मिलिकन प्रयोग: प्रक्रिया, स्पष्टीकरण, महत्व - शारीरिक - 2025

Millikan प्रयोग, रॉबर्ट Millikan (1868-1953) द्वारा किए गए एक साथ अपने छात्र हार्वे फ्लेचर (1884-1981), के साथ 1906 में शुरू हुआ और इलेक्ट्रिक चार्ज के गुणों का अध्ययन करने के उद्देश्य से, बूंदों के हजारों के आंदोलन का विश्लेषण तेल का एक समान विद्युत क्षेत्र के बीच में।

निष्कर्ष यह था कि विद्युत आवेश का मनमाना मान नहीं था, लेकिन 1.6 x 10 ^-19 C के गुणकों में आया, जो कि इलेक्ट्रॉन का मूलभूत आवेश है। इसके अलावा, इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान पाया गया था।

चित्र 1. उनके प्रयोग में मिलिकन और फ्लेचर द्वारा प्रयुक्त मूल उपकरण बाईं ओर है। दाईं ओर इसका एक सरलीकृत चित्र। स्रोत: विकिमीडिया कॉमन्स / एफ। ज़पाटा, पहले, भौतिक विज्ञानी जेजे थॉम्पसन ने प्रयोगात्मक रूप से इस प्राथमिक कण के चार्ज-मास संबंध को पाया था, जिसे उन्होंने "कॉर्पसकल" कहा था, लेकिन प्रत्येक परिमाण के मूल्य अलग-अलग नहीं थे।

इस आवेश - द्रव्यमान संबंध और इलेक्ट्रॉन के आवेश से, इसके द्रव्यमान का मान निर्धारित किया गया था: 9.11 x 10 ^-31 Kg।

अपने उद्देश्य को प्राप्त करने के लिए, मिलिकन और फ्लेचर ने एक एटमाइज़र का इस्तेमाल किया जिसने तेल की बूंदों की एक अच्छी धुंध का छिड़काव किया। स्प्रेयर में घर्षण के कारण कुछ बूंदों को विद्युत चार्ज किया गया था।

चार्ज किए गए ड्रॉप्स धीरे-धीरे समानांतर फ्लैट प्लेट इलेक्ट्रोड पर बस रहे थे, जहां कुछ ऊपरी प्लेट में एक छोटे से छेद से गुजरते थे, जैसा कि चित्र 1 में आरेख में दिखाया गया है।

समानांतर प्लेटों के अंदर, प्लेटों के लिए समान विद्युत क्षेत्र बनाना संभव है, जिसकी परिमाण और ध्रुवता को वोल्टेज को संशोधित करके नियंत्रित किया गया था।

चमकदार रोशनी के साथ प्लेटों के इंटीरियर को रोशन करके बूंदों के व्यवहार को देखा गया था।

प्रयोग की व्याख्या

यदि ड्रॉप में चार्ज है, तो प्लेटों के बीच बनाया गया क्षेत्र उस पर एक बल लगाता है जो गुरुत्वाकर्षण का प्रतिकार करता है।

और अगर यह भी निलंबित रहने का प्रबंधन करता है, तो इसका मतलब है कि यह क्षेत्र एक उर्ध्वाधर ऊर्ध्वाधर बल का उत्सर्जन करता है, जो वास्तव में गुरुत्वाकर्षण को संतुलित करता है। यह स्थिति ड्रॉप के प्रभार, क्यू के मूल्य पर निर्भर करेगी।

दरअसल, मिलिकन ने देखा कि मैदान पर जाने के बाद, कुछ बूंदों को निलंबित कर दिया गया था, दूसरों ने बढ़ना शुरू कर दिया या उतरना जारी रखा।

विद्युत क्षेत्र के मूल्य को समायोजित करके - एक चर प्रतिरोध के माध्यम से, उदाहरण के लिए - प्लेटों के भीतर निलंबित रहने के लिए एक बूंद बनाई जा सकती है। हालांकि व्यवहार में इसे प्राप्त करना आसान नहीं है, लेकिन क्या ऐसा होना चाहिए, केवल मैदान से बाहर निकाले गए बल और बूंद पर गुरुत्वाकर्षण का कार्य।

यदि ड्रॉप का द्रव्यमान m है और इसका चार्ज q है, तो यह जानकर कि बल परिमाण E के लागू क्षेत्र के समानुपाती है, न्यूटन के दूसरे नियम में कहा गया है कि दोनों बलों को संतुलित होना चाहिए:

G का मान, गुरुत्वाकर्षण का त्वरण ज्ञात है, साथ ही क्षेत्र का परिमाण E, जो प्लेटों के बीच स्थापित वोल्टेज V और इन L के बीच के पृथक्करण पर निर्भर करता है, जैसे:

सवाल तेल की छोटी बूंद के द्रव्यमान को खोजने का था। एक बार यह पूरा हो जाने पर, चार्ज q का निर्धारण पूरी तरह से संभव है। स्वाभाविक रूप से, एम और क्यू क्रमशः द्रव्यमान और तेल की बूंद के प्रभार हैं, न कि इलेक्ट्रॉन।

लेकिन… ड्रॉप को चार्ज किया जाता है क्योंकि यह इलेक्ट्रॉनों को खो देता है या प्राप्त करता है, इसलिए इसका मूल्य उक्त कण के चार्ज से संबंधित है।

तेल छोड़ने का द्रव्यमान

मिलिकन और फ्लेचर की समस्या एक छोटे से आकार के कारण एक आसान काम नहीं, एक बूंद के द्रव्यमान को निर्धारित करना था।

तेल के घनत्व को जानना, अगर आपके पास बूंद की मात्रा है, तो द्रव्यमान को हल किया जा सकता है। लेकिन मात्रा भी बहुत कम थी, इसलिए पारंपरिक तरीकों का कोई फायदा नहीं था।

हालांकि, शोधकर्ताओं को पता था कि इस तरह की छोटी वस्तुएं स्वतंत्र रूप से नहीं गिरती हैं, क्योंकि हवा या पर्यावरण का प्रतिरोध, हस्तक्षेप करता है, जिससे उनकी गति धीमी हो जाती है। यद्यपि कण, जब फ़ील्ड के साथ छोड़ा जाता है, तो एक त्वरित ऊर्ध्वाधर आंदोलन का अनुभव होता है और नीचे की ओर, यह निरंतर गति के साथ गिरता है।

इस गति को "टर्मिनल वेग" या "सीमा वेग" कहा जाता है, जो एक क्षेत्र के मामले में, इसकी त्रिज्या और हवा की चिपचिपाहट पर निर्भर करता है।

एक क्षेत्र की अनुपस्थिति में, मिलिकन और फ्लेचर ने बूंदों के गिरने में लगने वाले समय को मापा। यह मानते हुए कि बूंदें गोलाकार थीं और हवा की चिपचिपाहट के मूल्य के साथ, वे टर्मिनल वेग से अप्रत्यक्ष रूप से त्रिज्या निर्धारित करने में कामयाब रहे।

यह गति स्टोक्स के कानून को लागू करने से मिली है और यहां इसका समीकरण है:

- v _t टर्मिनल वेग है

- आर ड्रॉप की त्रिज्या है (गोलाकार)

- - वायु की श्यानता है

- आईएल ड्रॉप का घनत्व है

महत्त्व

मिलिकन का प्रयोग महत्वपूर्ण था, क्योंकि इसने भौतिकी के कई महत्वपूर्ण पहलुओं को उजागर किया:

I) तत्व आवेश इलेक्ट्रान का है, जिसका मान 1.6 x 10 ^-19 C है, जो विज्ञान के मूलभूत स्थिरांक में से एक है।

II) कोई भी अन्य विद्युत आवेश मौलिक आवेश के गुणकों में आता है।

III) इलेक्ट्रॉन के आवेश और जेजे थॉमसन के आवेश-द्रव्यमान संबंध को जानने के बाद, इलेक्ट्रॉन के द्रव्यमान का निर्धारण संभव हो गया।

III) कणों के स्तर पर प्राथमिक कणों के रूप में छोटे, गुरुत्वाकर्षण प्रभाव इलेक्ट्रोस्टैटिक वाले की तुलना में नगण्य हैं।

चित्र 2. अल्बर्ट आइंस्टीन और अन्य उल्लेखनीय भौतिकविदों के साथ दाईं ओर अग्रभूमि में मिलिकन। स्रोत: विकिमीडिया कॉमन्स

इन खोजों के लिए मिलिकन को 1923 में भौतिकी का नोबेल पुरस्कार मिला। उनका प्रयोग प्रासंगिक भी है क्योंकि उन्होंने इलेक्ट्रिक चार्ज के इन मूलभूत गुणों को निर्धारित किया, एक साधारण इंस्ट्रूमेंटेशन से शुरू किया और सभी के लिए अच्छी तरह से ज्ञात कानूनों को लागू किया।

हालाँकि, उनके प्रयोग में कई टिप्पणियों को त्यागने के लिए, बिना किसी स्पष्ट कारण के, परिणामों की सांख्यिकीय त्रुटि को कम करने और उन्हें और अधिक "प्रस्तुत करने योग्य" बनाने के लिए मिलिकन की आलोचना की गई।

विभिन्न प्रकार के आवेशों के साथ गिरता है

मिलिकन ने अपने प्रयोग में कई, कई बूंदों को मापा और उनमें से सभी तेल नहीं थे। उन्होंने पारा और ग्लिसरीन की भी कोशिश की। जैसा कि कहा गया है, यह प्रयोग 1906 में शुरू हुआ और कुछ वर्षों तक चला। तीन साल बाद, 1909 में, पहले परिणाम प्रकाशित किए गए थे।

इस समय के दौरान, उन्होंने प्लेटों के माध्यम से एक्स-किरणों को मारकर, उनके बीच हवा को आयनित करने के लिए विभिन्न प्रकार की आवेशित बूंदें प्राप्त कीं। इस तरह आवेशित कण छोड़े जाते हैं जिन्हें बूंदें स्वीकार कर सकती हैं।

इसके अलावा, उन्होंने केवल निलंबित बूंदों पर ध्यान केंद्रित नहीं किया। मिलिकन ने देखा कि जब बूंदें बढ़ीं, तो चढ़ाए गए भार के अनुसार वृद्धि की दर भी भिन्न थी।

और अगर ड्रॉप उतर गया, तो इस अतिरिक्त चार्ज ने एक्स-रे के हस्तक्षेप के लिए धन्यवाद जोड़ा, गति में बदलाव नहीं किया, क्योंकि ड्रॉप में जोड़े गए इलेक्ट्रॉनों का कोई भी द्रव्यमान miniscule है, ड्रॉप के द्रव्यमान की तुलना में।

चाहे कितना भी शुल्क जोड़ा जाए, मिलिकन ने पाया कि सभी बूंदों ने एक निश्चित मूल्य के पूर्णांक गुणकों का अधिग्रहण किया, जो कि ई, मौलिक इकाई है, जैसा कि हमने कहा है कि इलेक्ट्रॉन का प्रभार है।

मिलिकन ने शुरू में इस मूल्य के लिए 1,592 x 10 ^-19 C प्राप्त किया, जो वर्तमान में स्वीकृत मूल्य से थोड़ा कम है, जो 1,602 x 10 ^-19 C है। इसका कारण यह हो सकता है कि वह समीकरण के लिए वायु की चिपचिपाहट के लिए दिया गया मान है ड्रॉप के टर्मिनल वेग का निर्धारण करें।

उदाहरण

तेल की एक बूंद को छोड़ना

हम निम्नलिखित उदाहरण देखते हैं। एक तेल की बूंद का घनत्व ρ = 927 किग्रा / मी ^{3 है} और इसे बिजली के तारों से बंद किया जाता है। छोटी बूंद तेजी से टर्मिनल वेग तक पहुंचती है, जिससे त्रिज्या निर्धारित की जाती है, जिसका मूल्य आर = 4.37 x10 ^-7 मीटर हो जाता है।

वर्दी क्षेत्र चालू होता है, ऊर्ध्वाधर रूप से ऊपर की ओर निर्देशित होता है, और इसकी ऊंचाई 9.66 kN / C होती है। इस तरह यह प्राप्त होता है कि ड्रॉप बाकी पर निलंबित रहता है।

यह पूछता है:

ए) छोटी बूंद प्रभार की गणना करें

ख) पता करें कि ड्रॉप के आवेश में कितनी बार तात्विक आवेश निहित है।

ग) यदि संभव हो तो निर्धारित करें, लोड का संकेत।

चित्रा 3. एक निरंतर विद्युत क्षेत्र के बीच में एक तेल की छोटी बूंद। स्रोत: भौतिकी के मूल तत्व रेक्स-वोल्फसन।

का हल

पहले, निम्नलिखित अभिव्यक्ति बाकी पर एक बूंद के लिए निकाली गई थी:

ड्रॉप के घनत्व और त्रिज्या को जानकर, ड्रॉप का द्रव्यमान निर्धारित किया जाता है:

इस प्रकार:

इसलिए, ड्रॉप का प्रभार है:

समाधान b

यह जानकर कि मौलिक भार e = 1.6 x 10 ^-19 C है, पिछले खंड में प्राप्त भार को इस मान से विभाजित करें:

परिणाम यह है कि ड्रॉप पर चार्ज लगभग दो बार (n)2) तात्विक चार्ज है। यह बिल्कुल दोहरा नहीं है, लेकिन यह मामूली विसंगति प्रायोगिक त्रुटि की अपरिहार्य उपस्थिति के साथ-साथ पिछले गणना में से प्रत्येक में गोलाई के कारण है।

समाधान c

चार्ज के संकेत को निर्धारित करना संभव है, इस तथ्य के लिए धन्यवाद कि कथन क्षेत्र की दिशा के बारे में जानकारी देता है, जो लंबवत रूप से ऊपर की ओर निर्देशित है, साथ ही बल भी।

विद्युत क्षेत्र की रेखाएं हमेशा सकारात्मक चार्ज के साथ शुरू होती हैं और नकारात्मक चार्ज के साथ समाप्त होती हैं, इसलिए निचली प्लेट को + साइन के साथ और ऊपरी प्लेट को - साइन (आकृति 3 देखें) के साथ चार्ज किया जाता है।

चूंकि ड्रॉप को क्षेत्र द्वारा संचालित प्लेट के ऊपर निर्देशित किया जाता है, और चूंकि विपरीत संकेत के आरोप एक-दूसरे को आकर्षित करते हैं, इसलिए ड्रॉप पर सकारात्मक चार्ज होना चाहिए।

वास्तव में ड्रॉप को निलंबित रखना आसान नहीं है। इसलिए मिलिकन ने ऊर्ध्वाधर विस्थापन (उतार-चढ़ाव) का उपयोग किया जो कि क्षेत्र को बंद और चालू करने के साथ-साथ एक्स-रे चार्ज और यात्रा के समय में होने वाले बदलावों का अनुभव करता है, यह अनुमान लगाने के लिए कि ड्रॉप ने कितना अतिरिक्त शुल्क लिया था।

यह अधिग्रहीत प्रभार इलेक्ट्रॉन पर आवेश के समानुपाती होता है, जैसा कि हम पहले ही देख चुके हैं, और वृद्धि और गिरावट के समय, ड्रॉप के द्रव्यमान और जी और ई के मूल्यों के साथ गणना की जा सकती है।

संदर्भ

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2. रेक्स, ए। 2011. बुनियादी बातों के भौतिकी। पियर्सन।
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