تجربة قطرة الزيت
تجربة قطرة الزيت oil drop experiment أو تجربة ميليكان هي من أشهر الطرق لقياس الشحنة الأولية e (وهي شحنة الإلكترون). قام بها روبرت ميليكان وهارڤي فلتشر سنة 1909 م، وذلك بتحريك قطرة صغيرة من الزيت في مجال كهربائي بمعدل يوازن قوى الجاذبية، واللزوجة (عند مروره خلال الهواء)، والقوة الكهربائية. يمكن حساب تلك القوى خلال الجاذبية واللزوجة حسب كمية وسرعة قطرة الزيت، فمنها يمكن استنباط القوة الكهربائية. بما أن القوة الكهربائية هي نتاج الشحنة الكهربائية ومجال كهربي معطى، فيمكن حساب الشحنة الكهربائية لقطرة الزيت بدقة تامة. نجد عند قياس الشحنة لقطرات زيت مختلفة، أن الشحنات كلها هي مضاعفات صحيحة لشحنة صغيرة مفردة تسمى الشحنة الأولية e.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
خلفية
مبدأ التجربة هو موازنة قوى الثقالة نحو الأسفل مع قوى الطفو والقوى الكهربائية نحو الأعلى المؤثرة على قطرة دقيقة من الزيت متوازنة بين قطبين معدنيين. وبما أن كثافة الزيت معروفة، فيمكن حساب كتل القطرات و قوى الثقالة والطفو بمعرفة نصف قطر القطرات. استطاع ميليكان وفليتشر بعد تحديد الحقل الكهربائي أن يحددا الشحنة الكهربائية في قطرات الزيت باستخدام التوازن الميكانيكي. وقد استطاعوا بعد تكرار التجربة على عدة قطرات أن يؤكدوا أن الشحنات كانت مضاعفات بعض القيم الأساسية، وحسبوها مساوية 1.5924×10−19 كولوم بفارق واحد بالمئة عن القيمة المقبولة حاليا والمساوية لـ 1.602176487×10−19 كولوم، حيث افترضوا أنها شحنة الإلكترون الواحد.[1]
التجربة
الجهاز
يحتوي جهاز ميليكان على زوج من الصفائح المعدنية الأفقية المتوازية. عند تطبيق فرق جهد على الصفائح، ينشئ بينهما حقلا كهربائيا في الفراغ. وقد استخدمت اسطوانة من مادة عازلة لفصل الصفائح عن بعضها البعض، ثم فتحت أربع فتحات في جدار الاسطوانة ثلاث منها للإضاءة بضوء ساطع والفتحة الآخرى تستخدم للرؤية باستخدام المجهر.
الطريقة
تنفث غمامة ذات قطرات زيتية دقيقة في الحجرة فوق الصفائح. وهذا الزيت يستخدم عادة في أجهزة التفريغ لتمتعه بضغط بخار منخفض جدا. الزيت العادي يتبخر نتيحة الحرارة الصادرة عن المنبع الضوئي فتتغير كتلة قطرة الزيت أثناء التجربة. تنشحن بعض القطرات كهربائيا نتيجة الاحتكاك مع فوهة النفث أثناء النفث. كما يمكن أن تشحن القطرات بإضافة منبع إشعاع أيوني إلى الجهاز (مثل أنبوب الأشعة السينية). تدخل القطرات في الفراغ بين الصفيحتين فتخضع القطرات المشحونة إلى تأثير الحقل الكهربائي، فيمكننا أن نوازن ميكانيكيا القوى المؤثرة أو نجعلها تهبط أو ترتفع وذلك بتغيير الجهد بين الصفائح.
مزاعم تزوير
يوجد بعض الجدل حول استخدام الانتقائية في نتائج ميليكان في مقياس التجربة الثانية لشحنة الإلكترون، من قبل المؤرخ گرالد هولتون. أشار هولتون (1978) أن ميليكان قد تجاهل مجموعة كبيرة من قطرات الزيت الناتجة بدون سبب واضح. ألان فرانكلين، التجريبي السابق، وفيلسوف العلوم الحالي في جامعة كولورادو، حاول دحض هذا ادعاء هولتون.[2] يدعي فرانكلين أن استثناءات فرانكلين للبيانات لم تؤثر على القيمة النهائية لe التي حصل عليها ميليكان ولكنه اعترف أن ميليكان قام بجراحة تجميل جوهرية أدت إلى تقليل الخطأ الاحصائي في e.[3]
تجربة ميليكان كمثال للتأثيرات النفسية على المنهجية العلمية
In a commencement address given at the California Institute of Technology (Caltech) in 1974 (and reprinted in Surely You're Joking, Mr. Feynman!), physicist Richard Feynman noted:
We have learned a lot from experience about how to handle some of the ways we fool ourselves. One example: Millikan measured the charge on an electron by an experiment with falling oil drops, and got an answer which we now know not to be quite right. It's a little bit off because he had the incorrect value for the viscosity of air. It's interesting to look at the history of measurements of the charge of an electron, after Millikan. If you plot them as a function of time, you find that one is a little bit bigger than Millikan's, and the next one's a little bit bigger than that, and the next one's a little bit bigger than that, until finally they settle down to a number which is higher.
Why didn't they discover the new number was higher right away? It's a thing that scientists are ashamed of - this history - because it's apparent that people did things like this: When they got a number that was too high above Millikan's, they thought something must be wrong - and they would look for and find a reason why something might be wrong. When they got a number close to Millikan's value they didn't look so hard. And so they eliminated the numbers that were too far off, and did other things like that...[4][5]
اعتبارا من 2008[تحديث], the accepted value for the elementary charge is 1.602176487(40)×10−19 C,[6] where the 40 indicates the uncertainty of the last two decimal places. In his Nobel lecture, Millikan gave his measurement as 4.774(5)×10−10 statC,[7] which equals 1.5924(17)×10−19 C. The difference is less than one percent, but it is more than five times greater than Millikan's standard error, so the disagreement is significant.
المصادر
- ^ تجربة قطرة الزيت، ويكيبيديا
- ^ Franklin, A. (1997). "Millikan's Oil-Drop Experiments". The Chemical Educator. 2 (1): 1–14. doi:10.1007/s00897970102a.
- ^ Goodstein, D. (2000). "In defense of Robert Andrews Millikan" (PDF). Engineering and Science. Pasadena, California: Caltech Office of Public Relations. 63 (4): 30–38. Retrieved December 2009.
{{cite journal}}: Check date values in:|accessdate=(help) - ^ Feynman, Richard, "Cargo Cult Science" (adapted from 1974 California Institute of Technology commencement address), Donald Simanek's Pages, Lock Haven University, rev. August 2008.
- ^ Feynman, Richard Phillips; Leighton, Ralph; Hutchings, Edward (1997-04-01). "Surely you're joking, Mr. Feynman!": adventures of a curious character. New York: W. W. Norton & Company. p. 342. ISBN 978-0-393-31604-9. Retrieved 10 July 2010.
- ^ NIST Reference on Constants, Units and Uncertainty
- ^ Millikan, Robert A.. "The electron and the light-quant from the experimental point of view" Stockholm (May 23, 1924). Retrieved on 2006-11-12.
وصلات خارجية
- شرح تجربة قطرة الزيت ميليكان (لغة إنكليزية) at YouTube
- Thomsen, Marshall, "Good to the Last Drop". Millikan Stories as "Canned" Pedagogy. Eastern Michigan University.
- CSR/TSGC Team, "Quark search experiment". The University of Texas at Austin.
- The oil drop experiment appears in a list of Science's 10 Most Beautiful Experiments originally published in the New York Times.
- Engeness, T.E., "The Millikan Oil Drop Experiment". 25 April 2005
- Millikan R. A. (1913). "On the elementary electrical charge and the Avogadro constant" (PDF). The Physical Review, Series II. 2: 109–143., Paper by Millikan discussing modifications to his original experiment to improve its accuracy.
- Millikan Oil Drop Experiment in space. A variation of this experiment has been suggested for the International Space Station.