novi Millikanov poskus ivo krajnik moderna fizika novi Millikanov poskus Predmet: moderna fizika Avtor: Ivo Krajnik 3. letnik fizikalne merilne tehnike Šolsko leto: 2005/06 fizikalna merilna tehnika

povzetek MILLIKANOV POSKUS IZLETA 1910 podroben opis izračuni NOVI MILLIKANOV POSKUS razlogi za ponovitev Millikanovega poskusa predstavitev poskusa z vsemi komponentami in napravami rezultat in ugotovitve primerjava rezultatov obeh poskusov SKLEP vnovična potrditev vrednosti osnovnega naboja e0=1.6×10-19As ivo krajnik moderna fizika

Millikanov poskus leta 1910 Električni naboj je lahko samo cel večkratnik osnovnega naboja pozitivnega ali negativnega →naboj nekega makroskopskega telesa. q = ±q0, ±2q0, ±3q0, ±Nq0 Opazujemo gibanje nabite kapljice olja med ploščama ploščnega kondenzatorja v pokončno orientiranem električnem polju jakosti E. Kapljica je bila predhodno obsevana z rentgenskimi žarki in s tem ji je bil zagotovljen zadosten naboj. Gibanje kapljice med ploščama kondenzatorja je enakomerno in navpično padanje => vse nanjo delujoče sile so med seboj v ravnovesju. Sila teže kapljice uravnoveša vzgonsko silo in silo zračnega upora. V kondenzatorju še ni električnega polja, torej električna sila na naboj še ne deluje. Fg= Fv + Fu (1.) ivo krajnik moderna fizika

Millikanov poskus iz leta 1910 nadaljevanje Kondenzator priključimo na napetost, opazujemo dviganje kapljice v kondenzatorju z električnim poljem E, električna sila in vzgon uravnovešata silo zračnega upora in silo teže na kapljico! Kapljica se enakomerno dviga. Fe + Fv = Fg + Fu (2.) ivo krajnik moderna fizika

Millikanov poskus iz leta 1910 nadaljevanje ivo krajnik moderna fizika Millikanov poskus iz leta 1910 nadaljevanje Fg= m·g Fv= m’·g = 4/3 g·ρzπr³k Fe= q0·E Fu= 6 π η rk v’’ v ’ hitrost padanja v ’’ hitrost dviganja ivo krajnik moderna fizika fizikalna merilna tehnika

Millikanov poskus iz leta 1910 nadaljevanje Od druge (2.) ravnovesne enačbe odštejemo prvo (1.) Dobimo: qE = 6 π η rk (v’ + v’’) (3.) Prvo (1.) enačbo preuredimo v: (m - m’)g = 6 πrk η v’ Upoštevamo: m= 4/3 ρkπr³k in m’= 4/3 ρzπr³k In dobimo polmer kapljice: rk = (9 η v’ / 2g(ρk – ρz))½ (4.) ivo krajnik moderna fizika

Millikanov poskus iz leta 1910 nadaljevanje če enačbo (4.) vstavimo v (3.) ob izmerjenih količinah, η = 1.8·10-5 kg/ms v’ = 0.05 mm/s v’’= 0.02 mm/s E = 1000V/cm ρk – ρz = 0.9 g/cm3 dobimo za osnovni naboj: q= 1.6085 · 10 -19 As V našem primeru se je kapljica dvigala proti zgornji (negativni) plošči, kar pomeni, da je bila pozitivno nabita. ivo krajnik moderna fizika

novi Millikanov poskus Merili so po stari zamisli z nekaj novimi prijemi. Uporabili so silikonsko olje s pripravnejšo gostoto. Kapljice z želenim polmerom so pripravili s posebnim kapalnikom, ki ga je M.Perl patentiral. V stekleno cevko s silikonskim oljem so vdelali silicijevo dno z odprtino premera do 10μm. Cevko so obdali s piezoelektričnim obročem, ki se je zaradi kratkotrajnega napetostnega sunka radialno stisnil in sprožil nastanek kapljice. Kapljice so nastajale s frekvenco 4/s in padale v zraku Z obliko in trajanjem napetostnega sunka so lahko nekoliko vplivali na premer kapljic. Ko so izbrali obliko in trajanje napetostnega sunka, se premer od kapljice do kapljice ni razlikoval za več kot 0.2%. Na poti navzdol so kapljice skozi ozko odprtino vstopile med vodoravni plošči kondenzatorja v razmiku 8mm, pri konstantni napetosti 14kV med ploščama, ki so ji s frekvenco 2,5/s obračali smer. Kapljice so s frekvenco 10/s osvetljevali s skupino svetlečih diod skozi motno steklo. Z zbiralno lečo so kapljice preslikali na polprevodniško slikovno napravo CCD, ki je podatke pošiljala v računalnik. ivo krajnik moderna fizika

novi Millikanov poskus Vrednosti izračunanih hitrosti so bile med 1mm/s in 5mm/s. Tako so določili od 5 do 11 zaporednih leg preden so slike kapljic ušle s slikovne naprave. Nazadnje so naboj (ravno tako kot pri prvem Millikanocem poskusu) iz ravnovesja sil izračunali naboj kapljice Pri tem poskusu so preiskali 17mio kapljic. Ena izmed njih je nosila 0.29q0 pogoji meritev pa so bili popolnoma enaki pri vseh. To je v nasprotju z veljavno teorijo, zato so poskus ponovili s še večjim vzorcem. Ta vzorec so dobili iz snovi meteorita, ker so domnevali, da se nosilci le dela osnovnega naboja lahko nahajajo na telesih druge strani osončja. Kapalka pri tej snovi ni delovala, zaradi tega so morali luknjo povečati, s tem pa se je čas padanja večjih delcev zmanjšal, slikovna naprava pa ni zmogla posneti dovolj vmesnih leg padanja. Problem so rešili tako, da so kondenzator postavili pokončno, s tem so zagotovili vodoravno električno polje in od spodaj navzgor vpihovali laminaren tok zraka. ivo krajnik moderna fizika

novi Millikanov poskus V smeri Z velja ravnovesje Fg = Fv + Fu (5.) iz katerega dobimo rk: rk =( 9vzη/2g(ρk – ρz))½ V smeri X velja ravnovesje (ko električna sila uravnoveša silo zračnega upora) Fu = Fe (6.) 6πηrkvx = qE Ob upoštevanju rk je naboj enak: q=[18πvx(η³vx/2g(ρk – ρz)) ½]/E (7.) ivo krajnik moderna fizika

novi Millikanov poskus ivo krajnik moderna fizika novi Millikanov poskus Če enačbo (7.) delimo z osnovnim nabojem, dobimo celo število nabojev makroskopskega telesa. q/q0=[18πvx(η³vx/2g(ρk – ρz)) ½]/Eq0 ivo krajnik moderna fizika fizikalna merilna tehnika

zaključek Cca 4% meritev so morali izključiti zaradi motenj: ker je kapljica nosila preveč osnovnih nabojev ker je bil vpliv dveh sosednjih kapljic prek zračnega toka med seboj prevelik in “ena moti gibanje druge” Na koncu poskusa je bilo preiskanih 41.7 miljona kapljic, kar da ob gostoti 913kg/m3 da 17.4 mg preiskanega olja. Vse meritve so dale prav celoštevilčne vrednosti osnovnega naboja. Domneva o subelekrtronu tako ostaja nedokazana ivo krajnik moderna fizika