آزمایش میلیکان برای اندازه گیری بار الکترون 

برای اندازه گیری بار الکترون در آزمایش میلیکان بار یونهایی اندازه گیری می شود که در اثر تخلیه الکتریکی در درون گازها بوجود می آیند . برای انجام تخلیه الکتریکی در این طریقه از اثر فتوالکتریک استفاده می شود . اشعه x دارای طول موج بسیار کوتاه و در نتیجه انرژی زیاد است و هنگام تابش به یک گاز یونش ایجاد می نماید. جهت اندازه گیری بار یونهایی که به این ترتیب بوجود می آیند از پدیده مهمی استفاده می شود و آن اینست که اگر در شرایط مناسب قطراتی از مایع در یک محیط یونی گازی شکل وارد شوند مرکز تجمع یونها خواهند شد و هر قطره تعدادی از یونها را تحت تاثیر نیروهای سطحی بخود جلب و جذب می نماید ذره ای جدید بدست می آید که بار الکتریکی آن مساوی یا چند برابر بار یونها خواهد بود و اساس آزمایش میلیکان عبارتست از مطالعه حرکت این قطره ها تحت اثر یک میدان الکتریکی.

شما میتوانید در اینجا به طور واضح آزمایش را ببینید(خودتان آزمایش را اداره کنید)

 دستگاهی که در آزمایش میلیکان بکار می رود عبارتست از یک اطاقک پر شده از هوا یا گازی دیگر . در بالای اطاقک قطره چکان مخصوص قرار دارد که مایع مورد آزمایش را بصورت قطره های بسیار ریز در فضای داخلی اطاق وارد می نماید در زیر این قطره چکان و در قسمت پایین اطاقک یک سطح با دو جوشن p1 و p2 قرار دارد جوشن بالاییp1 دارای گذرگاهی برای عبور قطره ها می باشد . قطره ها می توانند ضمن سقوط از این گذرگاه بگذرند وداخل فضای خازن شوند در پایین اطاقک و در هر طرف پنجره ای وجود دارد. از یکی از این دو پنجره مثلا پنجره F1 اشعه X بداخل اطاقک تابیده می شود تا گاز داخل اطاقک یونیزه شود پنجره دیگر F2 برای روشن کردن داخل اطاقک می باشد از همین قسمت بوسیله یک تلسکوپ می توان داخل اطاقک را تماشا کرد و حرکت قطره را بدقت ملاحظه کرد از طرف دیگر مجموع دستگاه فوق بیک پمپ خلا و یک فشار سنج وصل شده تا بتوان فشار گاز داخل اطاقک را کنترل و تنظیم نمود . برای اینکه بتوان در درجه حرارت ثابت این آزمایش را انجام داد اطاقک را در داخل یک حمام روغنی قرار می دهند. در ابتدا در این آزمایش از قطره های آب استفاده می شده ا ولی از آنجاییکه قطره های آب در اثر تبخیر وزن و حجمشان تغییر می کرد بجای آب از روغنهای مایع استفاده می شود بدیهی است هر چه قطره ها ریزتر انتخاب شوند وزن آنها کمتر و سرعت سقوط کوچکتر خواهد بود و بنابراین حرکت آنها با دقت بیشتری مورد مطالعه قرار خواهد گرفت. در صورتیکه بین دو جوشن خازن اختلاف پتانسیلی برقرار نکرده باشند قطره ها پس از خروج از قطره چکان سقوط آزاد را شروع خواهند نمود در این حالت هر قطره تحت اثر دو نیرو قرار می گیرد یکی نیروی وزن ظاهری قطره که سبب سقوط قطره از بالا به پایین می شود دیگری نیروی مقاومت محیطی که قطره در آن سقوط می کند . نیروی مقاومت محیط در جهت عکس نیروی می باشد .

 نیروی مقاومت محیط بستگی بسرعت سقوط ویسکوزیته محیط و شعاع قطره دارد. اگر قطره باندازه کافی ریز باشد بزودی نیروی وزن ظاهری قطره و نیروی مقاومت محیط با یکدیگر برابر شده در نتیجه قطره بسرعت حد خواهد رسید . یعنی از آن لحظه به بعد با سرعت ثابت سقوط خواهد کرد و حرکتی یکنواخت خواهد داشت. حال اگر بین دو جوشن خازن بوسیله یک باطری و یا وسیله دیگری اختلاف پتانسیل معینی برقرار کنیم یک میدان الکتریکی بوجود می آید و قطره باردار از گذرگاه جوشن p1 وارد فضایخازن شود نیرویی از طرف میدان بر قطره وارد می شود و سبب می گردد که حرکت آن بر حسب اینکه نیروی وارده در جهت یا در خلاف جهت نیروی وزن اثر کند تندتر یا کندتر شود. بنابراین ملاحظه می شود که خازن وسیله خوبی برای تغییر دادن سرعت سقوط قطره می باشد بطوریکه حتی ممکن است سرعت قطره را به صفر رسانید که در این صورت قطره در میدان دید تلسکوپ بخوبی قابل مشاهده می باشد . اکنون آنچه را در فوق ذکر نمودیم با محاسبات مربوطه تکرار می کنیم. سقوط آزاد: اگر جرم قطره m و جرم هوای هم حجمش m' c باشد نیروی وزن قطره که سبب سقوط آن می شود برابراست با : P = (m – m' ) g نیروی وارد در در خلاف جهت نیروی وزن یعنی نیروی مقاومت محیط برابر است با : F = 6πaηv0 این نیرو توسط قانون stockes معین می شود که در آن a شعاع قطره V0 سرعت سقوط و η ضریب چسبندگی یا ویسکوزیته محیط ( داخل اطاقک ) می باشند در حالت حد که این دو با هم برابر و یکدیگر را خنثی می نمایند خواهیم داشت: p(m – m' ) g = 6πaηv0 که در این حالت به v0 سرعت حد سقوط گویند . چون دانسیته هوا یا گاز داخل اطاقک نسبت به دانسیته روغن خیلی کوچک است می توان از وزن هوا یا گاز هم حجم قطره در مقابل وزن قطره صرفنظر نمود . اگر ρ و ρ' بترتیب دانسیته روغن و دانسیته گاز داخل اطاقک باشد می توان رابطه فوق را بصورت زیر نوشت: 6πaηv0=4/3πa3 (ρ – ρ' )g عملا سرعت سقوط قطره را با مشاهده کردن بوسیله تلسکوپ و یادداشت کردن مدت سقوط برای مسافت معین اندازه می گیرند که در شرایط عملی در حدود 0.4 میلی متر در ثانیه می تواند باشد و سپس با استفاده از رابطه فوق و داشتن سرعت سقوط و شعاع قطره ها محاسبه می شود که عملا در حدود چند دهم میکرون می باشد . ملاحظه می شود که قطره های بسیار ریزی می باشند و برای تهیه آنها از قطره چکانهای مخصوصی استفاده می شود. سقوط قطره در میدان الکتریکی پس از برقراری اختلاف پتانسیل معینی بین دو جوشن یک میدان الکتریکی بشدت E=V/d که d فاصله بین جوشنها و V اختلاف پتانسیل است. قطرات با سرعت ثابت سقوط می کنند. نیرویی که از طرف میدان بر قطره با بار الکتریکی q وارد می شود برابراست با F=E.q اگر جهت میدان را طوری انتخاب کنیم که نیروی نامبرده در خلاف نیروی وزن اثر نماید و حرکت را کندتر کند سرعت سقوط قطره دارای مقدار جدیدی می شود که می توان آنرا به V نمایش داد. (m – m' ) g = 6πaηV + q E و اگر از m' در مقابل m صرفنظر کنیم خواهیم داشت : می توان شدت میدان را طوری انتخاب کرد که که سرعت حرکت قطره صفر یعنی قطره در میدان دید تلسکوپ بی حرکت بماند در این صورت خواهیم داشت: V=0 q. E =(m – m' )g= 4/3 πa3 (ρ – ρ' )g و از آنجا می توان نوشت : q =(4/3 π) a3 (ρ – ρ' )g / E آزمایش نشان می دهد که اگر تمام شرایط تجربه را ثابت نگه داریم و اندازه گیری را انجام دهیم برای سرعت و در نتیجه برای q مقادیر مختلفی بدست خواهد آمد علت آن اینست که قطره در آزمایشهای مختلف تعداد بارهای مختلفی را بخود جذب می کند. برای تحقیق بیشتر میلیکان آزمایش را بتعداد دفعات زیاد تکرار نمود و کوچکترین مقسوم علیه مشترک تمام مقادیر و اختلاف دوبدوی مقادیر پیدا شده را بدقت محاسبه نمود. آزمایشات وی و آنچه که بعد از او انجام گرفت نشان داده که کوچکترین مقسوم علیه مشترک و کوچکترین مقدار در اختلاف دوبدوی مقادیر پیدا شده برای q در دفعات مختلف یعنی qn …..q3 q2 q1 مقدار معینی است بطوریکه همواره کلیه مقادیر بدست آمده برای q مضرب صحیحی است از این مقدار معین که همان واحد طبیعی بار الکتریکی است یعنی می توان نوشت: qn = n e بدین ترتیب مقدار واحد بار الکتریکی که همان بار الکتریکی الکترون است محاسبه می شود

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: