Wikipédia

„Olajcseppkísérlet” változatai közötti eltérés

Laptörténet interaktív böngészése
[ellenőrzött változat][nem ellenőrzött változat]
← Régebbi szerkesztésÚjabb szerkesztés →
Tartalom törölve Tartalom hozzáadva
VizuálisWikiszöveges
Nincs szerkesztési összefoglaló
a cikk átdolgozása szakirodalom alapján
1. sor:
[[Robert Millikan|Robert Andrews Millikan]] híres '''olajcseppkísérlet'''ének célja a legkisebb töltés, az [[elemi töltés]] nagyságának megmérése volt. Az 1923-ban [[fizikai Nobel-díj]]jal jutalmazott kísérletek eredménye szerint az elemi töltés nagysága 1,592{{e|-19}} [[coulomb]]. Ez csupán 0,62%-ban tér el a ma elfogadott 1,602176565{{e|-19}} [[coulomb]] értéktől.<ref>http://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?e</ref>
[[Robert Andrews Millikan|Robert Millikan]] [[1909]]-es '''olajcseppkísérlet'''ének célja az [[elektron]] [[elektromos töltés]]ének pontos mérése volt. Millikan a kísérletet a következőképpen végezte el: egyensúlyi helyzetben tartotta a töltött olajcseppecskéket – azaz kiegyensúlyozta a rá ható [[gravitáció]]s és elektromos erőt. Ismerve az [[elektromos mező]]t, a cseppecskén lévő töltés meghatározható. A kísérletet sok cseppecskével megismételve, az eredmények mindig egy érték többszöröseit adták. Ez az érték egyetlen [[elemi töltés|elektron töltése]], azaz 1,602{{e|-19}} [[coulomb]]. (A coulomb az [[elektromos töltés]] [[SI]] [[mértékegység]]e).
 
==Előzmények==
Abban az időben már sejtettek valamit a [[szubatomi részecskék]]ről ([[J.J. Thomson]] [[katódsugárzás|katódsugaras]] kísérletének köszönhetően), viszont az elektromágneses jelenségek nagy részét meg lehetett magyarázni az elektromos töltés fluidum elméletével. Millikan kísérlete bebizonyította, hogy a töltésmennyiség kvantált – létezik egy legkisebb egység, az elektron.
A XIX. század végére egyre elterjedtebbé vált az a nézet, hogy az anyag, és az elektromosság nem folytonos, hanem diszkrét szerkezetű. Több felfedezés is született a többek által vizsgált [[katódsugárzás|katódsugárcsöves]] kísérletekből, ilyen volt például a [[röntgensugárzás]], a [[fényelektromos jelenség|fotoeffektus]] felfedezése.<ref>Simonyi Károly: A fizika kultúrtörténete</ref> [[Joseph John Thomson]] hasonló kísérleteiből már lehetett tudni, hogy a katódsugárzásban negatív töltésű részecskék – [[elektron]]ok – terjednek. Thomson méréseiből azonban nem magát a töltés nagyságát, hanem a részecskék fajlagos töltését, azaz az ''e''/''m'' hányadost lehetett megadni.<ref>http://www.kfki.hu/~cheminfo/hun/olvaso/histchem/mol/elektron.html</ref>
Az elemi töltés nagyságának meghatározásával – mind elméleti, mind kísérleti módszerrel – többen is próbálkoztak az 1900-as évek kezdetén, például Erich Rudolf Alexander Regener, Luis Begeman, és Felix Ehrenhaft.
 
Millikan kísérletei eleinte a Charles Thomson Rees Wilson skót fizikus által 1895-ben kifejlesztett, és több szempontból továbbtökéletesített ködkamrában folytak. A Begemannal közösen végzett kísérletekben vízcseppekből álló felhő mozgását figyelték meg, ezeket az eredményeket 1908-1910 között publikálták.<ref>R. A. Millikan, L. Begeman: On the Charge Carried by the Negative Ion of an Ionized Gas, Physical Review, vol. 26 No. 2 (1908) 197–198.</ref><ref>R. A. Millikan: A New Modification of the Cloud Method of Determining the Elementary Electrical Charge and the Most Probable Value of that Charge, Philosophical Magazine and Journal of Science, vol. 6 No. 110 (1910) 209–228.</ref> Később Millikan tanítványának, Harvey Fletchernek a javaslatára olajjal, mint nem párolgó közeggel folytatták a kísérleteket.<ref>H. Fletcher: My work with Millikan on the oil-drop experiment, Physics Today, 35 (1982) 43–47.</ref> Ekkor fejlesztették ki az úgynevezett porlasztós elrendezést, ami az 1913-ban publikált híres olajcseppkísérlethez vezetett.<ref>R. A. Millikan: On the Elementary Electrical Charge and the Avogadro Constant The Physical Review, vol. 2 No. 2 (1913) 109–143.</ref>
[[1923]]-ban Millikan – többek között ezen kísérlet elismeréseképpen – megkapta a [[fizikai Nobel-díj]]at. Azóta ezt a kísérletet fizikus hallgatók ezrei ismételték meg, bár a kísérlet megfelelően pontos elvégzése igen nehéz és költséges feladat.
 
==A mérés elve==
Az olajcseppkísérlet egy változatát később szabad [[kvark]]ok keresésére is felhasználták (melyek, ha léteznek, az elektron töltésének 1/3-ával rendelkeznek), sikertelenül. A jelenlegi kvarkelméletek szerint a kvarkok erősen kötött állapotban vannak és nem is létezhetnek nem kötött (szabad) állapotban. Azonban érdemes megemlíteni, hogy Millikan eredeti jegyzetei között szerepel egy olyan megfigyelés, melyben egy +1/3-os töltésű olajcsepp került lejegyzésre, és amelyet Millikan akkoriban egyszerűen hibaként kezelt.
[[Kép:Simplified scheme of Millikan’s oil-drop experiment.png|bélyegkép|jobbra|300px|]]▼
Az ábra Millikan berendezésének egy egyszerűsített, sematikus változatát mutatja. A porlasztással előállított töltéssel bíró olajcseppek a tartályba kerülnek. A két fémlemez közötti térrészbe bejutó csepp mozgását figyelik meg a mikroszkóppal egyszer úgy, hogy a lemezekre nem kapcsolnak feszültséget, másszor úgy, hogy nagyfeszültséget kapcsolnak rájuk.
 
Az elektromos tér nélküli esetben az olajcsepp lefelé tartó mozgását a nehézségi erő, a felhajtó erő, és a Stokes-féle közegellenállási erő befolyásolják:<ref>Buzády Andrea, Szegő Dóra: Millikan és az elemi töltés meghatározásának története - 1. rész, Fizikai Szemle, LXV. évf, 2015. július-augusztus, 245-248</ref><ref>Buzády Andrea, Szegő Dóra: Millikan és az elemi töltés meghatározásának története - 2. rész, Fizikai Szemle, LXV. évf, 2015. szeptember, 301-305</ref>
==A kísérlet menete==
<math>F_g = \frac{4}{3} \pi r^3 g \rho \,</math>, <math>F_f = \frac{4}{3} \pi r^3 g\rho_\mathrm {k} \,</math>, <math> F_\mathrm {k1} = 6\pi r \eta v_1 \ </math>, ahol <math>\rho</math> és <math> v_1 \ </math> az olajcsepp sűrűsége és sebessége, <math>\rho_k</math> és <math>\eta</math> a közeg sűrűsége és [[viszkozitás]]a, ''r'' pedig a csepp sugara.
Egyenletes mozgást feltételezve ezek eredője nulla:
::<math>F_EF_g = F_G F_f+F_\mathrm F_K{k1} \ </math>▼
Ezt a két erőt kiegyenlítveÍgy a csepp sugarára a következőt kapjuk:▼
::<math>r^2 = \frac{9 \eta v_1}{2 g (\rho - \rho _\mathrm {levegok})} \,</math>▼
Ezután megfelelő nagyságú elektromos teret (''E'') kapcsolva a lemezekre, a cseppet egyenletesen felfelé mozgatják. A fenti erőkön kívül ekkor a ''Q'' töltéssel bíró cseppre a következő elektromos erő is hat: <math>F_e = Q E = Q \frac{U}{d}</math>, ahol ''U'' a feszültség, ''d'' pedig a két lemez közötti távolság.
 
Egyenletes mozgás esetén a felfelé ható elektromos és felhajtó erő, illetve a lefelé ható gravitációs és közegellenállási erő ismét kiegyenlítik egymást. Az erők egyensúlyára felírható: <math>F_e+ F_f = F_g + F_\mathrm {k2} \ </math>, ahol a közegellenállási erő most a csepp mozgásához tartozó <math> v_2 \ </math> sebességnek megfelelően: <math>F_\mathrm {k2} = 6\pi r \eta v_2 \ </math>
▲[[Kép:Simplified scheme of Millikan’s oil-drop experiment.png]]
 
A kísérleti elrendezés paramétereiből (viszkozitás, feszültség, lemezek távolsága, sűrűségek) és a csepp mozgásának megfigyeléséből, a sebességek megméréséből a csepp töltése meghatározható:
===A berendezés===
::<math>qQ = 9\fracsqrt{62}\pi r \sqrt\tfrac{\eta^3 v_1}{E}g (\rho-\rho_k)}(v_1 + v_2) \frac{d}{U}</math>▼
 
==Millikan kísérlete és az eredmények==
A fenti kép Millikan felszerelésének egy egyszerűsített, sematikus változatát ábrázolja. Két vízszintes helyzetben lévő, egymással szemben elhelyezkedő fémlemez között a magas [[potenciálkülönbség]] következtében egy állandó [[elektromos mező]] jön létre. A kísérlet során egy töltéssel rendelkező, a lemezek között elmozdulni képes olajcseppet juttatnak ezen fémlemezek közé. A (lemezek közti) feszültség változtatásával az olajcsepp felfelé, vagy lefelé mozgatható, illetve egy helyben képes állni. A fémlemezeket egy szigetelőanyagból készült gyűrű tartja össze (,amely az ábrán nem látható és) melyen két lyuk található. Az egyik lyukon egy erős fényforrás világít át, melyet arra a területre fókuszálnak, ahol az olajcseppek a két lemez között mozognak. A másik lyuknál egy [[mikroszkóp]]ot helyeznek el. Az olajcseppek visszaverik a fényt és fényes pontként látszanak a sötét térben. A mikroszkóp lencséjén egy fokokra osztott skála található, melynek segítségével megmérhető a cseppecske sebessége, mégpedig úgy, ha ismerjük azt az időt, amely alatt a cseppecske az egyik beosztástól a másikig vándorol.
[[File:Scheme_of_Millikan’s_oil-drop_apparatus.jpg|bélyegkép|jobbra|300px|Millikan porlasztós berendezésének vázlata]]
Az egyszerű modell szerint az így megmérhető töltések – legalábbis a mérési hibán belül – egy legkisebb töltésegység egész számú többszörösei. A lehetséges hibaforrások minél jobb kiküszöbölésére Millikan a több évig tartó kísérletekben nagy gondot fordított. A megvalósítás részleteit többször javította, a kiértékelést módosította. Az ábrán a Nobel-díjat érdemlő eredményhez vezető berendezésnek az eredeti publikációból származó vázlatát látjuk. Kritikus pont volt a közeg viszkozitásának, hőmérsékletének állandó értéken tartása, pontos mérése. A már kiválasztott csepp töltését röntgensugárzással való besugárzással, ionizációval lehetett változtatni. A kondenzátor feszültségét pontos értéken, szabályozható módon kellett tartani. A vizsgált térrészben lehetőleg meg kellett akadályozni a levegő áramlását, a megfigyelhetőséghez szükséges megvilágító lámpa hőmérséklet-növelő hatását. A sebességek nagyságának méréséhez szükséges távolságméréshez precíz optikai leképező egységet fejlesztettek, az időtartamok méréséhez speciális órát használtak. A közegellenállási erőre a fent ismertetett Stokes-féle modell nem bizonyult alkalmazhatónak, ezt Millikan többször módosította, tapasztalati korrekciót vezetett be.
 
Többen – többek között Felix Ehrenhaft <ref>F. Ehrenhaft: Über die Messung von Elektrizitätsmengen, die Ladung des einwertigen Wasserstoffions oder Elektrons zu unterschreiten scheinen. Zweite vorläufige Mitteilung seiner Methode zur Bestimmung des elektrischen Elementarquantums. Anzeiger Akademie der Wissenschaften in Wien. Mathematisch-naturwissenschaftliche Klasse, vol. 5 (1910) 215. </ref>– támadták, hogy szelektált az adatok között. Még 1978-ban is jelent meg a munkáját elemző írás.<ref>G. Holton: Subelectrons, Presuppositions, and the Millikan–Ehrenhaft Dispute Historical Studies in the Physical Sciences, vol 9 (1978) 161–224. </ref> Az idő azonban őt igazolta. Az elemi töltés nagyságát olyan pontossággal határozta meg, ami a ma elfogadott értéktől alig különbözik.
Az olaj (elsősorban paraffinolajról van szó) a vákuumos készülékeknél (mint Millikan berendezése is) a leggyakrabban használt anyag, mégpedig azért, mert rendkívül alacsony a [[gőznyomás]]a. Más anyagok már a fényforrás által kibocsátott hőtől jelentős mértékben párolognának (így a kísérlet során az olajcsepp tömege nem lenne állandó). Néhány olajcsepp a porlasztás során a fúvókán való áthaladáskor töltést vesz fel. Még több cseppre vihetünk fel töltést egy ionizáló sugárforrás (mint például a [[röntgencső]]) segítségével, oly módon, hogy a sugárforrás segítségével a kamrában lévő levegőt ionizáljuk.
 
===A folyamat=Jegyzetek ==
{{jegyzetek}}
 
A folyamat kezdetén – mivel ekkor még nem aktiváljuk az elektromos mezőt – az olajcseppek szabadon esnek a lemezek között. A cseppek rövid idő alatt elérik a végsebességüket a kamrában lévő levegőrészecskékkel való ütközés következtében létrejövő [[súrlódás]] miatt. Ekkor aktiváljuk az elektromos mezőt, és ha az megfelelően nagy, néhány részecske (a töltéssel rendelkezők) emelkedni kezdenek (mivel a rájuk ható ''F<sub>E</sub>'' elektromos mező által az olajcseppre kifejtett, "felfelé" ható erő nagyobb lesz, mint a "lefelé" ható ''G'' nehézségi erő). Egy megfelelőnek tűnő olajcsepp kiválasztása és a mikroszkóp látómezejének közepére mozgatása után a feszültség kikapcsolgatásával elérjük, hogy a kiválasztott cseppen kívül minden más csepp leessen. A kísérlet további részében tehát már csak ezzel az egy cseppel dolgozunk.
 
A kiválasztott cseppet hagyjuk, hogy szabadon essen. Kis tömegéből kifolyólag gyorsan eléri a végsebességét, amikor más nem hat rá erő, vagyis a gravitációs erő kiegyenlítődik a közegellenállással, ami meghatározható a [[Stokes-törvény]]ből:
 
::<math>F_K = 6\pi r \eta v_1 \ </math>
:ahol ''v''<sub>1</sub> a csepp végsebessége, ''η'' a levegő [[viszkozitás]]a, ''r'' pedig a csepp sugara. A súlyát a következő képletből számoljuk (beleszámítva a felhajtóerőt):
 
::<math>F_G = \frac{4}{3} \pi r^3 g(\rho - \rho_\mathrm {levego}) \,</math>
 
▲Ezt a két erőt kiegyenlítve a csepp sugarára a következőt kapjuk:
 
▲::<math>r^2 = \frac{9 \eta v_1}{2 g (\rho - \rho _\mathrm {levego})} \,</math>
 
Most bekapcsoljuk az elektromos teret, és olyan erősre állítjuk, hogy a csepp egy új ''v''<sub>2</sub> sebességgel emelkedjen. A rá ható erők: gravitáció, a Stokes-erő és az elektromos erő:
 
::<math>F_E = q E = q \frac{V}{d}</math>
 
ahol a ''V'' a feszültség, a ''d'' pedig a két lemez közötti távolság. A három erő kiegyenlíti egymást:
 
▲::<math>F_E = F_G + F_K \ </math>
 
ha behelyettesítjük az előző mérés eredményét, akkor megkapjuk a csepp töltését:
 
▲::<math>q = \frac{6\pi r \eta}{E} (v_1 + v_2)</math>
 
==Külső hivatkozások==
 
[http://www.ibela.sulinet.hu/atomfizika/millikan/millikan.htm Az olajcseppkísérlet rövid összefoglalása, és története]
 
[[Kategória:Elektrodinamika]]
A lap eredeti címe: „https://hu.wikipedia.org/wiki/Olajcseppkísérlet”