Postup experimentu Millikan, vysvetlenie, dôležitosť

On Experiment Millikan, uskutočnil Robert Millikan (1868-1953) so svojím študentom Harveyom Fletcherom (1884-1981), začal sa v roku 1906 a zameral sa na štúdium vlastností elektrického náboja a analyzoval pohyb tisícov ropných kvapiek v strede rovnomerného elektrického lúka.

Záver bol, že elektrický náboj nemal ľubovoľnú hodnotu, ale že prišiel v násobkoch 1.6 x 10^-19 C, čo je základné zaťaženie elektrónu. Okrem toho sa našla elektrónová hmota.

postava 1. Vľavo pôvodné zariadenie, ktoré používali Millikan a Fletcher v ich experimente. Napravo zjednodušená schéma toho istého. Zdroj: Wikimedia Commons/F. Zapata,

Predtým fyzický j.J. Thompson experimentálne našiel vzťah zaťaženia tejto elementárnej častice, ktorý nazval „mŕtvym“, ale nie hodnoty každej veľkosti osobitne.

Z tohto vzťahu s hmotnosťou a elektrónovým zaťažením sa stanovila hodnota jeho hmotnosti: 9.11 x 10^-31 Kg.

Aby sa dosiahol svoj účel, Millikan a Fletcher slúžili na rozprašovanie, s ktorým sa striekala jemná hmla olejových kvapiek. Niektoré z kvapiek boli elektricky naložené vďaka treniu v postrekovači.

Naložené kvapky sa pomaly usadzovali na rovnobežných plochých plakových elektródach, kde niekoľko prešlo malým otvorom v hornej doske, ako je znázornené v schéme obrázku 1.

Vo vnútri paralelných platne.

Správanie kvapiek bolo pozorované osvetlením vnútra dosiek s jasným svetlom.

[TOC]

Vysvetlenie experimentu

Ak má kvapka zaťaženie, pole, ktoré sa vytvára medzi doskami.

A ak sa tiež podarí pozastaviť, znamená to, že pole vyvíja vertikálnu silu, ktorá presne vyváži gravitáciu. Táto podmienka bude závisieť od hodnoty Otázka, Zaťaženie dny.

Millikan skutočne poznamenal, že po zapnutí poľa boli niektoré kvapky zavesené, iné začali stúpať alebo pokračovať v zostupu.

Upravenie hodnoty elektrického poľa -odolnosť s premenlivý. Aj keď v praxi to nie je ľahké dosiahnuť, v prípade, že sa to stalo, na kvapku pôsobí iba sila, ktorú vyvíja pole a gravitácia.

Môže vám slúžiť: Absorbancia: Čo je, príklady a cvičenia vyriešené

Ak je hmotnosť kvapky m A jeho zaťaženie je Otázka, s vedomím, že sila je úmerná aplikovanej oblasti veľkosti A, Newtonov druhý zákon ustanovuje, že obe sily musia byť vyvážené:

mg = q.A

Q = mg/e

Hodnota g, Je známe zrýchlenie gravitácie, ako aj veľkosť A poľa, ktoré závisí od napätia Vložka stanovené medzi doskami a oddelením medzi nimi L, ako:

E = v/l

Otázkou bolo nájsť hmotnosť malej kvapky oleja. Akonáhle sa to dosiahne, stanovte zaťaženie Otázka Je to úplne možné. Prirodzene to m a Otázka Sú to hmotnosť a zaťaženie kvapky oleja, nie záťaž elektrónu.

Ale ... kvapka je načítaná, pretože stráca alebo získava elektróny, takže jej hodnota súvisí s zaťažením uvedenej častice.

Hmotnosť olejovej kvapky

Millikan a Fletcherov problém bolo určiť hmotnosť kvapky, čo je úloha, ktorá nie je ľahká kvôli jej malej veľkosti.

Poznanie hustoty oleja, ak máte objem objemu, sa cesto môže vyčistiť. Ale objem bol tiež veľmi malý, takže konvenčné metódy neboli užitočné.

Vedci však vedeli, že také malé predmety nespadajú voľne, pretože odpor vzduchu alebo životného prostredia zasahuje spomalenie ich pohybu. Aj keď častica, keď sa uvoľňuje s vypnutím poľa.

Pri tejto rýchlosti sa nazýva „rýchlosť terminálu“ alebo „limitná rýchlosť“, ktorá v prípade gule závisí od jej polomeru a viskozity vzduchu.

Pri absencii poľa Millikan a Fletcher merali čas, keď kvapky trvalo spadnúť. Za predpokladu, že kvapky boli sférické a s hodnotou viskozity vzduchu boli fixované, aby sa určili nepriamo polomerom z terminálovej rýchlosti.

Táto rýchlosť uplatňuje Stokesov zákon a tu je jeho rovnica:

 Kde:

-vložka_tón je rýchlosť terminálu

-R Je to polomer dny (sférický)

-η Je to viskozita vzduchu

-ρ Je to hustota dny

Dôležitosť

Millikanov experiment bol rozhodujúci, pretože vykazoval niekoľko kľúčových aspektov vo fyzike:

I) Elementárne zaťaženie je záťaž elektrónu, ktorého hodnota je 1.6 x 10 ^-19 C, jeden zo základných konštánt vedy.

Ii) Akýkoľvek iný elektrický náboj sa dodáva v násobkoch základného zaťaženia.

Môže vám slúžiť: parabolický záber: charakteristiky, vzorce a rovnice, príklady

Iii) Poznanie náboja elektrónu a pomeru zaťaženia J.J. Thomson, bolo možné určiť hmotnosť elektrónov.

Iii) Pri častíc tak malých ako elementárne častice sú gravitačné účinky zanedbateľné proti elektrostatickej.

Obrázok 2. Millikan v popredí doprava, vedľa Alberta Einsteina a ďalších významných fyzikov. Zdroj: Wikimedia Commons.

Millikan získal Nobelovu cenu za fyziku v roku 1923 za tieto objavy. Jeho experiment je tiež relevantný, pretože určil tieto základné vlastnosti elektrického náboja na základe jednoduchých prístrojov a uplatňovania zákonov dobre známych pre všetkých.

Millikan však bol kritizovaný za to, že vo svojom experimente vylúčil veľa pozorovaní, bez zjavného dôvodu, aby znížil štatistickú chybu výsledkov a že boli „prezentovateľnejšie“.

Kvapky s rôznymi nákladmi

Millikan vo svojom experimente meral veľa kvapiek a nie všetky boli olej. Tiež testoval s ortuťou a glycerínom. Ako už bolo uvedené, experiment sa začal v roku 1906 a niekoľko rokov sa predĺžil. O tri roky neskôr, v roku 1909, boli uverejnené prvé výsledky.

Počas tejto doby získal rôzne zaťaženia naložené ovplyvňovaním x -rias cez taniere, aby ionizoval vzduch medzi nimi. Týmto spôsobom sa uvoľňujú načítané častice, ktoré môžu kvapky prijať.

Okrem toho sa nezameriavala iba na suspendované kvapky. Millikan poznamenal, že keď sa kvapky dosahujú, rýchlosť zvýšenia sa tiež menila podľa dodaného zaťaženia.

A ak kvapka zostúpila, toto ďalšie pridané zaťaženie vďaka zásahu X -Rays, rýchlosť sa nemenila, pretože akákoľvek hmotnosť elektrónov pridaných do kvapky je menšia, v porovnaní s hmotnosťou samotnej kvapky.

Bez ohľadu na to, koľko zaťaženia pridal, Millikan zistil, že všetky kvapky získali celé násobky určitej hodnoty, čo je a, Základná jednotka, ako sme povedali, je elektrónové zaťaženie.

Millikan spočiatku získal 1.592 x 10^-19 C pre túto hodnotu, o niečo nižšiu ako hodnota v súčasnosti akceptovaná, čo je 1.602 x 10^-19 C. Dôvodom mohla byť hodnota, ktorú dala viskozite vzduchu v rovnici na určenie koncovej rýchlosti kvapky.

Príklad

LEVITÁCIA KROKY OLEJ

Vidíme nasledujúci príklad. Kvapka oleja má hustotu ρ = 927 kg/m³ a je uvoľňovaný uprostred elektród s elektrickým poľom vypnutý. Kvapka rýchlo dosiahne rýchlosť terminálu, čím sa určuje polomer, ktorého hodnota sa ukáže ako r = 4,37 x10^-7 m.

Môže vám slúžiť: Výhody a nevýhody trenia

Jednotné pole je zapnuté, je nasmerované vertikálne nahor a má veľkosť 9,66 kN/c . Týmto spôsobom sa dosahuje, že kvapka je zavesená v pokoji.

Požaduje sa:

a) Vypočítajte zaťaženie kvapky

b) Zistite, koľkokrát je zaťaženie elementárne obsiahnuté v zaťažení kvapky.

c) Ak je to možné, určte znak zaťaženia.

Obrázok 3. Kvapka oleja uprostred konštantného elektrického poľa. Zdroj: Základy fyziky. Rex-Wolfson.

Roztok

Predtým sa odvodil nasledujúci výraz pre pokojovú kvapku:

Q = mg/e

Poznanie hustoty a polomeru dny je určená hmotnosť:

ρ = m /v

V = (4/3) πr³

Preto:

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

Preto zaťaženie kvapky je:

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

Riešenie B

S vedomím, že základné bremeno je E = 1.6 x 10 ^-19 C, zaťaženie získané v predchádzajúcej časti je vydelené touto hodnotou:

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

Výsledkom je, že zaťaženie kvapky je približne dvojité (n≈2) elementárneho zaťaženia. Nie je to presne dvojnásobné, ale tento mierny nesúlad je spôsobený nevyhnutnou prítomnosťou experimentálnej chyby, ako aj zaokrúhľovania v každom z predchádzajúcich výpočtov.

Riešenie c

Áno, je možné určiť znak zaťaženia vďaka skutočnosti, že vyhlásenie poskytuje informácie o smerovaní poľa, ktorý je smerovaný vertikálne nahor, rovnako ako sila.

Elektrické pole poľa vždy začínajú z kladných zaťažení a končia v zápornom zaťažení, preto je spodná doska naložená znakom + a druhou vyššie znakom - (pozri obrázok 3).

Pretože kvapka je nasmerovaná na vyššie uvedenú dosku poháňanú poľom a keďže sa priťahuje zaťaženie opačných znakov, kvapka musí mať kladný náboj.

V skutočnosti je ľahké udržiavanie pozastavenej kvapky nie je ľahké získať. Takže Millikan použil vertikálne posuny (UPS.

Toto získané zaťaženie je úmerné elektrónovému zaťaženiu, ako sme už videli, a dá sa vypočítať s časmi vzostupu a zostupom, hmotnosť kvapky a hodnoty g a A.

Odkazy

1. Otvorená myseľ. Millikan, fyzik, ktorý prišiel za elektrónom. Získané z: bbvaopenmind.com
2. Rex, a. 2011. Základy fyziky. Pearson.
3. Tippens, P. 2011. Fyzika: Koncepty a aplikácie. 7. vydanie. McGraw Hill.
4. Amrit.  Millikan's Oil Drop Experiment. Získané z: vLab.Amrit.Edu
5. Wake Forest College. Millikan's Oil Drop Experiment. Získané z: WFU.Edu