Эксперимент с каплей масла

Не путать с экспериментом по снижению высоты тона .

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 ) . Эксперимент Чикагского проходил в Физической лаборатории Райерсона университета . Милликен получил Нобелевскую премию по физике в 1923 году.

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 напряжение, между пластинами прикладывалось 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 числами, кратными определенному базовому значению, которое, как выяснилось, составляло 1.5924(17) × 10 ⁻¹⁹  C , разница около 0,6% от принятого в настоящее время значения 1,602 176 634 × 10. ⁻¹⁹ С. ​ ‍ Они предположили, что это величина отрицательного заряда одного электрона.

Предыстория

Роберт А. Милликен в 1891 году.

Начиная с 1908 года, будучи профессором , Чикагского университета Милликен, при значительном вкладе Флетчера, «способная помощь г-на Дж. Иньбонга»Ли», и после улучшения своей установки опубликовал свое плодотворное исследование в 1913 году. 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. 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, заряд одного электрона составил ( −1,592 × 10 ⁻¹⁹  С ). 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 Кауфманом . 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. Этот эксперимент с тех пор повторяли поколения студентов-физиков, хотя он довольно дорог и его сложно провести должным образом.

было проведено несколько компьютерно-автоматизированных экспериментов С 1995 по 2007 год в SLAC по поиску изолированных частиц с дробным зарядом, однако после измерения более 100 миллионов капель не было обнаружено никаких доказательств существования частиц с дробным зарядом.

процедура

Оборудование

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 :

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

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:

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

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

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

После того как r вычислено, ${w}$ можно легко решить.

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

$F_{E}=qE\,$

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

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

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 F _E к ${w}$. 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

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

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 . 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. Причины невозможности создания полного наблюдения включают аннотации, касающиеся настройки аппарата, образования капель нефти и атмосферных эффектов, которые, по мнению Милликена (подтверждаемые уменьшенной ошибкой в ​​​​этом наборе), сделали недействительными данное конкретное измерение.

Эксперимент Милликена как пример психологических эффектов в научной методологии

См. Также: Предвзятость подтверждения § Наука и научные исследования

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 :

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 неверное 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 г. величина элементарного заряда определяется как 1,602 176 634 × 10. ⁻¹⁹  C С .До этого самое последнее (2014 г.) принятое значение было 1,602 176 6208 (98) × 10 ⁻¹⁹  C , где (98) указывает на неопределенность последних двух десятичных знаков. В своей Нобелевской лекции Милликен дал размер 4,774(5) × 10. ⁻¹⁰  статC , что равно 1,5924(17) × 10 ⁻¹⁹ С. ​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. 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 значение Милликена больше невозможно поддерживать, и установленное значение стало (4,800 ± 0,005) × 10. ⁻¹⁰ statC или (1,6011 ± 0,0017) × 10 ⁻¹⁹ С. ​

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 : 2007ФТ....60е..56П . дои : 10.1063/1.2743125 . Архивировано из оригинала (PDF) 3 марта 2016 г. Проверено 1 февраля 2014 г.