Pokus s poklesem oleje - Oil drop experiment

Pokles olej Experiment byl proveden Robert A. Millikan a Harvey Fletcher v roce 1909 pro měření základní elektrický náboj (náboj elektronu ). Experiment proběhl v Ryerson fyzikální laboratoř na University of Chicago . Millikan obdržel Nobelovu cenu za fyziku v roce 1923.

Experiment zahrnoval pozorování malých elektricky nabitých kapiček oleje umístěných mezi dvěma rovnoběžnými kovovými povrchy, které tvořily desky kondenzátoru . Desky byly orientovány vodorovně, s jednou deskou nad druhou. Mlhu atomizovaných kapek oleje byla zavedena přes malý otvor v horní desce a byl ionizovány pomocí rentgenu , což je záporně nabitý. Nejprve s nulovým elektrickým polem byla měřena rychlost klesající kapičky. Při konečné rychlosti se síla tahu rovná gravitační síle. Jelikož obě síly závisí na poloměru různými způsoby, lze určit poloměr kapičky, a tedy hmotnost a gravitační sílu (pomocí známé hustoty oleje). Dále bylo mezi desky aplikováno napětí indukující elektrické pole a upravováno, dokud nebyly kapky pozastaveny v mechanické rovnováze , což naznačuje, že elektrická síla a gravitační síla jsou v rovnováze. Pomocí známého elektrického pole mohli Millikan a Fletcher určit náboj na kapce oleje. Opakováním experimentu pro mnoho kapiček potvrdili, že náboje byly všechny malé celočíselné násobky určité základní hodnoty, o které se zjistilo, že1,5924 (17) × 10 ⁻¹⁹  C , asi 0,6% rozdíl od aktuálně přijímané hodnoty1,602 176 634 x 10 ^-19  C . Navrhli, aby se jednalo o velikost záporného náboje jednoho elektronu.

Pozadí

Počínaje rokem 1908, zatímco profesor na Chicagské univerzitě v Millikanu, s významným přispěním Fletchera, „schopná pomoc pana J. Yinbonga Lee“, a po zdokonalení svého nastavení, vydal v roce 1913 svou klíčovou studii. kontroverzní, protože práce nalezené po Fletcherově smrti popisují události, ve kterých Millikan přiměl Fletchera, aby se vzdal autorství, jako podmínku pro získání doktorátu. Na oplátku Millikan využil svého vlivu na podporu Fletcherovy kariéry v Bell Labs.

Millikanův a Fletcherův experiment zahrnoval měření síly na kapičky oleje ve skleněné komoře vložené mezi dvě elektrody, jednu nahoře a jednu dole. S vypočítaným elektrickým polem mohli měřit náboj kapiček, přičemž náboj na jediném elektronu byl (1,592 × 10 ⁻¹⁹  C ). V době Millikanových a Fletcherových experimentů s poklesem oleje nebyla existence subatomárních částic všeobecně přijímána. Experimentováním s katodovými paprsky v roce 1897 objevil JJ Thomson záporně nabité „ krvinky “, jak je nazýval, s hmotností asi 1/1837krát menší než hmotnost atomu vodíku . Podobné výsledky nalezli George FitzGerald a Walter Kaufmann . Většinu toho, co se tehdy vědělo o elektřině a magnetismu , lze však vysvětlit na základě toho, že náboj je spojitá proměnná; podobně jako mnoho vlastností světla lze vysvětlit tím, že s ním zacházíme spíše jako s kontinuální vlnou než s proudem fotonů .

Elementární náboj e , je jedním ze základních fyzikálních konstant a tím i přesnost hodnoty má velký význam. V roce 1923 Millikan získal Nobelovu cenu za fyziku , částečně kvůli tomuto experimentu.

Kromě měření je kráse experimentu s poklesem oleje také to, že jde o jednoduchou a elegantní praktickou ukázku, že náboj je kvantován. Thomas Edison , který dříve myslel na náboj jako na spojitou proměnnou, se přesvědčil po práci s Millikanovým a Fletcherovým aparátem. Tento experiment se od té doby opakuje generacemi studentů fyziky, i když je poměrně nákladný a obtížně proveditelný.

V posledních dvou desetiletích bylo provedeno několik počítačově automatizovaných experimentů k hledání izolovaných frakčně nabitých částic. Od roku 2015 nebyly po měření více než 100 milionů kapek nalezeny žádné důkazy o částicích částečného náboje.

experimentální procedura

Zařízení

Millikanův a Fletcherův aparát obsahovaly paralelní pár vodorovných kovových desek. Použitím rozdílu potenciálů napříč deskami bylo v prostoru mezi nimi vytvořeno jednotné elektrické pole. K držení desek od sebe byl použit prsten izolačního materiálu. Do prstenu byly vyříznuty čtyři otvory, tři pro osvětlení jasným světlem a další pro umožnění pozorování mikroskopem.

Do komory nad deskami byla nastříkána jemná mlha kapiček oleje. Olej byl typu, který se obvykle používá ve vakuových zařízeních, a byl vybrán, protože měl extrémně nízký tlak par . Obyčejný olej by se pod teplem světelného zdroje odpařil, což by v průběhu experimentu způsobilo změnu hmotnosti kapky oleje. Některé kapky oleje byly elektricky nabité třením tryskou při jejich stříkání. Alternativně může být nabíjení vyvoláno zahrnutím zdroje ionizujícího záření (jako je rentgenová trubice ). Kapičky vstoupily do prostoru mezi deskami a protože byly nabité, bylo možné je přimět ke vzestupu a poklesu změnou napětí na deskách.

Metoda

Zpočátku se kapky oleje nechají padat mezi desky s vypnutým elektrickým polem. Velmi rychle dosáhnou konečné rychlosti v důsledku tření se vzduchem v komoře. Pole se poté zapne a pokud je dostatečně velké, některé kapky (nabité) začnou stoupat. (Důvodem je to, že elektrická síla F _E směrem nahoru je pro ně větší než gravitační síla F _g směrem dolů , stejným způsobem lze kousky papíru zachytit nabitou gumovou tyčí). Pravděpodobně vypadající kapka je vybrána a udržována ve středu zorného pole střídavým vypínáním napětí, dokud nespadnou všechny ostatní kapky. Experiment pak pokračuje s touto jednou kapkou.

Kapka se nechá spadnout a vypočítá se její konečná rychlost v ₁ v nepřítomnosti elektrického pole. Táhnout síla působící na poklesu pak může být zpracován pomocí Stokesova zákona :

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

kde v ₁ je koncová rychlost (tj. rychlost při absenci elektrického pole) klesající kapky, η je viskozita vzduchu a r je poloměr kapky.

Hmotnost w je objem D vynásobený hustotou ρ a gravitačním zrychlením g . Potřebná je však zdánlivá hmotnost. Zdánlivá hmotnost ve vzduchu je skutečná hmotnost minus vztlak (což se rovná hmotnosti vzduchu vytlačeného kapkou oleje). U dokonale sférických kapiček lze zdánlivou hmotnost zapsat jako:

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

Při konečné rychlosti se pokles oleje nezrychluje . Proto musí být celková síla působící na něj nulová a dvě síly F a musí se navzájem rušit (tj. F = ). Z toho vyplývá ${\ displaystyle {w}}$${\ displaystyle {w}}$

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

Jakmile je r vypočítáno, lze jej snadno vypočítat . ${\ displaystyle {w}}$

Nyní je pole znovu zapnuto a elektrická síla na poklesu je

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

kde q je náboj na kapce oleje a E je elektrické pole mezi deskami. Pro paralelní desky

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

kde V je potenciální rozdíl ad je vzdálenost mezi deskami.

Jedním myslitelným způsobem, jak zjistit q, by bylo upravit V, dokud pokles oleje nezůstal stabilní. Pak bychom mohli rovnat F _E s . Stanovení F _{E se také} ukazuje jako obtížné, protože je těžké určit hmotnost kapky oleje, aniž bychom se vrátili k použití Stokesova zákona. Praktičtějším přístupem je mírně zvednout V tak, aby kapka oleje stoupala s novou koncovou rychlostí v ₂ . Pak ${\ displaystyle {w}}$

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

Obvinění z podvodu

Nějakou polemiku vyvolal fyzik Gerald Holton (1978), který poukázal na to, že Millikan zaznamenal do svého deníku více měření, než kolik zahrnoval do svých konečných výsledků. Holton navrhl, aby tyto datové body byly z velké sady kapek oleje měřených v jeho experimentech bez zjevného důvodu vynechány. Toto tvrzení zpochybnil Allan Franklin , experimentátor fyziky vysokých energií a filozof vědy na Coloradské univerzitě . Franklin tvrdil, že Millikanova vyloučení dat podstatně neovlivnila jeho konečnou hodnotu e , ale snížila statistickou chybu kolem tohoto odhadu e . To umožnilo Millikanovi tvrdit, že vypočítal e na více než polovinu jednoho procenta; ve skutečnosti, kdyby Millikan zahrnul všechna data, která vyhodil, standardní chyba průměru by byla do 2%. I když by to stále vedlo k tomu, že Millikan měřil e lépe než kdokoli jiný v té době, mírně větší nejistota mohla umožnit větší nesouhlas s jeho výsledky ve fyzikální komunitě. Zatímco Franklin opustil svoji podporu pro Millikanovo měření se závěrem, který připouští, že Millikan mohl na datech provést „kosmetickou operaci“, David Goodstein prozkoumal původní podrobné notebooky, které Millikan uchovával, a dospěl k závěru, že Millikan zde a ve zprávách, které uvedl, jasně uvádí pouze kapky, které prošly „kompletní sérií pozorování“ a nevyloučily žádné kapky z této skupiny úplných měření. Důvody, proč se nepodařilo vygenerovat úplné pozorování, zahrnují anotace týkající se nastavení přístroje, produkce ropných kapek a atmosférických účinků, které podle názoru Millikana (potvrzené sníženou chybou v této sadě) zneplatnily dané konkrétní měření.

Millikanův experiment jako příklad psychologických účinků ve vědecké metodologii

Na úvodním projevu na Kalifornském technologickém institutu (Caltech) v roce 1974 (a přetištěném v Surely Joking, Mr. Feynman! V roce 1985 a také v The Pleasure of Finding Things Out v roce 1999) poznamenal fyzik Richard Feynman :

Na základě zkušeností jsme se naučili, jak zacházet s některými způsoby, jak se sami klameme. Jeden příklad: Millikan měřil náboj na elektronu experimentem s padajícími olejovými kapkami a dostal odpověď, o které nyní víme, že není zcela v pořádku. Je to trochu pryč, protože měl nesprávnou hodnotu viskozity vzduchu. Je zajímavé podívat se na historii měření náboje elektronu po Millikanu. Pokud je vykreslíte jako funkci času, zjistíte, že jeden je o něco větší než Millikanův a ten druhý je o něco větší než ten, a ten druhý o něco větší než ten, dokud se nakonec neusadí číslo, které je vyšší.
Proč nezjistili, že nové číslo je hned vyšší? Je to věc, za kterou se vědci stydí - tato historie - protože je zřejmé, že lidé dělali takové věci: Když dostali číslo, které bylo příliš vysoko nad Millikanovým, mysleli si, že něco musí být špatně - a oni by hledali a našli důvod proč by něco mohlo být špatně. Když dostali číslo blízké hodnotě Millikan, nevypadali tak tvrdě. A tak eliminovali příliš vzdálená čísla a dělali další podobné věci ...

Od května 2019 je hodnota základního poplatku definována přesně1,602 176 634 x 10 ^-19  C . Před tím byla nejnovější (2014) přijatá hodnota1,602 176 6208 (98) × 10 ⁻¹⁹  C , kde (98) označuje nejistotu posledních dvou desetinných míst. Ve své Nobelově přednášce přednesl Millikan své měření jako4,774 (5) × 10 ⁻¹⁰  statC , což se rovná1,5924 (17) x 10 ^-19  C . Rozdíl je menší než jedno procento, ale je šestkrát větší než standardní chyba Millikana , takže neshoda je významná.

Reference

Další čtení

externí odkazy

• Simulace experimentu s poklesem oleje (vyžaduje JavaScript)
• Thomsen, Marshall, „ Dobré do poslední kapky “. Millikan Stories jako „konzervovaná“ pedagogika. Eastern Michigan University.
• Tým CSR / TSGC, „ Quark search experiment “. Texaská univerzita v Austinu.
• Experiment s ropnou kapkou se objevuje v seznamu 10 nejkrásnějších experimentů Science [1] , původně publikovaném v New York Times .
• Engeness, TE, „ Experiment s poklesem ropného oleje Millikan “. 25. dubna 2005.
• Millikan RA (1913). „Na elementárním elektrickém náboji a Avogadrově konstantě“ (PDF) . Fyzický přehled . Řada II. 2 (2): 109–143. Bibcode : 1913PhRv .... 2..109M . doi : 10,1103 / PhysRev.2.109 . Příspěvek Millikana pojednávající o úpravách jeho původního experimentu za účelem zlepšení jeho přesnosti.
• Hudspeth, Paul (2000). "Hledání volných kvarků v prostředí mikro gravitace Mezinárodní kosmické stanice". Sborník konferencí AIP . 504 : 715–722. Bibcode : 2000AIPC..504..715H . doi : 10,1063 / 1,1302567 . Varianta tohoto experimentu byla navržena pro Mezinárodní vesmírnou stanici .
• Perry, Michael F. (2007). „Vzpomínka na experiment s kapkami oleje“ (PDF) . Fyzika dnes . 60 (5): 56–60. Bibcode : 2007PhT .... 60e..56P . doi : 10,1063 / 1,2743125 .