Експеримент з олійними краплями — Вікіпедія
Експеримент з олійними краплями (дослід Міллікена) — класичний фізичний експеримент із вимірювання елементарного електричного заряду, здійснений 1909 року Робертом Ендрусом Міллікеном та Гарві Флетчером. Експеримент встановив дискретність електричного заряду та визначив значення заряду електрона з точністю до 1%[1][2].
Ідея досліду в тому, щоб скомпенсувати падіння зарядженої крапельки олії в гравітаційному полі Землі, електричним полем. Міняючи напруженість електричного поля можна змусити ті крапельки, які мають заряд рухатися повільніше, зависнути в повітрі або ж рухатися вгору. Аналіз падіння краплі без електричного поля та в полях різної напруженості, дозволяє визначити її масу та кулонівську силу, яка діє на неї, а, отже, й електричний заряд.
Передісторія[ред. | ред. код]
Електрони відкрив 1897 року Джозеф Джон Томсон, експериментуючи з катодними променями. Однак, на початок XX століття їх існування не було загальновизнаним фактом. Більшість електричних та електромагнітнах явищ добре описувалася, припускаючи, що заряд може мати будь-яке значення із неперервного спектру.
Коли Міллікен задумав свій експеримент, він працював в Чиказькому університеті. В роботі над експериментом йому допомагав Гарві Флетчер, однак він не фігурує в списку авторів публікації за домовленістю з Міллікеном — він отримав для своєї дисертації результати інших досліджень. Міллікен отримав 1923 року Нобелівську премію частково за цей експеримент.
Експериментальна установка[ред. | ред. код]
Основною частиною приладу були плоскопаралельні електроди, розділені кільцем із ізоляційного матеріалу. До пластинок прикладалася напруга, що створювало між ними однорідне електричне поле. В ізоляторі були чотири отвори, три для освітлення, один для спостереження. Олія впорскувалася пульверизатором в камеру над пластинками, утворюючи туман, що складався з дрібних крапельок. Олійні краплі було обрано тому, що вони не випаровувалися при яскравому освітленні, і маса крапельки залишалася постійною впродовж спостереження над нею. При впорскуванні частина крапельок електризувалася завдяки тертю. Додатково крапелькам можна було надати заряд опроміненням рентгенівськими променями. Крапельки падали в простір між електродами через отвір у верхньому з них. Міняючи напругу, можна було змусити їх рухатися вниз або вгору.
Теорія[ред. | ред. код]
Без електричного поля крапельки прискорюються в полі тяжіння землі доти, доки сила тяжіння не буде врівноважена силою тертя, після чого вони рухатимуться зі сталою швидкістю. Силу тертя можна розрахувати за формулою шести піруетів Стокса:
- ,
де - радіус краплі, - в'язкість повітря, - швидкість падіння.
Сила тяжіння з урахуванням сили Архімеда дорівнює:
- ,
де та - густини олії та повітря, відповідно, g - прискорення вільного падіння.
Прирівнюючи ці дві сили, можна з високою точністю визначити радіус краплі:
- ,
а, отже, й її масу.
В електричному полі крапля зависне тоді, коли сила тяжіння буде врівноважена електростатичною силою:
- ,
де - заряд краплі, - напруженість електричного поля, - напруга між електродами, - відстань між ними. Звідси можна визначити електричний заряд краплі:
- .
Одак, зручніше прикласти таке поле, що крапля рухалася вгору зі швидкістю . Тоді, вимірявши цю швидкість, заряд краплі можна вирахувати за формулою
- .
Результати[ред. | ред. код]
Визначені значення заряду виявилися кратними величині 1,5924-19 Кл, в залежності від того, скільки зайвих електронів мала крапля. Сучасне значення елементарного заряду відрізняється на 1%. Систематична похибка в досліді Міллікена пояснювалася неточним значенням в'язкості повітря.
Експеримент мав вирішальне значення для утвердження думки про квантованість електричного заряду та існування частинки його носія - електрона. За свою елегантність експеримент фігурує в списку 10 найкрасивіших дослідів усіх часів, опублікованому Нью-Йорк Таймс[3].
Виноски[ред. | ред. код]
- ↑ Elektrizitätsmengen, Phys. Zeit., 10(1910), p. 308
- ↑ Millikan, R. A. (1913). On the Elementary Electric charge and the Avogadro Constant. Phys. Rev. 2 (2): 109—143. Bibcode:1913PhRv....2..109M. doi:10.1103/PhysRev.2.109.
- ↑ 10 найкрасивіших дослідів усіх часів. Архів оригіналу за 10 серпня 2013. Процитовано 14 вересня 2013.
Це незавершена стаття з фізики. Ви можете допомогти проєкту, виправивши або дописавши її. |