Expérience de Millikan

Le processus de l'expérience de la goutte d'huile

L'expérience consistait à superposer deux plaques métalliques horizontales et à intercaler un matériau isolant entre elles. Quatre trous ont été découpés dans le matériau isolant, trois d'entre eux pour introduire de la lumière et un pour permettre l'observation au microscope.

Une différence de potentiel a été appliquée entre les deux plaques pour former un champ électrique uniforme entre les plaques. Lorsque des gouttes d'huile ont été pulvérisées, certaines d'entre elles ont été chargées électriquement en raison de la friction avec la buse. Une source de rayonnement ionisant, telle qu'un tube à rayons X, pourrait également être utilisée pour charger les gouttes.

Desgouttes d'huile atomisées ont été pulvérisées dans une chambre située au-dessus des plaques. L'huile est utilisée à la place de l'eau parce qu'elle ne s'évaporepasrapidement, ce qui permet à la masse de rester à peu près constante.

Pour le processus, les étapes suivantes ont été suivies :

1. Pendant que le champ électrique était désactivé, les gouttes d'huile ont été introduites entre les plaques et, en raison de la friction avec l'air dans la chambre, elles ont atteint leur vitesse terminale assez rapidement.
2. Le champ électrique a été activé et les gouttes d'huile chargées ont commencé à monter. Cela se produit lorsque le champ électrique est suffisamment puissant et que la force électrique ascendante FE est supérieure à la force gravitationnelle Fg.
3. Une goutte appropriée a été sélectionnée pour poursuivre l'expérience tout en maintenant cette goutte sélectionnée au milieu en coupant alternativement la tension jusqu'à ce que les autres gouttes descendent.
4. On laisse la goutte tomber à sa vitesse terminale. Cela signifie que la force nette sur la goutte est nulle, signifiant que la force de gravité sur la goutte et la force du champ électrique sur la goutte sont égales.

Alors, comment cela permet-il de déterminer la charge d'un seul électron ? Examinons les équations que Millikan et Fletcher ont utilisées pour comprendre ce concept.

Comme nous l'avons noté précédemment, la force de gravité est égale à la force du champ électrique lorsque la goutte tombe à sa vitesse terminale.

\[m_{drop} \cdot g = q_e \cdot E\]

Dans cette équation :

1. m est la masse de la goutte en grammes.
2. g est la constante gravitationnelle, 9,8 ^m/s2, à la surface delaterre.
3. qe est la charge de l'électron en coulombs.
4. E est le champ électrique en Newtons/Coulombs.

Un microscope peut détecter les gouttelettes sous forme de points lumineux réfléchis, mais elles sont trop minuscules pour que l'on puisse estimer leur taille et leur masse par des mesures directes. Lorsque la tension est coupée, la masse de la goutte est déterminée par la vitesse à laquelle elle tombe. En raison de la résistance de l'air, les plus massives tombent plus rapidement que les moins massives, révélant leur masse par des calculs de sédimentation avancés.

Nous avons indiqué que la tension (V) est ajustée pour équilibrer le poids delagoutte, et comme le champ électrique est produit par la tension appliquée, il peut être calculé comme indiqué ci-dessous.

\[E = \frac{V}{d}\]

Ici, d est la distance entre les plaques en mètres.

Une fois que la masse de la goutte est connue, la charge de l'électron peut être calculée à l'aide de l'équation réarrangée ci-dessous.

\[q = \frac{m_{goutte} \cdot g}{E} = \frac{m_{goutte} \cdot g \cdot d}{V}\]

Ici, V est la tension qui maintient la goutte en place.

Millikan avait mesuré la charge de l'électron qe avec une précision de 1 % et, en quelques années, il l'a augmentée d'un facteur 10 pour atteindre une valeur de -1,^60⋅10-19 C. Il a également remarqué que toutes les charges étaient des multiples de la charge fondamentale de l'électron et que des électrons pouvaient être ajoutés ou soustraits des gouttes à tout moment.

Commentlesexpériences de Millikan ont-elles affecté la photoélectricité ?

Après avoir réalisé l'expérience de la goutte d'huile, Millikan a publié un rapport, espérant invaliderlathéorie de l'effet photoélectrique d'Albert Einstein datant de 1905. Celle-ci disait que les électrons sont éjectés d'une surface métallique lorsqu'ils sont impactés par la lumière à certaines longueurs d'onde.

Millikan pensait que si l'expérience de l'effet photoélectrique était réalisée correctement, aucun électron ne serait libéré. Il a soigneusement réalisé son expérience dans le vide, en veillant à ce que rien dans l'atmosphère ne puisse interférer avec l'installation ou faciliter la formation d'un courant.

Cependant, contrairement à ses intentions, il a fini par prouver l 'effetphotoélectrique , ce qui a permis à Einstein de recevoir le prix Nobel de 1921 pour la théorie de l'effet photoélectrique et à Millikan lui-même de recevoir le prix Nobel de 1923 pour ses travaux sur la détermination de la charge d'un électron et la démonstration de la théorie de l'effet photoélectrique.