بدأت تجربة ميليكان ، التي أجراها روبرت ميليكان (1868-1953) مع تلميذه هارفي فليتشر (1884-1981) ، في عام 1906 وكانت تهدف إلى دراسة خصائص الشحنة الكهربائية ، وتحليل حركة آلاف القطرات من الزيت في وسط مجال كهربائي موحد.
كان الاستنتاج أن الشحنة الكهربائية ليس لها قيمة عشوائية ، ولكنها جاءت بمضاعفات 1.6 × 10 -19 درجة مئوية ، وهي الشحنة الأساسية للإلكترون. بالإضافة إلى ذلك ، تم العثور على كتلة الإلكترون.
الشكل 1. على اليسار الجهاز الأصلي الذي استخدمه Millikan و Fletcher في تجربتهم. على اليمين رسم تخطيطي مبسط لها. المصدر: ويكيميديا كومنز / ف. زاباتا ،
في السابق ، وجد الفيزيائي JJ Thompson بشكل تجريبي العلاقة بين الشحنة والكتلة لهذا الجسيم الأولي ، والذي أطلق عليه اسم "corpuscle" ، ولكن ليس قيم كل مقدار على حدة.
من هذه الشحنة - علاقة الكتلة وشحنة الإلكترون ، تم تحديد قيمة كتلته: 9.11 × 10 -31 كجم.
لتحقيق هذا الغرض ، استخدم Millikan و Fletcher رذاذًا خفيفًا من قطرات الزيت. كانت بعض القطرات مشحونة كهربائيًا بسبب الاحتكاك في البخاخ.
كانت القطرات المشحونة تستقر ببطء على أقطاب كهربائية مسطحة متوازية ، حيث مر عدد قليل منها عبر ثقب صغير في اللوحة العلوية ، كما هو موضح في الرسم التخطيطي في الشكل 1.
داخل الألواح المتوازية ، من الممكن إنشاء مجال كهربائي موحد عمودي على الألواح ، والتي تم التحكم في حجمها وقطبتها عن طريق تعديل الجهد.
لوحظ سلوك القطرات من خلال إضاءة الأجزاء الداخلية من الألواح بضوء ساطع.
شرح التجربة
إذا كان للقطرة شحنة ، فإن الحقل الذي تم إنشاؤه بين الصفحتين يمارس عليه قوة تصد الجاذبية.
وإذا تمكن أيضًا من البقاء معلقًا ، فهذا يعني أن المجال يمارس قوة رأسية صاعدة ، والتي توازن الجاذبية تمامًا. سيعتمد هذا الشرط على قيمة q ، تكلفة الهبوط.
في الواقع ، لاحظ ميليكان أنه بعد تشغيل الحقل ، تم تعليق بعض القطرات ، وبدأ البعض الآخر في الارتفاع أو استمر في الهبوط.
من خلال ضبط قيمة المجال الكهربائي - من خلال مقاومة متغيرة ، على سبيل المثال - يمكن إحداث انخفاض ليبقى معلقًا داخل الصفائح. على الرغم من أنه ليس من السهل تحقيقه من الناحية العملية ، إلا أن القوة التي يبذلها المجال والجاذبية فقط هي التي تعمل على السقوط.
إذا كانت كتلة القطرة m وشحنتها q ، مع العلم أن القوة تتناسب مع المجال المطبق للقوة E ، ينص قانون نيوتن الثاني على أنه يجب موازنة القوتين:
تُعرف قيمة g ، وتسارع الجاذبية ، وكذلك مقدار E للحقل ، والذي يعتمد على الجهد V الذي تم إنشاؤه بين الألواح والفصل بينهما L ، على النحو التالي:
كان السؤال هو العثور على كتلة قطرة الزيت الصغيرة. بمجرد تحقيق ذلك ، يصبح تحديد الشحنة q ممكنًا تمامًا. بطبيعة الحال ، m و q هما على التوالي الكتلة وشحنة قطرة الزيت ، وليس الإلكترون.
لكن… يتم شحن الانخفاض لأنه يفقد الإلكترونات أو يكتسبها ، لذلك ترتبط قيمته بشحنة الجسيم المذكور.
كتلة قطرة الزيت
كانت مشكلة ميليكان وفليتشر هي تحديد كتلة القطرة ، ولم تكن مهمة سهلة نظرًا لصغر حجمها.
بمعرفة كثافة الزيت ، إذا كان لديك حجم القطرة ، يمكن حل الكتلة. لكن الحجم كان أيضًا صغيرًا جدًا ، لذا لم تكن الطرق التقليدية ذات فائدة.
ومع ذلك ، عرف الباحثون أن مثل هذه الأجسام الصغيرة لا تسقط بحرية ، لأن مقاومة الهواء أو البيئة تتدخل ، مما يؤدي إلى إبطاء حركتها. على الرغم من أن الجسيم ، عند إطلاقه مع إيقاف تشغيل المجال ، يتعرض لحركة رأسية متسارعة ولأسفل ، فإنه ينتهي به الأمر إلى السقوط بسرعة ثابتة.
هذه السرعة تسمى "السرعة النهائية" أو "السرعة المحدودة" ، والتي ، في حالة الكرة ، تعتمد على نصف قطرها ولزوجة الهواء.
في حالة عدم وجود حقل ، قام ميليكان وفليتشر بقياس الوقت الذي يستغرقه سقوط القطرات. بافتراض أن القطرات كانت كروية وذات قيمة لزوجة الهواء ، فقد تمكنوا من تحديد نصف القطر بشكل غير مباشر من السرعة النهائية.
يتم العثور على هذه السرعة من خلال تطبيق قانون ستوكس وهنا معادلته:
- v t هي السرعة النهائية
- R هو نصف قطر القطرة (كروي)
- η هي لزوجة الهواء
- ρ هي كثافة القطرة
أهمية
كانت تجربة ميليكان حاسمة ، لأنها كشفت عن عدة جوانب رئيسية في الفيزياء:
1) الشحنة الأولية هي شحنة الإلكترون ، وقيمتها 1.6 × 10 -19 درجة مئوية ، وهو أحد الثوابت الأساسية للعلم.
II) أي شحنة كهربائية أخرى تأتي في شكل مضاعفات الشحنة الأساسية.
III) معرفة شحنة الإلكترون والعلاقة بين الشحنة والكتلة لـ JJ Thomson ، كان من الممكن تحديد كتلة الإلكترون.
III) على مستوى الجسيمات الصغيرة مثل الجسيمات الأولية ، فإن تأثيرات الجاذبية ضئيلة مقارنة بالتأثيرات الكهروستاتيكية.
الشكل 2. ميليكان في المقدمة على اليمين ، جنبًا إلى جنب مع ألبرت أينشتاين وغيره من الفيزيائيين البارزين. المصدر: ويكيميديا كومنز.
حصل ميليكان على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1923 عن هذه الاكتشافات. تجربته ذات صلة أيضًا لأنه حدد هذه الخصائص الأساسية للشحنة الكهربائية ، بدءًا من أجهزة بسيطة وتطبيق القوانين المعروفة للجميع.
ومع ذلك ، تم انتقاد ميليكان لأنه تجاهل العديد من الملاحظات في تجربته ، دون سبب واضح ، لتقليل الخطأ الإحصائي للنتائج وجعلها أكثر "قابلية للتقديم".
قطرات مع شحنات متنوعة
قام ميليكان بقياس العديد والعديد من القطرات في تجربته ولم تكن جميعها عبارة عن زيت. كما جرب الزئبق والجلسرين. كما ذكرنا ، بدأت التجربة في عام 1906 واستمرت لبضع سنوات. بعد ثلاث سنوات ، في عام 1909 ، نُشرت النتائج الأولى.
خلال هذا الوقت ، حصل على مجموعة متنوعة من القطرات المشحونة عن طريق ضرب الأشعة السينية عبر الصفائح ، لتأين الهواء بينهما. بهذه الطريقة يتم إطلاق الجسيمات المشحونة التي يمكن أن تقبلها القطرات.
علاوة على ذلك ، لم يركز فقط على القطرات المعلقة. لاحظ ميليكان أنه عندما ارتفعت القطرات ، تباين معدل الارتفاع أيضًا وفقًا للحمل المسلم.
وإذا هبط الانخفاض ، فإن هذه الشحنة الإضافية التي تمت إضافتها بفضل تدخل الأشعة السينية ، لم تغير السرعة ، لأن أي كتلة من الإلكترونات تضاف إلى القطرة تكون ضئيلة للغاية ، مقارنة بكتلة القطرة نفسها.
بغض النظر عن مقدار الشحنة المضافة ، وجد Millikan أن جميع الشحنات المكتسبة كانت عبارة عن مضاعفات عدد صحيح بقيمة معينة ، وهي e ، الوحدة الأساسية ، والتي كما قلنا هي شحنة الإلكترون.
حصل Millikan في البداية على 1،592 × 10-19 درجة مئوية لهذه القيمة ، وهي أقل قليلاً من القيمة المقبولة حاليًا ، والتي تبلغ 1،602 × 10 -19 درجة مئوية. قد يكون السبب هو القيمة التي أعطاها لزوجة الهواء في المعادلة لـ تحديد السرعة النهائية للانخفاض.
مثال
رفع قطرة زيت
نرى المثال التالي. كثافة قطيرة الزيت ρ = 927 كجم / م 3 ويتم إطلاقها في منتصف الأقطاب الكهربائية مع انقطاع المجال الكهربائي. تصل القطرة بسرعة إلى السرعة النهائية ، حيث يتم تحديد نصف القطر ، والتي يتبين أن قيمتها R = 4.37 × 10 -7 م.
يتم تشغيل الحقل المنتظم ، ويتم توجيهه عموديًا لأعلى ، ويبلغ حجمه 9.66 كيلو نيوتن / C. بهذه الطريقة يتم تحقيق أن الهبوط يظل معلقًا في حالة السكون.
يسأل:
أ) احسب شحنة القطرة
ب) أوجد عدد مرات احتواء الشحنة الأولية في شحنة القطرة.
ج) تحديد علامة الحمولة إذا أمكن.
الشكل 3. قطرة زيت في منتصف مجال كهربائي ثابت. المصدر: أساسيات الفيزياء. ريكس ولفسون.
الاجابه على
سابقًا ، تم اشتقاق التعبير التالي للإشارة إلى نقطة السكون:
معرفة كثافة ونصف قطر القطرة ، يتم تحديد كتلة القطرة:
هكذا:
لذلك ، فإن تكلفة الانخفاض هي:
الحل ب
مع العلم أن الحمل الأساسي هو e = 1.6 x 10 -19 C ، اقسم الحمل الذي تم الحصول عليه في القسم السابق على هذه القيمة:
والنتيجة هي أن شحنة القطرة تساوي تقريبًا ضعف الشحنة الأولية. إنها ليست مزدوجة تمامًا ، ولكن هذا التناقض الطفيف يرجع إلى الوجود الحتمي لخطأ تجريبي ، وكذلك التقريب في كل من الحسابات السابقة.
الحل ج
من الممكن تحديد علامة الشحنة ، وذلك بفضل حقيقة أن البيان يعطي معلومات حول اتجاه المجال الموجه عموديًا لأعلى ، وكذلك القوة.
تبدأ خطوط المجال الكهربائي دائمًا بشحنات موجبة وتنتهي بشحنات سالبة ، لذلك يتم شحن اللوحة السفلية بعلامة + واللوحة العلوية بعلامة - (انظر الشكل 3).
نظرًا لأن الانخفاض موجه نحو اللوحة أعلاه ، مدفوعًا بالمجال ، وبما أن شحنة الإشارة المعاكسة تجتذب بعضها البعض ، يجب أن يكون للقطرة شحنة موجبة.
في الواقع ، ليس من السهل تحقيق إبقاء القطرة معلقة. لذلك استخدم Millikan عمليات الإزاحة الرأسية (صعودًا وهبوطًا) التي مر بها الانخفاض عن طريق إيقاف تشغيل الحقل وتشغيله ، بالإضافة إلى التغييرات في شحن الأشعة السينية وأوقات السفر ، لتقدير مقدار الشحن الإضافي الذي اكتسبه الانخفاض.
هذه الشحنة المكتسبة تتناسب مع شحنة الإلكترون ، كما رأينا بالفعل ، ويمكن حسابها من خلال أوقات الصعود والهبوط ، وكتلة الانخفاض وقيم g و E.
المراجع
- عقل متفتح. ميليكان ، الفيزيائي الذي جاء ليرى الإلكترون. تم الاسترجاع من: bbvaopenmind.com
- ريكس ، 2011. أساسيات الفيزياء. بيرسون.
- Tippens ، P. 2011. الفيزياء: المفاهيم والتطبيقات. الإصدار السابع. ماكجرو هيل.
- أمريتا. تجربة قطرة الزيت ميليكان. تم الاسترجاع من: vlab.amrita.edu
- كلية ويك فورست. تجربة قطرة الزيت ميليكان. تم الاسترجاع من: wfu.edu