- คำอธิบายของการทดลอง
- มวลของน้ำมันลดลง
- ความสำคัญ
- ลดลงด้วยค่าใช้จ่ายที่หลากหลาย
- ตัวอย่าง
- ลอยหยดน้ำมัน
- วิธีแก้ปัญหา
- แนวทางแก้ไข b
- แนวทางแก้ไข c
- อ้างอิง
การทดลอง Millikanดำเนินการโดย Robert Millikan (1868-1953) ร่วมกับนักศึกษา Harvey Fletcher (1884-1981) เริ่มขึ้นในปี 1906 และมีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาคุณสมบัติของประจุไฟฟ้าวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของหยดหลายพันหยด ของน้ำมันท่ามกลางสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอ
ข้อสรุปก็คือประจุไฟฟ้าไม่ได้มีค่าตามอำเภอใจ แต่มีค่าหลายเท่าของ 1.6 x 10 -19 C ซึ่งเป็นประจุพื้นฐานของอิเล็กตรอน นอกจากนี้ยังพบมวลของอิเล็กตรอน
รูปที่ 1. ทางด้านซ้ายเครื่องมือดั้งเดิมที่ Millikan และ Fletcher ใช้ในการทดลอง ทางด้านขวาจะมีแผนภาพที่เรียบง่าย ที่มา: Wikimedia Commons / F. เปาลา
ก่อนหน้านี้เจเจทอมป์สันนักฟิสิกส์ได้ทำการทดลองพบความสัมพันธ์ของมวลประจุไฟฟ้าของอนุภาคมูลฐานนี้ซึ่งเขาเรียกว่า "คอร์พัสเคิล" แต่ไม่ใช่ค่าของแต่ละขนาดแยกกัน
จากประจุนี้ - ความสัมพันธ์ของมวลและประจุของอิเล็กตรอนค่าของมวลของมันถูกกำหนด: 9.11 x 10 -31 Kg
เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ Millikan และ Fletcher ใช้เครื่องฉีดน้ำที่พ่นละอองน้ำมันที่ละเอียด ละอองบางส่วนถูกประจุไฟฟ้าเนื่องจากแรงเสียดทานในเครื่องพ่นสารเคมี
หยดประจุไฟฟ้าจะค่อยๆตกลงบนอิเล็กโทรดแบบแผ่นเรียบขนานซึ่งมีสองสามตัวผ่านรูเล็ก ๆ ในแผ่นด้านบนดังแสดงในแผนภาพในรูปที่ 1
ภายในแผ่นคู่ขนานเป็นไปได้ที่จะสร้างสนามไฟฟ้าสม่ำเสมอตั้งฉากกับแผ่นเปลือกโลกซึ่งขนาดและขั้วถูกควบคุมโดยการปรับเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้า
พฤติกรรมของหยดสังเกตได้จากการส่องสว่างด้านในของจานด้วยแสงจ้า
คำอธิบายของการทดลอง
หากหยดมีประจุสนามที่สร้างขึ้นระหว่างแผ่นเปลือกโลกจะออกแรงกระทำกับมันซึ่งต่อต้านแรงโน้มถ่วง
และถ้ามันหยุดนิ่งได้ด้วยก็หมายความว่าสนามนั้นออกแรงในแนวดิ่งขึ้นซึ่งจะทำให้สมดุลกับแรงโน้มถ่วง เงื่อนไขนี้จะขึ้นอยู่กับค่า q ประจุของการดรอป
มิลลิคังสังเกตว่าหลังจากเปิดสนามแล้วหยดบางหยดก็หยุดลงคนอื่น ๆ ก็เริ่มขึ้นหรือลงต่อไป
โดยการปรับค่าของสนามไฟฟ้า - ผ่านความต้านทานตัวแปรตัวอย่างเช่นอาจทำให้หยดลงเพื่อให้ยังคงแขวนอยู่ภายในแผ่นเปลือกโลก แม้ว่าในทางปฏิบัติไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะประสบความสำเร็จ แต่หากเกิดขึ้นมีเพียงแรงที่กระทำจากสนามและแรงโน้มถ่วงเท่านั้นที่กระทำต่อการตก
ถ้ามวลของการลดลงคือ m และประจุของมันคือ q โดยรู้ว่าแรงนั้นเป็นสัดส่วนกับสนามที่ใช้ขนาด E กฎข้อที่สองของนิวตันระบุว่าแรงทั้งสองจะต้องสมดุลกัน:
ค่าของ g ความเร่งของแรงโน้มถ่วงเป็นที่รู้จักเช่นเดียวกับขนาด E ของสนามซึ่งขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้า V ที่สร้างขึ้นระหว่างแผ่นเปลือกโลกและการแยกระหว่าง L เหล่านี้เป็น:
คำถามคือการหามวลของน้ำมันหยดเล็ก ๆ เมื่อทำได้แล้วการกำหนดประจุ q เป็นไปได้อย่างสมบูรณ์แบบ โดยธรรมชาติแล้ว m และ q เป็นมวลและประจุของน้ำมันที่ลดลงตามลำดับไม่ใช่อิเล็กตรอน
แต่ … การลดลงนั้นเกิดจากการสูญเสียหรือได้รับอิเล็กตรอนดังนั้นค่าของมันจึงสัมพันธ์กับประจุของอนุภาคดังกล่าว
มวลของน้ำมันลดลง
ปัญหาของ Millikan และ Fletcher คือการกำหนดมวลของการตกไม่ใช่เรื่องง่ายเนื่องจากมีขนาดเล็ก
เมื่อทราบความหนาแน่นของน้ำมันหากคุณมีปริมาตรของหยดมวลก็สามารถแก้ไขได้ แต่ปริมาณก็น้อยมากเช่นกันดังนั้นวิธีการทั่วไปจึงไม่มีประโยชน์
อย่างไรก็ตามนักวิจัยทราบดีว่าวัตถุขนาดเล็กดังกล่าวไม่ได้ตกลงมาอย่างอิสระเนื่องจากความต้านทานของอากาศหรือสิ่งแวดล้อมเข้ามาแทรกแซงทำให้การเคลื่อนไหวช้าลง แม้ว่าอนุภาคเมื่อถูกปล่อยออกมาโดยปิดภาคสนาม แต่จะพบกับการเคลื่อนที่ในแนวตั้งที่เร่งขึ้นและลง แต่ก็ตกลงมาด้วยความเร็วคงที่
ความเร็วนี้เรียกว่า "ความเร็วเทอร์มินัล" หรือ "ความเร็ว จำกัด " ซึ่งในกรณีของทรงกลมนั้นขึ้นอยู่กับรัศมีและความหนืดของอากาศ
ในกรณีที่ไม่มีสนาม Millikan และ Fletcher จะวัดเวลาที่หยดจะตกลงมา สมมติว่าหยดเป็นทรงกลมและด้วยค่าของความหนืดของอากาศพวกเขาสามารถกำหนดรัศมีโดยอ้อมจากความเร็วขั้ว
ความเร็วนี้พบได้โดยใช้กฎของสโตกส์และนี่คือสมการของมัน:
- v tคือความเร็วเทอร์มินัล
- R คือรัศมีของการหยด (ทรงกลม)
- ηคือความหนืดของอากาศ
- ρคือความหนาแน่นของการลดลง
ความสำคัญ
การทดลองของ Millikan มีความสำคัญมากเพราะได้เปิดเผยประเด็นสำคัญหลายประการในวิชาฟิสิกส์:
I) ประจุของธาตุคือของอิเล็กตรอนซึ่งมีค่า 1.6 x 10 -19 C ซึ่งเป็นค่าคงที่พื้นฐานของวิทยาศาสตร์
II) ประจุไฟฟ้าอื่น ๆ มีค่าใช้จ่ายพื้นฐานหลายเท่า
III) เมื่อทราบถึงประจุของอิเล็กตรอนและความสัมพันธ์ของมวลประจุของ JJ Thomson สามารถกำหนดมวลของอิเล็กตรอนได้
III) ในระดับของอนุภาคที่มีขนาดเล็กเท่าอนุภาคมูลฐานผลกระทบของแรงโน้มถ่วงจะน้อยมากเมื่อเทียบกับอนุภาคไฟฟ้าสถิต
รูปที่ 2 มิลลิแกนอยู่เบื้องหน้าด้านขวาข้างอัลเบิร์ตไอน์สไตน์และนักฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียงคนอื่น ๆ ที่มา: Wikimedia Commons
Millikan ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีพ. ศ. 2466 สำหรับการค้นพบเหล่านี้ การทดลองของเขามีความเกี่ยวข้องเช่นกันเนื่องจากเขาได้พิจารณาคุณสมบัติพื้นฐานของประจุไฟฟ้าโดยเริ่มจากเครื่องมือวัดง่ายๆและใช้กฎหมายที่ทุกคนรู้จักกันดี
อย่างไรก็ตาม Millikan ถูกวิพากษ์วิจารณ์ว่าได้ละทิ้งข้อสังเกตมากมายในการทดลองของเขาโดยไม่มีเหตุผลชัดเจนเพื่อลดข้อผิดพลาดทางสถิติของผลลัพธ์และทำให้ "เรียบร้อย" มากขึ้น
ลดลงด้วยค่าใช้จ่ายที่หลากหลาย
Millikan วัดได้หลายหยดในการทดลองของเขาและไม่ใช่ทั้งหมดที่เป็นน้ำมัน เขาลองปรอทและกลีเซอรีนด้วย ตามที่ระบุไว้การทดลองเริ่มขึ้นในปี 1906 และกินเวลาสองสามปี สามปีต่อมาในปี 1909 ผลงานแรกได้รับการตีพิมพ์
ในช่วงเวลานี้เขาได้รับประจุไฟฟ้าหลายชนิดโดยการยิงรังสีเอกซ์ผ่านแผ่นเปลือกโลกเพื่อทำให้อากาศเป็นไอออนระหว่างพวกเขา ด้วยวิธีนี้อนุภาคที่มีประจุจะถูกปล่อยออกมาซึ่งหยดสามารถรับได้
นอกจากนี้เขาไม่ได้มุ่งเน้นไปที่ละอองแขวนลอยเพียงอย่างเดียว Millikan สังเกตว่าเมื่อหยดเพิ่มขึ้นอัตราการเพิ่มขึ้นก็แตกต่างกันไปตามภาระที่ส่งมอบ
และถ้าการลดลงของค่าที่เพิ่มขึ้นนี้เพิ่มขึ้นเนื่องจากการแทรกแซงของรังสีเอกซ์ไม่ได้เปลี่ยนความเร็วเนื่องจากมวลของอิเล็กตรอนใด ๆ ที่เพิ่มลงในการดร็อปนั้นมีค่าน้อยที่สุดเมื่อเทียบกับมวลของการดรอปเอง
โดยไม่คำนึงถึงจำนวนประจุที่เพิ่มขึ้น Millikan พบว่าหยดทั้งหมดที่ได้รับประจุที่เป็นจำนวนเต็มทวีคูณของค่าหนึ่งซึ่งก็คือ e ซึ่งเป็นหน่วยพื้นฐานซึ่งดังที่เราได้กล่าวไปแล้วคือประจุของอิเล็กตรอน
เริ่มแรก Millikan ได้รับ 1,592 x 10 -19 C สำหรับค่านี้ซึ่งต่ำกว่าค่าที่ยอมรับในปัจจุบันเล็กน้อยคือ 1,602 x 10 -19 C สาเหตุอาจเป็นค่าที่เขาให้กับความหนืดของอากาศในสมการสำหรับ กำหนดความเร็วขั้วของการลดลง
ตัวอย่าง
ลอยหยดน้ำมัน
เราเห็นตัวอย่างต่อไปนี้ หยดน้ำมันมีความหนาแน่นρ = 927 กก. / ม. 3และปล่อยออกมาตรงกลางขั้วไฟฟ้าโดยปิดสนามไฟฟ้า หยดถึงความเร็วขั้วอย่างรวดเร็วโดยที่รัศมีถูกกำหนดค่าซึ่งจะกลายเป็น R = 4.37 x10 -7ม.
สนามเครื่องแบบเปิดขึ้นชี้ขึ้นในแนวตั้งและมีขนาด 9.66 kN / C ด้วยวิธีนี้จะสามารถทำได้โดยการปล่อยจะหยุดนิ่งเมื่ออยู่นิ่ง
มันถาม:
a) คำนวณค่าหยด
b) ค้นหาจำนวนครั้งที่ประจุของธาตุบรรจุอยู่ในประจุของการตก
c) พิจารณาว่าเป็นไปได้หรือไม่สัญลักษณ์ของการโหลด
รูปที่ 3. หยดน้ำมันกลางสนามไฟฟ้าคงที่ ที่มา: พื้นฐานของฟิสิกส์ เร็กซ์-วูลฟ์
วิธีแก้ปัญหา
ก่อนหน้านี้นิพจน์ต่อไปนี้ได้มาจากการลดลงขณะพัก:
เมื่อทราบความหนาแน่นและรัศมีของการตกแล้วมวลของการหยดจะถูกกำหนด:
ดังนั้น:
ดังนั้นค่าใช้จ่ายของการลดลงคือ:
แนวทางแก้ไข b
เมื่อทราบว่าภาระพื้นฐานคือ e = 1.6 x 10 -19 C ให้หารภาระที่ได้รับในส่วนก่อนหน้าด้วยค่านี้:
ผลลัพธ์ก็คือประจุที่หล่นจะอยู่ที่ประมาณสองเท่า (n≈2) ของประจุธาตุ มันไม่ได้เป็นสองเท่า แต่ความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยนี้เกิดจากข้อผิดพลาดในการทดลองที่หลีกเลี่ยงไม่ได้เช่นเดียวกับการปัดเศษในการคำนวณแต่ละรายการก่อนหน้านี้
แนวทางแก้ไข c
เป็นไปได้ที่จะกำหนดสัญลักษณ์ของประจุเนื่องจากข้อความดังกล่าวให้ข้อมูลเกี่ยวกับทิศทางของสนามซึ่งพุ่งขึ้นไปในแนวตั้งรวมทั้งแรง
เส้นสนามไฟฟ้าจะเริ่มต้นด้วยประจุบวกและลงท้ายด้วยประจุลบเสมอดังนั้นแผ่นด้านล่างจะถูกชาร์จด้วยเครื่องหมาย + และแผ่นด้านบนที่มีเครื่องหมาย - (ดูรูปที่ 3)
เนื่องจากการลดลงถูกนำไปยังแผ่นด้านบนขับเคลื่อนด้วยสนามและเนื่องจากประจุของเครื่องหมายตรงข้ามดึงดูดซึ่งกันและกันการลดลงจะต้องมีประจุบวก
จริงๆแล้วการระงับการดร็อปนั้นไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะบรรลุ ดังนั้น Millikan จึงใช้การกระจัดกระจายในแนวตั้ง (ขึ้นและลง) ซึ่งการลดลงที่เกิดขึ้นโดยการปิดและเปิดสนามรวมถึงการเปลี่ยนแปลงของค่า X-ray และเวลาในการเดินทางเพื่อประเมินว่าค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมที่ได้รับมา
ประจุที่ได้มานี้เป็นสัดส่วนกับประจุของอิเล็กตรอนดังที่เราได้เห็นไปแล้วและสามารถคำนวณได้ด้วยเวลาขึ้นและลงมวลของการตกและค่าของ g และ E
อ้างอิง
- เปิดใจ. Millikan นักฟิสิกส์ที่มาดูอิเล็กตรอน สืบค้นจาก: bbvaopenmind.com
- Rex, A. 2011. ความรู้พื้นฐานทางฟิสิกส์. เพียร์สัน
- Tippens, P. 2011. Physics: Concepts and Applications. ฉบับที่ 7 McGraw Hill
- Amrita การทดลองหยดน้ำมันของ Millikan ดึงมาจาก: vlab.amrita.edu
- วิทยาลัย Wake Forest การทดลองหยดน้ำมันของ Millikan กู้คืนจาก: wfu.edu