Olajcseppkísérlet

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

Az olajcseppkísérlet Robert Andrews Millikan által végzett, a legkisebb töltés, az elemi töltés nagyságának megmérését célzó kísérlet volt. Az 1923-ban fizikai Nobel-díjjal jutalmazott kísérletek eredménye szerint az elemi töltés nagysága 1,592·10−19 coulomb. Ez csupán 0,62%-ban tér el a ma elfogadott 1,602176565·10−19 coulomb értéktől.[1]

Előzmények[szerkesztés]

A 19. század végére egyre elterjedtebbé vált az a nézet, hogy az anyag, és az elektromosság nem folytonos, hanem diszkrét szerkezetű. Több felfedezés is született a többek által vizsgált katódsugárcsöves kísérletekből, ilyen volt például a röntgensugárzás, a fotoeffektus felfedezése.[2] Joseph John Thomson hasonló kísérleteiből már lehetett tudni, hogy a katódsugárzásban negatív töltésű részecskék – elektronok – terjednek. Thomson méréseiből azonban nem magát a töltés nagyságát, hanem a részecskék fajlagos töltését, azaz az e/m hányadost lehetett megadni.[3] Az elemi töltés nagyságának meghatározásával – mind elméleti, mind kísérleti módszerrel – többen is próbálkoztak az 1900-as évek kezdetén, például Erich Rudolf Alexander Regener, Luis Begeman, és Felix Ehrenhaft.

Millikan kísérletei eleinte a Charles Thomson Rees Wilson skót fizikus által 1895-ben kifejlesztett, és több szempontból továbbtökéletesített ködkamrában folytak. A Begemannal közösen végzett kísérletekben vízcseppekből álló felhő mozgását figyelték meg, ezeket az eredményeket 1908-1910 között publikálták.[4][5] Később Millikan tanítványának, Harvey Fletchernek a javaslatára olajjal, mint nem párolgó közeggel folytatták a kísérleteket.[6] Ekkor fejlesztették ki az úgynevezett porlasztós elrendezést, ami az 1913-ban publikált híres olajcseppkísérlethez vezetett.[7]

A mérés elve[szerkesztés]

Simplified scheme of Millikan’s oil-drop experiment.png

Az ábra Millikan berendezésének egy egyszerűsített, sematikus változatát mutatja. A porlasztással előállított töltéssel bíró olajcseppek a tartályba kerülnek. A két fémlemez közötti térrészbe bejutó csepp mozgását figyelik meg a mikroszkóppal egyszer úgy, hogy a lemezekre nem kapcsolnak feszültséget, másszor úgy, hogy nagyfeszültséget kapcsolnak rájuk.

Az elektromos tér nélküli esetben az olajcsepp lefelé tartó mozgását a nehézségi erő, a felhajtó erő, és a Stokes-féle közegellenállási erő befolyásolják:[8][9]

, , ,

ahol és az olajcsepp sűrűsége és sebessége, és a közeg sűrűsége és viszkozitása, r pedig a csepp sugara.

Egyenletes mozgást feltételezve ezek eredője nulla:

Így a csepp sugarára a következőt kapjuk:

Ezután megfelelő nagyságú elektromos teret (E) kapcsolva a lemezekre, a cseppet egyenletesen felfelé mozgatják. A fenti erőkön kívül ekkor a Q töltéssel bíró cseppre a következő elektromos erő is hat:

,

ahol U a feszültség, d pedig a két lemez közötti távolság.

Egyenletes mozgás esetén a felfelé ható elektromos és felhajtó erő, illetve a lefelé ható gravitációs és közegellenállási erő ismét kiegyenlítik egymást. Az erők egyensúlyára felírható:

,

ahol a közegellenállási erő most a csepp mozgásához tartozó sebességnek megfelelően:

A kísérleti elrendezés paramétereiből (viszkozitás, feszültség, lemezek távolsága, sűrűségek) és a csepp mozgásának megfigyeléséből, a sebességek megméréséből a csepp töltése meghatározható:

Millikan kísérlete és az eredmények[szerkesztés]

Millikan porlasztós berendezésének vázlata

Az egyszerű modell szerint az így megmérhető töltések – legalábbis a mérési hibán belül – egy legkisebb töltésegység egész számú többszörösei. A lehetséges hibaforrások minél jobb kiküszöbölésére Millikan a több évig tartó kísérletekben nagy gondot fordított. A megvalósítás részleteit többször javította, a kiértékelést módosította. Az ábrán a Nobel-díjat érdemlő eredményhez vezető berendezésnek az eredeti publikációból származó vázlatát látjuk. Kritikus pont volt a közeg viszkozitásának, hőmérsékletének állandó értéken tartása, pontos mérése. A már kiválasztott csepp töltését röntgensugárzással való besugárzással, ionizációval lehetett változtatni. A kondenzátor feszültségét pontos értéken, szabályozható módon kellett tartani. A vizsgált térrészben lehetőleg meg kellett akadályozni a levegő áramlását, a megfigyelhetőséghez szükséges megvilágító lámpa hőmérséklet-növelő hatását. A sebességek nagyságának méréséhez szükséges távolságméréshez precíz optikai leképező egységet fejlesztettek, az időtartamok méréséhez speciális órát használtak. A közegellenállási erőre a fent ismertetett Stokes-féle modell nem bizonyult alkalmazhatónak, ezt Millikan többször módosította, tapasztalati korrekciót vezetett be.

Többen – többek között Felix Ehrenhaft[10] – támadták, hogy szelektált az adatok között. Még 1978-ban is jelent meg a munkáját elemző írás.[11] Az idő azonban őt igazolta. Az elemi töltés nagyságát olyan pontossággal határozta meg, ami a ma elfogadott értéktől alig különbözik.

Jegyzetek[szerkesztés]

  1. http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?e
  2. Simonyi Károly: A fizika kultúrtörténete
  3. http://www.kfki.hu/~cheminfo/hun/olvaso/histchem/mol/elektron.html
  4. R. A. Millikan, L. Begeman: On the Charge Carried by the Negative Ion of an Ionized Gas, Physical Review, vol. 26 No. 2 (1908) 197–198.
  5. R. A. Millikan: A New Modification of the Cloud Method of Determining the Elementary Electrical Charge and the Most Probable Value of that Charge, Philosophical Magazine and Journal of Science, vol. 6 No. 110 (1910) 209–228.
  6. H. Fletcher: My work with Millikan on the oil-drop experiment, Physics Today, 35 (1982) 43–47.
  7. R. A. Millikan: On the Elementary Electrical Charge and the Avogadro Constant The Physical Review, vol. 2 No. 2 (1913) 109–143.
  8. Buzády Andrea, Szegő Dóra: Millikan és az elemi töltés meghatározásának története - 1. rész, Fizikai Szemle, LXV. évf, 2015. július-augusztus, 245-248
  9. Buzády Andrea, Szegő Dóra: Millikan és az elemi töltés meghatározásának története - 2. rész, Fizikai Szemle, LXV. évf, 2015. szeptember, 301-305
  10. F. Ehrenhaft: Über die Messung von Elektrizitätsmengen, die Ladung des einwertigen Wasserstoffions oder Elektrons zu unterschreiten scheinen. Zweite vorläufige Mitteilung seiner Methode zur Bestimmung des elektrischen Elementarquantums. Anzeiger Akademie der Wissenschaften in Wien. Mathematisch-naturwissenschaftliche Klasse, vol. 5 (1910) 215.
  11. G. Holton: Subelectrons, Presuppositions, and the Millikan–Ehrenhaft Dispute Historical Studies in the Physical Sciences, vol 9 (1978) 161–224.