Опыт Милликена

Опыт Милликена — опыт по измерению элементарного электрического заряда (заряда электрона), проведённый Робертом Милликеном и Харви Флетчером в 1909 году.

Идея эксперимента состоит в нахождении баланса между силой тяжести, силой Стокса и электрическим отталкиванием. Управляя мощностью электрического поля, Милликен и Флетчер удерживали мелкие капельки масла в механическом равновесии. Повторив эксперимент для нескольких капель, учёные подтвердили, что общий заряд капли складывается из нескольких элементарных. Значение заряда электрона в опыте 1911 года получилось равным <math>1,5924(17) \times 10^{-19}</math> Кл, что на 1 % отличается от современного значения в <math>1,602176487(40) \times 10^{-19}</math> Кл.

Описание опыта

В пространство между двумя пластинами под напряжением (в конденсатор) Милликен вводил мельчайшие заряженные капли масла, которые могли находиться в неподвижном состоянии в определённом электрическом поле. Равновесие наступало при условии <math> F_r = eE </math>, где <math> F_r </math> — результирующая сил тяжести и силы Архимеда;

<math> F_r = \frac {4} {3} \pi r^3 (\rho - \rho_0)g </math> , где в свою очередь:

<math>\rho </math> — плотность капли масла;

<math> r </math> — её радиус в предположении, что капля сферична;

<math> \rho_0 </math> — плотность воздуха.

Из указанных формул можно, зная <math>r</math> и <math>E</math>, найти <math>e</math>.

Для определения радиуса капли измерялась скорость <math>v_0 </math> равномерного падения капельки в отсутствие поля, так как равномерное движение устанавливается тогда, когда сила тяжести <math>F_w = mg</math> уравновешивается силой сопротивления воздуха <math> F_{res} = 6 \pi \eta r v_0</math>, где <math> \eta </math> — вязкость воздуха. Отсюда получим:

<math>r=\frac{3\sqrt 2}{2}\sqrt{\frac{\eta v_0}{(\rho-\rho_0)g}}</math>.

Зафиксировать неподвижность капли было сложно в то время, поэтому вместо поля, удовлетворяющего условию <math> F_r = eE </math> использовалось поле, под воздействием которого капля начинала двигаться с небольшой скоростью вверх. Очевидно, что если скорость подъёма равна <math>v</math>, то

<math>F_r + F_{res} = eE \Leftrightarrow \frac {4} {3} \pi r^3 (\rho - \rho_0)g + 6 \pi \eta r v = eE</math>, откуда

<math>e = \frac {4 \pi}{3} \frac {r^3 (\rho-\rho_0)g} {E} \left ( 1+\frac{9}{2} \frac{\eta v}{r^2 (\rho-\rho_0)g} \right )</math>, или, подставляя ранее найденный радиус капли <math>r</math>: <math>e=9\sqrt 2 \pi \frac{1}{E} \sqrt{\frac{\eta^3 v_0^3}{(\rho-\rho_0)g}}\left ( 1+\frac{v}{v_0} \right )</math>.

В ходе опыта получен важный факт: все величины, которые получались у Милликена, оказывались кратными одной и той же величине. Таким образом было экспериментально показано, что заряд — дискретная величина.

Обвинения в мошенничестве

Существует некоторые разногласия по методу проведения опыта, поднятые физиком Джеральдом Холтоном. Холтон отметил, что Милликеном учитывался слишком большой набор капель масла. Аллан Франклин — известный практик в университете Колорадо попытался опровергнуть эту точку зрения. Франклин утверждает, что упрощения, которые делал Милликен, не влияют на окончательное значение e. Возможно, что точность измерения заряда несколько завышена, и в действительности было получено значение заряда, отличающееся от реального на 2 %. В любом случае Милликен был первым человеком, измерившим заряд электрона.

Литература

• Савельев И.В. Глава X. Движение заряженных частиц. // Курс общей физики.. — 3. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. — Т. 2. — С. 215. — 496 с. — 220 000 экз.
• Липсон Г. Глава X. Строение вещества. // Великие эксперименты в физике.. — М.: Мир, 1972. — С. 168. — 214 с.

Ссылки

• Thomsen, Marshall, «[www.physics.emich.edu/mthomsen/sege.htm Good to the Last Drop]». Millikan Stories as «Canned» Pedagogy. Eastern Michigan University.
• CSR/TSGC Team, «[www.tsgc.utexas.edu/floatn/1997/teams/UT-austin.html Quark search experiment]». The University of Texas at Austin.
• The oil drop experiment appears in a list of [physics.nad.ru/Physics/English/top10.htm Science’s 10 Most Beautiful Experiments] originally published in the New York Times.
• Engeness, T.E., «[people.ccmr.cornell.edu/~muchomas/8.04/Lecs/lec_Millikan/Mill.html The Millikan Oil Drop Experiment]». 25 April 2005
• Millikan R. A. (1913). «[www.aip.org/history/gap/PDF/millikan.pdf On the elementary electrical charge and the Avogadro constant]». The Physical Review, Series II 2: 109–143., Paper by Millikan discussing modifications to his original experiment to improve its accuracy.
• [scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=APCPCS000504000001000715000001&idtype=cvips&gifs=yes Millikan Oil Drop Experiment in space]. A variation of this experiment has been suggested for the International Space Station.

Отрывок, характеризующий Опыт Милликена

В это же время в дверь стучалась девушка, посланная графиней, хватившейся дочери.
Как сомнамбулка, которую разбудили в середине ее сна, Наташа вышла из комнаты и, вернувшись в свою избу, рыдая упала на свою постель.

С этого дня, во время всего дальнейшего путешествия Ростовых, на всех отдыхах и ночлегах, Наташа не отходила от раненого Болконского, и доктор должен был признаться, что он не ожидал от девицы ни такой твердости, ни такого искусства ходить за раненым.
Как ни страшна казалась для графини мысль, что князь Андрей мог (весьма вероятно, по словам доктора) умереть во время дороги на руках ее дочери, она не могла противиться Наташе. Хотя вследствие теперь установившегося сближения между раненым князем Андреем и Наташей приходило в голову, что в случае выздоровления прежние отношения жениха и невесты будут возобновлены, никто, еще менее Наташа и князь Андрей, не говорил об этом: нерешенный, висящий вопрос жизни или смерти не только над Болконским, но над Россией заслонял все другие предположения.


Пьер проснулся 3 го сентября поздно. Голова его болела, платье, в котором он спал не раздеваясь, тяготило его тело, и на душе было смутное сознание чего то постыдного, совершенного накануне; это постыдное был вчерашний разговор с капитаном Рамбалем.
Часы показывали одиннадцать, но на дворе казалось особенно пасмурно. Пьер встал, протер глаза и, увидав пистолет с вырезным ложем, который Герасим положил опять на письменный стол, Пьер вспомнил то, где он находился и что ему предстояло именно в нынешний день.
«Уж не опоздал ли я? – подумал Пьер. – Нет, вероятно, он сделает свой въезд в Москву не ранее двенадцати». Пьер не позволял себе размышлять о том, что ему предстояло, но торопился поскорее действовать.
Оправив на себе платье, Пьер взял в руки пистолет и сбирался уже идти. Но тут ему в первый раз пришла мысль о том, каким образом, не в руке же, по улице нести ему это оружие. Даже и под широким кафтаном трудно было спрятать большой пистолет. Ни за поясом, ни под мышкой нельзя было поместить его незаметным. Кроме того, пистолет был разряжен, а Пьер не успел зарядить его. «Все равно, кинжал», – сказал себе Пьер, хотя он не раз, обсуживая исполнение своего намерения, решал сам с собою, что главная ошибка студента в 1809 году состояла в том, что он хотел убить Наполеона кинжалом. Но, как будто главная цель Пьера состояла не в том, чтобы исполнить задуманное дело, а в том, чтобы показать самому себе, что не отрекается от своего намерения и делает все для исполнения его, Пьер поспешно взял купленный им у Сухаревой башни вместе с пистолетом тупой зазубренный кинжал в зеленых ножнах и спрятал его под жилет.
Подпоясав кафтан и надвинув шапку, Пьер, стараясь не шуметь и не встретить капитана, прошел по коридору и вышел на улицу.
Тот пожар, на который так равнодушно смотрел он накануне вечером, за ночь значительно увеличился. Москва горела уже с разных сторон. Горели в одно и то же время Каретный ряд, Замоскворечье, Гостиный двор, Поварская, барки на Москве реке и дровяной рынок у Дорогомиловского моста.
Путь Пьера лежал через переулки на Поварскую и оттуда на Арбат, к Николе Явленному, у которого он в воображении своем давно определил место, на котором должно быть совершено его дело. У большей части домов были заперты ворота и ставни. Улицы и переулки были пустынны. В воздухе пахло гарью и дымом. Изредка встречались русские с беспокойно робкими лицами и французы с негородским, лагерным видом, шедшие по серединам улиц. И те и другие с удивлением смотрели на Пьера. Кроме большого роста и толщины, кроме странного мрачно сосредоточенного и страдальческого выражения лица и всей фигуры, русские присматривались к Пьеру, потому что не понимали, к какому сословию мог принадлежать этот человек. Французы же с удивлением провожали его глазами, в особенности потому, что Пьер, противно всем другим русским, испуганно или любопытна смотревшим на французов, не обращал на них никакого внимания. У ворот одного дома три француза, толковавшие что то не понимавшим их русским людям, остановили Пьера, спрашивая, не знает ли он по французски?
Пьер отрицательно покачал головой и пошел дальше. В другом переулке на него крикнул часовой, стоявший у зеленого ящика, и Пьер только на повторенный грозный крик и звук ружья, взятого часовым на руку, понял, что он должен был обойти другой стороной улицы. Он ничего не слышал и не видел вокруг себя. Он, как что то страшное и чуждое ему, с поспешностью и ужасом нес в себе свое намерение, боясь – наученный опытом прошлой ночи – как нибудь растерять его. Но Пьеру не суждено было донести в целости свое настроение до того места, куда он направлялся. Кроме того, ежели бы даже он и не был ничем задержан на пути, намерение его не могло быть исполнено уже потому, что Наполеон тому назад более четырех часов проехал из Дорогомиловского предместья через Арбат в Кремль и теперь в самом мрачном расположении духа сидел в царском кабинете кремлевского дворца и отдавал подробные, обстоятельные приказания о мерах, которые немедленно должны были бытт, приняты для тушения пожара, предупреждения мародерства и успокоения жителей. Но Пьер не знал этого; он, весь поглощенный предстоящим, мучился, как мучаются люди, упрямо предпринявшие дело невозможное – не по трудностям, но по несвойственности дела с своей природой; он мучился страхом того, что он ослабеет в решительную минуту и, вследствие того, потеряет уважение к себе.