Эксперимент с каплей масла

Эксперимент по измерению элементарного электрического заряда

Установка Милликена для эксперимента с каплей масла

Эксперимент с каплей масла был проведен Робертом А. Милликеном и Харви Флетчером в 1909 году для измерения элементарного электрического заряда (заряда электрона ) . ^[1] [ ^2] Эксперимент проходил в Физической лаборатории Райерсона Чикагского университета . ^{[3] [4] [5]} Милликен получил Нобелевскую премию по физике в 1923 году ^{. [6]}

Эксперимент заключался в наблюдении крошечных электрически заряженных капель масла, расположенных между двумя параллельными металлическими поверхностями, образующими обкладки конденсатора . Пластины были ориентированы горизонтально, одна пластина над другой. Туман распыленных капель масла вводился через небольшое отверстие в верхней пластине и ионизировался рентгеновскими лучами , делая их отрицательно заряженными. Сначала при нулевом приложенном электрическом поле измерялась скорость падающей капли. При конечной скорости сила сопротивления равна силе гравитации . Поскольку обе силы по-разному зависят от радиуса, радиус капли и, следовательно , массу и гравитационную силу можно определить (используя известную плотность масла). Затем между пластинами прикладывалось напряжение , вызывающее электрическое поле, и регулировалось до тех пор, пока капли не находились в механическом равновесии , что указывало на то, что электрическая сила и сила гравитации находились в равновесии. Используя известное электрическое поле, Милликен и Флетчер смогли определить заряд капли масла. Повторив эксперимент для многих капель, они подтвердили, что все заряды были небольшими целыми кратными определенному базовому значению, которое, как выяснилось,1,5924(17) × 10-19 Кл , ^что  составляет около 0,6% отклонения от принятого в настоящее время значения1,602 176 634 × 10 ^-19  Кл . ^[7] Они предположили, что это величина отрицательного заряда одного электрона.

Фон

Роберт А. Милликен в 1891 году.

Начиная с 1908 года, будучи профессором Чикагского университета , Милликен при значительном вкладе Флетчера ^{[8] и} «способной помощи г-на Дж. Иньбонга Ли» и после улучшения своей установки опубликовал свое плодотворное исследование в 1913 году. ^[9] Это остается спорным, поскольку документы, найденные после смерти Флетчера, описывают события, в которых Милликен вынудил Флетчера отказаться от авторства в качестве условия для получения докторской степени. ^{[10] [2]} В свою очередь, Милликен использовал свое влияние для поддержки карьеры Флетчера в Bell Labs.

Эксперимент Милликена и Флетчера включал измерение силы, действующей на капли масла в стеклянной камере, зажатой между двумя электродами, одним сверху и одним снизу. Расчитав электрическое поле, они смогли измерить заряд капли, причем заряд одного электрона составляет (-1,592 × 10 ^-19  Кл ). Во времена экспериментов Милликена и Флетчера с каплями масла существование субатомных частиц не было общепринятым. Экспериментируя с катодными лучами в 1897 году Дж. Дж. Томсон обнаружил отрицательно заряженные « корпускулы », как он их называл, с массой около 1/1837 массы атома водорода . Аналогичные результаты были получены Джорджем Фитцджеральдом и Уолтером Кауфманном . Однако большую часть того, что тогда было известно об электричестве и магнетизме , можно было объяснить, исходя из того, что заряд является непрерывной переменной; во многом так же, как многие свойства света можно объяснить, рассматривая его как непрерывную волну, а не как поток фотонов .

Элементарный заряд e является одной из фундаментальных физических констант , поэтому точность его значения имеет большое значение. В 1923 году Милликен получил Нобелевскую премию по физике , отчасти благодаря этому эксперименту.

Томас Эдисон , который раньше считал заряд непрерывной переменной, убедился в этом после работы с аппаратом Милликена и Флетчера. ^[11] С тех пор этот эксперимент повторяли поколения студентов-физиков, хотя он довольно дорог и его сложно провести должным образом.

С 1995 по 2007 год в SLAC было проведено несколько компьютерных экспериментов по поиску изолированных частиц с дробным зарядом, однако после измерения более 100 миллионов капель не было обнаружено никаких доказательств существования частиц с дробным зарядом. ^[12]

Экспериментальная процедура

Аппарат

Упрощенная схема эксперимента Милликена с каплей масла

Аппарат для эксперимента с каплями масла

Аппарат Милликена и Флетчера включал в себя пару параллельных горизонтальных металлических пластин. Прикладывая разность потенциалов к пластинам, в пространстве между ними создавалось однородное электрическое поле. Для удерживания пластин использовалось кольцо из изоляционного материала. В кольце были вырезаны четыре отверстия: три для освещения ярким светом и одно для наблюдения в микроскоп.

Тонкий туман из капель масла распылялся в камеру над пластинами. Масло было того типа, который обычно используется в вакуумных аппаратах, и было выбрано потому, что оно имело чрезвычайно низкое давление паров . Обычные масла испарялись бы под воздействием тепла источника света, вызывая изменение массы капли масла в ходе эксперимента. Некоторые капли масла становились электрически заряженными в результате трения о сопло во время распыления. Альтернативно, зарядка может быть осуществлена ​​путем включения источника ионизирующего излучения (например, рентгеновской трубки ). Капли попадали в пространство между пластинами, и, поскольку они были заряжены, их можно было заставить подниматься и опускаться, изменяя напряжение на пластинах.

Метод

Первоначально каплям масла позволяют падать между пластинами при выключенном электрическом поле. Они очень быстро достигают конечной скорости из-за трения с воздухом в камере. Затем включается поле, и, если оно достаточно велико, некоторые капли (заряженные) начнут подниматься. (Это потому, что электрическая сила F _E , направленная вверх , для них больше, чем сила гравитации F _g , направленная вниз, точно так же, как кусочки бумаги можно собирать заряженным резиновым стержнем). Выбирается вероятно выглядящая капля и удерживается в середине поля зрения, поочередно отключая напряжение, пока не упадут все остальные капли. Затем эксперимент продолжают с этой каплей.

Капле дают возможность упасть и вычисляют ее конечную скорость v ₁ в отсутствие электрического поля. Силу сопротивления , действующую на падение, можно затем определить, используя закон Стокса :

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

где v ₁ — конечная скорость (т.е. скорость в отсутствие электрического поля) падающей капли, η — вязкость воздуха, а r — радиус капли.

Вес w — это объем D , умноженный на плотность ρ и ускорение свободного падения g . Однако необходим кажущийся вес. Кажущаяся масса в воздухе равна истинному весу за вычетом выталкивания (что равно весу воздуха, вытесненного каплей масла). Для идеально сферической капли кажущийся вес можно записать как:

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

На предельной скорости капля масла не ускоряется . Следовательно, общая сила, действующая на него, должна быть равна нулю, а две силы F и должны компенсировать друг друга (т. е. F = ). Из этого следует ${\displaystyle {w}}$ ${\displaystyle {w}}$

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

Как только r вычислено, его можно легко вычислить. ${\displaystyle {w}}$

Теперь поле снова включается, и электрическая сила, действующая на каплю, равна

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

где q — заряд капли масла, а E — электрическое поле между пластинами. Для параллельных пластин

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

где V — разность потенциалов, а d — расстояние между пластинами.

Одним из возможных способов определения q было бы регулирование V до тех пор, пока падение масла не станет постоянным. Тогда мы могли бы приравнять FE _к . Кроме того, определение F _E оказывается затруднительным, поскольку массу капли масла трудно определить, не прибегая к использованию закона Стокса. Более практичный подход состоит в том, чтобы слегка увеличить V , чтобы капля масла поднималась с новой конечной скоростью v ₂ . Затем ${\displaystyle {w}}$

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

Споры

Некоторые разногласия вызвал физик Джеральд Холтон (1978), который отметил, что Милликен записал в свой журнал больше измерений, чем включил в свои окончательные результаты. Холтон предположил, что эти данные были исключены из большого набора капель нефти, измеренных в его экспериментах, без видимой причины. Это утверждение было оспорено Алланом Франклином , экспериментатором в области физики высоких энергий и философом науки из Университета Колорадо . ^[13] Франклин утверждал, что исключение данных Милликеном существенно не повлияло на его окончательное значение e , но уменьшило статистическую ошибку вокруг этой оценки e . Это позволило Милликену заявить, что он рассчитал е с точностью более половины процента; Фактически, если бы Милликен включил все выброшенные им данные, стандартная ошибка среднего была бы в пределах 2%. Хотя это все равно привело бы к тому, что Милликен измерил e лучше, чем кто-либо другой в то время, немного большая неопределенность могла привести к большему несогласию с его результатами в физическом сообществе. В то время как Франклин отказался от поддержки измерений Милликена, сделав вывод, который допускает, что Милликен мог провести «косметическую операцию» над данными, Дэвид Гудштейн исследовал оригинальные подробные записи, которые вел Милликен, и пришел к выводу, что Милликен прямо заявляет здесь и в отчетах, которые он включил. только капли, прошедшие «полную серию наблюдений» и не исключающие ни одной капли из этой группы полных измерений. ^{[14] [15]} Причины невозможности получения полного наблюдения включают аннотации, касающиеся настройки аппарата, образования капель нефти и атмосферных эффектов, которые, по мнению Милликена (подтвержденные уменьшенной ошибкой в ​​​​этом наборе), делают недействительными данный конкретный измерение.

Эксперимент Милликена как пример психологических эффектов в научной методологии

Диаграмма рассеяния измерений заряда электронов, предложенная Фейнманом с использованием статей, опубликованных в 1913–1951 гг.

В вступительной речи , произнесенной в Калифорнийском технологическом институте (Калифорнийский технологический институт) в 1974 году (и перепечатанной в журналах « Конечно, вы шутите, мистер Фейнман!» в 1985 году, а также в « Удовольствие от выяснения вещей» в 1999 году), физик Ричард Фейнман отметил : ^{[16] [17]}

На своем опыте мы многому научились, как справляться с некоторыми способами обмана самих себя. Один пример: Милликен измерил заряд электрона в эксперименте с падающими каплями масла и получил ответ, который, как мы теперь знаем, не совсем верен. Это немного не так, потому что у него было неправильное значение вязкости воздуха. Интересно посмотреть на историю измерений заряда электрона после Милликена. Если вы изобразите их как функцию времени, вы обнаружите, что один немного больше, чем у Милликена, а следующий немного больше, а следующий немного больше, пока, наконец, они не установятся на число, которое выше.
Почему они сразу не обнаружили, что новое число выше? Это вещь, которой учёные стыдятся — этой истории — потому что очевидно, что люди делали такие вещи: когда они получали число, которое было слишком большим, чем у Милликена, они думали, что что-то не так — и они искали и находили причину. почему что-то может быть не так. Когда они получили число, близкое к значению Милликена, они не стали так усердно искать. И поэтому они исключили цифры, которые были слишком далекими, и сделали другие подобные вещи...

По состоянию на май 2019 года ^{[обновлять]}стоимость элементарного заряда определена точно1,602 176 634 × 10 ^-19  Кл ^[7] . До этого самое последнее (2014 г.) принятое значение ^[18] было1,602 176 6208 (98) × 10 ^-19  C , где (98) указывает на неопределенность последних двух десятичных знаков. В своей Нобелевской лекции Милликен дал такое измерение:4,774(5) × 10 ⁻¹⁰  statC , ^[19] что равно1,5924(17) × 10 ^-19  Кл . Разница составляет менее одного процента, но в шесть раз превышает стандартную ошибку Милликена , поэтому расхождение существенное.

Используя рентгеновские эксперименты, Эрик Бэклин в 1928 году обнаружил более высокое значение элементарного заряда,(4,793 ± 0,015 ) × 10–10  statC ^или(1,5987 ± 0,005) × 10 ^-19  C , что находится в пределах неопределенности относительно точного значения. Раймонд Тайер Бирдж , проводивший обзор физических констант в 1929 году, заявил: «Исследование Беклина представляет собой новаторскую работу, и вполне вероятно, что оно как таковое содержит различные неожиданные источники систематических ошибок. Если [... оно является ...] взвешенным в соответствии с очевидной вероятной ошибкой [...], средневзвешенное значение все равно будет подозрительно высоким. [...] автор наконец решил отказаться от значения Бэклина и использовать средневзвешенное значение оставшиеся два значения». Бирге усреднил результат Милликена и другой, менее точный рентгеновский эксперимент, который согласовался с результатом Милликена. ^[20] Последовательные рентгеновские эксперименты продолжали давать высокие результаты, а предположения о несоответствии были исключены экспериментально. Стен фон Фризен измерил это значение с помощью нового метода дифракции электронов , и эксперимент с каплей масла был повторен. Оба дали высокие цифры. К 1937 году стало «совершенно очевидно», что ценность Милликена больше не может поддерживаться, и установленная стоимость стала(4,800 ± 0,005 ) × 10–10  statC ^или(1,6011 ± 0,0017) × 10 ^-19  Кл . ^[21]

Рекомендации

1. Милликен, РА (1910). «Выделение иона, точное измерение его заряда и исправление закона Стокса» (PDF) . Наука . 32 (822): 436–448. дои : 10.1126/science.32.822.436. ПМИД  17743310.
2. Флетчер, Харви (июнь 1982 г.). «Моя работа с Милликеном над экспериментом с каплей масла». Физика сегодня . 43 (6): 43–47. Бибкод : 1982PhT....35f..43F. дои : 10.1063/1.2915126.
3. «Американское физическое общество отметит память Чикагского университета как исторического места физики в честь нобелевского лауреата Роберта Милликена в Чикагском университете» . www-news.uchicago.edu . 28 ноября 2006 г. Проверено 31 июля 2019 г.
4. АвенюЧикаго, Чикагский университетЭдвард Х. Леви Холл5801 Южный Эллис; Нас, Иллинойс: 60637773 702 1234 Контакт. «Прорывы Учикаго: 1910-е годы». Чикагский университет . Проверено 31 июля 2019 г.{{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
5. «Работа физика Милликена продолжает получать похвалы» . хроника.uchicago.edu . 4 января 2007 года . Проверено 15 октября 2023 г.
6. «Нобелевская премия по физике 1923 года». NobelPrize.org . Проверено 15 октября 2023 г.
7. «Значение CODATA 2018: элементарный заряд» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . 20 мая 2019 года . Проверено 20 мая 2019 г.
8. Нияз, Мансур (2000). «Эксперимент с каплей масла: рациональная реконструкция спора Милликена-Эренхафта и его последствий для учебника химии» (PDF) . Журнал исследований в области преподавания естественных наук . 37 (5): 480–508. Бибкод : 2000JRScT..37..480N. doi :10.1002/(SICI)1098-2736(200005)37:5<480::AID-TEA6>3.0.CO;2-X.
9. Милликен, РА (1913). «Об элементарном электрическом заряде и постоянной Авогадро». Физический обзор . Серия II. 2 (2): 109–143. Бибкод : 1913PhRv....2..109M. дои : 10.1103/PhysRev.2.109 .
10. Перри, Майкл Ф. (май 2007 г.). «Вспоминая эксперимент с каплями масла». Физика сегодня . 60 (5): 56. Бибкод :2007ФТ....60е..56П. дои : 10.1063/1.2743125. S2CID  162256936.
11. Бандравал, Правин Кумар (11 марта 2009 г.). Лауреат Нобелевской премии по физике. Компания «Пиннакл Технолоджи». стр. 169–. ISBN 978-1-61820-254-3. Проверено 14 декабря 2012 г.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
12. «SLAC - Поиск дробного заряда - Результаты» . Стэнфордский центр линейных ускорителей. Январь 2007 года . Проверено 15 октября 2023 г.
13. Франклин, А. (1997). «Эксперименты Милликена с каплями нефти». Химический педагог . 2 (1): 1–14. дои : 10.1007/s00897970102a. S2CID  97609199.
14. Гудштейн, Д. (2000). «В защиту Роберта Эндрюса Милликена» (PDF) . Инженерия и наука . Пасадена, Калифорния: Управление по связям с общественностью Калифорнийского технологического института. 63 (4): 30–38.
15. Гудштейн, Дэвид (2001). «В защиту Роберта Эндрюса Милликена» (PDF) . Американский учёный . 89 (1): 54. Бибкод : 2001AmSci..89...54G. дои : 10.1511/2001.1.54. S2CID  209833984.
16. "Наука о культе груза" . Калифорнийский технологический институт. Архивировано из оригинала 17 апреля 2021 года . Проверено 22 февраля 2018 г.(адаптировано из вступительной речи Калифорнийского технологического института 1974 года), Страницы Дональда Симанека, заархивированные 5 июня 2021 г. в Wayback Machine , Университет Лок-Хейвен, ред. Декабрь 2017.
17. Фейнман, Ричард Филлипс; Лейтон, Ральф; Хатчингс, Эдвард (1 апреля 1997 г.). «Наверное, вы шутите, господин Фейнман!»: приключения любопытного характера. Нью-Йорк: WW Norton & Company. п. 342. ИСБН 978-0-393-31604-9. Проверено 10 июля 2010 г.
18. «Значения CODATA 2014: старые значения констант» . Справочник NIST по константам, единицам измерения и неопределенности . НИСТ . 25 июня 2015 г. Проверено 19 августа 2019 г.
19. Милликен, Роберт А. (23 мая 1924 г.). Электрон и квант света с экспериментальной точки зрения (Речь). Стокгольм . Проверено 12 ноября 2006 г.
20. Бирдж, Раймонд Т. (1 июля 1929 г.). «Вероятные значения общих физических констант». Обзоры современной физики . 1 (1): 1–73. Бибкод : 1929RvMP....1....1B. doi : 10.1103/revmodphys.1.1.
21. фон Фризен, Стен (июнь 1937 г.). «О значениях фундаментальных атомных констант». Труды Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки . 160 (902): 424–440. Бибкод : 1937RSPSA.160..424В. дои : 10.1098/rspa.1937.0118 .

дальнейшее чтение

• Сервей, Раймонд А.; Фон, Джерри С. (2006). Холт: Физика . Холт, Райнхарт и Уинстон. ISBN 0-03-073548-3.
• Торнтон, Стивен Т.; Рекс, Эндрю (2006). Современная физика для ученых и инженеров (3-е изд.). Брукс/Коул. ISBN 0-495-12514-8.
• Сервей, Раймонд А.; Джуэтт, Джон В. (2004). Физика для ученых и инженеров (6-е изд.). Брукс/Коул. ISBN 0-534-40842-7.

Внешние ссылки

• Моделирование эксперимента с каплей масла (требуется JavaScript)
• Томсен, Маршалл, « Хорош до последней капли ». Истории Милликена как «консервированная» педагогика. Университет Восточного Мичигана.
• Команда CSR/TSGC, « Эксперимент по поиску кварков ». Техасский университет в Остине.
• Эксперимент с каплей масла включен в список «10 самых красивых экспериментов науки» [1], первоначально опубликованный в газете « Нью-Йорк Таймс» .
• Энгенесс, Т.Е., « Эксперимент Милликена с каплями масла ». 25 апреля 2005 г.
• Милликен Р.А. (1913). «Об элементарном электрическом заряде и постоянной Авогадро». Физический обзор . Серия II. 2 (2): 109–143. Бибкод : 1913PhRv....2..109M. дои : 10.1103/PhysRev.2.109 .Статья Милликена, в которой обсуждаются модификации его первоначального эксперимента для повышения его точности.
• Хадспет, Пол (2000). «Поиск свободных кварков в условиях микрогравитации Международной космической станции». Материалы конференции AIP . 504 : 715–722. Бибкод : 2000AIPC..504..715H. дои : 10.1063/1.1302567. Вариант этого эксперимента был предложен для Международной космической станции .
• Перри, Майкл Ф. (2007). «Вспоминая эксперимент с каплей масла» (PDF) . Физика сегодня . 60 (5): 56–60. Бибкод : 2007PhT....60e..56P. дои : 10.1063/1.2743125. Архивировано из оригинала (PDF) 3 марта 2016 г. Проверено 1 февраля 2014 г.