Eksperyment z kroplami oleju - Oil drop experiment

Eksperyment kropli oleju prowadzono przez Roberta A. Millikana i Harvey Fletcher 1909 do pomiaru podstawowej ładunek elektryczny (Ładunek elektronów ). Eksperyment odbył się w Ryerson Physical Laboratory na University of Chicago . Millikan otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1923 roku.

Eksperyment polegał na obserwowaniu maleńkich naładowanych elektrycznie kropelek oleju znajdujących się pomiędzy dwiema równoległymi powierzchniami metalowymi, tworzących płytki kondensatora . Płyty były zorientowane poziomo, jedna płyta nad drugą. Mgiełka rozpylonych kropli oleju została wprowadzona przez mały otwór w górnej płytce i została zjonizowana za pomocą promieni rentgenowskich , co spowodowało ich ujemny ładunek. Najpierw, przy zerowym przyłożonym polu elektrycznym , zmierzono prędkość spadającej kropli. Przy prędkości końcowej The przeciągania siła równa grawitacyjnej siły. Ponieważ obie siły zależą od promienia w różny sposób, promień kropli, a tym samym masę i siłę grawitacji, można określić (przy użyciu znanej gęstości oleju). Następnie napięcie indukujące pole elektryczne zostało przyłożone między płytki i regulowane, aż krople zostaną zawieszone w mechanicznej równowadze , co wskazuje, że siła elektryczna i siła grawitacji są w równowadze. Korzystając ze znanego pola elektrycznego, Millikan i Fletcher mogli określić ładunek na kropli oleju. Powtarzając eksperyment dla wielu kropel, potwierdzili, że wszystkie ładunki były małymi całkowitymi wielokrotnościami pewnej wartości bazowej, która okazała się być1,5924(17) × 10 ^-19  C , około 0,6% różnicy od obecnie przyjętej wartości1,602 176 634 × 10 ^-19  C . Zasugerowali, że jest to wielkość ujemnego ładunku pojedynczego elektronu.

tło

Począwszy od 1908 roku, natomiast profesor na University of Chicago , Millikana, przy znaczącym wejścia Fletcher, w „stanie pomoc pana J. Yinbong Lee”, a po poprawie jego konfigurację, opublikował swoje badania nasienia w 1913. Pozostaje kontrowersyjne, ponieważ artykuły znalezione po śmierci Fletchera opisują wydarzenia, w których Millikan zmusił Fletchera do zrzeczenia się autorstwa jako warunku uzyskania doktoratu. W zamian Millikan wykorzystał swoje wpływy, aby wesprzeć karierę Fletchera w Bell Labs.

Eksperyment Millikana i Fletchera polegał na pomiarze siły działającej na kropelki oleju w szklanej komorze umieszczonej pomiędzy dwiema elektrodami, jedną powyżej i jedną poniżej. Po obliczeniu pola elektrycznego mogli zmierzyć ładunek kropli, przy czym ładunek pojedynczego elektronu jest (1,592 x 10 ^-19  C ). W czasie eksperymentów z kroplami oleju Millikana i Fletchera istnienie cząstek subatomowych nie było powszechnie akceptowane. Eksperymentując z promieniami katodowymi w 1897 JJ Thomson odkrył ujemnie naładowane „ korpuskuły ”, jak je nazywał, o masie około 1/1837 razy mniejszej niż atom wodoru . Podobne wyniki uzyskali George FitzGerald i Walter Kaufmann . Większość tego, co wtedy było wiadomo o elektryczności i magnetyzmie , można było jednak wyjaśnić na podstawie tego, że ładunek jest zmienną ciągłą; w podobny sposób, w jaki wiele właściwości światła można wyjaśnić, traktując je jako ciągłą falę, a nie strumień fotonów .

Ładunek elementarny e jest jednym z podstawowych stałych fizycznych , a tym samym dokładność wartości ma ogromne znaczenie. W 1923 Millikan zdobył Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki , po części dzięki temu eksperymentowi.

Oprócz pomiaru piękno eksperymentu z kroplami oleju polega na tym, że jest to prosta, elegancka, praktyczna demonstracja, że ​​ładunek jest skwantowany. Thomas Edison , który wcześniej myślał o ładunku jako o zmiennej ciągłej, przekonał się po pracy z aparatem Millikana i Fletchera. Eksperyment ten był od tamtego czasu powtarzany przez pokolenia studentów fizyki, chociaż jest dość drogi i trudny do prawidłowego przeprowadzenia.

W ciągu ostatnich dwóch dekad przeprowadzono kilka zautomatyzowanych eksperymentów komputerowych w poszukiwaniu izolowanych cząstek naładowanych frakcyjnie. Od 2015 r. nie znaleziono dowodów na cząstki ładunku ułamkowego po zmierzeniu ponad 100 milionów kropli.

procedura eksperymentalna

Aparat

Aparat Millikana i Fletchera zawierał równoległą parę poziomych metalowych płyt. Poprzez zastosowanie różnicy potencjałów na płytkach, w przestrzeni między nimi powstało równomierne pole elektryczne. Do oddzielenia płyt użyto pierścienia z materiału izolacyjnego. W pierścieniu wycięto cztery otwory, trzy do oświetlenia jasnym światłem i jeden do oglądania przez mikroskop.

Do komory nad płytkami wtryśnięto drobną mgiełkę kropelek oleju. Olej był olejem zwykle używanym w aparatach próżniowych i został wybrany ze względu na wyjątkowo niską prężność pary . Zwykły olej wyparowałby pod wpływem ciepła źródła światła, powodując zmianę masy kropli oleju w trakcie eksperymentu. Niektóre krople oleju zostały naładowane elektrycznie w wyniku tarcia z dyszą podczas rozpylania. Alternatywnie ładowanie można przeprowadzić przez włączenie źródła promieniowania jonizującego (takiego jak lampa rentgenowska ). Kropelki dostały się do przestrzeni między płytami, a ponieważ były naładowane, mogły unosić się i opadać poprzez zmianę napięcia na płytkach.

metoda

Początkowo krople oleju mogą spadać między płyty przy wyłączonym polu elektrycznym. Bardzo szybko osiągają prędkość końcową z powodu tarcia z powietrzem w komorze. Pole jest wtedy włączane i jeśli jest wystarczająco duże, niektóre krople (naładowane) zaczną rosnąć. (Jest tak, ponieważ siły góry elektryczny M _E jest większe niż poprzedni dół siły grawitacji F _g w taki sam sposób kawałki papieru może być odbierany za pomocą naładowanego pręta z gumy). Prawdopodobnie wyglądająca kropla jest wybierana i utrzymywana w środku pola widzenia poprzez naprzemienne wyłączanie napięcia, aż wszystkie inne krople spadną. Eksperyment jest następnie kontynuowany z tą jedną kroplą.

Kropla opada i oblicza się jej prędkość końcową v ₁ przy braku pola elektrycznego. Przeciągnij siła działająca na spadku można następnie pracował przy użyciu Prawo Stokesa :

${\ Displaystyle F_ {d} = 6 \ pi r \ eta v_ {1} \,}$

gdzie v ₁ jest prędkością końcową (tj. prędkością przy braku pola elektrycznego) spadającej kropli, η jest lepkością powietrza, a r jest promieniem kropli.

Ciężar w to objętość D pomnożona przez gęstość ρ i przyspieszenie ziemskie g . Potrzebna jest jednak pozorna waga. Pozorna waga w powietrzu to waga rzeczywista minus wypór (która jest równa ciężarowi powietrza wypartego przez kroplę oleju). Dla idealnie kulistej kropli pozorną masę można zapisać jako:

${\displaystyle {\boldsymbol {w}}={\frac {4\pi}{3}}r^{3}(\rho -\rho _{\textrm {powietrze}}){\boldsymbol {g}} }$

Przy prędkości końcowej kropla oleju nie przyspiesza . Dlatego całkowita siła działająca na nią musi wynosić zero, a dwie siły F i muszą się wzajemnie znosić (to znaczy F = ). Oznacza to ${\displaystyle {w}}$${\displaystyle {w}}$

${\ Displaystyle R ^ {2} = {\ Frac {9 \ eta v_ {1}} {2 g (\ rho - \ rho _ {\ textrm {powietrze}})}}. \,}$

Po r oblicza, może łatwo zostać wypracowane. ${\displaystyle {w}}$

Teraz pole jest ponownie włączone, a siła elektryczna na kropli jest

${\ Displaystyle F_ {E} = qE \,}$

gdzie q jest ładunkiem kropli oleju, a E jest polem elektrycznym między płytami. Do płyt równoległych

${\ Displaystyle E = {\ Frac {V} {d}} \}$

gdzie V jest różnicą potencjałów, a d jest odległością między płytami.

Jednym z możliwych sposobów obliczenia q byłoby dostosowanie V, aż kropla oleju pozostanie stabilna. Wtedy moglibyśmy zrównać F _E z . Ponadto, określenie F _E okazuje się trudne, ponieważ masa kropli oleju jest trudna do ustalenia bez powrotu do zastosowania prawa Stokes'a. Bardziej praktycznym podejściem jest nieznaczne podkręcenie V tak, aby kropla oleju wzrosła z nową prędkością końcową v ₂ . Następnie ${\displaystyle {w}}$

${\ Displaystyle q {\ boldsymbol {E}} - {\ boldsymbol {w}} = 6 \ pi \ eta {\ boldsymbol {(r \ cdot v_ {2})}} = \ lewo | {\ boldsymbol {\ Frac {v_{2}}{v_{1}}}}\right|{\boldsymbol {w}}.}$

Zarzuty oszustwa

Pewne kontrowersje wzbudził fizyk Gerald Holton (1978), który wskazał, że Millikan zarejestrował w swoim dzienniku więcej pomiarów niż zawarł w swoich ostatecznych wynikach. Holton zasugerował, że te punkty danych zostały pominięte w dużym zestawie kropli oleju zmierzonych w jego eksperymentach bez wyraźnego powodu. Twierdzenie to zostało zakwestionowane przez Allana Franklina , eksperymentatora fizyki wysokich energii i filozofa nauki z University of Colorado . Franklin twierdził, że wyłączenia danych Millikana nie wpłynęły zasadniczo na jego końcową wartość e , ale zmniejszyły błąd statystyczny wokół tego oszacowania e . To pozwoliło Millikanowi twierdzić, że obliczył e lepiej niż połowa jednego procenta; w rzeczywistości, gdyby Millikan uwzględnił wszystkie dane, które wyrzucił, błąd standardowy średniej mieściłby się w granicach 2%. Chociaż to i tak skutkowałoby tym, że Millikan zmierzyłby e lepiej niż ktokolwiek inny w tamtym czasie, nieco większa niepewność mogła pozwolić na więcej niezgodności z jego wynikami w społeczności fizyków. Podczas gdy Franklin zostawił swoje poparcie dla pomiarów Millikana z wnioskiem, że Millikan mógł wykonać „chirurgię kosmetyczną” na danych, David Goodstein zbadał oryginalne szczegółowe zeszyty przechowywane przez Millikana, dochodząc do wniosku, że Millikan wyraźnie stwierdza tutaj i w raportach, które załączył. tylko krople, które przeszły „pełną serię obserwacji” i nie wykluczyły żadnych kropli z tej grupy pełnych pomiarów. Przyczyną nie wygenerowania pełnej obserwacji są adnotacje dotyczące konfiguracji aparatury, wytwarzania kropli oleju i efektów atmosferycznych, które zdaniem Millikana (o czym świadczy zredukowany błąd w tym zestawie) unieważniły dany pomiar.

Eksperyment Millikana jako przykład efektów psychologicznych w metodologii naukowej

W przemówieniu inauguracyjnym wygłoszonym w California Institute of Technology (Caltech) w 1974 (i przedrukowanym w Surely You're Joking, Mr. Feynman! w 1985 oraz w The Pleasure of Finding Things Out w 1999), fizyk Richard Feynman zauważył :

Wiele nauczyliśmy się z doświadczenia o tym, jak radzić sobie z niektórymi sposobami, w jakie sami się oszukujemy. Jeden przykład: Millikan zmierzył ładunek elektronu w eksperymencie ze spadającymi kroplami oleju i uzyskał odpowiedź, o której wiemy, że nie jest całkiem poprawna. To trochę nie tak, bo miał nieprawidłową wartość lepkości powietrza. Interesujące jest przyjrzenie się historii pomiarów ładunku elektronu po Millikanie. Jeśli wykreślisz je w funkcji czasu, okaże się, że jeden jest trochę większy niż Millikana, a następny jest trochę większy niż to, a następny jest trochę większy niż to, aż w końcu osiedlają się w liczba, która jest wyższa.
Dlaczego od razu nie odkryli, że nowa liczba jest wyższa? Jest to rzecz, której naukowcy się wstydzą – ta historia – ponieważ jest oczywiste, że ludzie robili takie rzeczy: Kiedy otrzymali liczbę, która była zbyt wysoka powyżej Millikana, myśleli, że coś musi być nie tak – i szukaliby i znajdowali powód dlaczego coś może być nie tak. Kiedy uzyskali liczbę zbliżoną do wartości Millikana, nie wyglądali tak ciężko. I tak wyeliminowali liczby, które były zbyt odległe, i robili inne takie rzeczy ...

Od maja 2019 r. wartość opłaty podstawowej jest określona jako dokładnie1,602 176 634 × 10 ^-19  C . Wcześniej najnowsza (2014) przyjęta wartość to:1,602 176 6208 (98) × 10 ^-19  C , gdzie (98) oznacza niepewność dwóch ostatnich miejsc po przecinku. W swoim wykładzie noblowskim Millikan podał swój pomiar jako4,774(5) × 10 ^-10  statC , co równa się1,5924 (17) x 10 ^-19  C . Różnica jest mniejsza niż jeden procent, ale jest sześć razy większa niż błąd standardowy Millikana , więc różnica zdań jest znacząca.

Bibliografia

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne

• Symulacja eksperymentu kropli oleju (wymaga JavaScript)
• Thomsen, Marshall, „ Dobry do ostatniej kropli ”. Millikan Stories jako pedagogika „w puszkach”. Wschodni Uniwersytet Michigan.
• Zespół CSR/TSGC, „ Eksperyment wyszukiwania kwarków ”. Uniwersytet Teksasu w Austin.
• Eksperyment z kroplami oleju pojawia się na liście 10 najpiękniejszych eksperymentów Science's [1] , pierwotnie opublikowanej w New York Times .
• Engeness, TE, „ Eksperyment kropli oleju Millikana ”. 25 kwietnia 2005 r.
• Millikan RA (1913). „O elementarnym ładunku elektrycznym i stałej Avogadro” (PDF) . Przegląd fizyczny . Seria II. 2 (2): 109–143. Kod bib : 1913PhRv....2..109M . doi : 10.1103/PhysRev.2.109 . Artykuł autorstwa Millikana omawiający modyfikacje swojego oryginalnego eksperymentu w celu poprawy jego dokładności.
• Hudspeth, Paweł (2000). „Poszukiwanie wolnych kwarków w środowisku mikrograwitacyjnym Międzynarodowej Stacji Kosmicznej”. Materiały z konferencji AIP . 504 : 715–722. Kod Bib : 2000AIPC..504..715H . doi : 10.1063/1.1302567 . Zasugerowano odmianę tego eksperymentu dla Międzynarodowej Stacji Kosmicznej .
• Perry, Michael F. (2007). „Pamiętamy eksperyment kropli oleju” (PDF) . Fizyka dzisiaj . 60 (5): 56-60. Kod Bibcode : 2007PhT....60e..56P . doi : 10.1063/1.2743125 .