ראשי > ניסויים וטעייות > גשם של שמן – על מדידת מטען האלקטרון (ניסוי מיליקן)

גשם של שמן – על מדידת מטען האלקטרון (ניסוי מיליקן)

התקופה היא החצי השני של המאה ה-19.

מטען חשמלי היה תופעה מוכרת לפיזיקאים של אותה תקופה, אך הדעה הרווחת היתה שזהו גודל רציף הניתן לחלוקה עד אינסוף בדומה למסה.

ב-1897 ביצע ג'.ג' תומסון (Thomson) סדרה של ניסויים בהם גילה כי ניתן להטות את מסלול הקרן בשפופרת קאתודית על ידי שדות חשמליים ומגנטיים והסיק שהקרן מורכבת מחלקיקים טעונים חשמלית (ראו איור 1). כיוון הטיית הקרן לימד אותו שהמטען של החלקיקים הוא שלילי. אותם חלקיקים הם מה שאנחנו מכנים היום אלקטרונים. מגודל ההטייה של הקרן הסיק תומסון את היחס בין המטען לבין המסה של אותם חלקיקים מסתוריים והראה שגודלו קבוע. על ידי מדידת המטען החשמלי הממוצע של ענני טיפות מים הוא הצליח להעריך את מטען האלקטרון הבודד, אבל רמת הוודאות והדיוק של הניסוי לא היתה גבוהה.

Thomson_cathode_ray_exp
איור 1: הטיית קרן בשפופרת קאתודית על ידי שדה חשמלי. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Kurzon.

באוניברסיטת שיקגו עבד הפיזיקאי רוברט מיליקן (Millikan) גם הוא על מדידת מטען האלקטרון באמצעות טיפות מים. במקום למדוד ממוצעים על טיפות רבות של מים הוא ניסה למדוד על טיפות בודדות, אבל הניסוי לא צלח מכיוון שטיפות המים הבודדות התאדו מהר מידי ולא היה ניתן לקבל תוצאות אמינות. לאחד מתלמידי המחקר שעבדו איתו, הארווי פלטשר, היה רעיון מבריק כיצד לפתור את הבעיה. טיפות של שמן, למשל שמן קל לשימוש במנגנוני שעונים, יחזיקו מעמד זמן רב ולא יתאדו, וכך יהיה ניתן לבחון אותם במשך זמן רב. מכאן נולד הניסוי שידוע כיום בשם: "ניסוי טיפות השמן של מיליקן", שנערך ב-1906.

מטרתו של מיליקן היתה למדוד את מטענו של אלקטרון בודד בדיוק ובוודאות גבוהה יותר מתומסון.

***

מערכת הניסוי שתכננו מיליקן ותלמידו פלטשר היתה מורכבת ממתקן בעל שני חללים, עליון ותחתון. לתוך החלל העליון מחובר מכשיר דומה לספריי של בקבוק בושם שהפיץ פנימה עננה של טיפות שמן קטנטנות, בגודל מיקרוני (ראו איור 2). בין החלל העליון לתחתון יש חור שדרכו נופלות חלק מהטיפות. החלל התחתון הורכב משני לוחות במרחק 16 מילימטר אחד מהשני. החלל התחתון הוקרן בקרני X, גל אלקטרומגנטי בעל אנרגיה גבוהה, שגרם ליינון של מולקולות האויר, כלומר לקריעת אלקטרונים מהן. כתוצאה אלקטרונים חופשיים או יונים טעונים חשמלית נתפסו על טיפות השמן וגרמו להן להיות טעונות חשמלית.

Simplified_scheme_of_Millikan’s_oil-drop_experiment
איור 2: תיאור מפושט של מערכת הניסוי של מיליקן ופלטשר. 'הספריי' מצד שמאל למעלה מזריק טיפול לחלל העליון. טיפה נופלת לחלל התחתון ששם מועל שדה חשמלי. מכשור אופטי בצד החלל התחתון מאפשר מעקב אחרי הטיפה. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה ועובד על ידי המשתמשים: Theresa Knott ו-Gregor.

בדופן החלל התחתון היה חלון עם מיכשור אופטי שאפשר להתבונן בטיפות הנופלות. הטיפות הגיעו בנפילתן למהירות קבועה (בדומה לנפילתו של צנחן) שהיתה איטית מאוד. עקב כך, החוקרים יכלו לעקוב ולמדוד את הקצב התנועה על ידי המכשור האופטי שמביט פנימה. ממהירות הנפילה הם יכלו להעריך בדיוק רב את גודלה של הטיפה, ומכיוון שידעו את הצפיפות של השמן יכלו לחשב את מסתה.

בשלב השני של הניסוי הם הפעילו מתח גבוה בין שני הלוחות שמהווים את החלל התחתון. עקב כך נוצר שדה חשמלי שגרם לכוח חשמלי שפעל על הטיפות. כעת יכלו למדוד את המהירות שבה נעה הטיפה מעלה, או לחלופין למצוא את המתח החשמלי שבו יש איזון מושלם בין כוח הכבידה שמושך את הטיפה מטה והכוח החשמלי שמושך אותה מעלה. ניתן היה לבצע מדידות חוזרות על אותה טיפה על ידי הדלקתו וכיבויו של המתח החשמלי. מידיעת המתח החשמלי והמסה של הטיפה הם יכלו לחשב את המטען החשמלי שעליה.

Scheme_of_Millikan’s_oil-drop_apparatus
איור 3: הסכימה של הניסוי שפורסמה על ידי מיליקן במאמרו המקורי שפורסם ב-1913. דרך ויקיפדיה.

המדידות של מיליקן הראו שעל כל טיפה היתה כמות שונה של מטען חשמלי. אבל התגלית הגדולה היתה שכמות המטען שנמדדה היתה תמיד כפולה שלמה של מספר בסיסי כלשהו. מיליקן הסיק שהמספר הזה הוא המטען של אלקטרון בודד. המספר שמדדו מיליקן ופלטשר היה 1.592×10-19* קולון (יחידות מטען חשמלי), כאשר המספר המקובל כיום הוא 1.602×10-19 קולון. לא רע.
*הערת שוליים: לא מצליח לתקן את התצוגה ונמאס לי לנסות. אני עוזב את זה ככה. מקווה שתבינו בכל זאת.

מיליקן פרסם את תוצאות המדידה במאמר מדעי ב-1913 כאשר דיוק המדידה עליו הוא מדווח הוא 0.2 אחוז.

אז מה היה לנו? מדידת מטען האלקטרון: צ'ק, דיוק גבוה: צ'ק, אבל מה עם וודאות גבוהה?

***

הפיזיקאי האוסטרי פליקס ארנהפט (Ehrenhaft) הטיל ספק בתוצאות של מיליקן וטען שמדד בעצמו ערכים נמוכים יותר. השניים נגררו למחלוקת עכורה שארכה שנים ויש האומרים שבגלל חוסר הוודאות בעניין לא קיבל מיליקן את פרס הנובל לפיזיקה ב-1920. בסופו של דבר יותר ויותר פיזיקאים צידדו במיליקן והמחלוקת דעכה.

ב-1923 קיבל מיליקן את פרס הנובל לפיזיקה על מדידת מטען האלקטרון ועל עבודתו על האפקט הפוטואלקטרי.

***

אקנח בכמה מילים על פרשייה מוזרה.

מי מכם שיציץ במאמרו המקורי (זהירות: פדף) של מיליקן יבחין ודאי ששמו של הארווי פלטשר נעדר מרשימת הכותבים. שנים אח"כ יחשוף פלטשר את הנסיבות שהובילו למהלך הזה, ולמה הוא לא כעס על כך ונשאר ביחסים טובים עם מורו מיליקן. בשנת 1982, לאחר מותו של פלטשר, פרסם המגזין Physics Today מאמר (זהירות: פדף) עם חלקים מביוגרפיה שלא פורסמה שכתב פלטשר. מעניין להעיף מבט, במיוחד על שני העמודים האחרונים, שבהם הוא מסביר את שהתרחש.

תמיד שווה להיזכר שמדע נעשה על ידי אנשים.

 

מודעות פרסומת
  1. 20/02/2015 בשעה 5:25 pm

    נקלעתי לבלוג שלך עכשיו דרך "חשיבה חדה", כתוב מאד ברור ומעניין!
    יש לי טיפ בקשר לסידור של הטקסט
    כשאתה נתקל במקרים שהטקסט לא מסתדר נכון בגלל השילוב של אנגלית ועברית, תנסה להכניס תו יוניקוד LRM או RLM במיקום הבעייתי. דוגמא:
    1) אתה כתבת –
    "המספר שמדדו מיליקן ופלטשר היה 1.592×10"
    2) נשים לב שאם מכניסים אות באנגלית באמצע הכיוון יסתדר –
    "המספר שמדדו מיליקן ופלטשר היה 1.592A×10"
    3) אז במקום האות A נכניס תו LRM – left-to-right mark‎ בלתי נראה –
    "המספר שמדדו מיליקן ופלטשר היה ‎1.592×10"

    השיטה להכניס את התוים האלה שונה בין חלונות, מק ולינוקס, ואולי גם בין תוכנות שונות. אבל ברגע שלומדים אותה זה נהיה כל כך פשוט לסדר טקסט מעורב, סוגריים, גרשיים וכל הדברים האלה שתמיד מופיעים במקום הלא נכון.

    • 20/02/2015 בשעה 5:29 pm

      תודה!
      אני אנסה כאשר אאסוף מספיק סבלנות לעסוק בזה. בזבזתי לא מעט בסיבוב הקודם 🙂

  2. 20/02/2015 בשעה 5:39 pm

    נתקלתי בבלוג שלך עכשיו דרך "חשיבה חדה", כתוב מאד ברור ומעניין!
    יש לי טיפ קטן לגבי סידור טקסט מעורב
    כשאתה נתקל במקרה שהטקסט לא מסתדר נכון בגלל השילוב של אנגלית ועברית, תנסה להכניס תו יוניקוד LRM או RLM במיקום הבעייתי. דוגמא:

    1) אתה כתבת –
    "המספר שמדדו מיליקן ופלטשר היה 1.592×10"

    2) שים לב שאם נוסיף אות אנגלית, הכיוון יסתדר –
    "המספר שמדדו מיליקן ופלטשר היה A1.592×10"

    3) אז במקום האות A נכניס תו בלתי נראה RLM (right-to-left mark)‎ –
    "המספר שמדדו מיליקן ופלטשר היה ‎1.592×10"

    הדרך להכניס תווי יוניקוד שונה בין חלונות, מק ולינוקס*, אבל ברגע שלומדים אותה פתאום נהיה נורא פשוט לסדר טקסט מעורב, סוגריים, גרשיים וכל הדברים האלה שתמיד מופיעים במקום הלא נכון. השתמשתי בזה כאן גם כדי לסדר את הסוגריים במספר 3), וגם בהערה למטה

    *כדי להכניס תו יוניקוד בלינוקס לוחצים ‎ ++uואז את הקוד של התו. הקוד של RLM הוא 200e

    • 20/02/2015 בשעה 5:41 pm

      תודה שוב 🙂
      פשוט לקח לי זמן לאשר את התגובה הקודמת.

  1. No trackbacks yet.

כתיבת תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s

%d בלוגרים אהבו את זה: