Esperimentu de Millikan

El esperimentu de la gota d'aceite foi un esperimentu realizáu por Robert Millikan y Harvey Fletcher en 1909 pa midir la carga elemental (la carga del electrón).

Esti esperimentu implicaba permediar la fuercia gravitatoria (dirixida escontra baxo) cola flotabilidá (dirixida en sentíu contrariu a la gravitacional) y les fuercies llétriques nes minúscules gotes d'aceite cargaes suspendíes ente dos electrodos metálicos. Puesto que la densidá del petroleu yera conocida, les mases de les "gotes", y polo tanto les sos fuercies gravitatories y de flotación, podríen determinase a partir de los sos radios reparaos. Usando un campu llétricu conocíu, Millikan y Fletcher pudieron determinar la carga nes gotes d'aceite en equilibriu mecánicu. Repitiendo'l esperimentu pa munches gotes, confirmaron que les cargues yeren toos múltiplos d'un valor fundamental, y calcularon que ye 1,5924|(17).10^-19 C, dientro d'un unu per cientu d'error del valor anguaño aceptáu de 1,602176487|(40).10^-19 C. Propunxeron qu'ésta yera la carga d'un únicu electrón.

Fundamentu

Robert Millikan en 1891.

A partir del añu 1900, mientres yera profesor na Universidá de Chicago, Millikan, col importante apurra de Fletcher, trabayó nel esperimentu de la gota d'aceite col que midió la carga d'un únicu electrón. Dempués d'una publicación sobre les sos primeres resultaos^[1] en 1910, les observaciones contradictories de Felix Ehrenhaft^[2] empecipiaron un discutiniu ente los dos físicos. Dempués d'ameyorar la so configuración esperimental, publicó'l so estudiu seminal en 1913.^[3]

El so esperimentu mide la intensidá de fuercia llétrico contra la fuercia d'atraición gravitatoria nes minúscules gotes d'aceite, cargaes por esfregadura, suspendíes ente dos electrodos metálicos. Conociendo'l campu llétricu, determinar la carga na gota. Repitiendo l'esperimentu pa munches gotes, Millikan demostró que los resultaos podíen ser esplicaos como múltiplos enteros d'un valor común 1,592x10^-19 C, la carga d'un únicu electrón.

Na dómina de los esperimentos de la gota d'aceite de Millikan y Fletcher, la esistencia de les partícules subatómiques nun yera universalmente aceptada. Esperimentando colos rayos catódicos Thomson afayó en 1897 unos corpúsculos (como él llamar) negativamente cargaos, con una masa unu 1800 vegaes más pequeña que la d'un átomu d'hidróxenu. Resultaos paecíes fueren atopaos por George Francis FitzGerald y Walter Kaufmann. La mayoría de lo qu'entós se conocía alrodiu de la lletricidá y el magnetismu, sicasí, podría esplicase sobre la base de que la carga ye una variable continua, de la mesma forma que munches de les propiedaes de la lluz pueden esplicase'l tratala como una onda continua en llugar de como una corriente de fotones.

La llamada carga elemental y ye una de les constantes físiques fundamentales y el so valor exactu ye de gran importancia. En 1923, Millikan, ganó'l Premiu Nobel de física, en parte por cuenta de esti esperimentu.

Amás de la midida, la guapura del esperimentu de la gota d'aceite mora en que ye una simple y elegante demostración práutica de que la carga ta en realidá cuantizada. Thomas Edison, quien considerara la carga como una variable continua, convencióse dempués de trabayar col aparatu de Millikan y Fletcher. Esti esperimentu foi repitíu por xeneraciones d'estudiantes de física, anque ye bastante caru y malo de faer correutamente.

Procedimientu esperimental

Esquema simplificáu del esperimentu de la gota d'aceite de Millikan.

L'aparatu de Robert Millikan incorpora un par de plaques metáliques paraleles horizontales. Al aplicar una diferencia de potencial ente les plaques, créase un campu llétricu uniforme nel espaciu ente elles. Utilizóse un aniellu de material aislante pa caltener les plaques separaes. Cuatro furacos cortar nel aniellu, trés pal llume con una lluz brilloso, y otru pa dexar la visualización al traviés d'un microscopiu.

Una fina borrina de gotes d'aceite se roció a una cámara percima de les plaques. L'aceite yera d'un tipu utilizáu de normal n'aparatos de vacíu y foi escoyíu porque tenía una presión de vapor desaxeradamente baxa. L'aceite ordinario se evaporaría sol calor de la fonte de lluz causando que la masa de la gota d'aceite camudara mientres l'intre del esperimentu. Delles gotes d'aceite cargábense llétricamente al traviés del resfregón cola boquilla cuando fueron alboraes, mientres otres descargábense hasta faese cationes y otres volvíense neutres. Como alternativa, la carga podría llevase a cabu por aciu la inclusión d'una fonte de radiación ionizante (como un tubu de rayos X).

Métodu

Primeramente , les gotes d'aceite déxense cayer ente les plaques col campu llétricu apagáu. Bien rápido algamen la velocidá terminal por cuenta del resfregón col aire na cámara. Enciéndese entós el campu y, si ye lo suficientemente grande, dalgunes de les gotes van empezar a xubir. (Esto debe a que la fuercia llétrico escontra riba F_Y ye mayor que la fuercia gravitacional escontra baxo F_g, de la mesma forma los cachos de papel puede ser recoyíos por una barra de cauchu cargada). Escuéyese una gota pa reparar la probable cayida y caltiénse nel centru del campu de visión coneutando y apagando el voltaxe alternativamente hasta que toles otres gotes cayeren. L'esperimentu síguese entós con esta única gota.

La gota déxase cayer y calcúlase la so velocidá terminal v₁ n'ausencia de campu llétricu. La fuercia de resfregón qu'actúa sobre la gota puede ser calculada usando la llei de Stokes:

$F_{d}=6\pi r\eta v_{1}\,$

onde v₁ ye la velocidá terminal (esto ye, la velocidá n'ausencia de campu llétricu) de la gota que cai, η ye la mafa del aire, y r ye'l radiu de la gota.

El pesu F_g ye'l volume V multiplicáu pola densidá ρ y l'aceleración de la gravedá g. Sicasí, lo que se precisa ye'l pesu aparente. El pesu aparente nel aire ye'l pesu real, menos el pesu del aire que mueve la gota (upthrust). Pa una gota perfectamente esférica'l pesu aparente puede espresase como:

$W={\frac {4}{3}}\pi r^{3}g(\rho -\rho _{air})\,$

A velocidá terminal, la gota d'aceite nun ta acelerando. Asina la fuercia total qu'actúa sobre ella ten de ser cero. Asina les dos fuercies F_d y F_g tienen d'atayase una a otra (esto ye, F_d = F_g). Esto implica que:

$r^{2}={\frac {9\eta v_{1}}{2g(\rho -\rho _{air})}}.\,$

Una vegada calculóse r, F_g puede calculase fácilmente.

Agora'l campu vuelve encender, y la fuercia llétrico sobre la gota ye:

$F_{Y}=qY\,$

onde q ye la carga de la gota d'aceite y Y ye'l campu llétricu ente les plaques. Pa plaques paraleles:

$Y={\frac {V}{d}}\,$

onde V ye la diferencia de potencial y d ye la distancia ente les plaques.

Una de les formes concebibles pa calcular q sería afaer V hasta que la cayida de la gota d'aceite calténgase estable. Entós podríamos igualar F_Y con F_g. Pero na práutica esto ye bien difícil faelo con precisión. Amás, la determinación de F_Y resulta difícil por cuenta de que la masa de la gota d'aceite ye malo de determinar ensin volver de nuevu al usu de la Llei de Stokes. Un enfoque más práuticu ye faer de V hasta un pocu mayor por que la gota d'aceite alzar con una nueva velocidá terminal v₂. Entós:

$qY-F_{g}=6\pi r\eta v_{2}={\frac {F_{g}v_{2}}{v_{1}}}.\,$

Acusaciones de fraude

Esiste ciertu discutiniu plantegáu pol historiador Gerald Holton sobre l'usu de la selectividá nes resultaos de Millikan del so segundu esperimentu pa la midida de la carga del electrón. Holton (1978) señaló que Millikan refugó un gran conxuntu de les gotes d'aceite llograes nos sos esperimentos ensin razón aparente. Allan Franklin, un antiguu investigador n'alta enerxía y actual filósofu de la ciencia na Universidá de Colorado trató de rebatir esti puntu de Holton.^[4] Franklin afirma que les esclusiones de Millikan de datos nun afecten el valor final de la y que Millikan llogró, pero almite qu'hubo una sustancial "ciruxía estética" que realizó Millikan y que tuvo l'efectu d'amenorgar l'error estadísticu en y. Esto dexó a Millikan citar que calculara y con un error menor qu'una media del unu per cientu, ello ye que si Millikan incluyera tolos datos que llogró, sería del 2%. Anque tou esto podría traducise en que Millikan midiera'l valor de y, meyor que naide nesi momentu, la incertidume d'un pocu más grande podría dexar un mayor desalcuerdu coles sos resultaos na comunidá de físicos. David Goodstein cunta que Millikan establez claramente que solamente incluyó les gotes que se sometieren a "una serie completa d'observaciones" y nun escluyó nenguna gota d'esti grupu.^[5]

L'esperimentu de Millikan y la pseudociencia

Nun discursu d'apertura dau nel Institutu Teunolóxicu de California (Caltech) en 1974 (y reimpreso en ¿Ta usté de chancia, Sr. Feynman?), el físicu Richard Feynman señaló:

Aprendimos enforma de la esperiencia sobre cómo remanar delles de les formes en qu'engañamos a nós mesmos. Un exemplu: Millikan midió la carga d'un electrón nun esperimentu de cayida de gotes d'aceite, y recibió una respuesta qu'agora sabemos que nun tien tola razón. Ta un pocu agarráu pelos pelos porque tenía'l valor incorreutu pa la mafa d'aire. Ye interesante reparar la hestoria de les midíes de la carga d'un electrón, dempués de Millikan. Si dibuxa una gráfica de la midida de la carga en función del tiempu, afayar qu'un datu ye un pocu más grande que'l de Millikan, y el siguiente ye un pocu más grande qu'esi, y el siguiente ye un pocu más grande qu'esi, hasta que finalmente s'asientan nun númberu que ye mayor.

Richard Feynman

¿Por qué nun afayaron que'l nuevu númberu yera l'inmediatu superior?. Ye daqué de lo que los científicos avergoñar d'esta hestoria - porque rescampla que la xente pensaba coses como esta: Cuando llegaron a un númberu que yera demasiáu alto percima del de Millikan, pensaron que daqué tenía de ser incorreutu - y buscaron y atoparon una razón pola que daqué podría ser erróneu. Cuando llegaron a un númberu cercanu al valor de Millikan nun-yos paeció tan difícil. Y asina esaniciaron los númberos que taben demasiáu lloñe, y otres coses pol estilu. Aprendimos esos trucos anguaño, y agora nun tenemos esi tipu de mal.

Richard Feynman^[6]^[7]

A partir de 2008, el valor aceptáu pa la carga elemental ye 1,602176487|(40).10^-19 C}},^[8] onde'l 40 indica incertidume nos dos últimes cifres. Na so conferencia Nobel, Millikan dio la so midida como 4,774(5).10^-10 uec,^[9] que ye igual a 1,5924(17).10^-19 C. La diferencia ye menor del unu per cientu, pero ye más de cinco veces mayor que la esviación estándar de Millikan, polo que'l desalcuerdu ye significativu.

Referencies

↑ Millikan, R. A. (1910). «A new modification of the cloud method of determining the elementary electrical charge and the most probable value of that charge». Phil. Mag. 19 (110): páxs. 209-228. doi:10.1080/14786440208636795.
↑ Ehrenhaft, Felix , Über die Kleinsten Messbaren Elektrizitätsmengen, Phys. Zeit., 10(1910), p. 308
↑ Millikan, R. A. (1913). «On the Elementary Electric charge and the Avogadro Constant». Phys. Rev. 2 (2): páxs. 109-143. doi:10.1103/PhysRev.2.109.
↑ Franklin, A. (1997). «Millikan's Oil-Drop Experiments». The Chemical Educator 2 (1): páxs. 1-14. doi:10.1007/s00897970102a.
↑ Goodstein, D. (2000). «In defense of Robert Andrews Millikan». Engineering and Science (Caltech Office of Public Relations) 63 (4): páxs. 30 - 38. http://eands.caltech.edu/articles/Millikan%20Feature.pdf. Consultáu'l avientu de 2009.
↑ Feynman, Richard, "Cargu Cult Science" (adapted from 1974 California Institute of Technology commencement address), Donald Simanek's Pages Archiváu 2011-09-02 en Wayback Machine, Lock Haven University, rev. August 2008.
↑ Feynman, Richard P., Ralph Leighton and Edward Hutchings (1997), "Surely You're Joking, Mr. Feynman!": Adventures of a Curious Character. New York: W. W. Norton & Co., Inc. ISBN 978-0-393-31604-9.
↑ NIST Reference on Constants, Units and Uncertainty
↑ Millikan, Robert A. (23 de mayu de 1924). The electron and the light-quant from the experimental point of view. http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1923/millikan-lecture.html. Consultáu'l 12 de payares de 2006.

Otres llectures

Serway, Raymond A.; Faughn, Jerry S. (2006). Holt: Physics. Holt, Rinehart and Winston. ISBN 0-03-073548-3.
Thornton, Stephen T.; Rex, Andrew (2006). Modern Physics for Scientists and Engineers (3rd ed.). Brooks/Cole. ISBN 0-495-12514-8.
Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Physics for Scientists and Engineers (6th ed.). Brooks/Cole. ISBN 0-534-40842-7.

http://es.wikipedia.org/wiki/Gravedá

Enllaces esternos

Thomsen, Marshall, "Good to the Last Drop Archiváu 2006-08-28 en Wayback Machine". Millikan Stories as "Canned" Pedagogy. Eastern Michigan University.
CSR/TSGC Team, "Quark search experiment". The University of Texas at Austin.
L'esperimentu de la gota d'aceite apaez nun llistáu de Science's 10 Most Beautiful Experiments Archiváu 2006-04-06 en Wayback Machine orixinalmente publicáu nel New York Times.
Engeness, T.Y., "The Millikan Oil Drop Experiment". 25 April 2005
Millikan R. A. (1913). «On the elementary electrical charge and the Avogadro constant». The Physical Review, Series II 2: páxs. 109 - 143. Archivado del original el 2015-06-20. https://web.archive.org/web/20150620130806/http://www.aip.org/history/gap/PDF/millikan.pdf. Consultáu'l 2018-02-24. , Artículu de Millikan aldericando cambeos al so esperimentu orixinal p'ameyorar la so precisión.
Millikan Oil Drop Experiment in space. Una variante d'esti esperimentu foi suxerida pola Estación Espacial Internacional.

[1] Millikan, R. A. (1910). «A new modification of the cloud method of determining the elementary electrical charge and the most probable value of that charge». Phil. Mag. 19 (110): páxs. 209-228. doi:10.1080/14786440208636795.

[2] Ehrenhaft, Felix , Über die Kleinsten Messbaren Elektrizitätsmengen, Phys. Zeit., 10(1910), p. 308

[3] Millikan, R. A. (1913). «On the Elementary Electric charge and the Avogadro Constant». Phys. Rev. 2 (2): páxs. 109-143. doi:10.1103/PhysRev.2.109.

[4] Franklin, A. (1997). «Millikan's Oil-Drop Experiments». The Chemical Educator 2 (1): páxs. 1-14. doi:10.1007/s00897970102a.

[5] Goodstein, D. (2000). «In defense of Robert Andrews Millikan». Engineering and Science (Caltech Office of Public Relations) 63 (4): páxs. 30 - 38. http://eands.caltech.edu/articles/Millikan%20Feature.pdf. Consultáu'l avientu de 2009.

[6] Feynman, Richard, "Cargu Cult Science" (adapted from 1974 California Institute of Technology commencement address), Donald Simanek's Pages Archiváu 2011-09-02 en Wayback Machine, Lock Haven University, rev. August 2008.

[7] Feynman, Richard P., Ralph Leighton and Edward Hutchings (1997), "Surely You're Joking, Mr. Feynman!": Adventures of a Curious Character. New York: W. W. Norton & Co., Inc. ISBN 978-0-393-31604-9.

[8] NIST Reference on Constants, Units and Uncertainty

[9] Millikan, Robert A. (23 de mayu de 1924). The electron and the light-quant from the experimental point of view. http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1923/millikan-lecture.html. Consultáu'l 12 de payares de 2006.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]