Опыт Милликена

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Установка для проведения эксперимента.

Опыт Милликена — опыт по измерению элементарного электрического заряда (заряда электрона), проведённый Робертом Милликеном и Харви Флетчером (англ.)русск. в 1909 году[1].

Идея эксперимента состоит в нахождении баланса между силой тяжести, силой Стокса и электрическим отталкиванием. Управляя мощностью электрического поля, Милликен и Флетчер удерживали мелкие капельки масла в механическом равновесии. Повторив эксперимент для нескольких капель, учёные подтвердили, что общий заряд капли складывается из нескольких элементарных. Значение заряда электрона в опыте 1911 года получилось равным 1,5924(17) \times 10^{-19} Кл, что на 1 % отличается от современного значения в 1,602176487(40) \times 10^{-19} Кл.

Предпосылки[править | править исходный текст]

В 1913 профессор чикагского университета Р. Милликен в соавторстве[2] с Х. Флетчером опубликовали проект своего опыта.[3]

В данном эксперименте измерялась сила электрического поля, которое может удерживать заряженную капельку масла между двумя электродами. По значению этого поля измерялся заряд капли. Сами капли электризовались во время разбрызгивания. Во времена опыта не было очевидным существование субатомных частиц, и большинство физических явлений[каких?] можно было объяснить, приняв заряд непрерывно изменяющейся величиной.

Так называемый элементарный заряд e является одной из фундаментальных физических констант и знать его точное значение очень важно. В 1923 г. Милликен получил Нобелевскую премию по физике отчасти и за этот эксперимент.

Описание опыта[править | править исходный текст]

Принципиальная схема опытной установки

В пространство между двумя пластинами под напряжением (в конденсатор) Милликен вводил мельчайшие заряженные капли масла, которые могли находиться в неподвижном состоянии в определённом электрическом поле. Равновесие наступало при условии  F_r = eE , где

 F_r  — результирующая сил тяжести и силы Архимеда;
 F_r = \frac {4} {3} \pi r^3 (\rho - \rho_0)g , где в свою очередь
\rho  — плотность капли масла;
 r  — её радиус в предположении, что капля сферична;
 \rho_0  — плотность воздуха

Из указанных формул можно, зная r и E, найти e. Для определения радиуса капли измерялась скорость v_0 равномерного падения капельки в отсутствие поля, так как равномерное движение устанавливается тогда, когда сила тяжести F_w = mg уравновешивается силой сопротивления воздуха  F_{res} = 6 \pi \eta r v_0, где  \eta  — вязкость воздуха.

Зафиксировать неподвижность капли было сложно в то время, поэтому вместо поля, удовлетворяющего условию  F_r = eE использовалось поле, под воздействием которого капля начинала двигаться с небольшой скоростью вверх. Очевидно, что если скорость подъёма равна v, то

F_r + F_{res} = eE \Leftrightarrow \frac {4} {3} \pi r^3 (\rho - \rho_0)g + 6 \pi \eta r v = eE, откуда
e = 9\pi \sqrt {\frac {2 (\eta)^3v_0} {(\rho-\rho_0)g}} \frac {v_0+v} {E}

В ходе опыта получен важный факт: все величины, которые получались у Милликена, оказывались кратными одной и той же величине. Таким образом было экспериментально показано, что заряд — дискретная величина.

Обвинения в мошенничестве[править | править исходный текст]

Существует некоторые разногласия по методу проведения опыта, поднятые физиком Джеральд Холтон. Холтон отметил, что Милликеном учитывался слишком большой набор капель масла. Аллан Франклин — известный практик в университете Колорадо попытался опровергнуть эту точку зрения.[4] Франклин утверждает, что упрощения, которые делал Милликен, не влияют на окончательное значение e. Возможно, что точность измерения заряда несколько завышена, и в действительности было получено значение заряда, отличающееся от реального на 2 %. В любом случае Милликен был первым человеком, измерявшим заряд электрона.

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Савельев И.В. Глава X. Движение заряженных частиц. // Курс общей физики.. — 3. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. — Т. 2. — С. 215. — 496 с. — 220 000 экз.
  2. Elektrizitätsmengen, Phys. Zeit., 10(1910), p. 308
  3. Millikan, R. A. (1913). «On the Elementary Electric charge and the Avogadro Constant». Phys. Rev. 2 (2): 109–143. DOI:10.1103/PhysRev.2.109. Bibcode:1913PhRv....2..109M.
  4. Franklin, A. (1997). «Millikan's Oil-Drop Experiments». The Chemical Educator 2 (1): 1–14. DOI:10.1007/s00897970102a.

Литература[править | править исходный текст]

  • Савельев И.В. Глава X. Движение заряженных частиц. // Курс общей физики.. — 3. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. — Т. 2. — С. 215. — 496 с. — 220 000 экз.
  • Липсон Г. Глава X. Строение вещества. // Великие эксперименты в физике.. — М.: Мир, 1972. — С. 168. — 214 с.

Ссылки[править | править исходный текст]