Русская Википедия:Опыт Милликена
Опыт Милликена, или эксперимент с каплей масла, — важный эксперимент по определению электрического заряда электрона. Он назван в честь американского физика Роберта Эндрюса Милликена, который провёл этот опыт совместно со свим коллегой и соотечествеником Шаблон:Iw в 1909 году[1][2]. Милликен усовершенствовал его в 1913 году[3] и в 1923 году получил Нобелевскую премию по физике за работы по определению элементарного электрического заряда и по фотоэлектрическому эффекту.
Опыт, по сути, состоял в создании капель масла с помощью распылителя и в наблюдении за их поведением в электрическом поле. Некоторые из капель были электрически заряжены в результате захвата ионов после облучения воздуха рентгеновским излучением, и можно было управлять их вертикальным движением, задавая соответствующее значение электрического поля. Измеряя напряженность электрического поля, необходимого для противодействия силе тяжести, и зная массу капель, которую можно вычислить, измеряя скорость их свободного падения в воздухе, Милликен заметил, что значения электрических зарядов капель всегда были целыми числами, кратными фиксированной величине, которая стала отождествляться с элементарным зарядом. Полученное значение составило e = −1,5924(17) × 10−19 Кл, что всего на 0,62 % ниже принятого в настоящее время значения e = −1,602… × 10−19 Кл[4].
Предпосылки
В 1896 году британский физик Джозеф Джон Томсон провёл серию экспериментов, которые показали, что катодные лучи на самом деле являются отдельными частицами, а не волнами, атомами или молекулами, как считалось ранее. Томсон сделал оценки отношения заряда электрона к его массе и показал, что оно не зависело от материала катода[5][6].
Как только отношение заряда и массы было определено, проблема, которую требовалось решить, стала очевидной: определить массу и заряд электрона отдельно. Первая попытка определения заряда электрона принадлежит английскому физику Джону Сили Таунсенду, ученику Дж. Дж. Томсона, который опубликовал свой результат в 1897 году. Его эксперимент состоял в измерении двух величин: полного заряда облака водяного пара, образовавшегося при расширении ионизированного газа, и количества капель в облаке. Основная гипотеза состояла в том, что каждая капля конденсируется на одном ионе. Таким образом, деление общего заряда на количество капель (равное количеству ионов) должно было дать значение заряда одной из них. Значение, полученное Таунсендом, в два раза отличается от принятого в настоящее время значения[7].
Этот метод был модифицирован самим Дж. Дж. Томсоном и английским физиком Шаблон:Iw (1874—1964). Уилсон добавил металлические пластины ниже и выше облака капель, чтобы их можно было заряжать электрически и создавать однородное вертикальное электрическое поле в пространстве, занимаемом облаком. Скорость падения облака измерялась в зависимости от электрического поля, и он смог вычислить величину заряда из уравнения для силы, предполагая справедливость закона Стокса[8].
Американский физик Роберт Э. Милликен заинтересовался проблемой определения заряда электрона во время годичного пребывания в Европе в 1895 году. В октябре он посетил в Берлине серию лекций Макса Планка по теоретической физике о катодных лучах. Вернувшись в США в 1896 году, он работал ассистентом Альберта Абрахама Майкельсона в Чикагском университете. В следующем году Дж. Дж. Томсон определил корпускулярную природу катодных лучей. В 1906 году Милликен решил усовершенствовать метод Уилсона, используя более мощные батареи с напряжением до 4000 В, для создания более интенсивного электрического поля между пластинами, разделёнными 5 мм промежутком. Работая со своим докторантом Шаблон:Iw (1865—1958), они получили более точные значения (Бегеман приводит значение для заряда электрона −1,557 · 10−19 Кл в своей докторской диссертации)[9]Шаблон:Sfn.
Эксперимент
В 1909 году Шаблон:Iw (1884—1981) стал докторантом Милликена, который предложил ему подготовить эксперимент по определению заряда электрона в качестве темы работы. По словам Флетчера, заметив, что капли воды испаряются менее чем за две секунды, он предложил использовать другие вещества, обладающие меньшим испарением, — ртуть или масло. Милликен не был согласен с аргументами, но так как это была докторская диссертация Флетчера, он позволил докторанту использовать эту идею. С этого момента Флетчер разработал новую камеру для проведения измерений с маслом того же типа, которое используется для смазки в часах[10]. Сам Милликен в своей автобиографии вспоминает, что идея использовать масло пришла к нему в сентябре 1909 годаШаблон:Sfn.
По окончании эксперимента Флетчер написал статью, которую Милликен и он должны были опубликовать, но Милликен хотел стать единственным автором, хотя и сослаться на Флетчера как соавтора. Также правила Чикагского университета не позволяли статьям, подписанным более чем одним автором, быть частью докторской диссертации одного из них. Таким образом, Флетчеру пришлось изменить свою диссертацию и представить работу о броуновском движении, в то время как Милликен остался единственным автором опыта с каплей масла[1][11][12]Шаблон:SfnШаблон:Sfn. В основной статье фамилия Флетчера упомянута несколько раз, Милликен описывает эксперимент, используя местоимение «мы»Шаблон:Sfn.
Устройство
Устройство для опыта с каплями масла состояло из трёх камер. В большой камере находились две другие меньшего размера, и было залито 40 л моторного масла для поддержания постоянной температуры внутри установки с колебаниями всего 0,02 °C. Самая внутренняя камера состояла из двух круглых латунных пластин диаметром 22 см, расположенных горизонтально друг над другом на расстоянии 1,6 см друг от друга. В верхней пластине было небольшое отверстие в центре, и она была заряжена положительно (+); нижняя не имела отверстий и была заряжена отрицательно (−). Между этими пластинами создавалось однородное электрическое поле, направленное вниз или вверх, с напряженностью от 3000 до 8000 В/см. Пластины были разделены тремя небольшими кусками изолятора (эбонита), а всё пространство закрыто эбонитовой лентой снаружиШаблон:Sfn. В этой полосе эбонита было три стеклянных окна квадратной формы по 1,5 см с каждой стороны, расположенных под углом 0°, 165° и 180°. Узкий луч света, создаваемый дуговой лампой, проникал через первое окно и выходил через противоположное. 165º окно использовалось для наблюдения с помощью маленького телескопа, расположенного на удалении 61 см от внутренней части камеры[2].
Распылитель, подобный тем, что используется во флаконах для духов[10], создавал маленькие капли масла выше второй камеры, содержащей описанную выше камеру. Капли падали под действием гравитации, и некоторые из них проходили через маленькое игольное отверстие в верхней пластине. Освещение было устроено так, что капля виделась как сияющаяШаблон:Sfn. Во время наблюдения за падением капли между пластинами отверстие закрывалось для предотвращения потоков воздуха. В качестве источника излучения использовались рентгеновские лучи или радий (испускающие β-лучи и γ-лучи). Излучение проходило через окно для освещения, что позволяло ионизировать молекулы воздуха (азот или кислород), а ионы, катионы или электроны поглощались каплей масла[2]Шаблон:Sfn.
Используемая техника
Падение капель масла в воздухе определяется законом Стокса, то есть скорость падения, <math display="inline">v_c</math>, обусловлена вязкостью среды <math display="inline">\eta</math> (в данном случае воздуха). Эту скорость можно определить, разделив пройденную дистанцию <math display="inline">d</math> на время падения <math display="inline">t_c</math>.
Когда воздух ионизируется, капли поглощают электроны. В отсутствие электрического поля они продолжают падать с той же скоростью, поскольку массы электронов очень малы. Включая электрическое поле между пластинами, падение капли можно остановить, в этом случае уравняв силу тяжести и электростатическую силу, или, если напряженность электрического поля ещё больше увеличится, то можно заставить капли двигаться вверх. Движение вверх, опять же по закону Стокса, представляет собой движение с постоянной скоростью. Одну и ту же каплю можно поднимать и опускать до тех пор, пока она не коснётся одной из пластин, поэтому для одной и той же капли можно провести серию измерений[2]Шаблон:Sfn.
Одним из основных моментов исследования Милликена является то, что капли были заряжены неопределенным количеством электронов, которое он не мог знать заранее. С помощью своих измерений он получал значения различных электрических зарядов, <math display="inline">q</math>. Милликен правильно предположил, что существует элементарный заряд и его необходимо точнее измеритьШаблон:Sfn; <math display="inline">e</math> — электрический заряд электрона, и он должен был быть наибольшим общим делителем всех рассчитанных зарядов, то есть <math display="inline">q = n e</math>[2].
Расчёты с каплями
Милликен использовал закон Стокса, чтобы связать установившуюся скорость падения: <math display="inline">v_c</math> капель масла с их электрическим зарядом <math>q</math>. Джордж Габриель Стокс (1819—1903) определил силу трения <math display="inline">F_d</math> сферических тел, падающих в вязкой среде со скоростью движения <math>v</math>, которая представляет собой силу, противодействующую движению, и которая возрастает по мере увеличения скорости, размеров тела и вязкости среды. Уравнение для силы Стокса
- <math>F_d = 6 \pi a \eta v\,,</math>
где <math>a</math> — радиус падающей сферы, <math>\eta</math> — вязкость среды[13].
Милликен внёс поправку в это уравнение, потому что его капли были очень маленькими, и соответствующее трение меньше, чем заданное по этому законом, поскольку в течение некоторого времени капли из-за своих малых размеров падают в вакууме. Уравнение Стокса верно для сфер размером более 0,1 см. Исправленная Милликеном формула принимает вид
- <math>F_d = \frac{6 \pi a \eta v}{1 + \alpha ( L / a )} = \frac{6 \pi a \eta }{1 + \alpha ( L / a )} v = b v</math>
при <math>\alpha = 0,817</math>, где <math display="inline">L</math> — это средняя длина свободного пробега капельШаблон:SfnШаблон:Sfn.
В отсутствие электрического поля капля падает в результате действия гравитационного поля Земли, и замедляется под действием силы трения Стокса <math display="inline">F_d</math>. Поскольку сила Стокса пропорциональна скорости, <math display="inline">F_d = b v</math>, то она увеличивается, и в какой-то момент сравняется с силой тяжести, <math display="inline">F_g = m g</math>, а до тех пор сфера ускоряется, пока не достигнет постоянной скорости падения, <math display="inline">v_c</math>: <math>b v_c = m g\,.</math> Если электрическое поле <math display="inline">E</math> включено, то сила заставляющая двигаться каплю вверх с постоянной скоростью <math display="inline">v_p</math> — это сила Кулона, <math display="inline">F_C = q E</math>, равная сумме сил, которые препятствуют её подъёму, то есть силе тяжести <math display="inline">F_g = m g</math> и силе трения СтоксаШаблон:Sfn, <math display="inline">F_d = b v_p</math>
- <math>q E = m g + b v_p</math>
и установившаяся скорость капли <math display="inline">v_p</math>Шаблон:Sfn
- <math>v_p = \frac{q E - m g}{b}\,.</math>
Выделение константы <math display="inline">b</math> из первого уравнения и замены в последнем приводит к
- <math>v_p = \frac{q E - m g}{m g /v_c}\,.</math>
Электрический заряд капли <math>q</math> выражается через время падения <math>t_c</math> и время подъёма <math>t_p</math>Шаблон:SfnШаблон:Sfn
- <math>q = \frac{m g}{E} \frac{ v_c + v_p }{v_c} = \frac{m g t_c}{E} \left ( \frac{1}{t_c} + \frac{1}{t_p} \right )\,.</math>
В случае падения без электрического поля и без учёта поправки к закону Стокса, сделанной Милликеном для упрощения этой демонстрации, можно получить массу капли <math>m</math> и её радиус <math display="inline">a</math> в зависимости от скорости падения <math display="inline">v_c = d / t_c</math>, которая получается из пройденного расстояния <math display="inline">d</math> и потраченного времени <math display="inline">t_c</math>
- <math>6 \pi a \eta v_c = m g \quad \longrightarrow \quad m = \frac{6 \pi a \eta v_c}{g}\,.</math>
Массу капли <math display="inline">m</math> также можно связать с плотностью масла <math>\rho</math>, её объемом <math>V</math>, радиусом сферы <math display="inline">a</math> как <math>m = \rho V = \rho \frac{4}{3} \pi a^3</math>Шаблон:Sfn. Уравнивая два выражения для массы капли, можно сократить радиус <math display="inline">a</math> в обоих частях равенства, и вычислить его на основе оставшегося выражения
- <math>\rho \frac{4}{3} \pi a^3 = \frac{6 \pi a \eta v_c}{g} \quad \longrightarrow \quad a = \sqrt{\frac{18 \eta v_c}{4 g \rho}} = \sqrt{\frac{9 \eta v_c}{2 g \rho}}\,.</math>
Чтобы рассчитать массу <math display="inline">m</math>, это выражение для радиуса можно заменить выражением, связывающим массу, плотность и объём
- <math>m = \rho \frac{4}{3} \pi \left ( {\frac{9 \eta v_c}{2 g \rho }} \right )^{\frac{3}{2}} = \frac{4}{3} \pi \left ( {\frac{9 \eta v_c}{2 g }} \right )^{\frac{3}{2}} \left ( \frac{1}{\rho} \right )^{\frac{1}{2}}\,.</math>
Теперь следует использовать формулу нагрузки <math display="inline">q</math>
- <math>q = \frac{m g}{E} \frac{ v_c + v_p }{v_c} = \frac{4}{3} \pi \left ( {\frac{9 \eta v_c}{2 g }} \right )^{\frac{3}{2}} \left (\frac{1}{\rho} \right )^{\frac{1}{2}} \frac{g}{E} \frac{ v_c + v_p }{v_c}\,.</math>
Упрощая, получается формула, которая даёт нагрузку на основе известных значений, измеримых в эксперименте[1]
- <math>q = \frac{4}{3} \pi \left ( {\frac{9 \eta }{2 }} \right )^{\frac{3}{2}} \left (\frac{1}{g \rho} \right )^{\frac{1}{2}} \frac{\left (v_c + v_p \right ) v_c^{1/2} }{E} \,.</math>
Некоторые из значений эксперимента Милликена: вязкость воздуха <math display="inline">\eta = 1,83 \times 10^{-5}</math> Па·с; плотность масла <math display="inline">\rho = 858 \; </math> кг/м3; перемещение <math display="inline">d = 0,600 \;</math> см; время падения <math display="inline">t_c = 21 \;</math> с. Применяя приведенные выше формулы, для значения массы и радиуса капель получается: <math display="inline">m = 1,67 \times 10^{-14} \;</math> кг и <math>a = 1,67 \times 10^{-6} \; </math> мШаблон:Sfn.
Величина элементарного заряда e
В выражении заряда Милликен также использовал соображение, что капля масла находится в воздухе, поэтому она испытывает восходящую тягу из-за принципа Архимеда, силы которого учитываются в кажущемся весе
- <math>m g - \rho_{air} V g = \rho V g - \rho_{air} V g = \left (\rho - \rho_{air} \right ) V g\,.</math>
Таким образом получается формула, данная Милликеном, при замене плотности <math display="inline">\rho</math> масла для <math display="inline">\rho - \rho_{air}</math>
- <math>q = \frac{4}{3} \pi \left ( {\frac{9 \eta }{2 }} \right )^{\frac{3}{2}} \left ( \frac{1}{g (\rho - \rho_{air} )} \right )^{\frac{1}{2}} \frac{\left (v_c + v_p \right ) v_c^{1/2} }{E}\,.</math>
Значение, полученное в первоначальных экспериментах, проведённых Милликеном и Флетчером в 1911 году, составляло e = 4 891 × 10 −10 Фр = 1,631×10−19 Кл[2], что соответствует разнице в 4,8 % от принятого в настоящее время значения. С усовершенствованиями, внесёнными Милликеном позже, в 1913 году он достиг значения e = 4,774 ± 0,009 · 10−10 Фр = 1,592 ± 0,003·10−19 Кл[3], всего лишь на 0,62 % ниже принятого в настоящее время значения Шаблон:Math = Шаблон:Val[14].
Последствия
Весной 1910 года началась так называемая «электронная битва» между Милликеном и физиком Венского университета Шаблон:Iw (1879—1952). В том же году Эренхафт опубликовал[15] измерения элементарного заряда, выполненные с помощью эксперимента, аналогичного Милликену, но с использованием металлических частиц, и объявившего о существовании всего распределения зарядов меньше, чем заряд электрона. В последующие годы он со студентами продолжал публиковать статьи, указывающие на существование зарядов меньших, чем у электрона, которые они назвали субэлектронами. Это привело к тому, что вопрос о существовании субэлектронов стоял на повестке дня некоторых из самых известных физиков того времени (Макса Планка, Жана Перрена, Альберта Эйнштейна, Арнольда Зоммерфельда, Макса Борна и Эрвина Шрёдингера). Чтобы подкрепить свои результаты, Милликен улучшил эксперимент и провёл новые, более точные измерения, которые подтвердили, что заряд электрона является элементарным зарядом, опубликовав новую статью в 1913 году, в которой он также рассчитал постоянную Авогадро[3]. В 1916 году он опубликовал обширную статью, в которой подробно описал ряд ошибок в экспериментальной методике, использованной Эренхафтом[16]. Научное сообщество в значительной степени встало на сторону Милликена (Э. Варбург, Г. Рубенс, В. Вин, Ж. Перрен и А. Эйнштейн уже сделали это на Сольвеевской конференции 1911 года) и его регулярно номинировали на Нобелевскую премию по физике с 1916 года до присуждения в 1923 году за его работы по определению элементарного электрического заряда и фотоэффект[17].
Некоторое противоречие в исходных данных Милликена нашёл историк Джеральд Холтон (1978), который указал, что учёный записал в свой журнал больше измерений, чем включил в свой окончательный анализ. 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 Шаблон:Iw, экспериментатором по физике высоких энергий и философом науки из Университета Колорадо[18]. В лабораторных журналах Милликена было обнаружено, что, несмотря на указание в его статье 1913 года, что все капли, которые он изучал в течение девяти недель эксперимента, были перечислены (с 13 февраля по 16 апреля 1912 года), всего 58, но количество капель, которые он измерил оказалось около 100. Милликен не включил данные о 25 каплях, из-за прерванного эксперимента до его завершения, ещё 17 не использовал, потому что считал, что в его измерениях были ошибки: капли слишком большие, засорение манометра пузырьком воздуха, конвекционные помехи, ошибки секундомера или неисправность форсунки (распылителя). С другой стороны, Эренхафт, следуя наиболее ортодоксальному научному методу, представил все свои результаты, и нельзя было сделать вывод, что заряд электрона наименьший в природе. Изучение лабораторных журналов Милликена, на рубеже XX века, зародило подозрение в манипулировании данными[12][19]Шаблон:Sfn. Однако тщательный анализ неопубликованных данных показывает, что Милликен ни в коем случае не исключал данные с намерением манипулировать результатами. Многие из неопубликованных данных, если их использовать, дадут тот же результат, что и опубликованные. Шаблон:Iw исследовал оригинальные подробные записные книжки, которые вёл Милликен, и пришёл к выводу, что Милликен прямо заявляет в отчётах, что он включил только капли, прошедшие «полную серию наблюдений», и не исключил ни одной капли из этой группы полных измерений[20][21]. Впрочем, некоторые исследователи критикуют Милликена за многочисленные арифметические ошибки в статьеШаблон:Sfn.
Эксперимент Милликена как пример психологических эффектов в научной методологии
В приветственной речи, произнесённой в Калифорнийском технологическом институте в 1974 году (и перепечатанной в книге «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!» в 1985 году, а также в книге Шаблон:Iw в 1999 году), физик Ричард Фейнман отметил[22][23]:
Шаблон:Начало цитаты Мы немало научились на собственном опыте, о том, как бороться с некоторыми способами, которыми мы сами 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. Он немного неточен потому, что Милликен использовал неверное значение вязкости воздуха. Интересно взглянуть на историю измерений заряда электрона после Милликена. Если вы изобразите их как функцию времени, вы обнаружите, что одно немного больше, чем у Милликена, следующее — немного больше прошлого, а следующий за ним — немного больше последнего, пока, наконец, они не успокоились, остановившись на числе, которое ещё больше.
Почему сразу не было открыто, что новое число больше? Учёные стыдятся этой истории, потому что очевидно, что люди вели себя следующим образом: когда они получали число, которое было заметно больше, чем у Милликена, они думали, что что-то не так — и начинали искать и находили причину почему что-то может быть не так. Когда они получили число, близкое к значению Милликена, они не столь усердствовали. И поэтому они удаляли числа, которые слишком сильно отличались, и делали другие подобные вещи … Шаблон:Оригинальный текст Шаблон:Конец цитаты По состоянию на май 2019 года размер элементарного заряда определён как точная величина, равная Шаблон:Math = Шаблон:Val[14]. До этого с 2014 года принятым значением было[24] Шаблон:Val, где (98) указывало неопределённость двух последних десятичных знаков. В своей Нобелевской лекции Милликен привёл своё значение для заряда электрона Шаблон:Val, что равняется Шаблон:Val[4].
Проведя рентгеновские эксперименты, Эрик Беклин в 1928 году обнаружил большее значение элементарного заряда, Шаблон:Val или Шаблон:Val, что находится в пределах неопределённости точного значения. Раймонд Бирдж, проводя обзор физических констант в 1929 году, заявил: «Исследование Беклина представляет собой новаторскую работу, и вполне вероятно, что как таковое оно содержит различные неожиданные источники систематических ошибок. Если [ … это …] взвешено в соответствии с очевидной вероятной ошибкой […], средневзвешенное значение всё равно будет подозрительно высоким […] автор, наконец, решил отказаться от значения Беклина и использовал взвешенное среднее оставшихся двух значений». Бирдж усреднил результат Милликена и другой, менее точный рентгеновский эксперимент, который совпал с результатом Милликена[25] . Последовательные рентгеновские эксперименты продолжали давать высокие результаты, и предположения об ошибках были исключены экспериментально. Шаблон:Iw измерил значение с помощью нового метода дифракции электронов, и переделанный эксперимент с каплей масла дали высокие цифры. К 1937 году стало «совершенно очевидно», что значение Милликена больше не может быть правильным, и установленное значение стало Шаблон:Val или Шаблон:Val[26].
Примечания
Ссылки
- Simulation of the oil drop experiment (requires JavaScript) Шаблон:Wayback
- Thomsen, Marshall, «Good to the Last Drop». Millikan Stories as «Canned» Pedagogy. Eastern Michigan University.
- CSR/TSGC Team, «Quark search experiment Шаблон:Wayback». The University of Texas at Austin.
- Engeness, T. E., «The Millikan Oil Drop Experiment Шаблон:Wayback». 25 April 2005.
- Шаблон:Cite journal Paper by Millikan discussing modifications to his original experiment to improve its accuracy.
- Шаблон:Cite journal A variation of this experiment has been suggested for the International Space Station.
- Шаблон:Cite journal
- Шаблон:Книга
- ↑ 1,0 1,1 1,2 Шаблон:Cite journal
- ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 Шаблон:Cite journal
- ↑ 3,0 3,1 3,2 Шаблон:Cite journal
- ↑ 4,0 4,1 Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite journal
- ↑ Шаблон:Книга
- ↑ Шаблон:Cite journal
- ↑ Шаблон:Cite journal
- ↑ Шаблон:Cite journal
- ↑ 10,0 10,1 Шаблон:Cite journal
- ↑ Шаблон:Cite journal
- ↑ 12,0 12,1 Шаблон:Книга
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ 14,0 14,1 Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite journal
- ↑ Шаблон:Cite journal
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite journal
- ↑ Шаблон:Книга
- ↑ Шаблон:Cite journal
- ↑ Шаблон:Cite journal
- ↑ Шаблон:Cite web (adapted from the 1974 California Institute of Technology Шаблон:Wayback commencement address), Donald Simanek’s Pages Шаблон:Wayback, Lock Haven University Шаблон:Wayback, rev. December 2017.
- ↑ Шаблон:Cite book Шаблон:Wayback
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite journal
- ↑ Шаблон:Cite journal
Шаблон:Выбор языка Шаблон:Хорошая статья
