ما هي تجربة ميليكان؟
تُعد تجربة ميليكان أو تجربة قطرة الزيت (بالإنجليزية: Millikan oil-drop experiment ) هي أول قياس مباشر ومقنع للشحنة الكهربائية لإلكترون واحد فقط، تم إجراؤها في عام 1909 بواسطة العالم الفيزيائي الأمريكي روبرت أ. ميليكان، الذي ابتكر طريقة مباشرة لقياس الشحنة الكهربائية الدقيقة الموجودة على العديد من القطرات في رذاذ الزيت، بحيث تكون القوة المؤثرة على أي شحنة كهربائية في مجال كهربائي تساوي حاصل ضرب الشحنة في المجال الكهربائي.
جهاز تجربة ميليكان
تم إنشاء جهاز هذه التجربة بواسطة ميليكان وفليتثر، بحيث قاما بدمج لوحين معدنيين مثبتين على مسافة ما بواسطة قضيب معزول، أحدهما موجب الشحنة والآخر سالب الشحنة، وكانت هناك أربعة ثقوب في اللوح، ثلاثة من هذه الثقوب هدفها هو السماح للضوء بالمرور من خلالها، أما الثقب الآخر فكان بهدف السماح بالرؤية من خلال المجهر.
كيفية إجراء تجربة ميليكان
فيما يأتي طرق القيام بالتجربة وتطبيقها:
- قام ميليكان بالبداية برش رذاذ خفيف من قطرات الزيت عبر الفتحات الموجودة في اللوحة العلوية للجهاز، فتسقط بعض قطرات الزيت من خلال ثقب صغير في اللوحة المعدنية العلوية بسبب تأثير الجاذبية ومقاومة الهواء.
- بعد ذلك يتأين الهواء الموجود المسافة بين الصفائح المعدنية عن طريق تمرير شعاع من الأشعة السينية عبرها، فتلتصق إلكترونات الأيونات الغازية الناتجة من تأين الهواء بقطرات الزيت المتساقطة، مما يؤدي إلى إكسابها شحنة سالبة.
- يعمل مصدر الضوء الذي يتم ضبطه بزوايا قائمة على مجهر الرؤية على إضاءة قطرات الزيت مما يجعلها تظهر كنجوم لامعة أثناء سقوطها، ويمكن حساب كتلة القطرة الواحدة المشحونة بملاحظة سرعة سقوطها.
- يتم إنشاء المجال الكهربائي بين الصفيحتين، ويصبح من الممكن أن تتأثر حركة قطرات الزيت المشحونة بالمجال الكهربائي.
- تعمل الجاذبية على سحب الزيت للأسفل، بينما يدفع المجال الكهربائي الشحنة للأعلى، لكن عندما تكون كمية القوة الكهربائية الصاعدة مساوية لقوة الجاذبية تبقى القطرة المشحونة ثابتة، ومن خلال تعديل فرق الجهد بين الألواح المعدنية، يمكن التحكم بسرعة حركة القطرة عن طريق زيادتها أو تقليلها.
- وأخيرًا تُحسب الشحنة الكلية لقطرة الزيت عند التوازن، باستخدام قوة المجال الكهربائي وكتلة القطرة معًا، بحيث كانت القيمة الأولية للشحنة الكهربائية حوالي (1.602 × 10−19 كولوم).
الحسابات الرياضية المستخدمة في تجربة قطرة الزيت لميليكان
لحساب الشحنة الكهربائية لقطرة الزيت يجب أن تكون القوة المؤثرة على هذه القطرة للأعلى = القوة المؤثرة عليها للأسفل، علمًا أن القوة المؤثرة للأعلى = شحنة الإلكترون × قوة المجال الكهربائي، والقوة المؤثرة للأسفل = كتلة قطرة الزيت × قوة الجاذبية الأرضة، وبالتالي فإن: شحنة الإلكترون × قوة المجال الكهربائي = كتلة قطرة الزيت × قوة الجاذبية الأرضة، ومنه يكون قانون حساب الشحنة الكهربائية هو:
شحنة الإلكترون = (كتلة قطرة الزيت × قوة الجاذبية الأرضة) / قوة المجال الكهربائي
بالرموز:
ش -e = (ك × ق الجاذبية) / ق المجال الكهربائي، بحيث أن:
- ش -e: هي شحنة الإلكترون.
- ك: هي كتلة قطرة الزيت.
- ق الجاذبية: هي قوة الجاذبية الأرضية.
- ق المجال الكهربائي: هي قوة المجال الكهربائي.
القانون باللغة الإنجليزية
Q = m. g / E، بحيث أن:
- Q: هي شحنة الإلكترون.
- m: هي كتلة قطرة الزيت.
- g: هي قوة الجاذبية الأرضية .
- E: هي قوة المجال الكهربائي.
نتائج تجربة قطرة الزيت لميليكان
بعد أن أجرى ميليكان تجربة قطر الزيت ظهرت عدة نتائج مهمة، منها:
- أكدت تجربة قطرة الزيت لميليكان وجود الإلكترون كما حددت شحنته بدقة أيضًا.
- أثبتت التجربة أن الشحنة تتغير بكميات منفصلة أو ما يعرف باسم كوانتا (بالإنجليزية: quanta)
- أثبتت التجربة التأثير الكهروضوئي والطبيعة المزدوجة الموجية - الجسيمية للضوء.
- أثبتت التجربة حسابيًا أن الشحنة الموجودة على أي قطرة زيت دائمًا ما تكون قيمة تكاملية للإلكترون وهي (1.6 × 10-19).
- أثبتت التجربة أن الشحنة عبارة عن كمية، أي أن وجود الشحنة على أي جسيم سيكون دائمًا مضاعفًا لا يتجزأ من قيمة الإلكترون.
الدراسات المكملة لتجربة ميليكان
بعد قيام ميليكان بتجربة قطرة الزيت وقياس القيمة المطلقة للشحنة الكهربائية للإلكترون، ظهرت فيما بعد مبادئ النظرية الذرية، التي وضحت بدورها بأن كتلة الإلكترونات موجبة الشحنة تبلغ 1845 ضعف كتلة تلك سالبة الشحنة، وأنه يمكن قياس عدد الشحنات الموجبة والسالبة في الذرة، ويتم توزيع الشحنات السالبة من خلال نواة الذرة والمدارات أو المناطق الخارجية أيضًا.
