Upptäckten av Electrons laddning

År 1897 demonstrerade JJ Thomson att katodstrålar, ett nytt fenomen, bestod av små negativt laddade partiklar, som snart kallades elektroner. Elektronen var den första subatomära partikeln som någonsin upptäckts. Genom sina katodstrålexperiment bestämde Thomson också det elektriska laddnings-till-massförhållandet för elektronen.

Millikans oljedroppexperiment utfördes av Robert Millikan och Harvey Fletcher 1909. Det bestämde ett exakt värde för elektronens elektriska laddning, t.ex. Elektronladdningen är den grundläggande enheten för elektrisk laddning, eftersom alla elektriska laddningar består av grupper (eller frånvaron av grupper) av elektroner. Denna avgiftsbedömning visas också elegant genom Millikans experiment.

Enheten för elektrisk laddning är en grundläggande fysisk konstant och avgörande för beräkningar inom elektromagnetism. Därför var en exakt bestämning av dess värde en stor prestation, erkänd av Nobelpriset för fysik från 1923.

Robert Millikan, Nobelprisvinnaren 1923, som bestämde elektronens laddning |

Millikans apparat

Millikans experiment bygger på att observera laddade oljedroppar i fritt fall och i närvaro av ett elektriskt fält. En fin oljedimma sprayas över toppen av en perspexcylinder med en liten 'skorsten' som leder ner till cellen (om cellventilen är öppen). Sprutningen kommer att ladda några av de frisatta oljedropparna genom friktion med sprutans munstycke. Cellen är det område som är inneslutet mellan två metallplattor som är anslutna till en strömförsörjning. Följaktligen kan ett elektriskt fält genereras i cellen och dess styrka varieras genom att justera strömförsörjningen. Ett ljus används för att belysa cellen och experimenteraren kan observera i cellen genom att titta genom ett mikroskop.

Apparaten som användes för Millikans experiment (visas från två perspektiv).

Sluthastighet

När ett föremål faller genom en vätska, till exempel luft eller vatten, kommer tyngdkraften att accelerera föremålet och påskynda det. Som en följd av denna ökande hastighet ökar också dragkraften som verkar på föremålet, som motstår fallet. Så småningom kommer dessa krafter att balansera (tillsammans med en flytkraft) och därför accelererar inte objektet längre. Vid denna punkt faller objektet med en konstant hastighet, vilket kallas terminalhastigheten. Terminalhastigheten är den maximala hastigheten som föremålet kommer att uppnå under fritt fall genom vätskan.

Teori

Millikans experiment kretsar kring rörelsen hos enskilda laddade oljedroppar i cellen. För att förstå denna rörelse måste krafterna som verkar på en enskild oljedroppe övervägas. Eftersom dropparna är mycket små antas dropparna rimligen att vara sfäriska i form. Diagrammet nedan visar krafterna och deras riktningar som verkar på en droppe i två scenarier: när droppfria faller och när ett elektriskt fält får droppen att stiga.

De olika krafterna som verkar på ett oljedroppe som faller genom luften (vänster) och stiger genom luften på grund av ett applicerat elektriskt fält (höger).

Den mest uppenbara kraften är jordens tyngdkraft på droppen, även känd som droppens vikt. Vikt ges av droppvolymen multiplicerad med densiteten för oljan ( ρ olja ) multiplicerad med gravitationsaccelerationen ( g ). Jordens gravitationella acceleration är känd för att vara 9, 81 m / s 2 och tätheten för oljan är vanligtvis också känd (eller kan bestämmas i ett annat experiment). Däremot är droppens ( r ) radie okänd och extremt svår att mäta.

När droppen är nedsänkt i luft (en vätska) kommer den att uppleva en uppåtgående flytkraft. Archimedes princip säger att denna flytkraft är lika med vikten av vätska som förskjuts av det nedsänkta föremålet. Därför är flytkraften som verkar på droppen ett identiskt uttryck som vikten förutom att lufttätheten används ( ρ luft ). Luftdensiteten är ett känt värde.

Droppen upplever också en dragkraft som motsätter sig dess rörelse. Detta kallas också luftmotstånd och uppstår som en följd av friktion mellan droppen och de omgivande luftmolekylerna. Drag beskrivs av Stokes lag, som säger att kraften beror på droppens radie, luftens viskositet ( η ) och droppens ( v ) hastighet. Luftens viskositet är känd och dropphastigheten är okänd men kan mätas.

När droppen når sin terminalhastighet för att falla ( v 1 ) är vikten lika med flytkraften plus dragkraften. Att ersätta de tidigare ekvationerna för krafterna och sedan ordna om ger ett uttryck för droppradie. Detta gör att radien kan beräknas om v 1 mäts.

När en spänning appliceras på mässingsplattorna genereras ett elektriskt fält i cellen. Styrkan hos detta elektriska fält ( E ) är helt enkelt spänningen ( V ) dividerat med avståndet som separerar de två plattorna ( d ).

Om en droppe laddas kommer den nu att uppleva en elektrisk kraft utöver de tre tidigare diskuterade krafterna. Negativt laddade droppar kommer att uppleva en kraft uppåt. Denna elektriska kraft är proportionell mot både det elektriska fältstyrkan och droppens elektriska laddning ( q ).

Om det elektriska fältet är tillräckligt starkt, från en tillräckligt hög spänning, kommer de negativt laddade dropparna att börja stiga. När droppen når sin terminalhastighet för stigning ( v 2 ), är summan av vikten och dragningen lika med summan av den elektriska kraften och flytkraften. Att jämföra formlerna för dessa krafter, att ersätta i den tidigare erhållna radien (från fallet av samma droppe) och omarrangera ger en ekvation för droppens elektriska laddning. Detta betyder att laddningen av en droppe kan bestämmas genom mätning av de fallande och stigande terminalhastigheterna, eftersom resten av ekvationens termer är kända konstanter.

Experimentell metod

För det första utförs kalibrering såsom att fokusera mikroskopet och se till att cellen är i nivå. Cellventilen öppnas, olja sprutas över toppen av cellen och ventilen stängs sedan. Flera droppar olja kommer nu att falla genom cellen. Strömförsörjningen slås sedan på (till en tillräckligt hög spänning). Detta får negativt laddade droppar att stiga men gör också att positivt laddade droppar faller snabbare och rensar dem från cellen. Efter mycket kort tid lämnar detta bara negativt laddade droppar kvar i cellen.

Strömförsörjningen stängs sedan av och dropparna börjar falla. En droppe väljs av observatören som tittar genom mikroskopet. Inuti cellen har ett angivet avstånd markerats och tiden för den valda droppen att falla genom detta avstånd mäts. Dessa två värden används för att beräkna den fallande terminalhastigheten. Strömförsörjningen slås sedan på igen och droppen börjar stiga. Tiden att stiga genom det valda avståndet mäts och gör det möjligt att beräkna den stigande terminalhastigheten. Denna process skulle kunna upprepas flera gånger och låta genomsnittliga fall- och stigningstider och därmed hastigheter beräknas. Med de två erhållna terminalhastigheterna beräknas droppens laddning utifrån den föregående formeln.

Resultat

Denna metod för att beräkna en droppladdning upprepades för ett stort antal observerade droppar. Laddningarna visade sig vara heltal-multiplar ( n ) för ett enda nummer, en grundläggande elektrisk laddning ( e ). Därför bekräftade experimentet att laddningen är kvantiserad.

Ett värde för e beräknades för varje dropp genom att dividera den beräknade droppladdningen med ett tilldelat värde för n . Dessa värden beräknades sedan för att ge en slutlig mätning av e .

Millikan erhöll ett värde av -1, 5924 x 10 -19 C, vilket är en utmärkt första mätning med tanke på att den för närvarande accepterade mätningen är -16022 x 10 -19 C.

Hur ser detta ut?