기름방울 실험

Oil drop experiment
피치 드롭 실험과 혼동하지 마십시오.
밀리컨의 기름방울 실험 장치

기름 방울 실험은 로버트 A가 수행했습니다. 1909년에 밀리컨과 하비 플레처는 기본 전하(전자의 전하)를 측정했습니다.[1][2]이 실험은 시카고 대학의 라이어슨 물리학 연구소에서 진행되었습니다.[3][4][5]밀리컨은 1923년에 노벨 물리학상을 받았습니다.[6]

이 실험은 축전기의 판을 형성하는 두 평행한 금속 표면 사이에 위치한 작은 전기로 대전된 기름 방울을 관찰하는 것을 수반했습니다.그 접시들은 수평으로 배열되어 있고, 다른 접시들 위에는 하나의 접시가 놓여 있습니다.상판의 작은 구멍을 통해 미립화된 기름방울의 안개가 유입돼 엑스레이로 이온화돼 음전하를 띠게 됐습니다.우선, 전기장이 0인 상태에서 낙하하는 액적의 속도를 측정하였습니다.말단 속도에서 항력은 중력과 같습니다.두 힘은 서로 다른 방식으로 반지름에 의존하기 때문에, 비말의 반지름과 따라서 질량과 중력을 결정할 수 있습니다.다음으로, 전기장을 유도하는 전압을 플레이트 사이에 인가하고 강하가 기계적 평형 상태에서 정지될 때까지 조정하여 전기력과 중력이 균형을 이루고 있음을 나타냈습니다.밀리컨과 플레처는 알려진 전기장을 이용하여 기름 방울의 전하를 알아낼 수 있었습니다.많은 액적에 대한 실험을 반복함으로써, 그들은 전하들이 모두 특정한 기저값의 작은 정수배임을 확인하였고, 이는 현재 허용되는 값인 1.60217634×10−19 C와 약 0.6% 차이가 나는 1.5924(17)×10−19 C로 확인되었습니다.[7]그들은 이것이 단일 전자의 음전하의 크기라고 제안했습니다.

배경

로버트 A. 1891년 밀리칸

1908년 시카고 대학교의 교수로 있을 때, "이인봉 선생의 능력 있는 조력자"[8]인 플레처의 중요한 투입으로 밀리컨은 1913년에 그의 획기적인 연구를 출판했습니다.[9]플레처가 사망한 후 발견된 논문들은 밀리컨이 박사학위를 받기 위한 조건으로 플레처에게 저자를 포기하도록 강요한 사건들을 묘사하고 있기 때문에 이것은 여전히 논란의 여지가 있습니다.[10][2]그에 대한 보답으로, 밀리컨은 벨 연구소에서 플레처의 경력을 지원하기 위해 그의 영향력을 사용했습니다.

Millikan과 Fletcher의 실험은 위와 아래의 두 전극 사이에 있는 유리 챔버에서 기름 방울에 가해지는 힘을 측정하는 것을 포함했습니다.전기장을 계산하면, 그들은 물방울의 전하를 측정할 수 있고, 하나의 전자에 있는 전하는 (-1.592×10−19 C)입니다.밀리컨과 플레처의 기름방울 실험 당시, 아원자 입자의 존재는 보편적으로 받아들여지지 않았습니다.1897년 J. J. 톰슨은 음극선을 실험하면서 수소 원자보다 질량이 1/1837배 작은 음으로 대전된 "코퍼스클"을 발견했습니다.조지 피츠제럴드와 월터 카우프만도 비슷한 결과를 발견했습니다.그러나 당시 전기와 자기에 대해 알려진 대부분의 것들은 전하가 연속적인 변수라는 것에 근거하여 설명될 수 있습니다. 빛의 많은 특성들이 광자의 흐름이 아닌 연속적인 파동으로 취급되어 설명될 수 있는 것과 거의 같은 방식으로 설명될 수 있습니다.

기본 전하는 기본 물리 상수 중 하나이므로 값의 정확성은 매우 중요합니다.1923년 밀리컨은 부분적으로 이 실험 덕분에 노벨 물리학상을 수상했습니다.

이전에 전하를 연속변수로 생각했던 토마스 에디슨은 밀리컨과 플레처의 장치를 사용한 후 확신하게 되었습니다.[11]이 실험은 여러 세대에 걸쳐 물리학과 학생들에 의해 반복되어 왔지만, 비용이 많이 들고 제대로 수행하기가 어렵습니다.

1995년부터 2007년까지 SLAC에서 분리된 분수 전하 입자를 찾기 위한 컴퓨터 자동화 실험이 여러 차례 수행되었지만, 1억 방울 이상을 측정한 후 분수 전하 입자에 대한 증거는 발견되지 않았습니다.[12]

실험절차

기구

Millikan의 오일드롭 실험의 단순화된 계획
기름방울 실험장치

밀리컨과 플레처의 장치는 평행한 한 쌍의 수평 금속판을 포함하고 있었습니다.판들 사이의 공간에 전위차를 가하여 균일한 전기장을 만들었습니다.단열재 고리는 접시들을 분리시키기 위해 사용되었습니다.네 개의 구멍이 링 안으로 잘려 나갔고, 세 개는 밝은 빛에 의해 조명을 받기 위해 그리고 다른 하나는 현미경을 통해 볼 수 있도록 했습니다.

미세한 물방울 안개가 접시 위의 방 안으로 뿌려졌습니다.이 오일은 진공 장치에 주로 사용되는 유형으로 증기압이 매우 낮기 때문에 선택되었습니다.일반 기름은 광원의 열 하에서 증발하여 실험 과정에서 기름 방울의 질량이 변하게 됩니다.일부 오일 방울은 분사될 때 노즐과의 마찰을 통해 전하를 띠게 됩니다.또는 이온화 방사선 소스(예: X선 튜브)를 포함하여 충전할 수 있습니다.이 물방울들은 판 사이의 공간으로 들어갔고, 대전되었기 때문에 판 사이의 전압을 변화시킴으로써 상승과 하강을 할 수 있었습니다.

방법

처음에는 오일 방울이 전기장이 꺼진 상태에서 플레이트 사이에 떨어지는 것이 허용됩니다.그들은 챔버 안의 공기와의 마찰 때문에 매우 빠르게 종단 속도에 도달합니다.그런 다음 필드가 켜지고 충분히 크면 일부 드롭(충전된 드롭)이 상승하기 시작합니다.(이것은 대전된 고무 막대를 사용하여 종이 조각을 선택할 수 있는 것과 같은 방식으로 위쪽 전기력 F가E 아래쪽 중력 F보다g 더 크기 때문입니다.)다른 모든 드롭이 떨어질 때까지 전압을 교대로 끄면서 가능성이 높은 드롭을 선택하고 시야 중앙에 유지합니다.그런 다음 이 한 방울로 실험을 계속합니다.

낙하를 허용하고 전기장이 없을 때의 종단 속도 v를1 계산합니다.낙하에 작용하는 인력은 스톡스의 법칙을 이용하여 구할 수 있습니다.

여기서 v는 낙하 낙하의 말단 속도(즉, 전기장이 없을 때의 속도)이고, η은 공기의 점도이며, r은 낙하의 반지름입니다.

무게 w는 부피 D에 밀도 ρ와 중력 g에 의한 가속도를 곱한 값입니다.그러나 필요한 것은 겉보기 무게입니다.공기 중 겉보기 중량은 실제 중량에서 추진력을 뺀 값입니다(오일 강하로 인해 변위된 공기의 중량과 동일).완벽한 구형 액적의 경우 겉보기 무게는 다음과 같이 적을 수 있습니다.

종단 속도에서는 오일 강하가 가속되지 않습니다.따라서 이 힘에 작용하는 총 힘은 0이어야 하며 F와 두 힘은 서로 상쇄되어야 합니다(즉, F = w 이는 다음을 암시합니다.

r을 계산하면 style 를 쉽게 계산할 수 있습니다.

이제 필드가 다시 켜지고, 낙하하는 전기력은

여기서 q는 오일 방울의 전하이고 E는 판 사이의 전기장입니다.평행판용

여기서 V는 전위차이고 d는 판 사이의 거리입니다.

q를 구하는 한 가지 생각할 수 있는 방법은 오일 강하가 안정적으로 유지될 때까지 V를 조정하는 것입니다.그러면 F를E 와 같게 할 수 있습니다 또한, 오일 강하의 질량은 스톡스의 법칙으로 돌아가지 않으면 결정하기 어렵기 때문에 F를E 결정하는 것은 어렵습니다.보다 실용적인 접근법은 V를 약간 올려 오일 강하가 새로운 단자 속도 v로2 상승하도록 하는 것입니다.그리고나서

논쟁

물리학자 제럴드 홀튼(1978)은 밀리컨이 최종 결과에 포함된 것보다 더 많은 측정값을 자신의 저널에 기록했다고 지적하면서 논란을 제기했습니다.Holton은 이 데이터 포인트들이 뚜렷한 이유 없이 자신의 실험에서 측정된 많은 양의 기름 방울에서 누락되었다고 주장했습니다.이 주장은 콜로라도 대학의 고에너지 물리학 실험가이자 과학 철학자인 앨런 프랭클린에 의해 반박되었습니다.[13]Franklin은 Millikan의 데이터 제외가 그의 최종 값 e에 실질적인 영향을 미치지는 않았지만, 이 추정 e 주변의 통계적 오류를 줄였다고 주장했습니다.이를 통해 Millikan은 e를 0.5% 이상으로 계산했다고 주장할 수 있었습니다. 실제로 Millikan이 자신이 버린 모든 데이터를 포함시켰다면 평균의 표준 오차는 2% 이내가 되었을 것입니다.이것은 여전히 밀리컨이 그 당시의 그 누구보다 더 잘 측정되는 결과를 낳았을 것이지만, 약간 더 큰 불확실성은 물리학계 내에서 그의 결과에 더 많은 이견을 허용했을 수도 있습니다.프랭클린은 밀리컨이 데이터에 대해 "화장품 수술"을 했을 수도 있다는 결론과 함께 밀리컨의 측정에 대한 지지를 남겼지만, 데이비드 굿스타인은 밀리컨이 보관한 원래의 세부 노트를 조사했습니다.Millikan은 여기와 보고서에 명백하게 "완전한 일련의 관찰"을 거친 방울들만 포함하고 이 완전한 측정 그룹에서 방울들은 제외했다고 말합니다.[14][15]완전한 관측치를 생성하지 못한 이유에는 특정 측정값인 Millikan의 의견에 따라 장치 설정, 오일 강하 생성, 대기 영향에 대한 주석이 포함됩니다.

과학적 방법론에 있어서 심리적 효과의 예로서 밀리칸의 실험

참고 항목: 확인 편향 § Science_and_scientific_research
파인만이 1913-1951년에 발표한 논문을 이용한 전자 전하 측정의 산점도

물리학자인 리차드 파인만은 1974년 캘리포니아 공과대학교(Caltech)에서 행한 졸업식 연설에서 [16][17]다음과 같이 언급했습니다. (그리고 1985년에는 농담하시는군요, 파인만씨!와 1999년에는 물건을 찾는 즐거움에서 다시 인쇄되었습니다.)

우리는 우리가 스스로를 속이는 방법 중 일부를 어떻게 다루는지에 대해 경험을 통해 많은 것을 배웠습니다.한가지 예를 들자면, 밀리컨은 낙하하는 기름방울에 대한 실험을 통해 전자의 전하를 측정했습니다. 그리고 우리는 정답이 아니라고 알고 있습니다.공기의 점도 값이 정확하지 않아서 조금 이상합니다.밀리칸 이후 전자의 전하 측정 역사를 살펴보는 것은 흥미로운 일입니다.시간의 함수로 표시하면, 하나는 밀리컨보다 조금 더 크고, 다음 하나는 그것보다 조금 더 크고, 다음 하나는 그것보다 조금 더 큰 것을 발견할 수 있습니다. 마침내 더 높은 숫자로 정착할 때까지 말이죠.
왜 그들은 새로운 숫자가 더 높다는 것을 바로 발견하지 못했을까요?과학자들은 이 역사를 부끄러워합니다. 왜냐하면 사람들이 이런 일을 했다는 것이 분명하기 때문입니다.밀리컨보다 너무 높은 수치를 얻었을 때, 그들은 뭔가 잘못된 것이 분명하다고 생각했습니다. 그리고 그들은 무언가가 잘못된 이유를 찾고 또 찾곤 했습니다.밀리칸의 가치에 근접한 숫자를 얻었을 때 그들은 그렇게 어려워 보이지 않았습니다.그래서 그들은 너무 멀리 떨어져 있는 숫자들을 제거하고 다른 일들을 했습니다.

2019년 5월 현재 기본 전하의 값은 정확히 1.60217634×10−19 C로[7] 정의되어 있습니다.그 전에 가장 최근(2014) 허용된 값은[18] 1.6021766208(98)×10C였으며−19, 여기서 (98)은 소수점 마지막 두 자리의 불확실성을 나타냅니다.노벨상 강의에서 밀리컨은 측정값을 4.774(5)×10−10 statC,[19] 즉 1.5924(17)×10−19 c로 제시했습니다.차이는 1% 미만이지만 밀리컨의 표준 오차보다 6배나 커 의견 차이가 큽니다.

1928년 Erik Bäcklin은 X선 실험을 사용하여 정확한 값의 불확실성 내에 있는 기본 전하의 더 높은 값인 (4.793±0−10.015)×10 statC 또는 (1.5987±0.005)×10−19 C를 발견했습니다.1929년에 물리 상수에 대한 검토를 실시한 레이먼드 테이어 버지는 "배클린에 의한 연구는 선구적인 작품을 구성하며, 다양한 체계적 오류의 출처를 포함할 가능성이 높습니다.만약 [...]명백한 오류 가능성에 따라 가중치가 부여된 [...], 가중치 평균은 여전히 의심스러울 정도로 높을 것입니다. [...] 글쓴이는 마침내 배클린 값을 거부하고 나머지 두 값의 가중치 평균을 사용하기로 결정했습니다."Birge는 Millikan의 결과와 Millikan의 결과와 일치하는 다른 덜 정확한 X선 실험을 평균했습니다.[20]연속적인 X선 실험은 계속해서 높은 결과를 주었고, 불일치에 대한 제안은 실험적으로 배제되었습니다.Sten von Friesen은 새로운 전자 회절법으로 그 값을 측정했고 기름 방울 실험은 다시 진행되었습니다.둘 다 높은 숫자를 줬습니다.1937년까지 밀리컨의 가치는 더 이상 유지될 수 없다는 것이 "매우 명백"했고, 확립된 값은 (4.800±0.005)×10−10 statC 또는 (1.6011±0.0017)×10−19 c가 되었습니다.[21]

참고문헌

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  2. ^ a b Fletcher, Harvey (June 1982). "My Work with Millikan on the Oil-drop Experiment". Physics Today. 43 (6): 43–47. Bibcode:1982PhT....35f..43F. doi:10.1063/1.2915126.
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  17. ^ 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.
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  21. ^ von Friesen, Sten (June 1937). "On the values of fundamental atomic constants". Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences. 160 (902): 424–440. Bibcode:1937RSPSA.160..424V. doi:10.1098/rspa.1937.0118.

추가열람

외부 링크

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