Millikan kísérlete vagy az olajcsepp-kísérlet egy fontos kísérlet az elektron elektromos töltésének meghatározásában . Nevét Robert Andrews Milliken amerikai fizikusról kapta, aki 1909-ben Harvey Fletcherrel végezte ezt a kísérletet [2] [3] . Millikan 1913-ban javította [4] , és 1923 -ban fizikai Nobel-díjat kapott .
A tapasztalat lényegében abból állt, hogy olajcseppeket hoztak létre szórópisztollyal, és megfigyelték viselkedésüket elektromos térben . A cseppek egy része a levegő röntgensugarakkal történő besugárzása után az ionok befogása következtében elektromosan feltöltődött , és az elektromos tér megfelelő értékének beállításával szabályozni lehetett a cseppek függőleges mozgását. A gravitációval szembeni ellenálláshoz szükséges elektromos tér erősségének mérésével és a cseppek tömegének ismeretében, amely a levegőben való szabadesés sebességének mérésével számítható ki, Millikan észrevette, hogy a cseppek elektromos töltéseinek értékei mindig egészek. egy fix érték többszöröse, amit egy elemi töltéssel kezdtek azonosítani ... A kapott érték e = −1,5924(17) × 10 −19 C, mindössze 0,62%-kal alacsonyabb, mint a jelenleg elfogadott e = −1,602… × 10 −19 C érték [5] .
1896-ban Joseph John Thomson brit fizikus kísérletsorozatot végzett, amely kimutatta, hogy a katódsugarak valójában egyedi részecskék, nem pedig hullámok, atomok vagy molekulák , ahogy korábban gondolták. Thomson becsléseket készített az elektron töltésének és tömegének arányáról, és kimutatta, hogy ez az arány nem függ a katód anyagától [6] [7] .
A töltés és a tömeg arányának meghatározása után nyilvánvalóvá vált a megoldandó probléma: az elektron tömegének és töltésének külön meghatározása. Az elektron töltésének meghatározására tett első kísérlet John Sealy Townsend angol fizikusnak , J. J. Thomson tanítványának köszönhető, aki 1897-ben publikálta eredményét. Kísérlete két mennyiség méréséből állt: az ionizált gáz tágulása során képződött vízgőzfelhő teljes töltését és a felhőben lévő cseppek számát. A fő hipotézis az volt, hogy minden csepp egy ionon kondenzálódik. Így, ha a teljes töltést elosztjuk a cseppek számával (amely megegyezik az ionok számával), meg kellett volna adni az egyik töltés értékét. A Townsend által kapott érték kétszer eltér a jelenleg elfogadott értéktől [8] .
Ezt a módszert maga J. J. Thomson és Harold Wilson (1874-1964) angol fizikus módosította. Wilson fémlemezeket adott a cseppfelhő alá és fölé, hogy azok elektromosan feltöltődhessenek, és egységes függőleges elektromos mezőt hozzanak létre a felhő által elfoglalt térben. Megmérte a felhő esési sebességét az elektromos tér függvényében, és az erő egyenletéből ki tudta számítani a töltés nagyságát, feltételezve a Stokes-törvény érvényességét [9] .
Robert E. Milliken amerikai fizikust 1895-ben egy éves európai tartózkodása során kezdte érdekelni az elektron töltésének meghatározásának problémája. Októberben Berlinben részt vett Max Planck előadássorozatán a katódsugarak elméleti fizikájáról. 1896-ban visszatért az Egyesült Államokba, és Albert Abraham Michelson asszisztenseként dolgozott a Chicagói Egyetemen . A következő évben J. J. Thomson meghatározta a katódsugarak korpuszkuláris természetét. 1906-ban Millikan úgy döntött, hogy továbbfejleszti Wilson módszerét, erősebb, 4000 V-ig terjedő akkumulátorokat használva, hogy intenzívebb elektromos mezőt hozzon létre az 5 mm-rel elválasztott lemezek között. Doktori hallgatójukkal, Louis Begemannel (1865-1958) dolgozva pontosabb értékeket kaptak (Begeman doktori disszertációjában az elektron töltésének értéke -1,557 10 −19 C) [10] [11 ] ] .
1909-ben Harvey Fletcher (1884-1981) Millikan doktorandusza lett, aki felkérte, hogy készítsen egy kísérletet az elektron töltésének meghatározására, mint munka témáját. Fletcher szerint, miután észrevette, hogy a vízcseppek kevesebb, mint két másodperc alatt elpárolognak, más olyan anyagok használatát javasolta, amelyek kevésbé párolognak - higany vagy olaj . Millikan nem értett egyet az érvekkel, de mivel Fletcher doktori disszertációjáról volt szó, megengedte, hogy a doktorjelölt felhasználja az ötletet. Azóta a Fletcher egy új kamrát fejlesztett ki, amely az órák kenésére használt azonos típusú olajjal végez méréseket [12] . Millikan maga emlékszik vissza önéletrajzában, hogy az olaj felhasználásának ötlete 1909 szeptemberében támadt [1] .
A kísérlet végén Fletcher írt egy tanulmányt, amelyet Millikennek és neki kellett kiadniuk, de Millikan az egyedüli szerző akart lenni, bár Fletchert társszerzőnek nevezte. Emellett a Chicagói Egyetem szabályai nem engedték meg, hogy egynél több szerző által aláírt cikkek szerepeljenek az egyik doktori disszertációjában. Így Fletchernek módosítania kellett a disszertációját, és be kellett nyújtania egy dolgozatot a Brown-mozgásról , miközben Millikan maradt az egyetlen szerzője az olajcsepp-kísérletnek [2] [13] [14] [15] [16] . A főcikkben Fletcher neve többször is szerepel, Milliken a "mi" névmással írja le a kísérletet [17] .
Az olajcseppekkel végzett kísérlethez használt berendezés három kamrából állt. A nagy kamra két kisebb kamrát tartalmazott, és 40 liter motorolajat adtak hozzá, hogy az egység belsejében állandóan tartsák a hőmérsékletet, mindössze 0,02°C-os ingadozással. A legbelső kamra két 22 cm átmérőjű kerek sárgaréz lemezből állt, amelyek vízszintesen helyezkedtek el egymás fölött, egymástól 1,6 cm távolságra. A felső lemez közepén egy kis lyuk volt, és pozitív töltésű volt ( + ); az alsón nem voltak lyukak és negatív töltésű volt ( − ). E lemezek között egyenletes elektromos tér jött létre , lefelé vagy felfelé irányítva, 3000-8000 V/cm erősséggel . A lemezeket három kis szigetelődarab ( ebonit ) választotta el egymástól, és az egész teret kívülről ebonitszalaggal zárták le [18] . Ennek az ebonitcsíknak három négyzet alakú, mindkét oldalán 1,5 cm-es üvegablak volt, amelyek 0°, 165° és 180° szöget zártak be. Egy ívlámpa által keltett keskeny fénysugár behatolt az első ablakon, és kilépett a szemközti ablakon. A 165º-os ablakot a kamra belsejétől 61 cm-re elhelyezett kis teleszkóppal végezték [3] .
A parfümös palackokhoz [12] használt porlasztó kis olajcseppeket hozott létre a fent leírt kamrát tartalmazó második kamra fölött. A cseppek a gravitáció hatására estek , és néhányuk áthaladt a felső lemezen lévő kis tűlyukon. A megvilágítást úgy rendezték el, hogy a csepp fénylőnek látszott [18] . A lemezek közötti csepp esésének megfigyelésekor a lyukat lezárták, hogy megakadályozzák a levegőáramlást. Sugárforrásként röntgensugarakat vagy rádiumot ( β- és γ-sugárzást kibocsátó ) használtak . A sugárzás egy megvilágító ablakon haladt át, amely lehetővé tette a levegőmolekulák ( nitrogén vagy oxigén ) ionizálását, és az olajcsepp ionokat, kationokat vagy elektronokat abszorbeált [3] [18] .
Az olajcseppek levegőben való esését a Stokes-törvény határozza meg , azaz a hullási sebességet a közeg (jelen esetben a levegő) viszkozitása adja. Ez a sebesség úgy határozható meg, hogy a megtett távolságot elosztjuk az esési idővel .
Amikor a levegő ionizált, a cseppek elnyelik az elektronokat. Elektromos tér hiányában továbbra is ugyanolyan sebességgel esnek, mivel az elektronok tömege nagyon kicsi. A lemezek közötti elektromos mező bekapcsolásával a csepp esése megállítható, jelen esetben a gravitációs erő és az elektrosztatikus erő kiegyenlítésével, vagy ha az elektromos tér erőssége még jobban megnő, akkor a csepp esése megállítható. kénytelen felfelé mozdulni. A felfelé mozgás, ismét a Stokes-törvény szerint, állandó sebességű mozgás. Ugyanaz a csepp felemelhető és süllyeszthető, amíg az egyik lemezt nem érinti, így ugyanarra az ejtésre méréssorozatot lehet végezni [3] [18] .
Millikan kutatásának egyik csúcspontja, hogy a cseppek meghatározatlan számú elektronnal voltak feltöltve, amelyeket nem tudhatott előre. Mérései segítségével különböző elektromos töltések értékeit, . Millikan helyesen javasolta, hogy van elemi töltés , és pontosabban kell mérni [18] ; az elektron elektromos töltése, és ennek kellett volna lennie az összes számított töltés legnagyobb közös osztójának , azaz [3] .
Millikan Stokes törvényét használta az állandó esés sebességének összefüggésbe hozására: az olajcseppek elektromos töltésével . George Gabriel Stokes (1819-1903) meghatározta a viszkózus közegben mozgási sebességgel lehulló gömbtestek súrlódási erejét , amely a mozgással ellentétes erő, amely a közeg sebességének, testméretének és viszkozitásának növekedésével növekszik. Stokes-erőegyenlet
ahol a leeső gömb sugara , a közeg viszkozitása [19] .
Millikan korrigálta ezt az egyenletet, mert cseppjei nagyon kicsik voltak, és a megfelelő súrlódás kisebb, mint amit ez a törvény adott, mivel egy ideig a cseppek kis méretük miatt vákuumban esnek. A Stokes-egyenlet 0,1 cm-nél nagyobb gömbökre érvényes. A Millikan által korrigált képlet a következő lesz
at , ahol a cseppek átlagos szabad útja [18] [20] .
Elektromos tér hiányában a csepp a Föld gravitációs mezejének hatására leesik , és a Stokes súrlódási erő hatására lelassul . Mivel a Stokes-erő arányos a sebességgel, növekszik, és egy ponton megegyezik a gravitációs erővel , és addig a gömb addig gyorsul, amíg el nem éri az állandó esési sebességet, Ha az elektromos mezőt bekapcsoljuk, akkor az erő amely a cseppet állandó sebességgel felfelé mozgatja, az a Coulomb-erő , , egyenlő a felemelkedését megakadályozó erők összegével, vagyis a gravitációs erővel és a Stokes-súrlódási erővel [18] ,
és állandó ejtési sebesség [21]
Az első egyenletből egy konstans kinyerése és az utolsó megváltoztatása ahhoz vezet, hogy
A csepp elektromos töltését az esési és felfutási idővel fejezzük ki [22] [18]
Elektromos tér nélküli esés esetén, és a Stokes-törvény Millikan által a demonstráció egyszerűsítése érdekében végzett korrekciójának figyelembevétele nélkül meg lehet kapni a csepp tömegét és sugarát az esési sebesség függvényében , amelyet a megtett távolságból és az eltelt időből kapunk
A csepp tömege összefüggésbe hozható az olaj sűrűségével , térfogatával és a gömb sugarával is [ 20] . A csepptömeg két kifejezésének kiegyenlítésével csökkenthetjük az egyenlet mindkét oldalán lévő sugarat, és kiszámíthatjuk a fennmaradó kifejezésből
A tömeg kiszámításához ez a sugár kifejezés helyettesíthető a tömegre, sűrűségre és térfogatra vonatkozó kifejezéssel
Most a terhelési képletet kell használnia
Leegyszerűsítve egy képletet kapunk, amely a kísérletben mérhető ismert értékek alapján adja meg a terhelést [2]
Millikan kísérletének néhány értéke a következő: levegő viszkozitás Pa s; olajsűrűség kg / m3 ; elmozdulás cm; őszi idő s. A fenti képleteket alkalmazva a cseppek tömegének és sugarának értékére kiderül: kg és m [20] .
A töltés kifejezésében Millikan azt a fogalmat is használta, hogy egy csepp olaj a levegőben van, tehát az Arkhimédész-elvnek köszönhetően felfelé lökést tapasztal , amelynek erőit a látszólagos súlyban veszik figyelembe.
Így a Millikan által megadott képletet az olaj sűrűségének helyettesítésével kapjuk
A Millikan és Fletcher által 1911-ben végzett eredeti kísérletekben kapott érték e = 4891 × 10 -10 Fr = 1,631 × 10 -19 C [3] , ami 4,8%-os eltérésnek felel meg a jelenleg elfogadott értékhez képest. Millikan későbbi fejlesztéseivel 1913-ban elérte az e = 4,774 ± 0,009 10 −10 Fr = 1,592 ± 0,003 10 −19 C értéket [4] , ami csak 0,62%-kal marad el a jelenleg elfogadott e = 1,606 1,606 4176341763 10 -19 C értéktől. 10-19 C [23 ] .
1910 tavaszán megkezdődött az úgynevezett "elektronikus csata" Millikan és a Bécsi Egyetem fizikusa, Felix Ehrenhaft (1879-1952) között. Ugyanebben az évben Ehrenhaft közzétette [24] az elemi töltés méréseit, amelyeket a Millikanhoz hasonló kísérlettel végeztek, de fémrészecskéket alkalmaztak, és kijelentették, hogy az elektron töltésénél kisebb töltések teljes eloszlása létezik. A következő években ő és tanítványai továbbra is publikáltak olyan cikkeket, amelyek az elektronokénál kisebb töltések létezését jelezték, amelyeket szubelelektronoknak neveztek . Ez oda vezetett, hogy a kor leghíresebb fizikusai ( Max Planck , Jean Perrin , Albert Einstein , Arnold Sommerfeld , Max Born és Erwin Schrödinger ) napirendjén szerepelt a szubelelektronok létezésének kérdése . Eredményeinek megerősítésére Millikan továbbfejlesztette a kísérletet, és új, pontosabb méréseket végzett, amelyek megerősítették, hogy az elektron töltése elemi töltés, ezért 1913-ban új tanulmányt publikált, amelyben az Avogadro-állandót is kiszámította [4] . 1916-ban kiadott egy kiterjedt tanulmányt, amelyben részletezi az Ehrenhaft által használt kísérleti technika számos hibáját [25] . A tudományos közösség nagyrészt Millikan mellé állt ( E. Warburg , G. Rubens , W. Wien , J. Perrin és A. Einstein már az 1911-es Solvay-konferencián is ezt tette ), és azóta rendszeresen jelölték fizikai Nobel-díjra . 1916-ban, majd 1923-ban kitüntetésben részesült az elemi elektromos töltés és a fotoelektromos hatás meghatározásával kapcsolatos munkájáért [26] .
Millikan eredeti adataiban némi következetlenséget talált Gerald Holton (1978) történész, aki rámutatott, hogy a tudós több mérést rögzített a naplójában, mint amennyit a végső elemzésébe belefoglalt. Holton azt javasolta, hogy ezek az adatpontok minden látható ok nélkül nem szerepeltek a kísérletei során mért olajcseppek nagy halmazában. Ezt az állítást megkérdőjelezte Allan Franklin , a Colorado Egyetem nagyenergiájú fizikai kísérletezője és tudományfilozófusa [27] . Millikan laboratóriumi folyóirataiban azt találták, hogy annak ellenére, hogy 1913-as cikkében jelezte, hogy a kísérlet kilenc hete alatt (1912. február 13-tól április 16-ig) tanulmányozott cseppek listája szerepel, összesen 58, de a cseppek száma, 100 körülinek bizonyult. Milliken 25 cseppre nem adott be adatokat, a befejezése előtt megszakadt kísérlet miatt nem használt még 17-et, mert úgy vélte, hogy hibák vannak a mérésekben: a cseppek túl nagy, a nyomásmérőt légbuborék, konvekciós interferencia, stopper hiba vagy a fúvóka (porlasztó) meghibásodása miatt eltömődött. Ezzel szemben Erenhaft a legortodoxabb tudományos módszert követve minden eredményét bemutatta, és nem lehetett arra következtetni, hogy az elektron töltése a legkisebb a természetben. Millikan laboratóriumi folyóiratainak vizsgálata a 20. század fordulóján felkeltette az adatmanipuláció gyanúját [14] [28] [18] . A nem publikált adatok gondos elemzése azonban azt mutatja, hogy Millikan semmiképpen sem zárta ki az adatokat azzal a szándékkal, hogy manipulálja az eredményeket. Sok publikálatlan adat, ha felhasználják, ugyanazt az eredményt adja, mint a közzétett adatok. David Goodstein a Millikan által vezetett eredeti részletes jegyzetfüzeteket, és arra a következtetésre jutott, hogy Millikan kifejezetten kijelenti a jelentésekben, hogy csak olyan cseppeket vett fel, amelyek „teljes megfigyelési sorozatot” végeztek, és egyetlen cseppet sem zárt ki a teljes megfigyelések e csoportjából . 29] [30] . Egyes kutatók azonban kritizálják Millikant a cikkben található számos számtani hiba miatt [18] .
Richard Feynman fizikus 1974-ben a Caltech - nél elmondott elfogadó beszédében (amelyet 1985-ben a Surely You're Joking, Mr. Feynman! -ban, valamint 1999 -ben a The Pleasure of Discovering Things ben újra kiadtak) megjegyezte [31] [32] :
Tapasztalatainkból sokat tanultunk arról, hogyan kezeljük önmagunk becsapásának egyes módjait. Egy példa: Millikan megmérte egy elektron töltését egy lehulló olajcseppekkel végzett kísérletben, és olyan választ kapott, amelyről ma már tudjuk, hogy nem teljesen helyes. Kissé pontatlan, mert a Millikan rossz levegőviszkozitási értéket használt. Érdekes megnézni az elektrontöltésmérés történetét Millikan óta. Ha ábrázolja őket az idő függvényében, akkor azt találja, hogy az egyik valamivel nagyobb, mint Millikan, a következő valamivel nagyobb, mint a múlt, a következő pedig valamivel nagyobb, mint az előző, míg végül egy olyan számra rendeződnek, még nagyobb..
Miért nem derült ki azonnal, hogy az új szám nagyobb? A tudósok szégyellik ezt a történetet, mert nyilvánvaló, hogy az emberek a következőképpen viselkedtek: amikor egy számot kaptak, amely észrevehetően nagyobb volt, mint Millikan, azt hitték, valami nincs rendben – és elkezdték keresni, és megtalálták az okot, hogy valami miért nem. Amikor Millikanhoz közeli számot kaptak, nem voltak annyira buzgók. Ezért eltávolították a túlságosan eltérő számokat, és más hasonló dolgokat csináltak...
Eredeti szöveg (angol)[ showelrejt] Tapasztalatainkból sokat tanultunk arról, hogyan kezeljük azokat a módokat, amikor becsapjuk magunkat. Egy példa: Millikan lehulló olajcseppekkel végzett kísérlettel megmérte egy elektron töltését, és olyan választ kapott, amelyről ma már tudjuk, hogy nem egészen helyes. Kicsit nem, mert hibásan adta meg a levegő viszkozitását. Érdekes megnézni az elektron töltésének mérésének történetét Millikan után. Ha az idő függvényében ábrázolja őket, azt látja, hogy az egyik kicsit nagyobb, mint a Millikané, a következő egy kicsit nagyobb annál, a következő pedig egy kicsit nagyobb annál, míg végül letelepednek egy szám, ami magasabb.2019 májusától az elemi töltés méretét az e = -1,602 176 634⋅10 -19 C pontos értékként határozták meg [23] . Ezt megelőzően, 2014 óta az elfogadott érték [33] (−1,6021766208 ± (98))⋅10 −19 C volt , ahol (98) az utolsó két tizedesjegy bizonytalanságát jelezte. Millikan Nobel-előadásában megadta egy elektron töltésének értékét (−4,774 ± (5))⋅10 −10 Fr , ami egyenlő (−1,5924 ± (17))⋅10 −19 C [5] .
![]() |
---|