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Das Prozess gegen Millikan war ein Experiment, das 1909 von Robert Millikan und Harvey Fletcher.

Ziel des Experiments von Robert Millikan und Harvey Fletcher im Jahr 1909 war es, die Ladung von einer einzigen Elektron. Sie haben das ein bisschen geschafft Öltropfen zwischen zwei schweben Kondensatorplatten. Wenn man dann die elektrische Feldstärke kennt und die Masse des Öltropfens kann man die Ladung des Tropfens sehr genau bestimmen. Indem sie dies für eine große Anzahl dieser kleinen Tröpfchen machten, stellten sie fest, dass die gemessenen Werte immer mehrere waren von der gleichen Ladung. Sie interpretierten dies als Ladung auf einem einzelnen Elektron: 1,602 × 10⁻¹⁹coulomb.

Hintergrund

Robert A. Millikan im 1891

Ab 1909, als er Professor an der Universität von Chicago Millikan arbeitete – mit viel Input von Fletcher – an dem Öltropfen-Experiment. Seitdem haben Generationen von Physikstudenten das Experiment wiederholt – mit unterschiedlichem Erfolg. Nach der Veröffentlichung im Jahr 1910 wurde der gefundene Wert für die Elektronenladung von Felix Ehrenhaft. Es kam zu einer Kontroverse zwischen den beiden Physikern. Nachdem er sein Setup verbessert hatte, veröffentlichte er seine Ergebnisse in 1913. Die sogenannte Elementarladung ist eine der fundamentalen physikalischen Konstanten und ihre genaue Bestimmung ist von großer Bedeutung. Bei diesem Experiment wurde die Kraft auf winzige geladene Öltröpfchen gemessen, die zwischen zwei geladenen Metallplatten gegen die Schwerkraft schweben. Sind die elektrische Feldstärke, die Tropfengröße und die spezifische Masse des Öls bekannt, kann die Ladung des Tropfens bestimmt werden. Durch Wiederholung des Experiments für eine große Anzahl von Tröpfchen zeigte Millikan, dass die gefundene Ladung immer ein Vielfaches eines „elementaren“ Wertes war (1,602 × 10⁻¹⁹ Coulomb). Dies kann als die Ladung eines einzelnen Elektrons erklärt werden.

Obwohl es in der Nähe gibt 1891 Obwohl der Verdacht bestand, dass es subatomare Teilchen geben würde, waren nicht alle davon überzeugt. Durch experimentieren mit Kathodenstrahlen im 1897 hätten Joseph John Thomson entdeckte negativ geladene „Körper“, wie er sie nannte, mit einer Masse, die 1000 Mal kleiner ist als die eines Wasserstoffatoms. Ähnliche Ergebnisse wurden gefunden von George FitzGerald und Walter Kaufmann. So ziemlich alles, was dann noch übrig war Elektrizität und Magnetismus bekannt war, könnte damit erklärt werden, dass Ladung eine ununterbrochene Größe ist. Der Reiz dieses Experiments besteht darin, dass es mit einfachen Mitteln eine recht genaue Bestimmung einer Fundamentalkonstante ermöglicht und gleichzeitig die Quantisierung der Ladung demonstriert. Thomas Edison hatte zuvor gedacht, dass die Ladung eine unendlich teilbare Größe sei, war aber nach der Arbeit mit Millikan- und Fletcher-Geräten vom Gegenteil überzeugt.

In späteren Jahren gab es viel Aufhebens um Millikans „selektive“ Verwendung der Ergebnisse. Der Historiker Gerald Holton bemerkte, dass Messungen eher selektiv behandelt wurden. Holton (1978) wies darauf hin, dass Millikan ohne ersichtlichen Grund eine große Anzahl von Messwerten ignorierte. Experten nuancierten dies später, aber dass eine "kosmetische Operation" an den Ergebnissen durchgeführt wurde, wird jetzt akzeptiert. Der Zweck war es, sagen zu können, dass eine Messung von e mit einer Genauigkeit von ±0,5%, wenn die tatsächliche Genauigkeit innerhalb von ±2% lag, was immer noch genauer war als alle anderen, aber Millikan stellte fest, dass dies in Physikkreisen zu "unnötigen Diskussionen" geführt hätte.

Im 1923 gewann Millikan die Nobelpreis für Physik - zum Teil wegen dieses Experiments. Das Experiment wurde seitdem von Generationen von Physikstudenten wiederholt und jedes Mal bemerkt, wie schwierig es ist, dem wahren Wert von . auch nur annähernd nahe zu kommen e und kommen innerhalb der Fehlerspanne von Millikan heraus.

Versuchsdurchführung

Einfache Einrichtung für Millikans Test.

Das Diagramm zeigt eine einfache Version von Millikans Experiment. Ein elektrisches Feld wird durch zwei horizontale parallele Kondensatorplatten mit hoher Potentialdifferenz aufrechterhalten. Zwischen ihnen werden Öltröpfchen durch einen Zerstäuber freigesetzt. Bis zum Stromspannung die Tropfen können sich nach oben oder unten bewegen. Die Platten werden durch einen Ring aus Isoliermaterial mit Löchern zusammengehalten, durch die Licht eindringen kann. EIN Mikroskop schaut durch ein anderes Loch. Die Öltröpfchen leuchten als helle Punkte auf dunklem Hintergrund. Das Mikroskop verfügt über eine kalibrierte Skala im Objektiv, mit der die Geschwindigkeit eines Tropfens gemessen werden kann. Das Öl ist eine Art Silikonöl, das üblicherweise in Vakuumgeräten verwendet wird. Der Grund dafür ist, dass diese Art von Öl einen extrem niedrigen Dampfdruck hat. Gewöhnliches Öl würde unter der Hitze der Lichtquelle verdampfen, sodass die Masse des Öltropfens während des gesamten Experiments nicht konstant bleibt. Einige Öltröpfchen werden aufgeladen durch Reibung mit der Röhre zum Zeitpunkt der Injektion und andere können durch eine Ionisierung aufgeladen werden Strahlungsquelle (wie eine Röntgenquelle).

Einrichten

Beim ursprünglichen Millikan-Gerät wurden die Öltröpfchen zunächst bei ausgeschaltetem elektrischem Feld zwischen die Platten injiziert. Sie erreichen dann a Endgeschwindigkeit durch Reibung mit der Luft.Das Feld wird dann eingeschaltet und wenn es groß genug ist, beginnen einige Tropfen (die geladenen Tropfen) aufzusteigen. Dies liegt daran, dass die nach oben gerichtete elektrische Kraft F_e ist größer als die nach unten gerichtete Schwerkraft F_z. Durch Ein- und Ausschalten der Spannung wird eines der Tröpfchen ausgewählt und in der Mitte des Messbereichs gehalten, bis alle anderen Tröpfchen gefallen sind. Der Versuch wird dann mit diesem einen Tropfen fortgesetzt.

Man lässt den Tropfen fallen und seinen Endgeschwindigkeit v₁ ohne elektrisches Feld berechnet. Die auf den Tropfen wirkende Bremskraft lässt sich dann mit Stokes' Gesetz: wahr

${displaystyle F_{w}=6pi reta v_{1},}$

• v₁ = ist die Endgeschwindigkeit des fallenden Tropfens
• η = die Viskosität der Luft und
• r = der Radius des Tropfens.

Die Masse m ist das Volumen V multipliziert mit der Dichte und die Beschleunigung ist die Erdbeschleunigung g.

Was berechnet werden muss, ist die nach unten gerichtete Kraft des Tropfens. Das ist das wahre Gewicht abzüglich der Auftriebskraft (das Gewicht der verdrängten Luft). Für ein perfekt kugelförmiges Tröpfchen kann diese Kraft geschrieben werden als:

${displaystyle F_{upward}={frac {4}{3}}pi r^{3}(ho _{oil}-ho _{air})g,}$

Bei Enddrehzahl beschleunigt der Öltropfen nicht. Dann muss die Gesamtkraft null sein, also die beiden Kräfte F kompensieren_z und F_{nach oben} gegenseitig. Sobald r berechnet ist, kann F_{nach oben} leicht ausgearbeitet werden.

Jetzt wird das elektrische Feld eingeschaltet. Q ist die Ladung des Öltropfens und E ist das elektrische Feld zwischen den Platten.

Für parallele Platten, wobei V die Potentialdifferenz und D der Abstand zwischen den Platten ist. Eine Möglichkeit, Q zu finden, besteht darin, V einzustellen, bis der Öltropfen still hängt. Dann F_E mit F_z einander gleich. In der Praxis ist es äußerst schwierig, dies genau zu tun. Ein praktischerer Ansatz besteht darin, V leicht zu erhöhen, damit der Öltropfen eine neue Endgeschwindigkeit v . hat₂ geht hoch.