Rayleigh-féle olajcseppkísérlet

A Rayleigh-féle olajcseppkísérlet az olajmolekulák méretének meghatározására alkalmas kísérlet. Ennek a módszernek a segítségével Lord Rayleigh elsőként tudta megadni egy molekula méretét.

A kísérlet lényege

Egy edényben lévő tiszta víz felületére kis kámfor darabkákat dobnak. Az oldásnál fellépő lokális felületi feszültség változások miatt a darabkák ide-oda táncolnak a víz felszínén. Ahol bármiféle szennyeződés, például olajcsepp megváltoztatja a relatív felületi feszültségviszonyt, ott a kámfordarabkák nem mozognak, nyugalomban maradnak. Az úgynevezett Rayleigh-féle olajcseppkísérletben azt használják ki, hogy a vízre öntött olaj szétterül, és egyenletes vastagságú vékony hártyát alkot a felületen. Egyre kisebb és kisebb olajcseppet cseppentve a tiszta víz felszínére, egyre vékonyabb és vékonyabb olajfilm hozható létre. Egy bizonyos méretűnél kisebb csepp esetén azonban már nem elég az olaj mennyisége, hogy beterítse az edényben a teljes vízfelszínt, így a szétterülő olaj kör alakú foltot képez, melyen kívül lesznek olajtól mentes területek, és ott a kámfordarabkák újra mozogni kezdenek.

A kísérletben azt a „legkisebb” olajmennyiséget kell meghatározni, melynél nem marad szabad vízfelszín, azaz nem mozognak a kámfordarabkák. A lehető legkisebb vastagságú, azaz egyetlen olajmolekulányi réteget („monomolekuláris réteget”) tartalmazó egyenletes olajfilm létrehozásához szükséges olajcsepp tömegét megmérve, a vízfelszín területét és az olaj sűrűségét ismerve ki lehet számítani az olajhártya vastagságát.

Az olajcsepp m tömegének és $\rho$ sűrűségének ismeretében kifejezhető a térfogata: $V={\frac {m}{\rho }}$.

Ez az egyetlen csepp hozza létre a kör keresztmetszetű R sugarú edényben szétterülő, h magasságú, henger alakú olajfilmréteget,

aminek térfogata: $V=R^{2}\pi h$.

Mivel: ${\frac {m}{\rho }}=R^{2}\pi h$.

Az olajfilm vastagságára: $h={\frac {m}{\rho \pi R^{2}}}$ adódik.

A kísérletben Rayleigh által használt edény átmérője 84 cm, a vízfelszínt beborító legkisebb olajcsepp tömege mérése szerint 0,81 mg volt. Olívaolajat használt; melynek fő alkotórésze a glicerin, sűrűségét 0,9 g/ml-nek véve az egy molekularétegnyi olajfilm vastagságára, azaz egy molekula méretére 1,6 nm-t kapott.

További információk

• Estimating the size of an atom (with a bath and a drop of oil)
• Measurements of Monolayer Thickness