آزمایش میلیکان

مقدمه
در فضای پیرامون ما تعداد زیادی الکترون وجود دارد و اگر ذره‌ای با بار الکتریکی مثبت را در این فضا قرار دهیم، می‌تواند الکترون را به خود جذب کند. این کار اساس آزمایش قطره روغن ملیکان است. یعنی اگر قطرات روغن در حین سقوط در هوا یونیزه شوند و به این ترتیب باردار گردند، می‌توانند چند الکترون از محیط را جذب کنند. بنابراین می‌توان با اندازه گیری این بارها به بار الکترون پی برد. این آزمایش را رابرت ملیکان برای اندازه گیری بار یک الکترون منفرد طراحی کرد.

زمانی که یک قطره روغن بدون بار در هوا سقوط می‌کند، سه نیروی وزن ، ارشمیدس ، چسبندگی (با ویسکوزیته) بر آن وارد می‌شود. دو نیروی وزن و ارشمیدس مقدار ثابتی دارند و مستقل از سرعت قطره می‌باشند، اما نیروی چسبندگی ثابت نبوده و مقدار آن بستگی به سرعت دارد. بنابراین در هنگام سقوط قطره مقدار نیروی چسبندگی افزایش یافته و بالاخره زمانی می‌رسد که برآیند نیروهای وارد بر قطره صفر شود. در این حالت حرکت قطره یکنواخت بوده و سرعت آن مقدار نهایی و ثابت خواهد شد. در این حالت می‌توان شعاع قطره روغن را از شرط صفر شدن برآیند نیروهای وارد بر قطره بدست آورد.

حال اگر قطره روغن در حین سقوط مقداری بار الکتریکی به خود بگیرد و آن را میان دو صفحه موازی با فاصله معین که به اختلاف پتانسیل معین V وصل شده است، قرار دهیم، چون قطره روغن باردار شده است، لذا در میدان الکتریکی موجود میان صفحات بر آن نیرویی اعمال می‌شود. اختلاف پتانسیل و فاصله صفحات مقادیر معلومی هستند که خودمان تنظیم می‌کنیم. می‌توانیم به کمک این نیروی الکتریکی قطره را به حالت سکون درآوریم و چون شعاع قطره را از قبل می‌دانیم، لذا مقدار بار الکتریکی از صفر شدن برآیند کل نیروها در این حالت محاسبه می‌شود.

 

اطاقک ملیکان
محفظه کوچکی به عمق چند میلیمتر با کف و سقف فلزی که به الکترودهایی برای اعمال ولتاژ متصل شده است، اطاقک ملکیان نامیده می‌شود. این اطاقک حاوی یک لوله روشنایی ورودی از دیوار اطاقک و سوراخی در سقف آن برای پاشیدن قطرات می‌باشد.

میکروسکوپ برای مشاهده قطره‌ها
در یک سر لوله میکروسکوپ ، عدسی شیئی نصب شده است که از سوراخی واقع در یکی از دیواره‌های اطاقک به مشاهده قطرات روغن می‌پردازد. در سر دیگر لوله ، عدسی چشمی قرار دارد و طول لوله قابل تنظیم است تا تصویر قطره‌ها در چشم به حالت وضوح در آید. البته حرکت قطره توسط میکروسکوپ به صورت معکوس دیده می‌شود. در قسمت عدسی شئی یک چهارخانه نیز وجود دارد.
سیستم روشنایی

این سیستم از یک لامپ ذره‌بینی کوچک تشکیل شده است که در یک انتهای لوله روشنایی قرار دارد و نور آن پس از طی مسافت داخل لوله ، به اطاق وارد می‌شود. این سیستم فقط قادر است، اجسام واقع در امتداد لوله را روشن سازد و بعد از بازتاب نور از آن جسم ، بقیه اتاق نیز به حالت نیمه روشن در می‌آید.

تئوری آزمایش
در فضای پیرامون ما تعداد زیادی الکترون وجود دارد و اگر ذره‌ای با بار الکتریکی مثبت را در این فضا قرار دهیم، می‌تواند الکترون را به خود جذب کند. این کار اساس آزمایش قطره روغن ملیکان است. یعنی اگر قطرات روغن در حین سقوط در هوا یونیزه شوند و به این ترتیب باردار گردند، می‌توانند چند الکترون از محیط را جذب کنند. بنابراین می‌توان با اندازه گیری این بارها به بار الکترون پی برد. این آزمایش را رابرت ملیکان برای اندازه گیری بار یک الکترون منفرد طراحی کرد.
زمانی که یک قطره روغن بدون بار در هوا سقوط می‌کند، سه نیروی وزن ، ارشمیدس ، چسبندگی (با ویسکوزیته) بر آن وارد می‌شود. دو نیروی وزن و

ارشمیدس مقدار ثابتی دارند و مستقل از سرعت قطره می‌باشند، اما نیروی چسبندگی ثابت نبوده و مقدار آن بستگی به سرعت دارد. بنابراین در هنگام سقوط قطره مقدار نیروی چسبندگی افزایش یافته و بالاخره زمانی می‌رسد که برآیند نیروهای وارد بر قطره صفر شود. در این حالت حرکت قطره یکنواخت بوده و سرعت آن مقدار نهایی و ثابت خواهد شد. در این حالت می‌توان شعاع قطره روغن را از شرط صفر شدن برآیند نیروهای وارد بر قطره بدست آورد.

حال اگر قطره روغن در حین سقوط مقداری بار الکتریکی به خود بگیرد و آن را میان دو صفحه موازی با فاصله معین که به اختلاف پتانسیل معین V وصل شده است، قرار دهیم، چون قطره روغن باردار شده است، لذا در میدان الکتریکی موجود میان صفحات بر آن نیرویی اعمال می‌شود. اختلاف پتانسیل و فاصله صفحات مقادیر معلومی هستند که خودمان تنظیم می‌کنیم. می‌توانیم به کمک این نیروی الکتریکی قطره را به حالت سکون درآوریم و چون شعاع قطره را از قبل می‌دانیم، لذا مقدار بار الکتریکی از صفر شدن برآیند کل نیروها در این حالت محاسبه می‌شود.

وسایل آزمایش
اطاقک ملیکان
محفظه کوچکی به عمق چند میلیمتر با کف و سقف فلزی که به الکترودهایی برای اعمال ولتاژ متصل شده است، اطاقک ملکیان نامیده می‌شود. این اطاقک حاوی یک لوله روشنایی ورودی از دیوار اطاقک و سوراخی در سقف آن برای پاشیدن قطرات می‌باشد.
میکروسکوپ برای مشاهده قطره‌ها
در یک سر لوله میکروسکوپ ، عدسی شیئی نصب شده است که از سوراخی واقع در یکی از دیواره‌های اطاقک به مشاهده قطرات روغن می‌پردازد. در سر دیگر لوله ، عدسی چشمی قرار دارد و طول لوله قابل تنظیم است تا تصویر قطره‌ها در چشم به حالت وضوح در آید. البته حرکت قطره توسط میکروسکوپ به صورت معکوس دیده می‌شود. در قسمت عدسی شئی یک چهارخانه نیز وجود دارد.
سیستم روشنایی
این سیستم از یک لامپ ذره‌بینی کوچک تشکیل شده است که در یک انتهای لوله روشنایی قرار دارد و نور آن پس از طی مسافت داخل لوله ، به اطاق وارد می‌شود. این سیستم فقط قادر است، اجسام واقع در امتداد لوله را روشن سازد و بعد از بازتاب نور از آن جسم ، بقیه اتاق نیز به حالت نیمه روشن در می‌آید.
قطره‌پاش
قطره‌پاش از نوع عطرپاش بوده و قطرات روغن را با فشار تلمبه لاستیکی به صورت پودر به درون اتاقک می‌پاشد. در این حالت اگر روشنایی اتاقک کافی باشد، قطرات ریز ستاره مانند را در حال حرکت به طرف بالا ، می‌توان مشاهده کرد.
منبع رادیواکتیو
این منبع برای یونیزه کردن هوا بکار می‌رود.
دستگاههای الکتریکی
این قسمت شامل منبع ولتاژ جریان مستقیم با سیستم کنترل ولتاژ متشکل از پتانسیومتر برای تغییر ولتاژ و کلید برای اعمال ولتاژ در جهت دلخواه و قطع و وصل آن می‌باشد.

شرح آزمایش
چراغ را روشن می‌کنیم. مدار الکتریکی را آماده کرده، منبع ولتاژ را روشن می‌کنیم و دکمه آن را تا حدود ۲۰۰ ولت می‌چرخانیم. در حالی که پشت دوربین می‌نشینیم، دکمه کنترل را روی علامت + یا – (قطع و وصل) به اختیار قرار می‌دهیم و در حالی که دستمان روی تغییر ولتاژ کلید کنترل قرار دارد، می‌توانیم پاشیدن قطرات را شروع کنیم و بلافاصله چشمه رادیو اکتیو را روی آن در مدت چند ثانیه قرار می‌دهیم، تا محیط یونیده شود.

بلافاصله بعد از روئیت قطره‌ها ، شروع به تغییر دادن ولتاژ می‌کنیم، تا یک قطره انتخابی در پایین چهارخانه به حالت سکون درآید. (برای کنترل اینکه قطرات باردار شده یا نشده‌اند، کافیست که دقت کنیم بعضی از قطرات را که در حین حرکت لحظه‌ی متوقف شده و سپس جهت حرکت خود را تغییر می‌دهند، ببینیم.). حال فورا کلید را برگردانده و همزمان با آن کرونومتر را بکار می‌اندازیم. در حالی که با چشم آن قطره را دنبال می‌کنیم، صبر می‌کنیم تا چهارخانه را طی کند. به مجرد رسیدن قطره به انتهای خانه چهارم کرونومتر را متوقف و چشم را از دوربین جدا می‌کنیم.
نتایج

ملیکان و همکاران او بار هزاران قطره را اندازه گرفته و دریافتند که با در نظر گرفتن خطای اندازه گیری ، بار هر قطره مضرب صحیحی از بار پایه e (بار الکترون) است، یعنی بار هر قطره e ، ۲e ، e و … بوده و هیچگاه ۰٫۷۶ e یا ۲،۴۹ e نیست. این امر به دلیل این است که بار الکتریکی آن چنان چیزی نیست که بتوان آن را بطور نامحدودی تقسیم کرد، بلکه به صورت مضرب صحیحی از یکای طبیعی e است.