Oljedråpeforsøk - Oil drop experiment

Den oljedråpe Forsøket ble utført ved å Robert A. millikan og Harvey Fletcher i 1909 for å måle de elementære elektrisk ladning (ladningen av det elektron ). Det forsøket fant sted i Ryerson Physical Laboratory ved University of Chicago . Millikan mottok Nobelprisen i fysikk i 1923.

Eksperimentet innebar å observere små elektrisk ladede dråper olje plassert mellom to parallelle metalloverflater og danne platene til en kondensator . Platene ble orientert horisontalt, med en plate over den andre. En tåke av atomiserte oljedråper ble introdusert gjennom et lite hull i topplaten og ble ionisert av en røntgen , noe som gjorde dem negativt ladet. Først, med null påført elektrisk felt , ble hastigheten til en fallende dråpe målt. Ved slutthastighet , det drag kraft er lik tyngdekraften. Siden begge kreftene avhenger av radiusen på forskjellige måter, kan radiusen til dråpen, og derfor massen og tyngdekraften, bestemmes (ved bruk av den kjente tettheten til oljen). Deretter ble en spenning som induserer et elektrisk felt påført mellom platene og justert til dråpene ble suspendert i mekanisk likevekt , noe som indikerer at den elektriske kraften og gravitasjonskraften var i balanse. Ved å bruke det kjente elektriske feltet kunne Millikan og Fletcher bestemme ladningen på oljedråpen. Ved å gjenta eksperimentet for mange dråper, bekreftet de at ladningene alle var små heltallsmultipler av en viss basisverdi, som ble funnet å være1,5924 (17) × 10 ⁻¹⁹  C , omtrent 0,6% forskjell fra den nå aksepterte verdien av1,602 176 634 x 10 ^-19  C . De foreslo at dette var størrelsen på den negative ladningen til et enkelt elektron.

Bakgrunn

Fra og med 1908, mens en professor ved University of Chicago , Millikan, med Fletchers betydelige innspill, publiserte den "dyktige assistansen til Mr. J. Yinbong Lee", og etter å ha forbedret oppsettet, sin banebrytende studie i 1913. Dette gjenstår kontroversielt siden papirer som ble funnet etter Fletchers død, beskriver hendelser der Millikan tvang Fletcher til å gi fra seg forfatterskapet som en betingelse for å motta doktorgraden. Til gjengjeld brukte Millikan sin innflytelse til støtte for Fletchers karriere hos Bell Labs.

Millikan og Fletchers eksperiment involverte å måle kraften på oljedråper i et glasskammer klemt mellom to elektroder, en over og en under. Med det elektriske feltet beregnet, kunne de måle dråpens ladning, ladningen på et enkelt elektron var (1,592 × 10 ⁻¹⁹  C ). På tidspunktet for Millikan og Fletchers oljedråpeforsøk ble eksistensen av subatomære partikler ikke akseptert. Eksperimentere med katodestråler i 1897, hadde JJ Thomson oppdaget negativt ladede " kropp ", som han kalte dem, med en masse omtrent 1/1837 ganger mindre enn for et hydrogenatom . Lignende resultater ble funnet av George FitzGerald og Walter Kaufmann . Det meste av det som da var kjent om elektrisitet og magnetisme , kunne imidlertid forklares ut fra at ladning er en kontinuerlig variabel; på samme måte som mange av egenskapene til lys kan forklares ved å behandle det som en kontinuerlig bølge i stedet for som en strøm av fotoner .

Den elementærladning e er en av de grunnleggende fysiske konstanter og dermed nøyaktigheten av verdien er av stor betydning. I 1923 vant Millikan Nobelprisen i fysikk , delvis på grunn av dette eksperimentet.

Bortsett fra målingen, er skjønnheten i oljedråpeforsøket at det er en enkel, elegant praktisk demonstrasjon at ladningen kvantifiseres. Thomas Edison , som tidligere hadde tenkt på ladning som en kontinuerlig variabel, ble overbevist etter å ha jobbet med Millikan og Fletchers apparater. Dette eksperimentet har siden blitt gjentatt av generasjoner av fysikkstudenter, selv om det er ganske dyrt og vanskelig å gjennomføre riktig.

I løpet av de siste to tiårene har det blitt utført flere datamaskinautomatiske eksperimenter for å søke etter isolerte brøkdelte partikler. Fra og med 2015 er det ikke funnet bevis for brøkdelingspartikler etter å ha målt over 100 millioner dråper.

Eksperimentell prosedyre

Apparater

Millikans og Fletchers apparater innarbeidet et parallelt par horisontale metallplater. Ved å påføre en potensiell forskjell over platene ble det opprettet et jevnt elektrisk felt i rommet mellom dem. En ring av isolasjonsmateriale ble brukt for å holde platene fra hverandre. Fire hull ble kuttet i ringen, tre for belysning med sterkt lys, og et annet for å tillate visning gjennom et mikroskop.

En fin tåke av oljedråper ble sprayet inn i et kammer over platene. Oljen var av en type som vanligvis brukes i vakuumapparater og ble valgt fordi den hadde et ekstremt lavt damptrykk . Vanlig olje vil fordampe under varmen fra lyskilden og føre til at massen av oljedråpet endret seg i løpet av eksperimentet. Noen oljedråper ble elektrisk ladet gjennom friksjon med dysen mens de ble sprayet. Alternativt kan lading oppnås ved å inkludere en ioniserende strålekilde (for eksempel et røntgenrør ). Dråpene kom inn i rommet mellom platene, og fordi de var ladet, kunne de få til å stige og falle ved å endre spenningen over platene.

Metode

Opprinnelig får oljedråpene falle mellom platene med det elektriske feltet slått av. De når veldig raskt en terminalhastighet på grunn av friksjon med luften i kammeret. Feltet slås deretter på, og hvis det er stort nok, vil noen av dråpene (de ladede) begynne å stige. (Dette er fordi den oppover elektriske kraften F _E er større for dem enn den nedover gravitasjonskraften F _g , på samme måte biter av papir kan fanges ved hjelp av en ladet stang gummi). Et sannsynlig utseende fall blir valgt og holdes midt i synsfeltet ved å vekselvis slå av spenningen til alle de andre fallene har falt. Eksperimentet fortsetter så med denne dråpen.

Dråpen får falle, og dens terminalhastighet v ₁ i fravær av et elektrisk felt beregnes. Den drag kraft som virker på rulle kan deretter bli utarbeidet ved hjelp av Stokes' lov :

${\ displaystyle F_ {d} = 6 \ pi r \ eta v_ {1} \,}$

hvor v ₁ er den endelige hastigheten (dvs. hastigheten i fravær av et elektrisk felt) av fallende fall, η er luftens viskositet , og r er radius for fallet.

Vekten w er volumet D multiplisert med tettheten ρ og akselerasjonen på grunn av tyngdekraften g . Det som trengs er imidlertid den tilsynelatende vekten. Den tilsynelatende vekten i luft er den virkelige vekten minus oppstøtet (som tilsvarer vekten av luft fortrengt av oljedråpen). For en perfekt sfærisk dråpe kan den tilsynelatende vekten skrives som:

${\ displaystyle {\ boldsymbol {w}} = {\ frac {4 \ pi} {3}} r ^ {3} (\ rho - \ rho _ {\ textrm {air}}) {\ boldsymbol {g}} }$

Ved terminalhastighet akselererer ikke oljedråpen . Derfor må den totale kraften som virker på den være null og de to kreftene F og må avbryte hverandre (det vil si F = ). Dette medfører ${\ displaystyle {w}}$${\ displaystyle {w}}$

${\ displaystyle r ^ {2} = {\ frac {9 \ eta v_ {1}} {2g (\ rho - \ rho _ {\ textrm {air}})}}. \,}$

Når r er beregnet, kan det lett utarbeides. ${\ displaystyle {w}}$

Nå er feltet slått på igjen, og den elektriske kraften på fallet er

${\ displaystyle F_ {E} = qE \,}$

hvor q er ladningen på oljedråpen og E er det elektriske feltet mellom platene. For parallelle plater

${\ displaystyle E = {\ frac {V} {d}} \,}$

hvor V er potensialforskjellen og d er avstanden mellom platene.

En tenkelig måte å trene q på ville være å justere V til oljedråpen holdt seg jevn. Da kunne vi likestille F _E med . Det er også vanskelig å bestemme F _E fordi massen av oljedråpen er vanskelig å bestemme uten å gå tilbake til bruken av Stokes 'lov. En mer praktisk tilnærming er å skru V litt opp slik at oljedråpet stiger med en ny terminalhastighet v ₂ . Deretter ${\ displaystyle {w}}$

${\ displaystyle q {\ boldsymbol {E}} - {\ boldsymbol {w}} = 6 \ pi \ eta {\ boldsymbol {(r \ cdot v_ {2})}} = \ left | {\ boldsymbol {\ frac {v_ {2}} {v_ {1}}}} \ høyre | {\ boldsymbol {w}}.}$

Påstand om svindel

Noe kontrovers ble reist av fysikeren Gerald Holton (1978) som påpekte at Millikan registrerte flere målinger i sin journal enn han inkluderte i sine endelige resultater. Holton foreslo at disse datapunktene ble utelatt fra det store settet med oljedråper målt i eksperimentene uten tilsynelatende grunn. Dette kravet ble bestridt av Allan Franklin , en høy energifysikk experimentalist og filosof vitenskap ved University of Colorado . Franklin hevdet at Millikans ekskluderinger av data ikke påvirket hans endelige verdi på e vesentlig , men reduserte den statistiske feilen rundt dette estimatet e . Dette gjorde det mulig for Millikan å hevde at han hadde beregnet e til bedre enn halvparten av en prosent; faktisk, hvis Millikan hadde tatt med alle dataene han hadde kastet ut, ville standardfeilen til gjennomsnittet ha vært innenfor 2%. Selv om dette ville fortsatt ha resultert i Millikan ha målt e bedre enn noen andre på den tiden, kanskje litt større usikkerhet har tillatt mer uenighet med resultatene sine innen fysikk samfunnet. Mens Franklin la igjen sin støtte til Millikans måling med den konklusjon at innrømmer at Millikan kan ha utført "kosmetisk kirurgi" på dataene, undersøkte David Goodstein de originale detaljerte notatbøkene som ble oppbevart av Millikan, og konkluderte med at Millikan tydelig sier her og i rapportene at han inkluderte bare dråper som hadde gjennomgått en "komplett serie observasjoner" og ekskluderte ingen dråper fra denne gruppen med fullstendige målinger. Årsakene til at det ikke ble generert en fullstendig observasjon inkluderer merknader angående apparatoppsettet, produksjon av oljedråpe og atmosfæriske effekter som etter Millikans mening ugyldiggjorde (bekreftet av den reduserte feilen i dette settet), en gitt spesiell måling.

Millikans eksperiment som et eksempel på psykologiske effekter i vitenskapelig metodikk

I en begynnelsestale holdt ved California Institute of Technology (Caltech) i 1974 (og omtrykt i Surely You're Joking, Mr. Feynman! I 1985 så vel som i The Pleasure of Finding Things Out i 1999), bemerket fysiker Richard Feynman :

Vi har lært mye av erfaring om hvordan vi skal håndtere noen av måtene vi lurer oss selv på. Et eksempel: Millikan målte ladningen på et elektron ved et eksperiment med fallende oljedråper, og fikk et svar som vi nå vet ikke er helt riktig. Det er litt av fordi han hadde feil verdi for viskositeten til luft. Det er interessant å se på historien om målinger av ladningen til et elektron etter Millikan. Hvis du plotter dem som en funksjon av tiden, finner du ut at den ene er litt større enn Millikan, og den neste er litt større enn det, og den neste er litt større enn det, til de til slutt legger seg til ro et tall som er høyere.
Hvorfor oppdaget de ikke at det nye tallet var høyere med en gang? Det er en ting som forskere skammer seg over - denne historien - fordi det er tydelig at folk gjorde ting som dette: Da de fikk et tall som var for høyt over Millikan, trodde de at noe måtte være galt - og de ville lete etter og finne en grunn hvorfor noe kan være galt. Da de fikk et tall nær Millikans verdi, så de ikke så hardt ut. Og så eliminerte de tallene som var for langt unna, og gjorde andre sånne ting ...

Per mai 2019 er verdien av elementærladningen definert til å være nøyaktig1,602 176 634 x 10 ^-19  C . Før det var den siste (2014) aksepterte verdien1.602 176 6208 (98) × 10 ⁻¹⁹  C , hvor (98) indikerer usikkerheten til de to siste desimalene. I Nobel-foredraget ga Millikan sin måling som4,777 (5) × 10 ⁻¹⁰  statC , som tilsvarer1,5924 (17) x 10 ^-19  C . Forskjellen er mindre enn en prosent, men er seks ganger større enn Millikans standardfeil , så uenigheten er betydelig.

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker

• Simulering av oljedråpeeksperimentet (krever JavaScript)
• Thomsen, Marshall, " Good to the Last Drop ". Millikan Stories as "Canned" Pedagogy. Eastern Michigan University.
• CSR / TSGC Team, " Quark search experiment ". University of Texas i Austin.
• Oljedråpeforsøket vises i en liste over Science's 10 vakreste eksperimenter [1] , opprinnelig publisert i New York Times .
• Engeness, TE, " The Millikan Oil Drop Experiment ". 25. april 2005.
• Millikan RA (1913). "På den elementære elektriske ladningen og Avogadro-konstanten" (PDF) . Fysisk gjennomgang . Serie II. 2 (2): 109–143. Bibcode : 1913PhRv .... 2..109M . doi : 10.1103 / PhysRev.2.109 . Paper av Millikan som diskuterer modifikasjoner av sitt opprinnelige eksperiment for å forbedre nøyaktigheten.
• Hudspeth, Paul (2000). "Et søk etter gratis kvarker i mikrogravitasjonsmiljøet til den internasjonale romstasjonen". AIP-konferanseprosedyrer . 504 : 715–722. Bibcode : 2000AIPC..504..715H . doi : 10.1063 / 1.1302567 . En variasjon av dette eksperimentet er blitt foreslått for den internasjonale romstasjonen .
• Perry, Michael F. (2007). "Husker olje-dråpe-eksperimentet" (PDF) . Fysikk i dag . 60 (5): 56–60. Bibcode : 2007PhT .... 60e..56P . doi : 10.1063 / 1.2743125 .