Experiment de Millikan: diferència entre les revisions

L''''experiment de Millikan, ''' o ''' experiment de la gota d'oli, '''és un important experiment realitzat per primera vegada el 1909<ref name=":7">{{Ref-publicació|cognom = Millikan|nom = R.A|article = The Isolation of an Ion, A Precision Measurement of Its Charge, and the Correction of Stokes's Law|publicació = Science|url = https://www.jstor.org/stable/1634813|data = 30 setembre 1910|pàgines = 436-448|volum = 32|exemplar = 822}}</ref><ref name=":1">{{Ref-publicació|cognom = Millikan|nom = R.A|article = The Isolation of an Ion, a Precision Measurement of its Charge, and the Correction of Stokes’s Law|publicació = Phys. Rev.|url = http://web.ihep.su/dbserv/compas/src/millikan11/eng.pdf|data = Abril 1911|pàgines = 349--397|volum = 32|exemplar = 4|doi = 10.1103/PhysRevSeriesI.32.349}}</ref> pels físics [[Estats Units d'Amèrica|nord-americansestatunidencs]] [[Robert Andrews Millikan]] (1868-1953) i [[Harvey Fletcher]] (1884-1981), i perfeccionat per Millikan el 1913,<ref name=":2">{{Ref-publicació|cognom = Millikan|nom = R.A|article = On the Elementary Electrical Charge and the Avogadro Constant|publicació = Phys. Rev.|url = http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRev.2.109|data = 1 agost 1913|pàgines = 109-143|volum = 2|exemplar = 2|doi = 10.1103/PhysRev.2.109}}</ref> que els permeté determinar la [[càrrega elèctrica]] de l’[[electró]], i pel qual concediren el [[Premi Nobel de Física]] del [[1923]] a R.A. Millikan.

L’experiment consistí essencialment a fer caure gotetes d’oli, mitjançant un [[polvoritzador]], en el si d’un [[camp elèctric]]. Algunes de les gotetes es carregaven elèctricament per efecte d'una radiació de [[raig X|raigs X]] i, si hom dónadonant al camp elèctric un valor apropiat, ésera possible d’equilibrar-ne la caiguda. Mesurant la intensitat del camp elèctric necessari per a contrarestar la [[força de la gravetat]], el pes de la goteta, i coneixent la massa de les gotetes (que hompot obtécalcular-se mesurant llurs velocitats de caiguda lliure en l’aire), Millikan observà que els valors de les càrregues elèctriques de les gotetes eren sempre múltiples enters d’una quantitat fixa, que és la [[càrrega elemental]]. El valor obtingut fou ''e'' = 1,5924(17)×10⁻¹⁹&nbsp;C, només un 0,62% inferior al valor acceptat actualment ''e'' = 1,602176565(35)×10⁻¹⁹&nbsp;C.<ref name=":5">{{Ref-publicació|cognom = Mohr|nom = P.J.|article = CODATA recommended values of the fundamental physical constants: 2010|publicació = Reviews of Modern Physic|url = http://physics.nist.gov/cuu/pdf/RevModPhysCODATA2010.pdf|data = Octubre-desembre 2012|pàgines = 1527-1579|cognom2 = Taylor|nom2 = B.N.|cognom3 = Newell|nom3 = D.B|volum = 84|exemplar = 4}}</ref>

El 1896, el físic britànic [[Joseph John Thomson]] (1856-1940) dugué a terme una sèrie d'experiments que indicaren que els [[raigs catòdics]] eren realment partícules úniques i no pas ones, [[Àtom|àtoms]] o [[Molècula|molècules]], tal com es creia anteriorment. Thomson realitzà bones estimacions tant de la càrrega de l'electró com de la seva massa, i trobà que les partícules dels raigs catòdics –les quals anomenava «corpuscles»– tenien potser una mil·lèsima part de la massa de l'ió menys massiu conegut, l'[[ió hidrogen]]. Mostrà que la seva proporció càrrega/massa era independent del material del càtode.<ref>{{Ref-publicació|cognom = Thomson|nom = J.J.|article = Cathode Rays|publicació = Philosophical Magazine|url = http://web.lemoyne.edu/~giunta/thomson1897.html|data = 1897|pàgines = 293-316|volum = 44}}</ref>

Una vegada determinada la relació càrrega/massa el problema a resoldre era evident, determinar per separat la massa i la càrrega de l'electró. La primera determinació de la càrrega de l'electró es deu al físic anglès [[John Sealy Edward Townsend]] (1868-1957), alumne de J.J. Thomson, que publicà el seu resultat el 1897.<ref>{{Ref-publicació|cognom = Townsend|nom = J.S|article = On Electricity in Gases and the Formation of Clouds in Charged Gases|publicació = Proc. Cambridge Phil. Soc|url = |data = 1897|pàgines = 244-258|volum = 9}}</ref> El seu experiment consistí en mesurar dues quantitats: La càrrega total d'un nigul de vapor d'aigua format per expansió d'un gas ionitzat; i el nombre de gotes del nigul. La [[hipòtesi]] en què es basà fou suposar que cada gota s'havia condensat sobre un únic ió. Així resultava que dividint la càrrega total pel nombre de gotes (igual al nombre d'ions) donaria el valor de la càrrega d'un d'ells. El valor obtingut per Townsend difereix en un factor 2 del valor acceptat actualment.<ref name=":0">{{Ref-llibre|cognom = Hughes|nom = V.W|títol = Atomic and Electron Physics: ATOMIC SOURCES AND DETECTORS|url = https://books.google.cat/books?id=Von-ZO2KfbcC&vq=millikan&hl=ca&source=gbs_navlinks_s|edició = |llengua = |data = 1967|editorial = Academic Press|lloc = |pàgines = |isbn = 9780080859774}}</ref>

Aquest mètode fou modificat pel mateix J.J. Thomson i pel físic anglès [[Harold Albert Wilson]]''' '''(1874–1964).<ref>{{Ref-publicació|cognom = Wilson|nom = H.A|article = Charge on the Ions Produced in Air by Röntgen Rays|publicació = Phil. Mag.|url =http://www.plasma.uaic.ro/topala/articole/HA%20Wilson%201903.pdf |data = 1903|pàgines = 429-441.|volum = 5}}</ref> Wilson afegí plaques a sota i a sobre el nigul de manera que podia carregar-les elèctricament i produir un [[camp elèctric]] uniforme vertical en l'espai ocupat pel nigul. La velocitat de caiguda del núvol la mesurà amb i sense el camp elèctric i, suposant la validesa de la [[llei de Stokes]], el valor de la càrrega esla potpogué calcular a partir de l'equació de la força.<ref name=":0" />

El físic nord-americàestatunidenc Robert A. Millikan s'interessà en el problema de la determinació de la càrrega de l'electró durant una estada d'un any a Europa el 1895. L'octubre assistí a Berlín a una sèrie de lliçons sobre física teòrica impartides per [[Max Planck]] (1858-1947) en relació als raigs catòdics. De tornada als Estats Units passà a treballar d'assistent d'[[Albert Abraham Michelson]] (1852-1931) a la [[Universitat de Chicago]]. El següent any J.J. Thomson determinà la naturalesa corpuscular dels raigs catòdics. El 1906 Millikan decidí millorar el mètode de Wilson emprant una bateries més potents, de 1600-3000 V, per produir un camp elèctric més intens entre plaques separades 5 mm. Treballant amb el seu alumne de doctorat [[Louis Begeman]] (1865-1958) obtingueren valors més precisos (Begeman obtingué el valor 1,557·10^-19 C a la seva tesi doctoral).<ref>{{Ref-publicació|cognom = Millikan|nom = R.A.|article = On the Charge Carried by the Negative Ion of an Ionized Gas|publicació = Phys. Rev.|url = http://authors.library.caltech.edu/9601/1/MILpr08.pdf|data = 1908|pàgines = 197-198|cognom2 = Begeman|nom2 = L|volum = 26}}</ref><ref name=":6">{{Ref-llibre|cognom = Heering|nom = P.|títol = Constructing Scientific Understanding Through Contextual Teaching|url = https://books.google.cat/books?id=zXK-tLclDOUC&vq=millikan&hl=ca&source=gbs_navlinks_s|edició = |llengua = |data = 2007|editorial = Frank & Timme GmbH|lloc = |pàgines = |isbn = 9783865961181|cognom2 = Osewold|nom2 = D}}</ref>

L'aparell constaconstava de tres cambres. La més externa contenia les altres dues i estava plena de 40 l d'oli de motor per a mantenir la temperatura constant dintre les altres dues, amb fluctuacions de només 0,02 ºC. La més interna constava de dues plaques de [[llautó]] circulars de 22 cm de diàmetre situades horitzontalment una damunt de l'altra i separades 1,6 cm. La superior tenia un petit forat al centre, i es carregava positivament (+); la inferior no tenia forat i es carregava negativament ('''-'''). Entre aquestes plaques s'hi podia crear un [[camp elèctric]] uniforme, en senti per avall o per amunt, d'intensitat entre 3000 i 8000 V/cm (300 000 - 800 000 N/C). Les plaques quedaven separades mitjançant tres petites peces d'[[ebonita]] i tot l'espai tancat amb una cinta d'ebonita, aïllant la cambra entre les plaques de l'exterior. En aquesta franja d'ebonita hi havia tres finestres de vidre, quadrades, d'1,5 cm de costat, situades a 0º, 165º i 180º. Un feix de llum estret, produït per una làmpada d'arc, entrava a través de la primera finestra i emergia a través de la darrera. L'altra finestra a 165º servia per observar, amb l'ajuda d'un curt [[telescopi]] situat a 61 cm, l'interior de la cambra.<ref name=":1">{{Ref-publicació|cognom = Millikan|nom = R.A|article = The Isolation of an Ion, a Precision Measurement of its Charge, and the Correction of Stokes’s Law|publicació = Phys. Rev.|url = http://web.ihep.su/dbserv/compas/src/millikan11/eng.pdf|data = Abril 1911|pàgines = 349--397|volum = 32|exemplar = 4|doi = 10.1103/PhysRevSeriesI.32.349}}</ref>

Un [[atomitzador]], com els emprats en els flascons de perfums,<ref name=":3" /> produïa petites gotetes d'oli a la part superior d'una altra cambra que contenia la cambra descrita. Les gotetes cauencaien per efecte del [[camp gravitatori]] i, alguna d'elles, passapassaven pel petit forat d'agulla de la placa superior. En observar-se l'entrada d'una goteta es tancava el forat per evitar corrents d'aire. La goteta seguiseguia, ara dintre la cambra, el seu camí de caiguda cap a terra. Una font de radiació, [[raigs X]] o [[radi (element)|radi]] (emissor de [[raigs beta|raigs β]] i [[raigs gamma|γ]]), entrant per la mateixa finestra per on entrava la llum, permetia ionitzar les [[molècules]] de l'[[aire]] ([[nitrogen]] o [[oxigen]]), i els ions, cations o electrons, eren absorbits per la goteta d'oli.<ref name=":1">{{Ref-publicació|cognom = Millikan|nom = R.A|article = The Isolation of an Ion, a Precision Measurement of its Charge, and the Correction of Stokes’s Law|publicació = Phys. Rev.|url = http://web.ihep.su/dbserv/compas/src/millikan11/eng.pdf|data = Abril 1911|pàgines = 349--397|volum = 32|exemplar = 4|doi = 10.1103/PhysRevSeriesI.32.349}}</ref>

Quan s'ionitza l'aire les gotetes absorbeixen electrons. En absència de camp elèctric segueixen caient a la mateixa velocitat ja que les masses dels electrons són molt petites. Activant el [[camp elèctric]] entre les plaques es pot aturar la caiguda d'una goteta, igualant-se en aquest cas la [[força de la gravetat]] i la força elèctricaelestrostàtica, o, si s'augmenta més la intensitat del camp elèctric hom pot fer-les pujar que, per efecte un altre cop de la llei de Stokes, és un moviment a velocitat constant. La mateixa goteta es pot fer pujar i baixar fins que xoca contra una de les plaques, i així es poden realitzar una sèrie de mesures amb la mateixa goteta.<ref name=":1">{{Ref-publicació|cognom = Millikan|nom = R.A|article = The Isolation of an Ion, a Precision Measurement of its Charge, and the Correction of Stokes’s Law|publicació = Phys. Rev.|url = http://web.ihep.su/dbserv/compas/src/millikan11/eng.pdf|data = Abril 1911|pàgines = 349--397|volum = 32|exemplar = 4|doi = 10.1103/PhysRevSeriesI.32.349}}</ref>

La primavera del 1910 s'inicià l'anomenada ''«La batalla per l'electró»'' entre Millikan i un físic de la [[Universitat de Viena]], [[Felix Ehrenhaft]] (1879 – 1952). El mateix any Ehrenhaft havia publicat<ref>{{Ref-publicació|cognom = Ehrenhaft|nom = F|article = Über die Messung von Elektrizitätsmengen, die kleiner zu sein scheinen als die Ladung des einwertigen Wasserstoffions oder Elektrons und von dessen Vielfachen abweichen|publicació = Kais. Akad. Wiss. Wien, Sitzber. math.-nat. Kl. (IIa) S.|url = |data = 1910|pàgines = 815-867|volum = 119}}</ref> unes mesures sobre la càrrega elemental realitzades amb un experiment semblant al de Millikan, anunciant l'existència de tota una distribució de càrregues menors que la de l'electró. Durant els següents anys, ells o els seus alumnes, seguiren publicant articles on indicaven l'existència de càrregues molt més petites que lesla de l'electró, que anomenaren ''subelectrons''. Per la seva part Millikan seguí publicant nous articles i d'altres investigadors també realitzaren experiments que indicaven que la càrrega de l'electró era la càrrega elemental. Això provocà que fos una qüestió que estava a l'ordre del dia d'alguns dels físics més importants d'aquell moment ([[Max Planck]], [[Jean Perrin]], [[Albert Einstein]], [[Arnold Sommerfeld]], [[Max Born]] i [[Erwin Schrödinger]]).<ref>{{Ref-llibre|cognom = Holton|nom = G|títol = The Scientific Imagination|url = https://books.google.cat/books?id=BMe_IgVtk90C&dq=millikan+ehrenhaft&hl=ca&source=gbs_navlinks_s|edició = |llengua = |data = 1998|editorial = Harvard University Press|lloc = |pàgines = |isbn = 9780674794887}}</ref>