Procedura di esperimento di millikan, spiegazione, importanza

Lui Millikan Experiment, Realizzato da Robert Millikan (1868-1953) con il suo studente Harvey Fletcher (1884-1981), iniziò nel 1906 e mirava a studiare le proprietà della carica elettrica, analizzando il movimento di migliaia di cadute di petrolio nel mezzo di un'uniforme elettrica campo.

La conclusione è stata che la carica elettrica non aveva un valore arbitrario, ma che è arrivato in multipli di 1.6 x 10^-19 C, che è il carico fondamentale dell'elettrone. Inoltre è stata trovata la massa elettronica.

Figura 1. A sinistra il dispositivo originale utilizzato da Millikan e Fletcher nel loro esperimento. A destra uno schema semplificato dello stesso. Fonte: Wikimedia Commons/F. Zapata,

In precedenza il J fisico J.J. Thompson aveva trovato sperimentalmente la relazione di carico-mandy di questa particella elementare, che chiamava "corpuscolo", ma non i valori di ciascuna grandezza separatamente.

Da questo carico - relazione di massa e carico di elettroni, è stato determinato il valore della sua massa: 9.11 x 10^-31 Kg.

Per raggiungere il loro scopo, Millikan e Fletcher hanno servito un atomizzatore con cui è stata spruzzata una bella nebbia di gocce di olio. Alcune delle gocce sono state caricate elettricamente grazie all'attrito nello spruzzatore.

Le gocce caricate si stabilivano lentamente su elettrodi a placca piatta paralleli, dove alcuni passavano attraverso un piccolo foro nella piastra superiore, come mostrato nello schema della Figura 1.

All'interno delle piastre parallele è possibile creare un campo elettrico uniforme e perpendicolare alle piastre, la cui grandezza e polarità sono state controllate modificando la tensione.

Il comportamento delle gocce è stato osservato illuminando l'interno delle piastre con una luce intensa.

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Spiegazione dell'esperimento

Se la caduta ha un carico, il campo che viene creato tra le piastre esercita una forza su di essa che contrasta la gravità.

E se riesce anche a essere sospeso, significa che il campo esercita una forza verticale, che si bilancia esattamente alla gravità. Questa condizione dipenderà dal valore di Q, il carico della gotta.

In effetti, Millikan ha osservato che dopo aver acceso il campo, alcune gocce sono state sospese, altre hanno iniziato a scalare o hanno continuato a scendere.

Regolazione del valore del campo elettrico, attraverso la resistenza variabile, ad esempio, una caduta potrebbe essere lasciata sospesa all'interno delle piastre. Sebbene in pratica non sia facile da raggiungere, nel caso in cui accadesse, solo la forza esercitata dal campo e la gravità agisce sulla goccia.

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Se la massa della goccia è M E il suo carico è Q, Sapere che la forza è proporzionale al campo di grandezza applicato E, La seconda legge di Newton stabilisce che entrambe le forze devono essere equilibrate:

mg = q.E

Q = mg/e

Il valore di G, L'accelerazione della gravità è nota, così come l'entità E del campo, che dipende dalla tensione V stabilito tra le piastre e la separazione tra queste L, COME:

E = v/l

La domanda era di trovare la massa della piccola goccia di olio. Una volta raggiunto ciò, determina il carico Q È perfettamente possibile. Naturalmente quello M E Q Sono rispettivamente la massa e il carico della goccia di olio, non quelli dell'elettrone.

Ma ... la caduta viene caricata perché perde o guadagna elettroni, quindi il suo valore è correlato al carico di detta particella.

La massa della caduta di petrolio

Il problema di Millikan e Fletcher era determinare la massa di una caduta, un compito che non è facile a causa delle dimensioni ridotte.

Conoscendo la densità dell'olio, se hai il volume del volume, l'impasto può essere cancellato. Ma anche il volume era molto piccolo, quindi i metodi convenzionali non erano utili.

Tuttavia, i ricercatori sapevano che oggetti così piccoli non cadono liberamente, poiché la resistenza dell'aria o dell'ambiente, interviene rallentando il loro movimento. Sebbene la particella quando rilasciata con il campo OFF subisca un movimento verticale accelerato e giù, finisce per cadere a velocità costante.

A questa velocità si chiama "velocità terminale" o "velocità limite", che nel caso di una sfera, dipende dal suo raggio e viscosità dell'aria.

In assenza del campo, Millikan e Fletcher hanno misurato il tempo in cui le gocce hanno impiegato per cadere. Supponendo che le gocce fossero sferiche e con il valore della viscosità dell'aria, sono stati fissati per determinare il raggio indirettamente dalla velocità terminale.

Questa velocità sta applicando la legge di Stokes ed ecco la sua equazione:

 Dove:

-v_T è la velocità del terminale

-R È il raggio della gotta (sferica)

-η È la viscosità dell'aria

-ρ È la densità della gotta

Importanza

L'esperimento di Millikan è stato cruciale, perché ha mostrato diversi aspetti chiave nella fisica:

I) Il carico elementare è quello dell'elettrone, il cui valore è 1.6 x 10 ^-19 C, una delle costanti scientifiche fondamentali.

Ii) Qualsiasi altra carica elettrica è disponibile in multipli del carico fondamentale.

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Iii) Conoscere la carica dell'elettrone e il rapporto carico-masa di j.J. Thomson, è stato possibile determinare la massa elettronica.

Iii) a particelle piccole come particelle elementari, gli effetti gravitazionali sono trascurabili contro l'elettrostatico.

figura 2. Millikan in primo piano a destra, accanto ad Albert Einstein e altri fisici importanti. Fonte: Wikimedia Commons.

Millikan ha ricevuto il premio Nobel in fisica nel 1923 per queste scoperte. Anche il suo esperimento è rilevante perché ha determinato queste proprietà fondamentali della carica elettrica, basate su una semplice strumentazione e l'applicazione di leggi ben note a tutti.

Tuttavia, Millikan è stato criticato per aver escluso molte osservazioni nel suo esperimento, senza motivo apparente, per ridurre l'errore statistico dei risultati e che erano più "presentabili".

Cade con varietà di carichi

Millikan ha misurato molte gocce nel suo esperimento e non tutti erano olio. Ha anche testato con mercurio e glicerina. Come affermato, l'esperimento è iniziato nel 1906 ed esteso per alcuni anni. Tre anni dopo, nel 1909, furono pubblicati i primi risultati.

Durante questo periodo, ha ottenuto una varietà di carichi caricati influenzando i raggi X attraverso le piastre, per ionizzare l'aria tra loro. In questo modo vengono rilasciate particelle caricate che le gocce possono accettare.

Inoltre, non si è concentrato esclusivamente su gocce sospese. Millikan ha osservato che quando le gocce ammontavano, anche la velocità di aumento variava in base al carico fornito.

E se la caduta è scesa, questo carico aggiuntivo aggiuntivo grazie all'intervento dei raggi X, la velocità non è variata, perché qualsiasi massa di elettroni aggiunta alla goccia è minuscola, rispetto alla massa della goccia stessa.

Indipendentemente da quanto carico ha aggiunto, Millikan ha scoperto che tutte le gocce hanno acquisito interi multipli di un certo valore, che è E, L'unità fondamentale, come abbiamo detto, è il carico di elettroni.

Millikan inizialmente ottenuto 1.592 x 10^-19 C per questo valore, leggermente inferiore a quello attualmente accettato, che è 1.602 x 10^-19 C. Il motivo potrebbe essere stato il valore che ha dato alla viscosità dell'aria nell'equazione per determinare la velocità terminale della caduta.

Esempio

Levitare una goccia di petrolio

Vediamo il seguente esempio. Una goccia di olio ha una densità ρ = 927 kg/m³ e viene rilasciato nel mezzo degli elettrodi con il campo elettrico fuori. La goccia raggiunge rapidamente la velocità del terminale, per cui viene determinato il raggio, il cui valore risulta essere r = 4,37 x10^-7 M.

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Il campo uniforme è acceso, è diretto verticalmente in alto e ha 9,66 kN/c di grandezza . In questo modo si ottiene che il calo sia sospeso a riposo.

È richiesto:

a) Calcola il carico di caduta

b) Trova quante volte il carico elementare è contenuto nel carico di caduta.

c) Determinare se possibile, il segno del carico.

Figura 3. Una goccia di olio nel mezzo di un campo elettrico costante. Fonte: fondamenti della fisica. Rex-Wolfson.

Soluzione a

In precedenza è stata dedotta la seguente espressione per una goccia a riposo:

Q = mg/e

Conoscendo la densità e il raggio della gotta, la massa di questo è determinata:

ρ = m /v

V = (4/3) πr³

Perciò:

M = ρ.V = ρ. (4/3) πr³= 927 kg/m³. (4/3) π.(4.37 X10^-7 M)³= 3.24 x 10^-16 kg

Pertanto, il carico della goccia è:

Q = mg/e = 3.24 x 10^-16 kg x 9.8 m/s²/9660 N = 3.3 x 10^-19 C

Soluzione b

Sapere che l'onere fondamentale è E = 1.6 x 10 ^-19 C, il carico ottenuto nella sezione precedente è diviso per questo valore:

n = q/e = 3.3 x 10^-19 C/1.6 x 10 ^-19 C = 2.05

Il risultato è che il carico della goccia è circa il doppio (n≈2) del carico elementare. Non è esattamente il doppio, ma questa leggera discrepanza è dovuta all'inevitabile presenza dell'errore sperimentale, nonché al arrotondamento in ciascuno dei calcoli precedenti.

Soluzione c

Sì, è possibile determinare il segno del carico, grazie al fatto che la dichiarazione fornisce informazioni sulla direzione del campo, che è diretta verticalmente verso l'alto, proprio come la forza.

Le linee di campo elettrico iniziano sempre da carichi positivi e estremità in carichi negativi, quindi la piastra inferiore viene caricata con il segno + e quella sopra con un segno - (vedi Figura 3).

Poiché la caduta è diretta verso la piastra sopra guidata dal campo e poiché i carichi di segno opposto sono attratti, la caduta deve avere una carica positiva.

In realtà, mantenere la caduta sospesa non è facile da ottenere. Quindi Millikan ha usato gli spostamenti verticali (UPS.

Questo carico acquisito è proporzionale al carico di elettroni, come abbiamo già visto, e può essere calcolato con i tempi di ascesa e discesa, la massa della caduta e i valori di G E E.

Riferimenti

1. Mente aperta. Millikan, il fisico che è venuto a vedere l'elettrone. Recuperato da: bbvaopenmind.com
2. Rex, a. 2011. Fondamenti di fisica. Pearson.
3. Tippens, p. 2011. Fisica: concetti e applicazioni. 7a edizione. McGraw Hill.
4. Amrit.  L'esperimento di gocce di petrolio di Millikan. Recuperato da: VLAB.Amrit.Edu
5. Wake Forest College. L'esperimento di gocce di petrolio di Millikan. Recuperato da: WFU.Edu