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 проводился в Физической лаборатории Райерсона в Чикагском университете . ^{[3] [4] [5]} Милликен получил Нобелевскую премию по физике в 1923 году. ^[6 ]

В ходе эксперимента наблюдались крошечные электрически заряженные капли масла, расположенные между двумя параллельными металлическими поверхностями, образующими пластины конденсатора . Пластины были ориентированы горизонтально, одна пластина над другой. Туман из 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 тяжести . Поскольку обе силы зависят от радиуса по-разному, радиус капли, а следовательно, масса и сила тяжести, могли быть определены (используя известную плотность масла). Затем между пластинами было приложено напряжение, вызывающее электрическое поле, и отрегулировано до тех пор, пока капли не были подвешены в механическом равновесии , что указывало на то, что электрическая сила и сила тяжести были в равновесии. Используя известное электрическое поле, Милликен и Флетчер смогли определить заряд на капле масла. Повторив эксперимент для многих капель, они подтвердили, что все заряды были небольшими целыми кратными определенного базового значения, которое, как было обнаружено,1,5924(17) × 10 ⁻¹⁹  Кл , что составляет около 0,6% разницы 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] , «умелой помощи г-на Дж. Инбонга Ли» и после усовершенствования своей установки опубликовал свое основополагающее исследование в 1913 году. ^[9] Это остается спорным, поскольку документы, найденные после смерти Флетчера, описывают события, в которых Милликен принуждал Флетчера отказаться от авторства в качестве условия для получения им докторской степени. ^{[10] [2]} Взамен 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, один сверху и один снизу. Рассчитывая электрическое поле, они могли измерить заряд капли, причем заряд одного электрона был (−1,592 × 10 ⁻¹⁹  Кл ). Во время экспериментов Милликена и Флетчера с каплей масла существование субатомных частиц не было общепризнанным. Экспериментируя с катодными лучами в 1897 году, Дж. Дж. Томсон открыл отрицательно заряженные « корпускулы », как он их назвал, с массой около 1/1837 массы атома водорода . Аналогичные результаты были получены Джорджем Фицджеральдом и Уолтером Кауфманном . Однако большую часть того, что тогда было известно об электричестве и магнетизме , можно было объяснить на основе того, что заряд является непрерывной переменной; во многом таким же образом, 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 , и поэтому точность его значения имеет большое значение. В 1923 году Милликен получил Нобелевскую премию по физике , отчасти благодаря этому эксперименту.

Томас Эдисон , который ранее считал заряд непрерывной переменной, убедился в этом после работы с аппаратом Милликена и Флетчера. ^[11] Этот эксперимент с тех пор повторяли поколения студентов-физиков, хотя он довольно дорог и сложен в проведении.

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

Экспериментальная процедура

Аппарат

Упрощенная схема эксперимента Милликена с каплей масла

Аппарат для экспериментов с каплей масла

Аппарат Милликена и Флетчера включал в себя параллельную пару горизонтальных металлических пластин. Прикладывая к пластинам разность потенциалов, в пространстве между ними создавалось однородное электрическое поле. Для того чтобы пластины были разделены, использовалось кольцо из изоляционного материала. В кольце было вырезано четыре отверстия: три для освещения ярким светом и одно для наблюдения через 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 под воздействием тепла источника света, в результате чего масса капли масла изменялась в ходе эксперимента. Некоторые капли масла становились электрически заряженными из-за трения о сопло во время распыления. В качестве альтернативы зарядку можно было вызвать, включив источник ионизирующего излучения (например, рентгеновскую трубку ). Капли попадали в пространство между пластинами и, поскольку они были заряжены, их можно было заставить подниматься и опускаться, изменяя напряжение на пластинах.

Метод

Диаграмма в оригинальной статье Милликена 1913 года

Первоначально капли масла падают между пластинами при выключенном электрическом поле. Они очень быстро достигают конечной скорости из-за трения с воздухом в камере. Затем поле включается, и, если оно достаточно велико, некоторые капли (заряженные) начнут подниматься. (Это происходит потому, что направленная вверх электрическая сила F _E для них больше, чем направленная вниз гравитационная сила F _g , таким же образом, как кусочки бумаги можно подобрать заряженным резиновым стержнем). Выбирается подходящая на вид капля и удерживается в середине поля зрения путем поочередного выключения напряжения до тех пор, пока не упадут все остальные капли. Затем эксперимент продолжается с этой одной каплей.

Капле дают упасть, и вычисляют ее конечную скорость v ₁ в отсутствие электрического поля. Силу сопротивления , действующую на каплю, можно затем вычислить с помощью закона 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, r — радиус капли.

Вес w равен объему D, умноженному на плотность ρ и ускорение свободного падения g . Однако необходим кажущийся вес. Кажущийся вес в воздухе равен истинному весу за вычетом подъемной силы (которая равна весу воздуха, вытесненного каплей масла). Для идеально сферической капли кажущийся вес можно записать как:

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

При конечной скорости капля масла не ускоряется . Следовательно, общая сила, действующая на нее, должна быть равна нулю, а две силы F и должны компенсировать друг друга (то есть, ). Это подразумевает ${\displaystyle {w}}$ ${\displaystyle F={w}}$

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

После вычисления r можно легко вычислить. ${\displaystyle {w}}$

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

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

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

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

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

Один из возможных способов вычисления q — это регулировать V до тех пор, пока капля масла не останется стабильной. Тогда мы могли бы приравнять F _E к . Кроме того, определение F _E оказывается сложным, поскольку массу капли масла трудно определить, не прибегая к использованию закона Стокса. Более практичный подход — немного увеличить V , чтобы капля масла поднялась с новой конечной скоростью v ₂ . Тогда ${\displaystyle {w}}$

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

Противоречие

Некоторые разногласия были подняты физиком Джеральдом Холтоном (1978), который указал, что Милликен записал больше измерений в своем журнале, чем он включил в свои окончательные результаты. Холтон предположил, что эти точки данных были исключены из большого набора капель масла, измеренных в его экспериментах без видимой причины. Это утверждение было оспорено Алланом Франклином , экспериментатором в области физики высоких энергий и философом науки в Университете Колорадо . ^[13] Франклин утверждал, что исключение данных Милликеном не оказало существенного влияния на его окончательное значение e , но уменьшило статистическую погрешность вокруг этой оценки e . Это позволило Милликену заявить, что он вычислил e с точностью более половины процента; на самом деле, если бы Милликен включил все данные, которые он выбросил, 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 бы вызвать больше разногласий с его результатами в физическом сообществе. В то время как Франклин оставил свою поддержку измерениям Милликена, сделав вывод, что Милликен мог провести «косметическую операцию» на данных, Дэвид Гудштейн исследовал оригинальные подробные дневники, которые вел Милликен, и пришел к выводу, что Милликен прямо заявляет здесь и в отчетах, что он включил только капли, которые прошли «полную серию наблюдений», и не исключил ни одной капли из этой группы полных измерений. ^{[14] [15]} Причины, по которым не удалось провести полное наблюдение, включают в себя аннотации, касающиеся настройки аппарата, производства масляных капель и атмосферных эффектов, которые, по мнению Милликена (подтвержденному уменьшенной ошибкой в ​​этом наборе), сделали недействительным данное конкретное измерение.

Эксперимент Милликена как пример психологических эффектов в научной методологии

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

В своей речи на церемонии вручения дипломов в Калифорнийском технологическом институте (Калтех) в 1974 году (и перепечатанной в книге « Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!» в 1985 году, а также в книге «Удовольствие узнавать новое» в 1999 году) физик Ричард Фейнман отметил: ^{[16] [17]}

Мы многому научились на собственном опыте о том, как справляться с некоторыми способами, которыми мы обманываем себя. Один пример: Милликен измерил заряд электрона с помощью эксперимента с падающими каплями масла и получил ответ, который, как мы теперь знаем, не совсем верный. Он немного неверный, потому что у него было неверное значение вязкости воздуха. Интересно взглянуть 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 этого, и следующий немного больше этого, пока, наконец, они не успокоятся до числа, которое больше.

Почему они не обнаружили, что новое число было выше сразу? Это то, чего ученые стыдятся — этой истории — потому что очевидно, что люди делали такие вещи: когда они получали число, которое было слишком высоко над числом Милликена, они думали, что что-то не так — и они искали и находили причину, по которой что-то могло быть не так. Когда они получали число, близкое к значению Милликена, они не искали так усердно. И поэтому они исключили числа, которые были слишком далеки, и делали другие вещи в этом роде...

Начиная с пересмотра СИ 2019 года , значение элементарного заряда определяется как точное1,602 176 634 × 10 ⁻¹⁹  C ‍ [ ^7] . До этого самым последним (2014) принятым значением ^[18] было1,602 176 6208 (98) × 10 ⁻¹⁹  C , где (98) указывает на неопределенность последних двух знаков после запятой. В своей Нобелевской лекции Милликен дал свое измерение как4,774(5) × 10 ⁻¹⁰  statC , ^[19] что равно1,5924(17) × 10 ⁻¹⁹  C. Разница составляет менее одного процента, но в шесть раз больше стандартной ошибки Милликена , поэтому расхождение является значительным.

Используя рентгеновские эксперименты, Эрик Беклин в 1928 году обнаружил более высокое значение элементарного заряда,(4,793 ± 0,015) × 10 ⁻¹⁰  статС или(1,5987 ± 0,005) × 10 ⁻¹⁹  C , что находится в пределах неопределенности точного значения. Раймонд Тайер Бирдж , проводя обзор физических констант в 1929 году, заявил: «Исследование Бэклина представляет собой пионерскую работу, и вполне вероятно, что оно, как таковое, содержит различные непредвиденные источники систематической ошибки. Если [... оно ...] взвешено в соответствии с кажущейся вероятной ошибкой [...], взвешенное среднее все равно будет подозрительно высоким. [...] автор в конце концов решил отвергнуть значение Бэклина и использовать взвешенное среднее оставшихся двух значений». Бирдж усреднил результат Милликена и другой, менее точный рентгеновский эксперимент, который согласовался с результатом Милликена. ^[20] Последующие рентгеновские эксперименты продолжали давать высокие результаты, и предположения о расхождении были исключены экспериментально. Стен фон Фризен измерил значение новым методом электронной дифракции , и эксперимент с каплей масла был переделан. Оба дали высокие числа. К 1937 году стало «совершенно очевидно», что значение Милликена больше не может поддерживаться, и установленное значение стало(4,800 ± 0,005) × 10 ⁻¹⁰  статС или(1,6011 ± 0,0017) × 10 ⁻¹⁹  Кл . ^[21]

Ссылки

1. Милликен, РА (1910). «Изоляция иона, точное измерение его заряда и исправление закона Стокса» (PDF) . Science . 32 (822): 436–448. doi :10.1126/science.32.822.436. PMID  17743310.
2. Fletcher, Harvey (июнь 1982 г.). «Моя работа с Милликеном над экспериментом с каплей масла». Physics Today . 43 (6): 43–47. Bibcode : 1982PhT....35f..43F. doi : 10.1063/1.2915126.
3. "Американское физическое общество отметит Чикагский университет как историческое место физики в честь лауреата Нобелевской премии Роберта Милликена в Чикагском университете". www-news.uchicago.edu . 28 ноября 2006 г. Получено 31 июля 2019 г.
4. AvenueChicago, Чикагский университетEdward H. Levi Hall5801 South Ellis; Us, Illinois 60637773 702 1234 Контакт. "UChicago Breakthroughs: 1910s". Чикагский университет . Получено 31 июля 2019 г.{{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
5. «Работа физика Милликена продолжает получать похвалы». chronicle.uchicago.edu . 4 января 2007 г. Получено 15 октября 2023 г.
6. "Нобелевская премия по физике 1923 года". NobelPrize.org . Получено 15 октября 2023 г. .
7. "2022 CODATA Value: Elementary Charge". Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . Май 2024. Получено 2024-05-18 .
8. Ниаз, Мансур (2000). «Эксперимент с масляной каплей: рациональная реконструкция противоречий Милликена–Эренхафта и их значение для учебника по химии» (PDF) . Журнал исследований в области преподавания естественных наук . 37 (5): 480–508. Bibcode :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». Physical Review . Серия II. 2 (2): 109–143. Bibcode :1913PhRv....2..109M. doi : 10.1103/PhysRev.2.109 .
10. Перри, Майкл Ф. (май 2007 г.). «Вспоминая эксперимент с каплей масла». Physics Today . 60 (5): 56. Bibcode : 2007PhT....60e..56P. doi : 10.1063/1.2743125. S2CID  162256936.
11. Bandrawal, Praveen Kumar (11 марта 2009 г.). Лауреат Нобелевской премии по физике. Pinnacle Technology. стр. 169–. ISBN 978-1-61820-254-3. Получено 14 декабря 2012 г.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
12. "SLAC – Fractional Charge Search – Results". Стэнфордский центр линейных ускорителей. Январь 2007 г. Получено 15 октября 2023 г.
13. Франклин, А. (1997). «Эксперименты Милликена с каплями масла». The Chemical Educator . 2 (1): 1–14. doi :10.1007/s00897970102a. S2CID  97609199.
14. Гудстейн, Д. (2000). «В защиту Роберта Эндрюса Милликена» (PDF) . Инженерное дело и наука . 63 (4). Пасадена, Калифорния: Caltech Office of Public Relations: 30–38.
15. Гудстейн, Дэвид (2001). «В защиту Роберта Эндрюса Милликена» (PDF) . American Scientist . 89 (1): 54. Bibcode : 2001AmSci..89...54G. doi : 10.1511/2001.1.54. S2CID  209833984.
16. "Cargo Cult Science". Калифорнийский технологический институт. Архивировано из оригинала 17 апреля 2021 г. Получено 22 февраля 2018 г.(адаптировано из речи на церемонии вручения дипломов в Калифорнийском технологическом институте 1974 года), страницы Дональда Симанека, архивировано 05.06.2021 в Wayback Machine , Университет Лок-Хейвена, ред. декабрь 2017 г.
17. Фейнман, Ричард Филлипс; Лейтон, Ральф; Хатчингс, Эдвард (1 апреля 1997 г.). «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!»: приключения любопытного персонажа. Нью-Йорк: WW Norton & Company. стр. 342. ISBN 978-0-393-31604-9. Получено 10 июля 2010 г.
18. "Значения CODATA 2014: более ранние значения констант". Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . 25 июня 2015 г. Получено 19 августа 2019 г.
19. Милликен, Роберт А. (23 мая 1924 г.). Электрон и квант света с экспериментальной точки зрения (речь). Стокгольм . Получено 12 ноября 2006 г.
20. Бирдж, Рэймонд Т. (1 июля 1929 г.). «Вероятные значения общих физических констант». Reviews of Modern Physics . 1 (1): 1–73. Bibcode : 1929RvMP....1....1B. doi : 10.1103/revmodphys.1.1.
21. von Friesen, Sten (июнь 1937). «О значениях фундаментальных атомных констант». Труды Лондонского королевского общества. Серия A, Математические и физические науки . 160 (902): 424–440. Bibcode :1937RSPSA.160..424V. doi : 10.1098/rspa.1937.0118 .

Дальнейшее чтение

• Serway, Raymond A.; Faughn, Jerry S. (2006). Holt: Physics . Holt, Rinehart and Winston. ISBN 0-03-073548-3.
• Торнтон, Стивен Т.; Рекс, Эндрю (2006). Современная физика для ученых и инженеров (3-е изд.). Brooks/Cole. ISBN 0-495-12514-8.
• Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Физика для ученых и инженеров (6-е изд.). Brooks/Cole. ISBN 0-534-40842-7.

Внешние ссылки

• Моделирование эксперимента с каплей масла (требуется JavaScript)
• Томсен, Маршалл, « До последней капли ». Истории Милликена как «консервированная» педагогика. Восточно-Мичиганский университет.
• Команда CSR/TSGC, « Эксперимент по поиску кварка ». Техасский университет в Остине.
• Эксперимент с каплей масла включен в список 10 самых красивых экспериментов по версии науки [1], первоначально опубликованный в New York Times .
• Эндженесс, TE, « Эксперимент Милликена с масляной каплей ». 25 апреля 2005 г.
• Millikan RA (1913). «Об элементарном электрическом заряде и постоянной Авогадро». Physical Review . Серия II. 2 (2): 109–143. Bibcode :1913PhRv....2..109M. doi : 10.1103/PhysRev.2.109 .Статья Милликена, в которой обсуждаются изменения в его оригинальном эксперименте с целью повышения его точности.
• Хадспет, Пол (2000). «Поиск свободных кварков в условиях микрогравитации Международной космической станции». Труды конференции AIP . 504 : 715–722. Bibcode : 2000AIPC..504..715H. doi : 10.1063/1.1302567. Вариант этого эксперимента был предложен для Международной космической станции .
• Перри, Майкл Ф. (2007). «Вспоминая эксперимент с каплей масла» (PDF) . Physics Today . 60 (5): 56–60. Bibcode :2007PhT....60e..56P. doi :10.1063/1.2743125. Архивировано из оригинала (PDF) 2016-03-03 . Получено 2014-02-01 .