MILLIKAN EKSPERIMENTO: PAMAMARAAN, PALIWANAG, KAHALAGAHAN - PISIKAL - 2025

Ang eksperimento sa Millikan , na isinagawa ni Robert Millikan (1868-1953) kasama ang kanyang mag-aaral na si Harvey Fletcher (1884-1981), ay nagsimula noong 1906 at naglalayong pag-aralan ang mga katangian ng singil ng kuryente, sinusuri ang paggalaw ng libu-libong mga patak ng langis sa gitna ng isang pantay na patlang ng kuryente.

Ang konklusyon ay ang singil ng kuryente ay walang isang di-makatwirang halaga, ngunit dumating sa maraming mga 1.6 x 10 ^-19 C, na siyang pangunahing pagsingil ng elektron. Bilang karagdagan, natagpuan ang masa ng elektron.

Larawan 1. Sa kaliwa ang orihinal na apparatus na ginamit ng Millikan at Fletcher sa kanilang eksperimento. Sa kanan isang pinasimple na diagram nito. Pinagmulan: Wikimedia Commons / F. Zapata,

Noong nakaraan, ang pisikong pisika na si JJ Thompson ay nagkaroon ng eksperimento na natagpuan ang relasyon ng singil sa masa ng elementong ito, na tinawag niyang "corpuscle", ngunit hindi ang mga halaga ng bawat magnitude nang hiwalay.

Mula sa singil na ito - ang relasyon sa masa at singil ng elektron, ang halaga ng masa nito ay tinukoy: 9.11 x 10 ^-31 Kg.

Upang makamit ang kanilang layunin, gumamit si Millikan at Fletcher ng isang atomizer na nag-spray ng isang mahusay na ambon ng mga droplet ng langis. Ang ilan sa mga droplet ay electrically sisingilin dahil sa alitan sa sprayer.

Ang mga sisingilin na patak ay dahan-dahang nag-aayos sa mga kahanay na mga flat plate electrodes, kung saan ang ilang dumaan sa isang maliit na butas sa itaas na plato, tulad ng ipinapakita sa diagram sa figure 1.

Sa loob ng kahanay na mga plato posible na lumikha ng isang pantay na patlang na electric patayo sa mga plato, na ang kadakilaan at polaridad ay kinokontrol sa pamamagitan ng pagbabago ng boltahe.

Ang pag-uugali ng mga patak ay sinusunod sa pamamagitan ng pagbibigay ng ilaw sa loob ng mga plato na may maliwanag na ilaw.

Paliwanag ng eksperimento

Kung ang pagbagsak ay may singil, ang patlang na nilikha sa pagitan ng mga plato ay may lakas na kumontra sa grabidad.

At kung pinamamahalaan din nitong manatiling nasuspinde, nangangahulugan ito na ang patlang ay nagsasagawa ng paitaas na puwersa na patayo, na eksaktong nagbabalanse ng grabidad. Ang kundisyong ito ay depende sa halaga ng q, ang singil ng pagbagsak.

Sa katunayan, nakita ni Millikan na pagkatapos ng pag-on sa bukid, ang ilang mga patak ay nasuspinde, ang iba ay nagsimulang tumaas o patuloy na bumaba.

Sa pamamagitan ng pagsasaayos ng halaga ng patlang ng kuryente - sa pamamagitan ng isang variable na pagtutol, halimbawa - ang isang patak ay maaaring gawin upang manatiling nasuspinde sa loob ng mga plato. Bagaman sa pagsasanay ay hindi madaling makamit, dapat itong mangyari, tanging ang puwersa na ginawa ng patlang at kilos ng gravity sa pagbagsak.

Kung ang masa ng pagbagsak ay m at ang singil nito ay q, alam na ang puwersa ay proporsyonal sa inilapat na larangan ng kadakilaan E, ang pangalawang batas ni Newton ay nagsasabi na ang parehong puwersa ay dapat balanseng:

Ang halaga ng g, ang pagbilis ng gravity ay kilala, pati na rin ang magnitude E ng patlang, na nakasalalay sa boltahe V na itinatag sa pagitan ng mga plato at paghihiwalay sa pagitan ng mga L, tulad ng:

Ang tanong ay upang mahanap ang masa ng maliit na patak ng langis. Kapag natapos ito, ang pagtukoy sa singil ng q ay ganap na posible. Naturally, ang m at q ay ayon sa pagkakabanggit sa masa at singil ng pagbagsak ng langis, hindi ang elektron.

Ngunit … ang pagsingil ay sisingilin sapagkat nawawala o nakakakuha ng mga electron, kaya ang halaga nito ay nauugnay sa singil ng nasabing maliit na butil.

Ang masa ng pagbagsak ng langis

Ang problema nina Millikan at Fletcher ay upang matukoy ang masa ng isang pagbagsak, hindi isang madaling gawain dahil sa maliit na sukat nito.

Alam ang density ng langis, kung mayroon kang dami ng pagbagsak, maaaring malutas ang masa. Ngunit ang lakas ng tunog ay napakaliit din, kaya ang mga pamamaraan ng maginoo ay walang saysay.

Gayunpaman, alam ng mga mananaliksik na ang gayong maliliit na bagay ay hindi malayang nahuhulog, dahil ang paglaban ng hangin o ang kapaligiran, namamagitan, nagpapabagal sa kanilang paggalaw. Bagaman ang maliit na butil, kapag pinakawalan kasama ang patlang, nakakaranas ng isang pinabilis na paggalaw ng patayo at pababa, nagtatapos ito na bumabagsak na may pare-pareho ang bilis.

Ang bilis na ito ay tinatawag na "terminal bilis" o "limit na bilis", na, sa kaso ng isang globo, ay nakasalalay sa radius nito at ang lagkit ng hangin.

Sa kawalan ng isang patlang, sinukat nina Millikan at Fletcher ang oras na kinakailangan upang mahulog ang mga patak. Sa pag-aakalang ang mga patak ay spherical at may halaga ng lagkit ng hangin, pinamamahalaang nila upang matukoy ang radius nang hindi direkta mula sa tulin ng terminal.

Ang bilis na ito ay matatagpuan sa pamamagitan ng pag-aaplay ng batas Stokes 'at narito ang pagkakapareho nito:

- v _t ang bilis ng terminal

- R ang radius ng pagbagsak (pabilog)

- η ang lagkit ng hangin

- ρ ang density ng pagbagsak

Kahalagahan

Ang eksperimento ni Millikan ay mahalaga, sapagkat inihayag nito ang ilang mga pangunahing aspeto sa Physics:

I) Ang elemental na singil ay ang elektron, na ang halaga ay 1.6 x 10 ^-19 C, isa sa mga pangunahing constant ng science.

II) Ang anumang iba pang singil sa kuryente ay nagmula sa maraming mga pangunahing singil.

III) Alam ang singil ng elektron at ang relasyon ng pagsasama-sama ng JJ Thomson, posible upang matukoy ang masa ng elektron.

III) Sa antas ng mga particle na kasing liit ng mga elementong elementarya, ang mga epekto ng gravitational ay napapabayaan kumpara sa mga electrostatic.

Larawan 2. Millikan sa foreground sa kanan, kasama ang Albert Einstein at iba pang mga kilalang pisika. Pinagmulan: Wikimedia Commons.

Natanggap ni Millikan ang Nobel Prize sa Physics noong 1923 para sa mga pagtuklas na ito. Ang kanyang eksperimento ay may kaugnayan din dahil tinukoy niya ang mga pangunahing katangian na ito ng singil ng kuryente, simula sa isang simpleng instrumento at paglalapat ng mga batas na kilala sa lahat.

Gayunpaman, binatikos si Millikan dahil sa pagtapon ng maraming mga obserbasyon sa kanyang eksperimento, nang walang maliwanag na dahilan, upang bawasan ang statistic error ng mga resulta at gawing mas "presentable" ang mga ito.

Tumatak sa iba't ibang singil

Sinukat ni Millikan ang marami, maraming patak sa kanyang eksperimento at hindi lahat ng ito ay langis. Sinubukan din niya ang mercury at gliserin. Tulad ng nakasaad, nagsimula ang eksperimento noong 1906 at tumagal ng ilang taon. Pagkalipas ng tatlong taon, noong 1909, nai-publish ang mga unang resulta.

Sa panahong ito, nakakuha siya ng iba't ibang mga sisingilin na patak sa pamamagitan ng kapansin-pansin na X-ray sa pamamagitan ng mga plato, upang ma-ionize ang hangin sa pagitan nila. Sa ganitong paraan ang mga sisingilin na mga particle ay pinakawalan na maaaring tanggapin ng mga patak.

Bukod dito, hindi lamang siya nakatuon sa mga sinuspinde na mga droplet. Napansin ni Millikan na kapag tumaas ang mga patak, iba rin ang rate ng pagtaas ayon sa pagkarga na naihatid.

At kung ang pagbaba ay bumaba, ang dagdag na singil na ito ay idinagdag salamat sa interbensyon ng X-ray, ay hindi nagbago ang bilis, dahil ang anumang masa ng mga electron na idinagdag sa patak ay minuscule, kumpara sa masa ng drop mismo.

Hindi alintana kung magkano ang idinagdag nito, natagpuan ni Millikan na ang lahat ng mga patak ay nakakuha ng mga singil na integer multiple ng isang tiyak na halaga, na kung saan, ang pangunahing yunit, na tulad ng sinabi namin ay ang pagsingil ng elektron.

Una nang nakuha ni Millikan ang 1,592 x 10 ^-19 C para sa halagang ito, bahagyang mas mababa sa kasalukuyang tinanggap na halaga, na 1,602 x 10 ^-19 C. Ang dahilan ay maaaring ang halaga na ibinigay niya sa lagkit ng hangin sa equation para sa matukoy ang bilis ng terminal ng pagbagsak.

Halimbawa

Pagdidistrito ng isang patak ng langis

Nakikita natin ang sumusunod na halimbawa. Ang isang droplet ng langis ay may density ρ = 927 kg / m ³ at pinakawalan sa gitna ng mga electrodes na may electric field off. Ang droplet ay mabilis na umabot sa bilis ng terminal, kung saan natutukoy ang radius, ang halaga ng kung saan ay lumilitaw na R = 4.37 x10 ^-7 m.

Ang pantay na patlang ay nakabukas, ay nakadirekta patayo paitaas, at may magnitude 9.66 kN / C. Sa ganitong paraan nakamit na ang pagbagsak ay nananatiling suspendido sa pahinga.

Nagtatanong ito:

a) Kalkulahin ang singil ng droplet

b) Hanapin kung gaano karaming beses ang elemental na singil ay nakapaloob sa singil ng pagbagsak.

c) Alamin kung posible, ang tanda ng pagkarga.

Larawan 3. Isang droplet ng langis sa gitna ng isang palaging electric field. Pinagmulan: Mga Batayan ng Physics. Rex-Wolfson.

Solusyon sa

Noong nakaraan, ang sumusunod na expression ay nagmula para sa isang patak sa pahinga:

Alam ang density at radius ng pagbagsak, ang masa ng pagbagsak ay natutukoy:

Kaya:

Samakatuwid, ang singil ng pagbagsak ay:

Solusyon b

Alam na ang pangunahing pag-load ay e = 1.6 x 10 ^-19 C, hatiin ang pag-load na nakuha sa nakaraang seksyon sa pamamagitan ng halagang ito:

Ang resulta ay ang singil sa pag-drop ay humigit-kumulang dalawang beses (n≈2) ang elemental na singil. Hindi ito eksaktong doble, ngunit ang bahagyang pagkakaiba na ito ay dahil sa hindi maiiwasang pagkakaroon ng error sa eksperimentong, pati na rin ang pag-ikot sa bawat isa sa mga nakaraang pagkalkula.

Solusyon c

Posible upang matukoy ang pag-sign ng singil, salamat sa katotohanan na ang pahayag ay nagbibigay ng impormasyon tungkol sa direksyon ng patlang, na itinuro nang patayo paitaas, pati na rin ang puwersa.

Ang mga linya ng patlang ng kuryente ay palaging nagsisimula sa mga positibong singil at nagtatapos sa mga negatibong singil, samakatuwid ang mas mababang plato ay sisingilin ng isang + sign at ang itaas na plato na may isang - sign (tingnan ang figure 3).

Dahil ang patak ay nakadirekta patungo sa plato sa itaas, na hinihimok ng patlang, at dahil ang mga singil sa kabaligtaran ng pag-sign ay nakakaakit sa bawat isa, ang pag-drop ay dapat magkaroon ng isang positibong singil.

Talagang pinapanatili ang pagbagsak ng drop ay hindi madaling makamit. Kaya ginamit ni Millikan ang mga vertical displacement (pataas) na naranasan ng pagbagsak sa pamamagitan ng pag-on ng patlang at pati na rin, kasama ang mga pagbabago sa singil ng X-ray at mga oras ng paglalakbay, upang matantya kung magkano ang dagdag na singil na nakuha ng drop.

Ang nakuha na singil ay proporsyonal sa singil ng elektron, tulad ng nakita na natin, at maaaring makalkula sa pagtaas ng oras at pagbagsak, ang masa ng pagbagsak at ang mga halaga ng g at E.

Mga Sanggunian

1. Bukas na isipan. Si Millikan, ang pisiko na dumating upang makita ang elektron. Nabawi mula sa: bbvaopenmind.com
2. Rex, A. 2011. Mga Batayan ng Pisika. Pearson.
3. Tippens, P. 2011. Pisika: Konsepto at Aplikasyon. Ika-7 Edition. McGraw Hill.
4. Amrita. Ang eksperimento sa pagbagsak ng langis ng Millikan. Nakuha mula sa: vlab.amrita.edu
5. Wake Forest College. Eksperimento sa pagbagsak ng langis ng Millikan. Nabawi mula sa: wfu.edu