MILLIKAN DENEYI: PROSEDÜR, AÇIKLAMA, ÖNEM - FIZIKSEL - 2025

Millikan deneyi birlikte onun öğrencisi Harvey Fletcher (1884-1981), Robert Millikan (1868-1953) tarafından yürütülen, damla binlerce hareketi analiz, 1906 yılında başladı ve elektrik yükü özelliklerini incelemek amaçlanmıştır tekdüze bir elektrik alanının ortasında petrol.

Sonuç, elektrik yükünün keyfi bir değere sahip olmadığı, ancak elektronun temel yükü olan 1,6 x ^10-19 C'nin katları halinde ^geldiğiydi . Ek olarak, elektronun kütlesi bulundu.

Şekil 1. Solda Millikan ve Fletcher tarafından deneylerinde kullandıkları orijinal aparat. Sağ tarafta basitleştirilmiş bir diyagramı. Kaynak: Wikimedia Commons / F. Zapata,

Fizikçi JJ Thompson daha önce deneysel olarak bu temel parçacığın yük-kütle ilişkisini bulmuştu, buna "cisim" adını vermişti, ancak her büyüklüğün değerlerini ayrı ayrı bulmamıştı.

Bu yük - kütle ilişkisi ve elektronun yükünden, kütlesinin değeri belirlendi: 9.11 x ^10-31 Kg.

Millikan ve Fletcher amaçlarına ulaşmak için ince bir yağ damlacıkları buğusu püskürten bir sprey şişesi kullandılar. Püskürtücüdeki sürtünme nedeniyle damlacıkların bir kısmı elektrikle yüklenmiştir.

Yüklü damlalar, Şekil 1'deki diyagramda gösterildiği gibi, birkaçının üst plakadaki küçük bir delikten geçtiği paralel düz plaka elektrotlarına yavaşça yerleşiyordu.

Paralel plakaların içinde, voltajı değiştirilerek büyüklüğü ve polaritesi kontrol edilen plakalara dik tekdüze bir elektrik alanı oluşturmak mümkündür.

Plakaların içi parlak ışıkla aydınlatılarak damlaların davranışı gözlemlendi.

Deneyin açıklaması

Düşüşün bir yükü varsa, plakalar arasında oluşturulan alan, üzerine yerçekimine karşı koyan bir kuvvet uygular.

Ve aynı zamanda askıda kalmayı başarırsa, bu, alanın yerçekimini tam olarak dengeleyen yukarı doğru bir dikey kuvvet uyguladığı anlamına gelir. Bu durum, düşüşün yükü olan q değerine bağlı olacaktır.

Nitekim Millikan, sahaya döndükten sonra bazı damlaların askıya alındığını, diğerlerinin yükselmeye başladığını veya alçalmaya devam ettiğini gözlemledi.

Elektrik alanın değerini değiştirerek - örneğin değişken bir dirençle - plakalarda asılı kalmak için bir damla yapılabilir. Pratikte bunu başarmak kolay olmasa da, sadece alan ve yerçekimi tarafından uygulanan kuvvet düşüşe etki eder.

Düşmenin kütlesi m ve yükü q ise, kuvvetin uygulanan E büyüklük alanıyla orantılı olduğunu bilerek, Newton'un ikinci yasası her iki kuvvetin de dengelenmesi gerektiğini belirtir:

G'nin değeri, yerçekiminin ivmesinin yanı sıra, plakalar arasında oluşturulan voltaj V'ye ve bu L'ler arasındaki ayrıma bağlı olan alanın büyüklüğü E olarak bilinir:

Sorun, minik yağ damlasının kütlesini bulmaktı. Bu bir kez gerçekleştirildiğinde, q yükünü belirlemek tamamen mümkündür. Doğal olarak, m ve q sırasıyla yağ damlasının kütlesi ve yüküdür, elektron değil.

Ama … damla, elektron kaybettiği veya kazandığı için yüklenir, dolayısıyla değeri, söz konusu parçacığın yüküyle ilgilidir.

Yağ damlasının kütlesi

Millikan ve Fletcher'ın sorunu, bir damlanın kütlesini belirlemekti, küçük olması nedeniyle kolay bir iş değildi.

Yağın yoğunluğunu bilerek, damlanın hacmine sahipseniz kütle çözülebilir. Ancak hacim de çok küçüktü, bu nedenle geleneksel yöntemler işe yaramadı.

Ancak araştırmacılar, havanın veya çevrenin direnci müdahale ederek hareketlerini yavaşlattığı için bu tür küçük nesnelerin serbestçe düşmediğini biliyorlardı. Parçacık, alan kapalıyken serbest bırakıldığında, hızlandırılmış bir dikey hareket yaşar ve aşağı doğru sabit bir hızla düşmeye başlar.

Bu hıza "son hız" veya "sınır hız" denir ve bir küre durumunda, yarıçapına ve havanın viskozitesine bağlıdır.

Tarlanın yokluğunda Millikan ve Fletcher damlaların düşmesi için geçen süreyi ölçtüler. Damlaların küresel olduğunu ve havanın viskozitesinin değeriyle birlikte, yarıçapı dolaylı olarak terminal hızından belirlemeyi başardılar.

Bu hız, Stokes yasası uygulanarak bulunur ve işte denklemi:

- v _t , terminal hızdır

- R, düşüşün yarıçapıdır (küresel)

- η havanın viskozitesidir

- ρ damlanın yoğunluğudur

Önem

Millikan'ın deneyi çok önemliydi, çünkü Fizikte birkaç önemli yönü ortaya çıkardı:

I) Elemental yük, bilimin temel sabitlerinden biri olan, değeri 1,6 x ^10-19 C olan elektronunkidir .

II) Diğer herhangi bir elektrik yükü, temel yükün katları halinde gelir.

III) Elektronun yükünü ve JJ Thomson'ın yük-kütle ilişkisini bilerek, elektronun kütlesini belirlemek mümkün oldu.

III) Temel parçacıklar kadar küçük parçacıklar düzeyinde, yerçekimi etkileri elektrostatik olanlara kıyasla ihmal edilebilir düzeydedir.

Şekil 2. Albert Einstein ve diğer önemli fizikçilerle birlikte sağda ön planda Millikan. Kaynak: Wikimedia Commons.

Millikan, bu keşiflerinden dolayı 1923'te Nobel Fizik Ödülü'nü aldı. Onun deneyi de konuyla ilgili çünkü basit bir enstrümantasyondan başlayarak ve herkes tarafından iyi bilinen yasaları uygulayarak elektrik yükünün bu temel özelliklerini belirledi.

Ancak Millikan, sonuçların istatistiksel hatasını azaltmak ve onları daha "öngörülebilir" kılmak için deneyinde pek çok gözlemi görünürde bir neden olmaksızın reddettiği için eleştirildi.

Çeşitli ücretlerle düşer

Millikan deneyinde pek çok damla ölçtü ve hepsi petrol değildi. Ayrıca cıva ve gliserin denedi. Belirtildiği gibi, deney 1906'da başladı ve birkaç yıl sürdü. Üç yıl sonra, 1909'da ilk sonuçlar yayınlandı.

Bu süre zarfında, aralarındaki havayı iyonize etmek için plakalara X ışınları çarparak çeşitli yüklü damlalar elde etti. Bu şekilde, damlaların kabul edebileceği yüklü parçacıklar serbest bırakılır.

Dahası, yalnızca asılı damlacıklara odaklanmadı. Millikan, damlalar arttığında yükselme hızının da verilen yüke göre değiştiğini gözlemledi.

Ve eğer damla alçalırsa, X-ışınlarının müdahalesi sayesinde eklenen bu ekstra yük hızı değiştirmedi, çünkü damlaya eklenen herhangi bir elektron kütlesi, damlanın kütlesine kıyasla çok küçüktür.

Millikan, ne kadar yük eklediğine bakılmaksızın, tüm damlaların belirli bir değerin tamsayı katları olan, yani elektronun yükü olan temel birim e olan yükler aldığını buldu.

Millikan başlangıçta bu değer için 1.592 x ^10-19 C elde etti, şu anda kabul edilen değer olan 1.602 x ^10-19 C'nin biraz altında. Bunun nedeni, denklemdeki havanın viskozitesine verdiği değer olabilir. düşüşün terminal hızını belirleyin.

Misal

Bir damla yağı havaya uçurmak

Aşağıdaki örneği görüyoruz. Bir yağ damlacığı yoğunluğa ρ = 927 kg / sahip ³ ve kapalı elektrik alanı ile elektrot ortasında serbest bırakılır. Damlacık hızlı bir şekilde son hıza ulaşır, burada yarıçap belirlenir, bunun değeri R = 4,37 x10 ^-7 m olur.

Düzgün alan açılır, dikey olarak yukarı doğru yönlendirilir ve 9,66 kN / C büyüklüğüne sahiptir. Bu şekilde damlanın istirahatte asılı kalması sağlanır.

Soruyor:

a) Damlacık yükünü hesaplayın

b) Düşme yükünde element yükünün kaç kez bulunduğunu bulun.

c) Mümkünse yükün işaretini belirleyin.

Şekil 3. Sabit bir elektrik alanının ortasında bir yağ damlacığı. Kaynak: Fiziğin Temelleri. Rex-Wolfson.

Çözüm

Önceden, aşağıdaki ifade, hareketsiz bir düşüş için türetiliyordu:

Damlanın yoğunluğu ve yarıçapını bilerek, damlanın kütlesi belirlenir:

Böylece:

Bu nedenle, düşüşün bedeli:

Çözüm b

Temel yükün e = 1,6 x ^10-19 C olduğunu bilerek , önceki bölümde elde edilen yükü bu değere bölün:

Sonuç, düşüşteki yükün, temel yükün yaklaşık iki katı (n≈2) olmasıdır. Tam olarak iki katı değildir, ancak bu küçük tutarsızlık, deneysel hatanın kaçınılmaz varlığından ve önceki hesaplamaların her birinde yuvarlamadan kaynaklanmaktadır.

Çözüm c

İfadenin kuvvet gibi dikey olarak yukarı yönlenen alanın yönü hakkında bilgi vermesi sayesinde yükün işaretini belirlemek mümkündür.

Elektrik alan hatları her zaman pozitif yüklerle başlar ve negatif yüklerle sona erer, bu nedenle alt plaka + işaretiyle ve üst plaka - işaretiyle yüklenir (bkz. Şekil 3).

Düşüş, alan tarafından sürülen yukarıdaki plakaya doğru yönlendirildiğinden ve zıt işaretli yükler birbirini çektiğinden, damlanın pozitif bir yüke sahip olması gerekir.

Aslında düşüşü askıda tutmak kolay değildir. Bu yüzden Millikan, düşüşün ne kadar ekstra yük elde ettiğini tahmin etmek için alanı kapatıp açarak düşüşün yaşadığı dikey yer değiştirmeleri (inişler ve çıkışlar) artı X-ışını şarjı ve seyahat sürelerindeki değişiklikleri kullandı.

Elde edilen bu yük, daha önce gördüğümüz gibi elektron üzerindeki yük ile orantılıdır ve yükselme ve düşme süreleri, düşüşün kütlesi ve g ve E değerleri ile hesaplanabilir.

Referanslar

1. Açık fikirli. Elektronu görmeye gelen fizikçi Millikan. Kurtarıldı: bbvaopenmind.com
2. Rex, A. 2011. Temel Fizik. Pearson.
3. Tippens, P. 2011. Fizik: Kavramlar ve Uygulamalar. 7. Baskı. McGraw Hill.
4. Amrita. Millikan'ın yağ damlası deneyi. Vlab.amrita.edu adresinden alındı
5. Wake Forest College. Millikan'ın Yağ Damlası Deneyi. Kurtarıldı: wfu.edu