تجربة ميلكان " قطرة الزيت "

تجربــــــــة قطرة الزيت لميليكان لحساب شحنة الإليكترونالمنفرد :

هي تجربة قام بتصميمها روبرت ميليكان عام 1909 م لحساب شحنة الإليكترون المنفرد، ليس هذا فحسب، بل وأثبت أن شحنة الإلكترون، كجسيم، مكماة؛ أي لا يمكن للإليكترون المنفرد أن يحمل شحنة أصغر منها.وقد حصل ميليكان على جائزة نوبل نتيجة لعمله هذا واسهامه في تفسير ظاهرة الـPhotoelectric Effect عام 1923م.
الفكرة الأساسية لتجربة قطرة الزيت:

قام ميليكان بشحن قطرة زيت صغيرة، وقياس مقدار المجال الكهربائي القادر على إيقاف سقوط هذه القطرة .. وحيث أنه كان قادرا على حساب كتلة قطرة الزيت ( وسنشرح كيف تم هذا تفصيلا)، ومعرفة مقدار قوة الجابية المؤثرة (قوة الجاذبية=الكتلة × تسارع الجاذبية الأرضية ) ، استطاع حساب شحنة قطرة الزيت تلك. وبتغيير كمية الشحنة، لاحظ ميليكان أن الشحنة هي دائما، مضاعفات العدد -1.6×10-19 كولوم، وهي أقل شحنة وجدها، وهذا يعني أن الإليكترون كما قلنا سابقا يحمل شحنة مكماة، لا يمكن الحصول على جزء منها دون الاخر

كيف تمت التجربة

يمكننا ملاحظة الأجزاء البسيطة التي تكون منها الجهاز الذي صممه ميليكان بغرض قياس شحنة الإليكترون المنفرد.


في البداية، يقوم المرذاذ( البخاخ) برش أو ضخ قطرات صغيرة من الزيت داخل الغرفة، ونتيجة لهذا تتمكن بعض قطرات الزيت من عبور الفتحة الصغيرة التي تفصل الغرفة العلوية عن السفلية.ترك ميليكان قطرات الزيت التي نزلت إلى الغرفة السفلية تتحرك نحو الأسفل بتأثير جاذبيتها، لكنها توقفت بعد مدة قصيرة لأنها وصلت إلى سرعتها الحدية، مما أجبرها على التوقف..عندها، تمكن ميليكان من حساب كتلة كل قطرة زيت.كيف حسبها؟ نحن ننحني احتراما لصبره وقدرته على المثابرة، دعونا معا
قوة الطفو أو العوم Viscous Drag Force التي تواجهها القطرة نتيجة لمقاومة الهواء لها، يمكن حسابها من قانون ستوك:
تمكن ميليكان من حساب السرعة الحدية، ومنها حسب كتلة كل قطرة زيت، وذلك باستعمال صيغة معادلات عالية المستوى.

بعدما حدد ميليكان كتلة قطرات الزيت المعلقة في الغرفة السفلية، قام بشحنها، وذلك بتعريضها لأشعة إكس، وهذا يعني أن هواء الغرفة ذاته سيتأين، وتأينه يعني أن تفقد جزيئات الهواء إليكترونات، مما يشجع جزيئات قطرات الزيت المعلقة على "قبض " إليكترونات إضافية، فتصبح سالبة الشحنة.
قام ميليكان بتوصيل لوحي جهازه، العلوي والسفلي، ببطارية( وكأنه تحول إلى مواسعCapacitor ) ، وهذا يعني وجود فرق جهد بين اللوحين العلوي والسفلي.يؤثر المجال كهربائي المتولد بين اللوحين على قطرات الزيت المشحونة والمعلقة في هواء الغرفة السفلية.وحيث أن قطرات الزيت مشحونة بشحنة سالبة، فهذا يعني أنها ستسير "بعكس" إتجاه المجال الكهربائي المتولد.قام ميليكان بتوصيل اللوح العلوي بطرف البطارية الموجب والسفلي بطرفها السالب؛ وذلك كي يتولد مجال يجبر الإليكترون السالب على الحركة إلى الأعلى ..
حتى نفهم ما يحدث بالضبط، دعونا نتابع حركة قطرة زيت واحدة..

• تسقط القطرة بسرعة بتأثير الجاذبية الأرضية، لكن، بسرعة أيضا تتوقف عن السقوط لأن مقاومة الهواء تزداد بزيادة السرعة، فتصل إلى سرعتها الحدية، وتصبح معلقة ( ومن البديهي أن السرعة الحدية ستختلف من قطرة لأخرى حسب كتلتها)..

• جزيئات الزيت متعادلة بالطبع، لذا قام ميليكان بتعريض الغرفة لأشعة إكس

• أشعة إكس أينت الهواء ففقد بعض إليكتروناته، مما حفز الجزئيات المتعادلة على اكتسابها، فأصبحت سالبة الشحنة.

• بعد شحن الغرفة ووجود فرق جهد، سيتولد مجال كهربائي يؤثر على قطرات الزيت، إتجاه المجال الكهربائي من الأعلى إلى الأسفل، ولأن قطرات الزيت سالبة، تحركت "عكس" المجال : من الأسفل إلى الأعلى..

• الان، هناك قوتين رئيسيتين تؤثران في قطرة الزيت ( يؤثر قوة الطفو أو العوم بالطبع لكن بمقدار ضئيل في هذه الحالة) وهما، قوة الجاذبية نحو الأسفل، وقوة المجال الكهربائي إلىالأعلى..

• ستتحرك قطرة الزيت نحو الأعلى حتى تتساوى قوة الجاذبية مع القوة التي يؤثر فيها المجال الكهربائي، وهنا ستتوقف لحظيا وتبقى معلقة ثابتة.
في هذه الحالة
قوة الجاذبية الأرضية = الكتلة × تسارع الجاذبية الأرضية ، أو
Fg= m . gحيث:
Fg = قوة الجاذبية الأرضية،
m = الكتلة ، و
g = تسارع الجاذبية الأرضية.
قوة المجال الكهربائي على شحنة فيه = مقدار الشحنة × مقدار المجال الكهربائي ، أو
F=q.Eحيث
q = مقدار الشحنة الكهربائية (بالكولوم) ،
E = مقدار المجال الكهربائي

عند توقف قطرة الزيت المشحونة، فإن


لكن، بعض القطرات أكبر من غيرها، وهذا يعني أن لها القدرة على القبض على أكثر من إليكترونواحد، وهذا يعني ضمنا أنها تحتاج إلى مجال كهربائي "أقوى " لإيقافها عن الحركة.وهكذا، قام ميليكان بتغيير مقدار المجال الكهربائي لإيقاف جزيئات الزيت، وحساب الشحنة في كل حالة استنادا إلى القانون السابق.وأيضا، قام ميليكان بتغيير قوة أشعة إكس المؤينة للهواء، وهذا يعني تغيير عدد الإليكترونات التي سيقبض عليها..قام ميليكان وفريقه بدراسة حركة، آلاف، من قطرات الزيت المشحونة، وتكرار الخطوات جميعها من حساب كتلة كل قطرة وحساب سرعتها الحدية، ثم تغيير المجال وحساب شدته للتوصل إلى مقدار الشحنة التي تحملها كل قطرة زيت..
لاحظ ميليكان، بعد دراسة البيانات التي تم التوصل إليها ، أن قطرات الزيت كانت تحمل، دائما، مقدارا هو احد مضاعفات العدد -1.6×10-19 . فاستنتج أن أقل مقدار - وهذا يعني ان قطرة الزيت قد قبضت إليكترونا واحدا فحسب – هو -1.6×10-19 كولوم .وهذا يعني ان شحنة الإليكترون – ومقدارها -1.6×10-19 كولوم – مكماة، أي أن :مقدار الشحنة = ن× شحنة الإليكترون، حيث ن تمثل عددا صحيحا..

من هنا نرى أهمية العمل الذي قام به ميليكان، فهو حسب قيمة شحنة الإليكترون المفردة، وأثبت أنها مكماة.وتعتبر تجربة مليكان من التجارب الاساسية في الفيزياء والتي تدرس لطلبة المدارس والجامعات لما فيها من تطبيقات عديدة على مبادئ الفيزياء الاساسية
فهي تربط قوة الجاذبية باللزوجة بالمجال الكهربي وتأثيره على الشحنة.وفي النهاية نلاحظ ان كل عالم قام بعمل كان له الاثر في كشف لغز سابق وفتح الطريق امام مشاريع بحثية عديدة.