ניסוי מיליקן: נוהל, הסבר, חשיבות - גוּפָנִי - 2025

ניסוי מיליקן , שבוצע על ידי רוברט מיליקן (1868-1953) יחד עם תלמידו הארווי פלטשר (1884-1981), שהחל בשנת 1906 ומטרתו ללמוד את המאפיינים של מטען חשמלי, ניתוח תנועה של אלפי טיפות של שמן באמצע שדה חשמלי אחיד.

המסקנה הייתה שלמטען החשמלי אין ערך שרירותי, אלא הגיע בכפולות של 1.6 X 10 ^-19 C, שהוא המטען הבסיסי של האלקטרון. בנוסף נמצאה מסת האלקטרון.

איור 1. משמאל המנגנון המקורי בו השתמשו מיליקן ופלטשר בניסוי שלהם. מימין תרשים מפושט. מקור: Wikimedia Commons / F. זאפטה,

בעבר, הפיזיקאי ג'יי ג'יי תומפסון מצא באופן ניסיוני את מערכת היחסים המטען-המונית של החלקיק היסודי הזה, אותו כינה "גופה", אך לא את הערכים של כל גודל בנפרד.

ממטען זה - יחסי מסה ומטען האלקטרון, נקבע ערך המסה שלו: 9.11 x 10 ^-31 ק"ג.

כדי להשיג את מטרתם, מיליקן ופלטשר השתמשו במרסס מרסס ערפל דק של טיפות שמן. חלק מהטיפות נטענו חשמלית בגלל חיכוך במרסס.

הטיפות הטעונות התיישבו באטיות על אלקטרודות צלחות שטוחות מקבילות, שם עברו כמה דרך חור קטן בצלחת העליונה, כפי שמוצג בתרשים באיור 1.

בתוך הלוחות המקבילים ניתן ליצור שדה חשמלי אחיד הניצב לפלטות, שעוצמתן וקוטביותן נשלטו על ידי שינוי המתח.

התנהגות הטיפות נצפתה על ידי הארת פנים הצלחות באור בהיר.

הסבר על הניסוי

אם לטיפה יש מטען, השדה שנוצר בין הלוחות מפעיל עליו כוח המונע את כוח הכבידה.

ואם הוא גם מצליח להישאר תלוי, זה אומר שהשדה מפעיל כוח אנכי כלפי מעלה, שמאזן בדיוק את כוח הכבידה. תנאי זה יהיה תלוי בערך של q, במטען של הירידה.

ואכן מיליקן ציין כי לאחר הפעלת המגרש, הופלו כמה טיפות, אחרות החלו לעלות או המשיכו לרדת.

על ידי התאמת ערך השדה החשמלי - דרך התנגדות משתנה, למשל - ניתן לגרום לירידה להישאר תלויה בתוך הצלחות. למרות שבפועל לא קל להשיג, האם זה צריך לקרות, רק הכוח שמפעילים השדה וכוח המשיכה פועלים בירידה.

אם מסת הירידה היא m והמטען שלה הוא q, בידיעה שהכוח פרופורציונלי לשדה המופעל בעוצמה E, החוק השני של ניוטון קובע כי יש לאזן בין שני הכוחות:

ידוע הערך של g, תאוצה של כוח הכבידה, כמו גם עוצמת E של השדה, התלויה במתח V שנוצר בין הלוחות וההפרדה בין L אלה, כמו:

השאלה הייתה למצוא את מסת טיפת הנפט הזעירה. לאחר סיום זה, קביעת המטען q אפשרית בהחלט. באופן טבעי, m ו- q הם בהתאמה המסה והמטען של טיפת הנפט, ולא האלקטרון.

אבל … הירידה טעונה מכיוון שהיא מאבדת או משיגה אלקטרונים, ולכן הערך שלה קשור לטעינה של החלקיק האמור.

מסת השמן נופלת

הבעיה של מיליקן ופלטשר הייתה לקבוע את מסת הירידה ולא משימה קלה בגלל גודלה הקטן.

לדעת את צפיפות השמן, אם יש לך את נפח הטיפה, ניתן לפתור את המסה. אבל הנפח היה גם קטן מאוד, כך ששיטות קונבנציונאליות לא היו מועילות.

עם זאת, החוקרים ידעו כי חפצים קטנים כאלה אינם נופלים בחופשיות, מכיוון שהתנגדות האוויר או הסביבה מתערבת ומאטה את תנועתם. למרות שהחלקיק, כשהוא משוחרר כשהשדה כבוי, חווה תנועה אנכית מואצת ומטה כלפי מטה, הוא בסופו של דבר נופל במהירות קבועה.

מהירות זו נקראת "מהירות סופנית" או "מהירות גבול", אשר במקרה של כדור תלויה ברדיוס שלה ובצמיגות האוויר.

בהיעדר שדה, מיליקן ופלטצ'ר מדדו את הזמן שלקח לטיפות ליפול. בהנחה שהטיפות היו כדוריות ועם ערך צמיגות האוויר, הם הצליחו לקבוע את הרדיוס בעקיפין ממהירות המסוף.

מהירות זו נמצאת על ידי יישום החוק של סטוקס והנה המשוואה שלו:

- v _t הוא מהירות המסוף

- R הוא רדיוס הטיפה (כדורי)

- η הוא צמיגות האוויר

- ρ הוא צפיפות הירידה

חֲשִׁיבוּת

הניסוי של מיליקן היה חשוב מכיוון שהוא חשף כמה היבטים עיקריים בפיזיקה:

I) המטען היסודי הוא זה של האלקטרון, שערכו 1.6 x 10 ^-19 צלזיוס, אחד הקבועים הבסיסיים של המדע.

II) כל מטען חשמלי אחר מגיע בכפולות של המטען הבסיסי.

III) בידיעת המטען של האלקטרון וקשר המטען-מסה של ג'יי ג'יי תומסון, ניתן היה לקבוע את המסה של האלקטרון.

III) ברמת החלקיקים הקטנים כמו החלקיקים היסודיים, ההשפעות הכבידתיות זניחות בהשוואה לחלק האלקטרוסטטי.

איור 2. מיליקן בחזית מימין, לצד אלברט איינשטיין ופיזיקאים בולטים אחרים. מקור: Wikimedia Commons.

מיליקן קיבל את פרס נובל לפיזיקה בשנת 1923 על תגליות אלה. הניסוי שלו רלוונטי גם מכיוון שהוא קבע את התכונות הבסיסיות הללו של מטען חשמלי, החל מכשור פשוט והחלת חוקים ידועים לכל.

עם זאת, ביקורת מיליקן היא כי השליך תצפיות רבות בניסויו, ללא כל סיבה נראית לעין, כדי לצמצם את השגיאה הסטטיסטית של התוצאות ולהפוך אותן ל"צגות יותר ".

טיפות עם מגוון חיובים

מיליקן מדד טיפות רבות ורבות בניסויו ולא כולם היו שמן. הוא גם ניסה כספית וגליצרין. כאמור, הניסוי החל בשנת 1906 ונמשך מספר שנים. שלוש שנים לאחר מכן, בשנת 1909, התפרסמו התוצאות הראשונות.

במהלך תקופה זו הוא השיג מגוון טיפות טעונות על ידי הכאת צילומי רנטגן בין הצלחות כדי ליינן את האוויר שביניהם. בדרך זו משתחררים חלקיקים טעונים שהטיפות יכולות לקבל.

יתר על כן, הוא לא התמקד אך ורק בטיפות התלויות. מיליקאן ציין שכאשר הטיפות עלו, קצב העלייה השתנה גם הוא בהתאם לעומס שנמסר.

ואם הירידה ירדה, המטען הנוסף הזה שנוסף בזכות התערבותם של קרני הרנטגן, לא שינה את המהירות, מכיוון שכל מסת אלקטרונים שנוספה לטיפה היא זעירה, לעומת מסת הטיפה עצמה.

ללא קשר לכמה מטען זה הוסיף, מיליקן מצא כי כל הטיפות רכשו מטענים שהיו מכפילים שלמים בערך מסוים, שהוא e, היחידה הבסיסית, שכאמור היא המטען של האלקטרון.

מיליקאן השיג תחילה 1,592 x 10 ^{-19 צ '} לערך זה, נמוך מעט מהערך המקובל כיום, שהוא 1,602 x 10 ^-19 C. ייתכן שהסיבה הייתה הערך שהעניק לצמיגות האוויר במשוואה עבור קבע את מהירות המסוף של הירידה.

דוגמא

מרחף טיפת שמן

אנו רואים את הדוגמא הבאה. אגל הנפט יש צפיפות ρ = 927 ק"ג / מ ' ³ , והוא שוחרר באמצע האלקטרודות עם השדה החשמלי מחוץ. האגל במהירות ומגיע למהירות הטרמינל, לפיו הרדיוס נקבע, ששוויה יתברר R = 4.37 x10 ^-7 מ '.

השדה האחיד נדלק, מכוון אנכית כלפי מעלה, ועוצמתו 9.66 קילו-ק"ג. בדרך זו מושג שהירידה נותרה במנוחה במנוחה.

זה שואל:

א) חשב את מטען הטיפות

ב) מצא כמה פעמים המטען האלמנטרי כלול במטען הטיפה.

ג) קבע במידת האפשר את סימן העומס.

איור 3. טיפת שמן באמצע שדה חשמלי קבוע. מקור: יסודות הפיזיקה. רקס וולפסון.

פתרון ל

בעבר הביטוי הבא נגזר לטיפה במנוחה:

בידיעת הצפיפות ורדיוס הטיפה נקבעת מסת הירידה:

לכן:

לכן, חיוב הטיפה הוא:

פיתרון ב

בידיעה שהעומס היסודי הוא e = 1.6 x 10 ^-19 C, חלק את העומס שהתקבל בסעיף הקודם בערך זה:

התוצאה היא שהמטען בירידה הוא בערך פעמיים (n≈2) המטען האלמנטרי. זה לא בדיוק כפול, אבל אי-התאמה קלה זו נובעת מנוכחות בלתי נמנעת של שגיאה ניסיונית, כמו גם עיגול בכל אחד מהחישובים הקודמים.

פיתרון ג

אפשר לקבוע את סימן המטען, בזכות העובדה שההצהרה נותנת מידע על כיוון השדה, המכוון אנכית כלפי מעלה, כמו גם הכוח.

קווי שדה חשמליים מתחילים תמיד עם מטענים חיוביים ומסתיימים במטענים שליליים, ולכן הפלטה התחתונה טעונה בסימן + והצלחת העליונה עם סימן - (ראה איור 3).

מכיוון שהטיפה מכוונת אל הצלחת שלמעלה, מונעת על ידי השדה, ומאחר שמטענים של סימן הפוך מושכים זה את זה, לירידה חייבים להיות מטענים חיוביים.

למעשה, לא קל להשיג את הירידה במושעה. אז מיליקן השתמשה בתזוזות האנכיות (עליות וירידות) שהטיפה חוותה על ידי כיבוי והשבת של השדה, בתוספת השינויים בטעינת הרנטגן וזמני הנסיעה, כדי להעריך כמה תשלום נוסף שהטיפה רכשה.

מטען נרכש זה פרופורציונלי למטען שעל האלקטרון, כפי שכבר ראינו, וניתן לחשב אותו עם זמני העלייה והירידה, מסת הירידה וערכי ה- g ו- E.

הפניות

1. ראש פתוח. מיליקן, הפיזיקאי שהגיע לראות את האלקטרון. התאושש מ: bbvaopenmind.com
2. Rex, A. 2011. יסודות הפיזיקה. פירסון.
3. Tippens, P. 2011. פיזיקה: מושגים ויישומים. מהדורה 7. מקגרו היל.
4. אמריטה. ניסוי טיפת הנפט של מיליקן. נשלח מ: vlab.amrita.edu
5. מכללת ווייק יער. ניסוי טיפת הנפט של מיליקן. התאושש מ: wfu.edu