Robert Millikan (1868-1953)이 그의 학생 Harvey Fletcher (1884-1981)와 함께 수행 한 Millikan 실험 은 1906 년에 시작되어 수천 방울의 움직임을 분석하여 전하의 특성을 연구하는 것을 목표로했습니다. 균일 한 전기장에서 기름의.
결론은 전하가 임의의 값을 가지지 않고 전자의 기본 전하 인 1.6 x 10 -19 C의 배수로 나왔다는 것 입니다. 또한 전자의 질량이 발견되었습니다.
그림 1. 왼쪽에는 Millikan과 Fletcher가 실험에서 사용한 원래 장치가 있습니다. 오른쪽에는 단순화 된 다이어그램이 있습니다. 출처 : Wikimedia Commons / F. 자 파타,
이전에 물리학 자 JJ Thompson은이 소립자의 전하-질량 관계를 실험적으로 발견했는데,이를 "체체"라고 부르지 만 각 크기의 값을 개별적으로 찾지 못했습니다.
이 전하-질량 관계와 전자의 전하로부터 질량 값이 결정되었습니다 : 9.11 x 10 -31 Kg.
목적을 달성하기 위해 Millikan과 Fletcher는 미세한 기름 방울을 분사하는 분무기를 사용했습니다. 분무기의 마찰로 인해 일부 물방울이 전하되었습니다.
충전 된 방울은 그림 1의 다이어그램과 같이 상부 플레이트의 작은 구멍을 통과 한 평행 평판 전극에 천천히 침전되었습니다.
평행 판 내부에서 판에 수직 인 균일 한 전기장을 생성 할 수 있으며, 그 크기와 극성은 전압을 변경하여 제어됩니다.
방울의 거동은 밝은 빛으로 플레이트 내부를 비추어 관찰되었습니다.
실험 설명
방울에 전하가 있으면 판 사이에 생성 된 장이 중력에 대항하는 힘을가합니다.
그리고 그것이 또한 매달린 상태로 유지된다면, 그것은 필드가 중력의 균형을 정확히 맞추는 상향 수직 힘을가한다는 것을 의미합니다. 이 조건은 방울의 전하 인 q의 값에 따라 달라집니다.
실제로 Millikan은 필드를 켠 후 일부 방울이 중단되고 다른 방울이 상승하기 시작하거나 계속 내려가는 것을 관찰했습니다.
예를 들어 가변 저항을 통해 전기장의 값을 조정하여 판 내부에 매달린 상태로 떨어 뜨릴 수 있습니다. 실제로는 달성하기가 쉽지 않지만 발생하면 필드와 중력에 의해 가해지는 힘만 드롭에 작용합니다.
낙하의 질량이 m이고 전하가 q 인 경우 힘이 적용되는 크기 E의 장에 비례한다는 것을 알고있는 뉴턴의 두 번째 법칙은 두 힘이 균형을 이루어야한다고 말합니다.
g의 값, 중력 가속도, 필드의 크기 E는 다음과 같이 플레이트 사이에 설정된 전압 V와 이들 L 사이의 분리에 따라 달라집니다.
문제는 작은 기름 방울의 질량을 찾는 것이 었습니다. 이것이 완료되면 전하 q를 결정하는 것이 완벽하게 가능합니다. 당연히, m과 q는 각각 전자가 아니라 기름 방울의 질량과 전하입니다.
그러나 …이 방울은 전자를 잃거나 얻기 때문에 충전되므로 그 값은 입자의 전하와 관련이 있습니다.
기름 방울의 질량
Millikan과 Fletcher의 문제는 방울의 질량을 결정하는 것이지 크기가 작기 때문에 쉬운 작업이 아닙니다.
기름의 밀도를 알면 방울의 부피가 있으면 질량을 해결할 수 있습니다. 그러나 부피도 매우 작기 때문에 기존의 방법은 쓸모가 없었습니다.
그러나 연구원들은 공기 나 환경의 저항이 개입하여 움직임을 늦추기 때문에 그러한 작은 물체가 자유롭게 떨어지지 않는다는 것을 알고있었습니다. 필드가 꺼진 상태에서 입자가 방출되면 수직 이동이 가속화되고 아래쪽으로 내려가지만 일정한 속도로 떨어집니다.
이 속도를 "종단 속도"또는 "제한 속도"라고하며, 구의 경우 반경과 공기의 점도에 따라 달라집니다.
들판이없는 상황에서 Millikan과 Fletcher는 방울이 떨어지는 데 걸리는 시간을 측정했습니다. 방울이 구형이고 공기의 점도 값을 사용하여 최종 속도에서 간접적으로 반경을 결정했다고 가정합니다.
이 속도는 스톡스의 법칙을 적용하여 찾을 수 있으며 여기에 그 방정식이 있습니다.
-v t 는 최종 속도입니다.
-R은 낙하 반경 (구형)
-η는 공기의 점도
-ρ는 방울의 밀도
중요성
Millikan의 실험은 물리학의 몇 가지 주요 측면을 보여 주었기 때문에 매우 중요했습니다.
I) 원소 전하는 과학의 기본 상수 중 하나 인 1.6 x 10 -19 C 의 값을 갖는 전자의 전하입니다 .
II) 다른 모든 전하는 기본 전하의 배수가됩니다.
III) 전자의 전하와 JJ Thomson의 전하 질량 관계를 알면 전자의 질량을 결정할 수 있습니다.
III) 기본 입자만큼 작은 입자 수준에서 중력 효과는 정전기 효과에 비해 무시할 수 있습니다.
그림 2. Albert Einstein 및 기타 주목할만한 물리학 자들과 함께 오른쪽 전경의 Millikan. 출처 : Wikimedia Commons.
Millikan은 이러한 발견으로 1923 년에 노벨 물리학상을 받았습니다. 그의 실험은 간단한 계측에서 시작하여 모두에게 잘 알려진 법칙을 적용하여 이러한 전하의 기본적인 특성을 결정했기 때문에 관련이 있습니다.
그러나 Millikan은 결과의 통계적 오류를 줄이고 더 "표현 가능"하게 만들기 위해 명백한 이유없이 실험에서 많은 관찰을 폐기 한 것에 대해 비판을 받았습니다.
다양한 요금으로 드롭
Millikan은 실험에서 많은 방울을 측정했지만 모두 기름이 아니 었습니다. 그는 또한 수은과 글리세린을 시도했습니다. 언급했듯이 실험은 1906 년에 시작되어 몇 년 동안 지속되었습니다. 3 년 후인 1909 년에 첫 번째 결과가 발표되었습니다.
이 기간 동안 그는 판을 통해 X- 선을 쳐서 그 사이의 공기를 이온화함으로써 다양한 전하 방울을 얻었습니다. 이러한 방식으로 하전 입자가 방출되어 방울이 수용 할 수 있습니다.
또한 그는 매달린 물방울에만 집중하지 않았습니다. Millikan은 낙하가 상승하면 전달되는 부하에 따라 상승률도 달라진다는 것을 관찰했습니다.
그리고 낙하가 내려 가면 X- 선의 개입으로 인해 추가 된이 추가 전하는 속도를 변화시키지 않았습니다. 낙하에 추가 된 전자의 질량은 낙하 자체의 질량에 비해 작기 때문입니다.
얼마나 많은 전하를 추가했는지에 관계없이 Millikan은 모든 방울이 특정 값의 정수 배수 인 전하를 획득했다는 것을 발견했습니다. 즉, 기본 단위 인 e는 전자의 전하입니다.
Millikan은 처음 에이 값에 대해 1,592 x 10 -19 C를 얻었으며 현재 허용되는 값인 1,602 x 10 -19 C 보다 약간 낮았습니다 . 드롭의 최종 속도를 결정합니다.
예
기름 한 방울을 부양
다음 예를 참조하십시오. 기름 방울은 밀도 ρ = 927 kg / m 3을 가지며 전기장이 꺼진 상태에서 전극 중간에 방출됩니다. 액 적은 신속하게 최종 속도에 도달하여 반경이 결정되며 그 값은 R = 4.37 x10 -7m 입니다.
균일 필드가 켜지고 수직으로 위로 향하고 9.66 kN / C의 크기를 갖습니다. 이러한 방식으로 드롭이 정지 상태에서 중단 된 상태로 유지됩니다.
묻습니다.
a) 액적 전하 계산
b) 드롭의 전하에 원소 전하가 포함 된 횟수를 찾으십시오.
c) 가능한 경우 부하의 신호를 결정합니다.
그림 3. 일정한 전기장의 중간에있는 기름 방울. 출처 : 물리학의 기초. 렉스 울프슨.
솔루션
이전에는 휴식시 드롭에 대해 다음 표현식이 파생되었습니다.
방울의 밀도와 반경을 알면 방울의 질량이 결정됩니다.
그러므로:
따라서 드롭 요금은 다음과 같습니다.
솔루션 b
기본 부하가 e = 1.6 x 10 -19 C 임을 알면 이전 섹션에서 얻은 부하를이 값으로 나눕니다.
그 결과 방울에 대한 전하는 원소 전하의 약 두 배 (n≈2)가됩니다. 정확히 두 배는 아니지만이 약간의 불일치는 이전 계산에서 반올림뿐만 아니라 실험 오류의 불가피한 존재 때문입니다.
솔루션 c
성명서가 힘과 마찬가지로 수직으로 위로 향하는 필드의 방향에 대한 정보를 제공한다는 사실 덕분에 요금의 표시를 결정할 수 있습니다.
전기장 라인은 항상 양전하로 시작하고 음전하로 끝납니다. 따라서 아래쪽 플레이트는 + 기호로, 위쪽 플레이트는-기호로 충전됩니다 (그림 3 참조).
방울은 필드에 의해 구동되는 위의 판을 향하고 반대 기호의 전하가 서로 끌어 당기기 때문에 방울은 양전하를 가져야합니다.
실제로 드롭을 중단 한 상태로 유지하는 것은 쉽지 않습니다. 따라서 Millikan은 필드를 껐다가 켰을 때 낙하가 경험 한 수직 변위 (상하)와 X 선 충전 및 이동 시간의 변화를 사용하여 낙하가 획득 한 추가 충전량을 추정했습니다.
이 획득 된 전하는 이미 살펴본 바와 같이 전자의 전하에 비례하며 상승 및 하강 시간, 하락의 질량 및 g 및 E의 값으로 계산할 수 있습니다.
참고 문헌
- 열린 마음. 전자를 보러 온 물리학 자 밀리칸. 출처 : bbvaopenmind.com
- Rex, A. 2011. 물리학의 기초. 피어슨.
- Tippens, P. 2011. 물리학 : 개념 및 응용. 7 판. McGraw Hill.
- 암리타. Millikan의 기름 방울 실험. 검색 출처 : vlab.amrita.edu
- 웨이크 포레스트 칼리지. 밀리칸의 기름 방울 실험. 출처 : wfu.edu