THÍ NGHIỆM MILLIKAN: THỦ TỤC, GIẢI THÍCH, TẦM QUAN TRỌNG - VẬT LÝ - 2026

Các thí nghiệm Millikan , thực hiện bởi Robert Millikan (1868-1953) cùng với học trò của mình Harvey Fletcher (1884-1981), bắt đầu vào năm 1906 và nhằm mục đích để nghiên cứu các tính chất của điện tích, phân tích sự chuyển động của hàng ngàn giọt dầu ở giữa một điện trường đều.

Kết luận là điện tích không có giá trị tùy ý mà là bội số của 1,6 x 10 ^-19 C, là điện tích cơ bản của electron. Ngoài ra, khối lượng của electron đã được tìm thấy.

Hình 1. Ở bên trái, thiết bị ban đầu được Millikan và Fletcher sử dụng trong thí nghiệm của họ. Ở bên phải, một sơ đồ đơn giản của nó. Nguồn: Wikimedia Commons / F. Zapata,

Trước đây, nhà vật lý JJ Thompson đã thực nghiệm tìm thấy mối quan hệ điện tích-khối lượng của hạt cơ bản này, mà ông gọi là "tiểu thể", nhưng không phải các giá trị của từng độ lớn riêng biệt.

Từ mối quan hệ điện tích - khối lượng và điện tích của êlectron, người ta xác định được giá trị khối lượng của nó: 9,11 x 10 ^-31 Kg.

Để đạt được mục đích của mình, Millikan và Fletcher đã sử dụng một bộ phun sương phun ra những giọt dầu nhỏ. Một số giọt nhiễm điện do ma sát trong bình phun.

Các giọt tích điện từ từ lắng xuống trên các điện cực bản phẳng song song, trong đó một số nhỏ đi qua một lỗ nhỏ trên tấm phía trên, như thể hiện trong sơ đồ ở hình 1.

Bên trong các tấm song song có thể tạo ra một điện trường đều vuông góc với các tấm, mà độ lớn và cực của chúng được điều khiển bằng cách thay đổi hiệu điện thế.

Hành vi của các giọt được quan sát bằng cách chiếu sáng bên trong các tấm bằng ánh sáng rực rỡ.

Giải thích thí nghiệm

Nếu giọt nước có điện tích, trường được tạo ra giữa các tấm sẽ tác động lên nó một lực tác dụng ngược lại lực hấp dẫn.

Và nếu nó cũng cố gắng duy trì trạng thái lơ lửng, điều đó có nghĩa là trường tạo ra một lực thẳng đứng hướng lên, chính xác là cân bằng trọng lực. Điều kiện này sẽ phụ thuộc vào giá trị của q, điện tích của giọt.

Thật vậy, Millikan đã quan sát thấy rằng sau khi bật sân, một số điểm rơi bị đình chỉ, số khác bắt đầu tăng hoặc tiếp tục hạ xuống.

Bằng cách điều chỉnh giá trị của điện trường - ví dụ, thông qua một điện trở thay đổi - có thể tạo ra sự sụt giảm để vẫn lơ lửng trong các tấm. Mặc dù trong thực tế, điều đó không dễ đạt được nhưng nếu điều đó xảy ra, chỉ có lực do trường tác dụng và trọng lực tác động lên vật thả.

Nếu khối lượng của quả rơi là m và điện tích của nó là q, biết rằng lực này tỷ lệ với trường tác dụng có độ lớn E, định luật II Newton phát biểu rằng cả hai lực phải cân bằng:

Giá trị của g, gia tốc trọng trường đã biết, cũng như độ lớn E của trường, phụ thuộc vào hiệu điện thế V được thiết lập giữa các bản và khoảng cách giữa các L này, là:

Câu hỏi đặt ra là tìm khối lượng của giọt dầu nhỏ. Khi điều này được hoàn thành, việc xác định điện tích q là hoàn toàn có thể. Đương nhiên, m và q lần lượt là khối lượng và điện tích của giọt dầu, không phải là electron.

Nhưng … giọt tích điện bởi vì nó mất đi hoặc nhận được electron, vì vậy giá trị của nó liên quan đến điện tích của hạt nói trên.

Khối lượng của giọt dầu

Vấn đề của Millikan và Fletcher là xác định khối lượng của một giọt nước, không phải là một nhiệm vụ dễ dàng do kích thước nhỏ của nó.

Biết khối lượng riêng của dầu, nếu có khối lượng thả thì khối lượng đó giải được. Nhưng khối lượng cũng rất nhỏ, vì vậy các phương pháp thông thường không được sử dụng.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu biết rằng các vật thể nhỏ như vậy không rơi tự do vì lực cản của không khí hoặc môi trường can thiệp, làm chậm chuyển động của chúng. Mặc dù hạt, khi được thả ra khi trường đã tắt, trải qua một chuyển động thẳng đứng có gia tốc và hướng xuống, cuối cùng nó sẽ rơi xuống với tốc độ không đổi.

Tốc độ này được gọi là "vận tốc đầu cuối" hoặc "vận tốc giới hạn", trong trường hợp của một quả cầu, phụ thuộc vào bán kính của nó và độ nhớt của không khí.

Trong trường hợp không có ruộng, Millikan và Fletcher đã đo thời gian để giọt rơi. Giả sử rằng giọt có dạng hình cầu và với giá trị của độ nhớt của không khí, họ đã tìm cách xác định bán kính gián tiếp từ vận tốc đầu cuối.

Tốc độ này được tìm thấy bằng cách áp dụng định luật Stokes và đây là phương trình của nó:

- v _t là vận tốc đầu cuối

- R là bán kính của giọt (hình cầu)

- η là độ nhớt của không khí

- ρ là khối lượng riêng của giọt

Tầm quan trọng

Thí nghiệm của Millikan rất quan trọng, bởi vì nó tiết lộ một số khía cạnh chính trong Vật lý:

I) Điện tích nguyên tố là của electron, có giá trị là 1,6 x 10 ^-19 C, một trong những hằng số cơ bản của khoa học.

II) Mọi điện tích khác đều là bội số của điện tích cơ bản.

III) Biết được điện tích electron và mối quan hệ điện tích - khối lượng của J.J Thomson, có thể xác định được khối lượng electron.

III) Ở cấp độ các hạt nhỏ như hạt cơ bản, tác dụng hấp dẫn là không đáng kể so với cấp độ tĩnh điện.

Hình 2. Millikan ở phía trước bên phải, cùng với Albert Einstein và các nhà vật lý nổi tiếng khác. Nguồn: Wikimedia Commons.

Millikan nhận giải Nobel Vật lý năm 1923 cho những khám phá này. Thí nghiệm của ông cũng có liên quan bởi vì ông đã xác định các tính chất cơ bản này của điện tích, bắt đầu từ một thiết bị đo đạc đơn giản và áp dụng các định luật mà tất cả mọi người đều biết.

Tuy nhiên, Millikan bị chỉ trích vì đã loại bỏ nhiều quan sát trong thí nghiệm của mình mà không có lý do rõ ràng, để giảm sai số thống kê của kết quả và làm cho chúng trở nên "dễ nhìn" hơn.

Giảm với nhiều loại phí

Millikan đã đo rất nhiều giọt trong thí nghiệm của mình và không phải tất cả chúng đều là dầu. Ông cũng đã thử thủy ngân và glycerin. Như đã nói, cuộc thử nghiệm bắt đầu vào năm 1906 và kéo dài trong vài năm. Ba năm sau, vào năm 1909, kết quả đầu tiên được công bố.

Trong thời gian này, ông thu được nhiều giọt tích điện khác nhau bằng cách chiếu tia X xuyên qua các tấm, để ion hóa không khí giữa chúng. Bằng cách này các hạt tích điện được giải phóng mà giọt có thể chấp nhận được.

Hơn nữa, anh ấy không chỉ tập trung vào những giọt lơ lửng. Millikan quan sát thấy rằng khi mức giảm tăng lên, tốc độ tăng cũng thay đổi theo tải được phân phối.

Và nếu giọt rơi xuống, điện tích tăng thêm này nhờ sự can thiệp của tia X, không làm thay đổi tốc độ, vì bất kỳ khối lượng electron nào thêm vào giọt đều rất nhỏ, so với khối lượng của chính giọt.

Bất kể nó thêm bao nhiêu điện tích, Millikan nhận thấy rằng tất cả các giọt điện tích thu được là bội số nguyên của một giá trị nhất định, đó là e, đơn vị cơ bản, như chúng ta đã nói là điện tích của electron.

Ban đầu Millikan thu được 1,592 x 10 ^-19 C cho giá trị này, hơi thấp hơn một chút so với giá trị được chấp nhận hiện tại, đó là 1,602 x 10 ^-19 C. Nguyên nhân có thể là giá trị mà ông đưa ra cho độ nhớt của không khí trong phương trình xác định vận tốc đầu cuối của giọt.

Thí dụ

Làm bay một giọt dầu

Chúng ta xem ví dụ sau. Một giọt dầu có khối lượng riêng ρ = 927 kg / m ³ và được thả vào giữa các điện cực có điện trường tắt. Giọt nhanh chóng đạt đến vận tốc đầu cuối, theo đó bán kính được xác định, giá trị của nó hóa ra là R = 4,37 x10 ^-7 m.

Trường đều bật, hướng thẳng đứng lên trên và có độ lớn 9,66 kN / C. Bằng cách này, nó đạt được rằng giọt vẫn bị treo ở trạng thái nghỉ.

Nó hỏi:

a) Tính điện tích giọt

b) Tìm điện tích nguyên tố chứa bao nhiêu lần điện tích của quả rơi.

c) Xác định nếu có thể, dấu hiệu của tải trọng.

Hình 3. Một giọt dầu ở giữa điện trường không đổi. Nguồn: Cơ bản của Vật lý. Rex-Wolfson.

Giải pháp cho

Trước đây, biểu thức sau được dẫn xuất cho một giọt ở trạng thái nghỉ:

Biết khối lượng riêng và bán kính của giọt, xác định khối lượng của giọt:

Như vậy:

Do đó, điện tích của giọt là:

Giải pháp b

Biết rằng tải trọng cơ bản là e = 1,6 x 10 ^-19 C, chia tải trọng thu được ở phần trước cho giá trị này:

Kết quả là điện tích trên giọt nước xấp xỉ hai lần (n≈2) điện tích nguyên tố. Nó không chính xác là gấp đôi, nhưng sự khác biệt nhỏ này là do sự hiện diện không thể tránh khỏi của sai số thử nghiệm, cũng như làm tròn trong mỗi phép tính trước đó.

Giải pháp c

Có thể xác định dấu hiệu của điện tích, nhờ vào thực tế là tuyên bố cung cấp thông tin về hướng của trường hướng thẳng đứng lên trên, cũng như lực.

Đường sức điện trường luôn bắt đầu bằng điện tích dương và kết thúc bằng điện tích âm, do đó tấm dưới mang dấu + và bản trên mang dấu - (xem hình 3).

Vì giọt hướng về phía tấm ở trên, do trường điều khiển và vì các điện tích trái dấu hút nhau nên giọt phải có điện tích dương.

Trên thực tế, giữ cho sự sụt giảm bị đình chỉ là không dễ dàng đạt được. Vì vậy, Millikan đã sử dụng các dịch chuyển thẳng đứng (thăng và trầm) mà sự sụt giảm đã trải qua khi tắt và bật trường, cộng với những thay đổi về điện tích tia X và thời gian di chuyển, để ước tính lượng phí phụ mà giọt đã thu được.

Điện tích thu được này tỷ lệ với điện tích trên electron, như chúng ta đã thấy, và có thể được tính toán với thời gian tăng và giảm, khối lượng rơi và các giá trị của g và E.

Người giới thiệu

1. Mở Tâm trí. Millikan, nhà vật lý đến để xem electron. Phục hồi từ: bbvaopenmind.com
2. Rex, A. 2011. Cơ bản của Vật lý. Lề.
3. Tippens, P. 2011. Vật lý: Khái niệm và Ứng dụng. Phiên bản thứ 7. Đồi McGraw.
4. Amrita. Thí nghiệm giọt dầu của Millikan. Lấy từ: vlab.amrita.edu
5. Cao đẳng Wake Forest. Thí nghiệm giọt dầu của Millikan. Phục hồi từ: wfu.edu