Опыт Милликена

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Установка для проведения эксперимента.
Прибор для наблюдения за движением капель в электрическом поле

Опыт Милликена — опыт по измерению элементарного электрического заряда (заряда электрона), проведённый Робертом Милликеном и Харви Флетчером (англ.) 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.

Описание опыта[править | править вики-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. Отсюда получим:

r=\frac{3\sqrt 2}{2}\sqrt{\frac{\eta v_0}{(\rho-\rho_0)g}}.

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 = \frac {4 \pi}{3} \frac {r^3 (\rho-\rho_0)g} {E} \left ( 1+\frac{9}{2} \frac{\eta v}{r^2 (\rho-\rho_0)g} \right ), или, подставляя ранее найденный радиус капли r: e=9\sqrt 2 \pi \frac{1}{E} \sqrt{\frac{\eta^3 v_0^3}{(\rho-\rho_0)g}}\left ( 1+\frac{v}{v_0} \right ).

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 вики-текст]

Существует некоторые разногласия по методу проведения опыта, поднятые физиком Джеральдом Холтоном. Холтон отметил, что Милликеном учитывался слишком большой набор капель масла. Аллан Франклин — известный практик в университете Колорадо попытался опровергнуть эту точку зрения.[2] 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, измерившим заряд электрона.

Примечания[править | править вики-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. Franklin, A. (1997). «Millikan's Oil-Drop Experiments». The Chemical Educator 2 (1): 1–14. DOI:10.1007/s00897970102a.

Литература[править | править вики-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 вики-текст]