Olajcseppkísérlet

Robert Millikan 1909-es olajcseppkísérletének célja az elektron elektromos töltésének pontos mérése volt. Millikan a kísérletet a következőképpen végezte el: egyensúlyi helyzetben tartotta a töltött olajcseppecskéket – azaz kiegyensúlyozta a rá ható gravitációs és elektromos erőt. Ismerve az elektromos mezőt, a cseppecskén lévő töltés meghatározható. A kísérletet sok cseppecskével megismételve, az eredmények mindig egy érték többszöröseit adták. Ez az érték egyetlen elektron töltése, azaz 1,602·10⁻¹⁹ coulomb. (A coulomb az elektromos töltés SI mértékegysége).

Abban az időben már sejtettek valamit a szubatomi részecskékről (J.J. Thomson katódsugaras kísérletének köszönhetően), viszont az elektromágneses jelenségek nagy részét meg lehetett magyarázni az elektromos töltés fluidum elméletével. Millikan kísérlete bebizonyította, hogy a töltésmennyiség kvantált – létezik egy legkisebb egység, az elektron.

1923-ban Millikan – többek között ezen kísérlet elismeréseképpen – megkapta a fizikai Nobel-díjat. Azóta ezt a kísérletet fizikus hallgatók ezrei ismételték meg, bár a kísérlet megfelelően pontos elvégzése igen nehéz és költséges feladat.

Az olajcseppkísérlet egy változatát később szabad kvarkok keresésére is felhasználták (melyek, ha léteznek, az elektron töltésének 1/3-ával rendelkeznek), sikertelenül. A jelenlegi kvarkelméletek szerint a kvarkok erősen kötött állapotban vannak és nem is létezhetnek nem kötött (szabad) állapotban. Azonban érdemes megemlíteni, hogy Millikan eredeti jegyzetei között szerepel egy olyan megfigyelés, melyben egy +1/3-os töltésű olajcsepp került lejegyzésre, és amelyet Millikan akkoriban egyszerűen hibaként kezelt.

A kísérlet menete

A berendezés

A fenti kép Millikan felszerelésének egy egyszerűsített, sematikus változatát ábrázolja. Két vízszintes helyzetben lévő, egymással szemben elhelyezkedő fémlemez között a magas potenciálkülönbség következtében egy állandó elektromos mező jön létre. A kísérlet során egy töltéssel rendelkező, a lemezek között elmozdulni képes olajcseppet juttatnak ezen fémlemezek közé. A (lemezek közti) feszültség változtatásával az olajcsepp felfelé, vagy lefelé mozgatható, illetve egy helyben képes állni. A fémlemezeket egy szigetelőanyagból készült gyűrű tartja össze (,amely az ábrán nem látható és) melyen két lyuk található. Az egyik lyukon egy erős fényforrás világít át, melyet arra a területre fókuszálnak, ahol az olajcseppek a két lemez között mozognak. A másik lyuknál egy mikroszkópot helyeznek el. Az olajcseppek visszaverik a fényt és fényes pontként látszanak a sötét térben. A mikroszkóp lencséjén egy fokokra osztott skála található, melynek segítségével megmérhető a cseppecske sebessége, mégpedig úgy, ha ismerjük azt az időt, amely alatt a cseppecske az egyik beosztástól a másikig vándorol.

Az olaj (elsősorban paraffinolajról van szó) a vákuumos készülékeknél (mint Millikan berendezése is) a leggyakrabban használt anyag, mégpedig azért, mert rendkívül alacsony a gőznyomása. Más anyagok már a fényforrás által kibocsátott hőtől jelentős mértékben párolognának (így a kísérlet során az olajcsepp tömege nem lenne állandó). Néhány olajcsepp a porlasztás során a fúvókán való áthaladáskor töltést vesz fel. Még több cseppre vihetünk fel töltést egy ionizáló sugárforrás (mint például a röntgencső) segítségével, oly módon, hogy a sugárforrás segítségével a kamrában lévő levegőt ionizáljuk.

A folyamat

A folyamat kezdetén – mivel ekkor még nem aktiváljuk az elektromos mezőt – az olajcseppek szabadon esnek a lemezek között. A cseppek rövid idő alatt elérik a végsebességüket a kamrában lévő levegőrészecskékkel való ütközés következtében létrejövő súrlódás miatt. Ekkor aktiváljuk az elektromos mezőt, és ha az megfelelően nagy, néhány részecske (a töltéssel rendelkezők) emelkedni kezdenek (mivel a rájuk ható F_E elektromos mező által az olajcseppre kifejtett, "felfelé" ható erő nagyobb lesz, mint a "lefelé" ható G nehézségi erő). Egy megfelelőnek tűnő olajcsepp kiválasztása és a mikroszkóp látómezejének közepére mozgatása után a feszültség kikapcsolgatásával elérjük, hogy a kiválasztott cseppen kívül minden más csepp leessen. A kísérlet további részében tehát már csak ezzel az egy cseppel dolgozunk.

A kiválasztott cseppet hagyjuk, hogy szabadon essen. Kis tömegéből kifolyólag gyorsan eléri a végsebességét, amikor más nem hat rá erő, vagyis a gravitációs erő kiegyenlítődik a közegellenállással, ami meghatározható a Stokes-törvényből:

$F_K = 6\pi r \eta v_1 \$

ahol v₁ a csepp végsebessége, η a levegő viszkozitása, r pedig a csepp sugara. A súlyát a következő képletből számoljuk (beleszámítva a felhajtőerőt):

$F_G = \frac{4}{3} \pi r^3 g(\rho - \rho_\mathrm {levego}) \,$

Ezt a két erőt kiegyenlítve a csepp sugarára a következőt kapjuk:

$r^2 = \frac{9 \eta v_1}{2 g (\rho - \rho _\mathrm {levego})} \,$

Most bekapcsoljuk az elektromos teret, és olyan erősre állítjuk, hogy a csepp egy új v₂ sebességgel emelkedjen. A rá ható erők: gravitáció, a Stokes-erő és az elektromos erő:

$F_E = q E = q \frac{V}{d}$

ahol a V a feszültség, a d pedig a két lemez közötti távolság. A három erő kiegyenlíti egymást:

$F_E = F_G + F_K \$

ha behelyettesítjük az előző mérés ereményét, akkor megkapjuk a csepp töltését:

$q = \frac{6\pi r \eta}{E} (v_1 + v_2)$

Külső hivatkozások

Az olajcseppkísérlet rövid összefoglalása, és története