EKSPERIMEN MILLIKAN: PROSEDUR, PENJELASAN, KEPENTINGAN - FIZIKAL - 2026

The eksperimen Millikan , yang dijalankan oleh Robert Millikan (1868-1953) bersama-sama dengan muridnya Harvey Fletcher (1884-1981), bermula pada tahun 1906 dan bertujuan untuk mengkaji sifat cas elektrik, menganalisis pergerakan beribu-ribu titis minyak di tengah medan elektrik seragam.

Kesimpulannya adalah bahawa cas elektrik tidak mempunyai nilai sewenang-wenangnya, tetapi terdapat dalam gandaan 1.6 x 10 ^-19 C, yang merupakan cas asas elektron. Di samping itu, jisim elektron dijumpai.

Gambar 1. Di sebelah kiri alat asli yang digunakan oleh Millikan dan Fletcher dalam eksperimen mereka. Di sebelah kanan gambar rajah ringkas. Sumber: Wikimedia Commons / F. Zapata,

Sebelumnya, ahli fizik JJ Thompson secara eksperimen telah menemui hubungan jisim muatan zarah unsur ini, yang disebutnya "corpuscle", tetapi bukan nilai setiap magnitud secara berasingan.

Dari cas ini - hubungan jisim dan cas elektron, nilai jisimnya ditentukan: 9.11 x 10 ^-31 Kg.

Untuk mencapai tujuan mereka, Millikan dan Fletcher menggunakan alat penyemprot yang menyemburkan kabut minyak yang kabut halus. Sebilangan titisan dicas elektrik kerana geseran pada penyembur.

Titisan yang dicas perlahan-lahan menetap pada elektrod plat rata selari, di mana beberapa melewati lubang kecil di plat atas, seperti yang ditunjukkan dalam gambar rajah 1.

Di dalam plat selari adalah mungkin untuk membuat medan elektrik seragam yang berserenjang dengan plat, yang magnitud dan polaritasnya dikendalikan dengan mengubah voltan.

Tingkah laku tetesan itu diperhatikan dengan menerangi bahagian dalam pelat dengan cahaya terang.

Penjelasan eksperimen

Sekiranya jatuhan mempunyai muatan, medan yang dibuat di antara pelat akan memberikan kekuatan di atasnya yang melawan graviti.

Dan jika juga berhasil digantung, itu berarti bahawa medan menggunakan gaya menegak ke atas, yang benar-benar menyeimbangkan graviti. Keadaan ini akan bergantung pada nilai q, caj penurunan.

Memang, Millikan memerhatikan bahawa setelah membalikkan lapangan, beberapa tetes ditangguhkan, yang lain mulai naik atau terus turun.

Dengan menyesuaikan nilai medan elektrik - melalui rintangan berubah-ubah, misalnya - penurunan boleh dibuat agar tetap tergantung di dalam plat. Walaupun dalam praktiknya tidak mudah dicapai, sekiranya berlaku, hanya daya yang diberikan oleh medan dan graviti yang bertindak turun.

Sekiranya jisim penurunan adalah m dan casnya adalah q, dengan mengetahui bahawa daya itu berkadaran dengan medan berkuatnya magnitud E, undang-undang kedua Newton menyatakan bahawa kedua-dua daya mesti seimbang:

Nilai g, pecutan graviti diketahui, serta besarnya medan E, yang bergantung pada voltan V yang terbentuk antara plat dan pemisahan antara L ini, seperti:

Persoalannya adalah untuk mencari jisim setetes minyak kecil. Setelah ini dapat dicapai, menentukan caj q adalah mungkin. Secara semula jadi, m dan q masing-masing adalah jisim dan cas penurunan minyak, bukan elektron.

Tetapi … penurunan dikenakan kerana kehilangan atau memperoleh elektron, jadi nilainya berkaitan dengan muatan zarah tersebut.

Jisim minyak jatuh

Masalah Millikan dan Fletcher adalah menentukan jisim penurunan, bukan tugas yang mudah kerana ukurannya yang kecil.

Mengetahui ketumpatan minyak, jika anda mempunyai isipadu penurunan, jisimnya dapat diselesaikan. Tetapi jumlahnya juga sangat kecil, jadi kaedah konvensional tidak ada gunanya.

Walau bagaimanapun, para penyelidik tahu bahawa objek kecil seperti itu tidak jatuh dengan bebas, kerana rintangan udara atau persekitaran, campur tangan, memperlambat pergerakannya. Walaupun zarah, ketika dilepaskan dengan medan dimatikan, mengalami pergerakan menegak yang dipercepat dan ke bawah, ia akhirnya jatuh dengan kelajuan tetap.

Kelajuan ini disebut "kecepatan terminal" atau "halaju had", yang, dalam hal sfera, bergantung pada radius dan kelikatan udara.

Sekiranya tidak ada padang, Millikan dan Fletcher mengukur masa yang diperlukan untuk jatuh. Dengan mengandaikan bahawa titisan itu berbentuk sfera dan dengan nilai kelikatan udara, mereka berjaya menentukan radius secara tidak langsung dari halaju terminal.

Kepantasan ini dijumpai dengan menerapkan undang-undang Stokes dan inilah persamaannya:

- v _t adalah halaju terminal

- R adalah jejari penurunan (sfera)

- η adalah kelikatan udara

- ρ ialah ketumpatan penurunan

Kepentingan

Eksperimen Millikan sangat penting, kerana ia mengungkap beberapa aspek penting dalam Fizik:

I) Cas unsur ialah elektron, yang nilainya 1.6 x 10 ^-19 C, salah satu pemalar asas sains.

II) Apa-apa cas elektrik lain terdapat dalam gandaan cas asas.

III) Mengetahui muatan elektron dan hubungan jisim-muatan JJ Thomson, adalah mungkin untuk menentukan jisim elektron.

III) Pada tahap zarah sekecil zarah unsur, kesan graviti boleh diabaikan berbanding dengan elektrostatik.

Gambar 2. Millikan di latar depan di sebelah kanan, bersama Albert Einstein dan ahli fizik terkenal lain. Sumber: Wikimedia Commons.

Millikan menerima Hadiah Nobel dalam Fizik pada tahun 1923 untuk penemuan ini. Eksperimennya juga relevan kerana dia menentukan sifat asas cas elektrik ini, bermula dari instrumen sederhana dan menerapkan undang-undang yang diketahui oleh semua orang.

Namun, Millikan dikritik karena telah membuang banyak pengamatan dalam eksperimennya, tanpa alasan yang jelas, untuk mengurangkan kesalahan statistik hasilnya dan menjadikannya lebih "rapi".

Turun dengan pelbagai caj

Millikan mengukur banyak, banyak penurunan dalam eksperimennya dan tidak semuanya minyak. Dia juga mencuba merkuri dan gliserin. Seperti yang dinyatakan, eksperimen ini bermula pada tahun 1906 dan berlangsung selama beberapa tahun. Tiga tahun kemudian, pada tahun 1909, hasil pertama diterbitkan.

Selama ini, dia memperoleh berbagai tetes bermuatan dengan menyerang sinar-X melalui pelat, untuk mengionkan udara di antara mereka. Dengan cara ini zarah bermuatan dilepaskan yang dapat diterima oleh titisan.

Tambahan pula, dia tidak hanya fokus pada tetesan yang digantung. Millikan memerhatikan bahawa ketika penurunannya naik, kadar kenaikannya juga berbeza-beza sesuai dengan beban yang dihantar.

Dan jika penurunan turun, cas tambahan ini ditambahkan berkat campur tangan sinar-X, tidak mengubah kelajuan, kerana mana-mana jisim elektron yang ditambahkan ke titisan itu sangat kecil, berbanding jisim penurunan itu sendiri.

Tidak kira berapa banyak caj yang ditambahkannya, Millikan mendapati bahawa semua tetesan memperoleh caj yang merupakan gandaan bilangan bulat dari nilai tertentu, iaitu e, unit asas, yang seperti yang telah kita katakan adalah cas elektron.

Millikan pada mulanya memperoleh 1,592 x 10 ^-19 C untuk nilai ini, sedikit lebih sedikit daripada nilai yang diterima sekarang, yaitu 1,602 x 10 ^-19 C. Sebabnya mungkin nilai yang diberikannya pada kelikatan udara dalam persamaan untuk tentukan halaju terminal penurunan.

Contohnya

Mengangkat setetes minyak

Kami melihat contoh berikut. Titisan minyak mempunyai ketumpatan ρ = 927 kg / m ³ dan dilepaskan di tengah elektrod dengan medan elektrik mati. Titisan dengan cepat mencapai halaju terminal, di mana radius ditentukan, nilainya berubah menjadi R = 4,37 x10 ^-7 m.

Medan seragam dihidupkan, diarahkan secara menegak ke atas, dan mempunyai magnitud 9.66 kN / C. Dengan cara ini dapat dicapai bahawa penurunan tetap digantung pada waktu rehat.

Ia bertanya:

a) Hitung cas titisan

b) Cari berapa kali cas unsur terkandung dalam cas penurunan.

c) Tentukan jika boleh, tanda beban.

Gambar 3. Titisan minyak di tengah medan elektrik yang tetap. Sumber: Asas Fizik. Rex-Wolfson.

Penyelesaian untuk

Sebelumnya, ungkapan berikut diturunkan untuk penurunan semasa rehat:

Mengetahui ketumpatan dan jejari titisan, jisim penurunan ditentukan:

Oleh itu:

Oleh itu, caj penurunan adalah:

Penyelesaian b

Mengetahui bahawa beban asas adalah e = 1.6 x 10 ^-19 C, bahagikan beban yang diperoleh di bahagian sebelumnya dengan nilai ini:

Hasilnya adalah bahawa cas penurunan adalah kira-kira dua kali (n≈2) cas unsur. Ia tidak betul-betul berganda, tetapi sedikit perbezaan ini disebabkan oleh adanya kesalahan eksperimen yang tidak dapat dielakkan, dan juga pembundaran pada setiap pengiraan sebelumnya.

Penyelesaian c

Adalah mungkin untuk menentukan tanda pertuduhan, berkat kenyataan bahawa pernyataan itu memberikan maklumat mengenai arah medan, yang diarahkan secara menegak ke atas, serta gaya.

Garis medan elektrik selalu bermula dengan cas positif dan diakhiri dengan cas negatif, oleh itu plat bawah dikenakan dengan tanda + dan plat atas dengan tanda - (lihat gambar 3).

Oleh kerana penurunan diarahkan ke plat di atas, didorong oleh lapangan, dan kerana caj tanda bertentangan menarik satu sama lain, penurunan mesti mempunyai muatan positif.

Sebenarnya penurunan yang digantung tidak mudah dicapai. Oleh itu Millikan menggunakan anjakan menegak (naik turun) yang dialami penurunan dengan mematikan dan mematikan medan, ditambah dengan perubahan caj sinar-X dan masa perjalanan, untuk menganggarkan berapa banyak caj tambahan yang telah diperolehi.

Caj yang diperoleh ini berkadar dengan cas pada elektron, seperti yang telah kita lihat, dan dapat dihitung dengan masa kenaikan dan kejatuhan, jisim penurunan dan nilai g dan E.

Rujukan

1. Fikiran terbuka. Millikan, ahli fizik yang datang untuk melihat elektron. Dipulihkan dari: bbvaopenmind.com
2. Rex, A. 2011. Asas Fizik. Pearson.
3. Tippens, P. 2011. Fizik: Konsep dan Aplikasi. Edisi ke-7. Bukit McGraw.
4. Amrita. Eksperimen penurunan minyak Millikan. Diperolehi dari: vlab.amrita.edu
5. Kolej Hutan Wake. Eksperimen penurunan minyak Millikan. Dipulihkan dari: wfu.edu