Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать с экспериментом по падению высоты звука .
Установка Милликена для эксперимента с каплей масла

Эксперимент падения масла проводили Роберт А. Милликен и Харви Флетчер в 1909 году для измерения элементарного электрического заряда (Заряд электрона ). Эксперимент проходил в физической лаборатории Райерсон в Университете Чикаго . [1] [2] [3] Милликен получил Нобелевскую премию по физике в 1923 году. [4] [5]

В ходе эксперимента наблюдались крошечные электрически заряженные капельки масла, расположенные между двумя параллельными металлическими поверхностями, образующие пластины конденсатора . Пластины были ориентированы горизонтально, одна пластина над другой. Туман из распыленных капель масла был введен через небольшое отверстие в верхней пластине и ионизируется с помощью рентгеновских лучей , делая их отрицательно заряженными. Сначала при нулевом приложенном электрическом поле измерялась скорость падающей капли. На предельной скорости , то сопротивление сила равно Гравитационносила. Поскольку обе силы по-разному зависят от радиуса, радиус капли и, следовательно, масса и гравитационная сила могут быть определены (с использованием известной плотности масла). Затем между пластинами прикладывали напряжение, индуцирующее электрическое поле, и регулировали его до тех пор, пока капли не находились в механическом равновесии , показывая, что электрическая сила и сила тяжести находятся в равновесии. Используя известное электрическое поле, Милликен и Флетчер смогли определить заряд масляной капли. Повторив эксперимент для многих капель, они подтвердили, что все заряды были целыми целыми числами, кратными некоторому базовому значению, которое оказалось равным1,5924 (17) × 10 -19  ° C , что примерно на 0,6% отличается от принятого в настоящее время значения1,602 176 634 × 10 -19  С . [6] [7] Они предположили, что это величина отрицательного заряда отдельного электрона.

Фон [ править ]

Роберт А. Милликен в 1891 году

Начиная с 1908 годом, в то время как профессор в Университете Чикаго , Милликен, со значительным входом Флетчера, [8] и после улучшения его установки, опубликовал свое семенное исследование в 1913 году [9] Это остается спорной , так как работы нашел после смерти Флетчера описывают события, в которых Милликен вынудил Флетчера отказаться от авторства в качестве условия для получения докторской степени. [10] [11] 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. Рассчитав электрическое поле, они могли измерить заряд капли, причем заряд отдельного электрона был (1,592 × 10 −19  С ). Во время экспериментов Милликена и Флетчера с каплями масла существование субатомных частиц не было общепризнанным. Экспериментируя с катодными лучами в 1897 году, Дж. Дж. Томсон обнаружил отрицательно заряженные « корпускулы », как он их назвал, с массой примерно в 1/1837 раз меньше массы атома водорода . Аналогичные результаты были получены Джорджем Фитцджеральдом и Вальтером Кауфманном . Большая часть того, что было тогда известно об электричестве и магнетизмеоднако это можно объяснить тем, что плата 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 е является одним из фундаментальных физических констант и , таким образом, точность значения имеет большое значение. В 1923 году Милликен получил Нобелевскую премию по физике , отчасти благодаря этому эксперименту.

Помимо измерения, красота эксперимента с каплей масла заключается в том, что это простая и элегантная практическая демонстрация квантования заряда. Томас Эдисон , который раньше считал заряд непрерывной переменной, пришел к убеждению после работы с аппаратом Милликена и Флетчера. [12] Этот эксперимент с тех пор повторяется поколениями студентов-физиков, хотя он довольно дорог и сложен для правильного проведения.

За последние два десятилетия [ необходимо разъяснение ] было проведено несколько автоматизированных компьютерных экспериментов по поиску изолированных фракционно заряженных частиц. По состоянию на 2015 год не было обнаружено никаких доказательств наличия частиц с дробным зарядом после измерения более 100 миллионов капель. [13]

Методика эксперимента [ править ]

Аппарат [ править ]

Упрощенная схема эксперимента Милликена с каплей масла
Аппарат для экспериментов с каплей масла

Аппарат Милликена и Флетчера состоял из пары параллельных горизонтальных металлических пластин. Путем приложения разности потенциалов к пластинам в пространстве между ними создавалось однородное электрическое поле. Для разделения пластин использовалось кольцо из изоляционного материала. В кольце были вырезаны четыре отверстия, три для освещения ярким светом и еще одно для просмотра в микроскоп.

Мелкий туман из капель масла распылялся в камеру над пластинами. Масло было типом, обычно используемым в вакуумных аппаратах, и было выбрано из-за чрезвычайно низкого давления пара . Обычное масло испаряется под действием тепла источника света, вызывая изменение массы масляной капли в ходе эксперимента. Некоторые капли масла становились электрически заряженными из-за трения о сопло во время распыления. В качестве альтернативы зарядка может быть произведена включением 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 [ править ]

Сначала каплям масла позволяют падать между пластинами при выключенном электрическом поле. Они очень быстро достигают предельной скорости из-за трения с воздухом в камере. Затем включается поле, и, если оно достаточно велико, некоторые из капель (заряженные) начнут подниматься. (Это потому, что направленная вверх электрическая сила F E для них больше, чем направленная вниз гравитационная сила F g , точно так же, как кусочки бумаги могут быть захвачены заряженным резиновым стержнем). Выбирается вероятная капля и удерживается в середине поля зрения, поочередно отключая напряжение до тех пор, пока не упадут все остальные капли. Затем эксперимент продолжается с этой одной каплей.

Капле дают возможность упасть и рассчитывают ее конечную скорость v 1 в отсутствие электрического поля. Затем силу сопротивления, действующую на каплю, можно рассчитать с помощью закона Стокса :

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 видимый вес. Кажущийся вес в воздухе - это истинный вес за вычетом подъема (что равняется весу воздуха, вытесняемого каплей масла). Кажущийся вес идеально сферической капли можно записать как:

На предельной скорости капля масла не ускоряется . Следовательно, общая сила, действующая на него, должна быть равна нулю, а две силы F и должны компенсировать друг друга (то есть F = ). Из этого следует

Как только r вычислено, его легко вычислить .

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

где q - заряд масляной капли, E - электрическое поле между пластинами. Для параллельных пластин

где V - разность потенциалов, d - расстояние между пластинами.

Один из возможных способов вычислить q - отрегулировать V до тех пор, пока капля масла не станет стабильной. Тогда мы могли бы приравнять F E к . Кроме того, определение F E оказывается трудным, потому что массу масляной капли трудно определить без использования закона Стокса. Более практичный подход состоит в том, чтобы немного увеличить V , чтобы капля масла поднималась с новой конечной скоростью v 2 . потом

Обвинения в мошенничестве [ править ]

Некоторое противоречие вызвал историк Джеральд Холтон (1978), который указал, что Милликен записал в свой журнал больше измерений, чем включил в свои окончательные результаты. Холтон предположил, что эти точки данных не были включены в большой набор капель масла, измеренных в его экспериментах, без видимой причины. Это утверждение было оспорено Алланом Франклином , экспериментатором по физике высоких энергий и философом науки из Университета Колорадо . [14] Франклин утверждал, что исключения данных Милликеном существенно не повлияли на его окончательное значение e , но уменьшили статистическую ошибку вокруг этой оценки e. Это позволило Милликену утверждать, что он рассчитал е более чем на половину процента; фактически, если бы Милликен включил все данные, которые он выбросил, стандартная ошибка среднего была бы в пределах 2%. Хотя это все равно привело бы к тому, что Милликен измерил е лучше, чем кто-либо другой в то время, немного большая неопределенность могла бы привести к большему разногласию с его результатами в физическом сообществе. В то время как Франклин оставил свою поддержку измерений Милликена, сделав вывод, что Милликен, возможно, выполнил «косметическую операцию» на данных, Дэвид Гудштейнисследовал оригинальные подробные записные книжки, которые вел Милликен, и пришел к выводу, что Милликен прямо заявляет здесь и в отчетах, что он включил только капли, прошедшие «полную серию наблюдений», и не исключил ни одной капли из этой группы полных измерений. [15] [16] Причины невозможности создания полного наблюдения включают в себя аннотации, касающиеся настройки аппарата, добычи капель нефти и атмосферных эффектов, которые, по мнению Милликена, недействительны (что подтверждается уменьшенной ошибкой в ​​этом наборе) данной конкретной измерение.

Эксперимент Милликена как пример психологических эффектов в научной методологии [ править ]

См. Также: Предвзятость подтверждения § Science_and_scientific_research

В приветственной речи, произнесенной в Калифорнийском технологическом институте (Калифорнийский технологический институт) в 1974 году (и перепечатанной в книге «Конечно, вы шутите, мистер Фейнман!» В 1985 году, а также в книге «Удовольствие от открытия вещей» в 1999 году), физик Ричард Фейнман отметил : [17] [18]

Мы многому научились на собственном опыте, как бороться с некоторыми способами, которыми мы себя обманываем. Один пример: Милликен измерил заряд электрона в эксперименте с падающими каплями масла и получил ответ, который, как мы теперь знаем, не совсем правильный. Это немного не так, потому что у него неверное значение вязкости воздуха. Интересно взглянуть на историю измерений заряда электрона после Милликена. Если вы изобразите их как функцию времени, вы обнаружите, что один немного больше, чем у Милликена, следующий - немного больше этого, а следующий - немного больше этого, пока, наконец, они не успокоятся. число, которое выше.
Почему они не сразу обнаружили, что новое число выше? Ученые стыдятся этой истории - 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 будут искать и находить причину почему что-то может быть не так. Когда они получили число, близкое к значению Милликена, они не стали так усердствовать. И поэтому они удалили числа, которые были слишком далеки, и сделали другие подобные вещи ...

По состоянию на май 2019 года размер элементарного сбора определен как точно1,602 176 634 × 10 −19  ° C [6] . До этого самым последним (2014 г.) принятым значением [19] было1,602 176 6208 (98) × 10 −19  C , где (98) указывает неопределенность двух последних десятичных знаков. В своей Нобелевской лекции Милликен дал свое измерение как4,774 (5) × 10 −10  statC , [20] что равняется1,5924 (17) × 10 -19  С . Разница составляет менее одного процента, но в шесть раз больше, чем стандартная ошибка Милликена , поэтому несогласие является значительным.

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Американское физическое общество в ознаменование Чикагского университета как исторического места физики в честь нобелевского лауреата Роберта Милликена в Чикагском университете» . www-news.uchicago.edu . 28 ноября 2006 . Проверено 31 июля 2019 .
  2. ^ Авеню Чикаго, Чикагский университет Эдвард Х. Леви Холл, 5801 Южный Эллис; США, Иллинойс 60637773 702 1234 Свяжитесь с нами. «Прорывы в Чикаго: 1910-е» . Чикагский университет . Проверено 31 июля 2019 .
  3. ^ «Работа физика Милликена продолжает получать похвалы» . chronicle.uchicago.edu . 4 января 2007 . Проверено 31 июля 2019 .
  4. ^ "Нобелевская премия по физике 1923 г." . NobelPrize.org . Проверено 31 июля 2019 .
  5. ^ "Нобелевская премия по физике 1923 г." . NobelPrize.org . Проверено 31 июля 2019 .
  6. ^ a b «2018 CODATA Value: elementary charge» . Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . 20 мая 2019 . Проверено 20 мая 2019 .
  7. ^ "Роберт Милликен" . APS Physics . Проверено 26 апреля 2016 года .
  8. ^ Нияз, Мансур (2000). «Эксперимент с каплей масла: рациональная реконструкция спора Милликена – Эренхафта и его значение для учебника химии» (PDF) . Журнал исследований в области преподавания естественных наук . 37 (5): 480–508. Bibcode : 2000JRScT..37..480N . DOI : 10.1002 / (SICI) 1098-2736 (200005) 37: 5 <480 :: AID-TEA6> 3.0.CO; 2-X .
  9. Перейти ↑ Millikan, RA (1913). «Об элементарном электрическом заряде и постоянной Авогадро» (PDF) . Физический обзор . Серия II. 2 (2): 109–143. Полномочный код : 1913PhRv .... 2..109M . DOI : 10.1103 / PhysRev.2.109 .
  10. ^ Перри, Майкл Ф. (май 2007 г.). «Вспоминая эксперимент с каплей масла» . Физика сегодня . 60 (5): 56. Bibcode : 2007PhT .... 60e..56P . DOI : 10.1063 / 1.2743125 .
  11. ↑ Флетчер, Харви (июнь 1982 г.). «Моя работа с Милликеном по эксперименту с каплей нефти». Физика сегодня . 43 (6): 43–47. Bibcode : 1982PhT .... 35f..43F . DOI : 10.1063 / 1.2915126 .
  12. ^ Bandrawal, Praveen Кумар (11 марта 2009). Лауреат Нобелевской премии по физике . Pinnacle Technology. С. 169–. ISBN 978-1-61820-254-3. Проверено 14 декабря 2012 года .
  13. ^ «SLAC - Поиск дробного заряда - Результаты» . Стэнфордский центр линейных ускорителей. Январь 2007 . Проверено 8 апреля 2015 года .
  14. Перейти ↑ Franklin, A. (1997). «Эксперименты Милликена с каплями нефти». Химический педагог . 2 (1): 1–14. DOI : 10.1007 / s00897970102a .
  15. ^ Гудштейн, Д. (2000). «В защиту Роберта Эндрюса Милликена» (PDF) . Техника и наука . Пасадена, Калифорния: Управление по связям с общественностью Калифорнийского технологического института. 63 (4): 30–38.
  16. ^ Гудштейн, Дэвид (2001). «В защиту Роберта Эндрюса Милликена». Американский ученый . 89 (1): 54. Bibcode : 2001AmSci..89 ... 54G . DOI : 10.1511 / 2001.1.54 .
  17. ^ "Cargo Cult Science" . Калифорнийский технологический институт . Проверено 22 февраля 2018 .(адаптировано из вступительной речи Калифорнийского технологического института в 1974 г. ), страницы Дональда Симанека , Университет Лок-Хейвена , ред. Декабрь 2017 г.
  18. ^ Фейнман, Ричард Филлипс; Лейтон, Ральф; Хатчингс, Эдвард (1997-04-01). «Неужто вы шутите, мистер Фейнман!»: Приключения любопытного характера . Нью-Йорк: WW Norton & Company. п. 342. ISBN. 978-0-393-31604-9. Проверено 10 июля 2010 года .
  19. ^ «2014 CODATA Values: старые значения констант» . Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . NIST . 25 июня 2015 . Проверено 19 августа 2019 .
  20. ↑ Милликен, Роберт А. (23 мая 1924 г.). Электрон и квант света с экспериментальной точки зрения (Речь). Стокгольм . Проверено 12 ноября 2006 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Serway, Raymond A .; Фаун, 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.
  • Serway, Raymond A .; Джуэтт, Джон В. (2004). Физика для ученых и инженеров (6-е изд.). Брукс / Коул. ISBN 0-534-40842-7.

Внешние ссылки [ править ]

  • Моделирование эксперимента с каплей масла (требуется JavaScript)
  • Томсен, Маршалл, « До последней капли ». Рассказы Милликена как «консервированная» педагогика. Университет Восточного Мичигана.
  • Команда CSR / TSGC, « Эксперимент по поиску кварков ». Техасский университет в Остине.
  • Эксперимент с каплей масла фигурирует в списке «10 самых красивых экспериментов науки» [1] , первоначально опубликованном в New York Times .
  • Эндженесс, Т.Э., " Эксперимент Милликена с каплей нефти ". 25 апреля 2005 г.
  • Милликен Р.А. (1913). «Об элементарном электрическом заряде и постоянной Авогадро» (PDF) . Физический обзор . Серия II. 2 (2): 109–143. Полномочный код : 1913PhRv .... 2..109M . DOI : 10.1103 / PhysRev.2.109 . Документ Милликена, в котором 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. Bibcode : 2000AIPC..504..715H . DOI : 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. Bibcode : 2007PhT .... 60e..56P . DOI : 10.1063 / 1.2743125 .