Kuvio 1. Vasemmalla puolella Millikanin ja Fletcherin käyttämä alkuperäinen laite heidän kokeilussaan. Oikealla tavalla yksinkertaistettu kaavio samasta. Lähde: Wikimedia Commons/F. Zapata,

Aikaisemmin fyysinen J.J -. Thompson oli löytänyt kokeellisesti tämän alkuainepartikkelin kuormitus-mandy-suhteen, jota hän kutsui "korpuskiseksi", mutta ei kunkin voimakkuuden arvoja erikseen.

Tästä kuormasta - massasuhde ja elektronikuorma määritettiin sen massan arvo: 9.11 x 10^-31 Kg.

Tarkoituksensa saavuttamiseksi Millikan ja Fletcher tarjoili. Jotkut tippat olivat sähköisesti ladattuja ruiskujen kitkan ansiosta.

Ladattuja tippoja laskeutui hitaasti yhdensuuntaisiin litteisiin plakkielektrodeihin, joissa muutama kulki pienen levyn pienen reiän läpi, kuten kuvan 1 kaaviossa esitetään.

Rinnakkaislevyjen sisällä on mahdollista luoda tasainen sähkökenttä ja kohtisuorassa levyille, joiden suuruutta ja napaisuutta säädettiin modifioimalla jännitettä.

Piskojen käyttäytymistä havaittiin valaisemalla levyjen sisäpuolen kirkkaalla valolla.

[TOC]

Selitys kokeilusta

Jos pudotuksella on kuorma, levyjen väliin luotu kenttä kohdistaa siihen voiman, joka torjuu painovoiman.

Ja jos se myös onnistuu keskeyttämään, se tarkoittaa, että kenttä käyttää pystysuoraa voimaa, joka tasapainottaa tarkalleen painovoimaa. Tämä ehto riippuu Q -, kihdin kuorma.

Itse asiassa Millikan havaitsi, että kentän kytkemisen jälkeen jotkut tippat keskeytettiin, toiset alkoivat kiivetä tai jatkuvaa laskeutumista.

Sähkökentän arvon säätäminen -läpinäkyvä muuttujavastus, esimerkiksi -a -pudotus voidaan antaa pysyä ripustettuna levyjen sisällä. Vaikka käytännössä sitä ei ole helppo saavuttaa, jos se tapahtui, vain kentän ja painovoiman aiheuttama voima vaikuttaa pudotukseen.

Voi palvella sinua: absorbanssi: Mikä on, esimerkit ja harjoitukset ratkaistu

Jos pudotuksen massa on m Ja sen kuorma on Q -, Tietäen, että voima on verrannollinen sovellettuun suuruuskenttään JA, Newtonin toisessa laissa todetaan, että molemmat joukot on oltava tasapainossa:

mg = q.JA

Q = mg/e

Arvo g, Painovoiman kiihtyvyys tunnetaan, samoin kuin suuruus JA kentästä, joka riippuu jännitteestä V määritetty levyjen ja näiden välisten erotusten välillä Lens, kuten:

E = v/l

Kysymys oli löytää pienen öljypisaran massa. Kun tämä on saavutettu, määritä kuorma Q - Se on täysin mahdollista. Luonnollisesti että m ja Q - Ne ovat vastaavasti massa ja öljypisaran kuorma, ei elektronin.

Mutta ... pudotus ladataan, koska se häviää tai saa elektroneja, joten sen arvo liittyy mainittujen hiukkasten kuormaan.

Öljypisaran massa

Millikanin ja Fletcherin ongelmana oli määrittää pudotuksen massa, tehtävä, joka ei ole helppoa sen pienen koon takia.

Öljyn tiheyden tietäminen, jos sinulla on tilavuustila, taikina voidaan puhdistaa. Mutta tilavuus oli myös hyvin pieni, joten tavanomaiset menetelmät eivät olleet hyödyllisiä.

Tutkijat kuitenkin tiesivät, että tällaiset pienet esineet eivät pudota vapaasti, koska ilman tai ympäristön vastus on puuttumassa hidastamalla heidän liikettään. Vaikka hiukkaset, jotka vapautetaan off -kentän kanssa.

Tällä nopeudella sitä kutsutaan "terminaalinopeus" tai "rajoitusnopeus", joka pallon tapauksessa riippuu sen säteesta ja ilman viskositeetista.

Pellon puuttuessa Millikan ja Fletcher mittasivat ajan, jonka pudotukset putosivat. Olettaen, että pudotukset olivat pallomaisia ​​ja ilman viskositeetin arvolla ne kiinnitettiin säteen määrittämiseksi epäsuorasti terminaalin nopeudesta.

Tämä nopeus soveltaa Stokesin lakia ja tässä on sen yhtälö:

 Missä:

-v_t on terminaalin nopeus

-R - Se on kihdin säde (pallomainen)

-η Se on ilman viskositeetti

-ρ Se on kihdin tiheys

Merkitys

Millikanin kokeilu oli ratkaisevan tärkeää, koska se osoitti useita keskeisiä näkökohtia fysiikassa:

I) Alkuperäinen kuormitus on elektronia, jonka arvo on 1.6 x 10 ^-19 C, yksi tieteen perusvakioista.

Ii) Muu sähkövaraus on moninkertainen peruskuormitus.

Voi palvella sinua: Parabolinen laukaus: Ominaisuudet, kaavat ja yhtälöt, esimerkit

Iii) J: n elektronin varauksen tunteminen.J -. Thomson, oli mahdollista määrittää elektronimassa.

Iii) Niin pienissä hiukkasissa kuin alkuainepartikkelit, gravitaatiovaikutukset ovat vähäisiä sähköstaattisia vastaan.

Kuva 2. Millikan oikealla olevassa etualalla, Albert Einsteinin ja muiden merkittävien fyysikkojen vieressä. Lähde: Wikimedia Commons.

Millikan sai Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1923 näistä löytöistä. Hänen kokeilu on myös merkityksellinen, koska hän määritteli nämä sähkövarauksen nämä perusominaisuudet yksinkertaisten instrumentointien perusteella ja kaikkien tiedossa olevien lakien soveltaminen.

Millikania kritisoitiin kuitenkin siitä, että hän oli sulkenut pois monia havaintoja kokeilussaan, ilman ilmeistä syytä tulosten tilastollisen virheen vähentämiseksi ja että ne olivat "edustuskelpoisempia".

Pisarat monenlaisia ​​kuormia

Millikan mittasi useita tippoja kokeilussaan, eivätkä kaikki olleet öljyä. Hän testasi myös elohopeaa ja glyseriiniä. Kuten todettiin, kokeilu alkoi vuonna 1906 ja jatkettiin muutamia vuosia. Kolme vuotta myöhemmin, vuonna 1909, ensimmäiset tulokset julkaistiin.

Tänä aikana hän sai erilaisia ​​kuormia, jotka on ladattu vaikuttamalla x -levyjen läpi levyjen läpi, ionisoimaan niiden välinen ilma. Tällä tavalla lastatut hiukkaset vapautuvat, jotka tiput voivat hyväksyä.

Lisäksi se ei keskittynyt pelkästään suspendoituihin tippiin. Millikan havaitsi, että kun pudotukset olivat, nousun nopeus vaihteli myös toimitetun kuorman mukaan.

Ja jos pudotus laski, tämä ylimääräinen lisätty kuorma x -rakojen intervention ansiosta nopeus ei vaihdellut, koska kaikki pudotukseen lisätyt elektronimassat ovat pieniä osia verrattuna itse pudotuksen massaan.

Riippumatta siitä, kuinka paljon kuormaa hän lisäsi, Millikan havaitsi, että kaikki tipat hankkivat kokonaiset kertoimet tietyn arvon, mikä on ja, Perusyksikkö, kuten olemme sanoneet, on elektronikuorma.

Millikan sai alun perin 1.592 x 10^-19 C tälle arvolle, hieman alhaisempi kuin tällä hetkellä hyväksytty, joka on 1.602 x 10^-19 C. Syynä on saattanut olla arvo, jonka se antoi yhtälön ilman viskositeettille pudotuksen päätepisteen määrittämiseksi.

Esimerkki

Leviää tippa öljyä

Näemme seuraavan esimerkin. Öljypisarassa on tiheys ρ = 927 kg/m³ ja vapautetaan elektrodien keskellä sähkökentän ollessa pois päältä. Pisara saavuttaa nopeasti päätelaitteen, jolloin säde määritetään, jonka arvo osoittautuu r = 4,37 x10^-7 m.

Voi palvella sinua: kitkan edut ja haitat

Yhtenäinen kenttä on kytketty päälle, se on suunnattu pystysuunnassa ja siinä on 9,66 kN/c suuruusluokkaa . Tällä tavoin saavutetaan, että pudotus keskeytetään levossa.

Sitä pyydetään:

a) Laske pudotuskuorma

b) Löydä kuinka monta kertaa alkuainekuorma sisältyy pudotuskuormaan.

c) Määritä, jos mahdollista, kuorman merkki.

Kuva 3. Öljypisara jatkuvan sähkökentän keskellä. Lähde: Fysiikan perusteet. Rex-Wolfson.

Liittää jhk

Aikaisemmin seuraava lauseke johdettiin lepopisaralle:

Q = mg/e

Tietäen kihdin tiheyden ja säteen, tämän massa määritetään:

ρ = m /v

V = (4/3) πr³

Siksi:

m = ρ.V = ρ. (4/3) πr³= 927 kg/m³. (4/3) π.(4.37 x10^-7 m)³= 3.24 x 10^-16 kg

Siksi pudotuksen kuorma on:

Q = mg/e = 3.24 x 10^-16 Kg x 9.8 m/s²/9660 n = 3.3 x 10^-19 C

Ratkaisu b

Tietäen, että perustaakka on E = 1.6 x 10 ^-19 C, edellisessä osassa saatu kuorma jaetaan tällä arvolla:

n = q/e = 3.3 x 10^-19 C/1.6 x 10 ^-19 C = 2.05

Tuloksena on, että pudotuskuorma on suunnilleen kaksinkertainen (n≈2) alkuainekuormasta. Se ei ole tarkalleen kaksinkertainen, mutta tämä pieni ristiriita johtuu kokeellisen virheen väistämättömästä esiintymisestä, samoin kuin pyöristämisestä jokaisessa edellisessä laskelmassa.

Liuos C

Kyllä, on mahdollista määrittää kuorman merkki, ansiosta, että lausunto antaa tietoa kentän suunnasta, joka on suunnattu pystysuoraan ylöspäin, aivan kuten voima.

Sähkökenttäviivat alkavat aina positiivisista kuormista ja päättyvät negatiivisiin kuormituksiin, joten alempi levy on ladattu merkinnällä + ja yllä olevalla merkinnällä - (katso kuva 3).

Koska pudotus on suunnattu kohti yllä olevaa kentän ohjaamaa levyä, ja koska vastakkaiset merkkikuormat houkuttelevat, pudotuksella on oltava positiivinen varaus.

Itse asiassa keskeytetyn pudotuksen pitäminen ei ole helppoa saada. Joten Millikan käytti pystysuuntaisia ​​siirtymiä (UPS.

Tämä hankittu kuorma on verrannollinen elektronikuormaan, kuten olemme jo nähneet, ja se voidaan laskea nousu- ja laskeutumisaikojen, pudotuksen massan ja arvojen kanssa g ja JA.

Viitteet

1. Avoin mieli. Millikan, fyysikko, joka tuli katsomaan elektronia. Toipunut: BBVAOpenMind.com
2. Rex, a. 2011. Fysiikan perusteet. Pearson.
3. Tippens, P. 2011. Fysiikka: Käsitteet ja sovellukset. 7. painos. McGraw Hill.
4. Amrit.  Millikanin öljypisarakoe. Palautettu: vlab.Amrit.Edu
5. Wake Forest College. Millikanin öljypisarakoe. Toipunut: WFU.Edu