Olajcseppkísérlet
A Wikipédiából, a szabad lexikonból.
Robert Millikan 1909-es olajcseppkísérletének célja az elektron elektromos töltésének pontos megmérése volt. Millikan a kísérletet a következőképpen végezte el. Egyensúlyi helyzetben tartotta az olajcseppecskéket (azaz kiegyensúlyozta a rá ható erőket), melyeket két fém elektróda közé helyezett. Ismerve az elektromos mezőt, a cseppecskén lévő töltés meghatározható. A kísérletet sok cseppecskével megismételve, az eredmények mindig egy érték többszöröseit adták. Ez az érték egyetlen elektron töltése, azaz 1,602·1019 coulomb. (A coulomb az elektromos töltés SI mértékegysége).
1923-ban Millikan - többek között ezen kísérlet elismeréseképpen - megkapta a fizikai Nobel-díjat. Azóta ezt a kísérletet fizikus hallgatók ezrei ismételték meg, bár a kísérlet megfelelően pontos elvégzése igen nehéz és költséges feladat.
Az olajcseppkísérlet egy változatát később szabad kvarkok 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.
Tartalomjegyzék |
[szerkesztés] A kísérlet menete
[szerkesztés] A berendezés
A fenti kép Millikan felszerelésének egy egyszerűsített, sematikus változatát ábrázolja. Két vízszintes helyzetben lévő, egymással szemben elhelyezkedő fémlemez között a fémlemezek közti 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 alacsony energiájú mikroszkópot 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.
Az olaj (elsősorban paraffinolajról van szó) a vákumos készülékeknél (mint Millikan berendezése is) a leggyakrabban használt anyag, mégpedig azért, mert ennek az anyagnak rendkívül alacsony a gőznyomása. Bár általános esetben az olaj már a fényforrás által kibocsátott hőtől jelentős mértékben párologna (így a kísérlet során az olajcsepp tömege nem lenne állandó), csakhogy néhány olajcsepp a porlasztás során a fúvókán való áthaladáskor töltést vesz fel. Még több cseppre vihetünk fel töltést egy ionizáló sugárforrás (mint pl. a röntgencső) segítségével, oly módon, hogy a sugárforrás segítségével a kamrában lévő levegőt ionizáljuk.
[szerkesztés] A folyamat
A folyamat kezdetén - mivel ekkor még nem aktiváljuk az elektromos mezőt - az olajcseppek képesek szabadon esni 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 FE 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 csepp szabadon eshet, és mivel az elektromos mezőt ismerjük, kiszámolhatjuk a csepp végsebességét. A cseppre ható húzóerő meghatározható a Stokes-törvényből:
-
- ahol v1 a leeső csepp végsebessége (amely akkor lépne fel, ha a cseppre nem hatna az elektromos mező), η a levegő viszkozitása, r pedig a csepp sugara.
[szerkesztés] Külső hivatkozások
Az olajcseppkísérlet rövid összefoglalása, és története




Based on work by