วันพุธที่ 25 มกราคม พ.ศ. 2555

รอเบิร์ต แอนดรูวส์ มิลลิแกน(Robert Andrew Millikan)

Robert Andrew Millikan


ประวิติ

ในปี พ.ศ.2452 (ค.ศ.1909) รอเบิร์ต แอนดรูส์ มิลลิแกน (Robert Millikan) นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกา  ได้ทำการทดลองชื่อ “การทดลองหยดน้ำมันของมิลลิแกน” (Millikan oil–drops experiment) หาประจุของอิเล็กตรอนได้  มีค่าเท่ากับ 1.6 x 10–19 คูลอมบ์

ผลงานการทดลองของมิลลิแกน มีดังนี้


             
              มิลลิแกน ได้ทำการทดลองเพื่อหาค่าประจุของอิเล็กตรอนโดยวิธีหยดน้ำมัน ทำได้โดย พ่นน้ำมันเป็นละอองเม็ดเล็ก ๆ ให้ตกลงมาระหว่างแผ่นโลหะ 2 แผ่น แล้วใช้รังสีเอกซ์ไปดึงอิเล็กตรอนออกจากอะตอมของก๊าซในอากาศ แล้วให้อิเล็กตรอนไปเกาะหยดน้ำมัน พบว่า แต่ละหยดน้ำมันมีอิเล็กตรอนมาเกาะจำนวนไม่เท่ากัน นั่นคือ หยดน้ำมันบางหยดมีอิเล็กตรอนเกาะติดเพียงตัวเดียว บางหยดก็มีมากกว่า 1 ตัว หยดน้ำมันจะตกลงมาตามแรงโน้มถ่วงของโลก จากนั้นให้กระแสไฟฟ้าเข้าไปในแผ่นประจุบวกและลบ แผ่นประจุลบซึ่งอยู่ด้านล่างผลักหยดน้ำมันที่มีอิเล็กตรอนมาเกาะจนหยุดนิ่ง ซึ่งดูได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์(microscope) แสดงว่า แรงโน้มถ่วงของโลกเท่ากับแรงจากสนามไฟฟ้า แล้วคำนวณหาค่าประจุ



จากผลการทดลองมิลลิแกนคำนวณหาค่าประจุของอิเล็กตรอนได้คือ 1.60 X 10-19 คูลอมบ์ ซึ่งเป็นค่าประจุของอิเล็กตรอน 1 อิเล็กตรอน


          จากการทดลองของมิลลิแกน เราทราบค่า              e = 1.60 X 10-19 คูลอมบ ์ 


          จากการทดลองของทอมสัน เราทราบค่า           e/m = 1.76 X 108 คูลอมบ์/กรัม
                                                                                  m = 9.11 X 10-28 กรัม
          ดังนั้น เราจะทราบมวลของอิเล็กตรอนเท่ากับ  9.11 X 10-28 กรัม


การทดลองของมิลลิแกน

มิลลิแกนได้ทำการทดลองหาค่าประจุไฟฟ้าของอิเลคตรอน เนื่องจากอิเลคตรอนเล็กมากทำให้ทำการทดลองกับอิเลคตรอนโดยตรงไม่ได้ จึงทำการทดลองวัดประจุไฟฟ้าที่แฝงอยู่กับหยดน้ำมันแทน โดยให้หยดละอองน้ำมันมีประจุไฟฟ้า โดยจัดอุปกรณ์การทดลองดังรูป




เครื่องฉีดฝอยละอองน้ำมัน มีหน้าที่ฉีดฝอยละอองน้ำมัน ฝอยละอองน้ำมันที่ถูกฉีดออกไปจะมีประจุไฟฟ้า (ประจุที่เกิดขึ้นเกิดจากการขัดสี) หยดน้ำมันที่ถูกพ่นออกมาจะแบ่งเป็น 3 กลุ่ม ดังนี้ หยดที่สูญเสียอิเลคตรอนไปจะมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก หยดที่ได้รับอิเลคตรอนเพิ่มมาจะมีประจุไฟฟ้าเป็นลบ หยดน้ำมันที่ไม่สูญเสียอิเลคตรอน หรือสูญเสียอิเลคตอรนไปเท่ากับจำนวนที่ได้รับมา จะเป็นกลางทางไฟฟ้า เมื่อยังไม่ต่อแผ่นโลหะทั้งสองกับความต่างศักย์ไฟฟ้า หยดน้ำมันทั้ง 3 กลุ่ม จะเคลื่อนที่ลงด้วยความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก เท่ากันทุกกลุ่ม เมื่อต่อแผ่นโลหะทั้งสองเข้ากับความต่างศักย์ไฟฟ้าให้สนามไฟฟ้ามีทิศลง(แผ่นบวกอบู่บน แผ่นลบอยู่ล่าง) หยดน้ำมันทั้ง 3 กลุ่ม จะเคลื่อนที่ดังนี้ 

1. กลุ่มที่เป็นกลาง จะเคลื่อนที่ลงด้วยความเร่งเท่าเดิม  (เพราะมีเฉพาะแรงเนื่องจากน้ำหนักของหยดน้ำมันเท่านั้นที่กระทำต่อวัตถุ)
2. กลุ่มที่มีประจุบวก จะเคลื่อนที่ลงด้วยความเร่งมากกว่าเดิม (เพราะมีแรงเนื่องจากสนามไฟฟ้ากระทำต่อหยดน้ำมันในทิศลงด้วย)
3. กลุ่มที่มีประจุลบ จะเคลื่อนที่ลงด้วยความเร่งน้อยกว่าเดิมหรืออาจเคลื่อนที่ขึ้นด้วยความเร่ง (เพราะมีแรงเนื่องจากสนามไฟฟ้ากระทำต่อหยดน้ำมันมีทิศขึ้น) 

ซึ่งหยดน้ำมันกลุ่มนี้เราสามารถควบคุมได้ โดยการปรับสนามไฟฟ้าให้เหมาะสม จนกระทั่ง แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้าเท่ากับแรงเนื่องจากน้ำหนักของหยดน้ำมัน
เมื่อหยดน้ำมันสมดุล (หยดน้ำมันหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่ลงด้วยความเร็วคงที่)และไม่คิดแรงเสียดทานของอากาศเราจะได้ว่า
                แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้า = แรงเนื่องจากน้ำหนักของหยดน้ำมัน
                                                       
เมื่อ q = ประจุไฟฟ้าบนหยดน้ำมัน เป็น C.(= จำนวนอิเลคตรอน x ประจุของอิเลคตรอน)
    mo = มวลของหยดน้ำมัน เป็น kg.
      g = ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก = 10 m/s2
      d = ระยะห่างระหว่างแผ่นโลหะขนาน เป็น m.
จากการทดลอง มิลลิแกนคำนวณหาค่าประจุไฟฟ้าที่แฝงอยู่บนหยดน้ำมันพบว่าประจุไฟฟ้าบนหยดน้ำมันมีค่าต่างๆ กัน เช่น 3.2 x 10-19 C., 4.8 x 10-19 C., 6.4 x 10-19 C., 9.6 x 10-19 C.,ฯลฯ     จากการศึกษามิลลิแกนแปลกใจที่ค่าประจุไฟฟ้าที่แฝงอยู่บนหยดน้ำมันแต่ละค่าจะเป็นจำนวนเต็มเท่าของเลขจำนวนหนึ่งเสมอซึ่งเลขจำนวนดังกล่าวคือ 1.6x10-19 มิลลิแกนจึงสรุปว่าอิเลคตรอนจะต้องมีประจุไฟฟ้า 1.6 x 10-19 C. และการที่เขาวัดประจุไฟฟ้าที่แฝงอยู่บนหยดน้ำมันได้เป็นจำนวนเต็มเท่าของค่า 1.6 x 10-19 C. เพราะว่าบนหยดน้ำมันนั้นมีอิเลคตรอนแฝงอยู่หลายๆตัว



สรุปการทดลองหยดน้ำมันของมิลลิแกน

การทดลองหยดน้ำมันของมิลลิแกน  เป็นการทดลองเพื่อหาค่าประจุของอิเล็กตรอน  โดยใช้หลักสมดุลของแรงเนื่องจากสนามไฟฟ้าเท่ากับแรงเนื่องจากสนามโน้มถ่วง



       ในการทดลองมิลลิแกน จะให้หยดน้ำมันหยดออกมาจากหลอดฉีดยา  ซึ่งทำให้หยดน้ำมันเกิดจากเสียดสี มีสภาพเป็นประจุ  โดยมีทั้งหยดที่มีประจุบวกและประจุลบ
        มิลลิแกนให้หยดน้ำมันเหล่านี้เคลื่อนที่ในสนามไฟฟ้า แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้าจะทำให้หยดน้ำมันที่มีประจุบวกและประจุลบมีการเคลื่อนที่ที่แตกต่างกัน  โดย


หยดน้ำมันที่มีประจุลบ จะมีการเคลื่อนที่แบบช้าๆ   บางหยดเคลื่อนที่ขึ้น   บางหยด


เคลื่อนที่ลง  บางหยดหยุดนิ่ง  ส่วนหยดที่มีประจุบวก จะเคลื่อนที่ลงด้วยความเร็วมากกว่าหยดอื่นๆ


       ในการทดลองมิลลิแกนจะเลือกศึกษาหยดน้ำมันที่มีประจุลบ  คือหยดที่เคลื่อนที่ช้าๆ  ปรับค่าความต่างศักย์ จนกระทั่งหยดน้ำมันหยดนั้นหยุดนิ่ง  คืออยู่ในสภาพสมดุลเนื่องจากแรงเนื่องจากสนามไฟฟ้ากับแรงเนื่องจากสนามโน้มถ่วง
       ค่าประจุของหยดน้ำมันที่มิลลิแกนคำนวณมีหลายค่าเช่น 1.6 x10-19  3.2 x10-19 4.8 x10-19  เป็นต้น  ซึ่งตัวเลขเหล่านี้มิลลิแกนพบว่าจะเป็นจำนวนเท่าของ  1.6 x 10-19  เขาจึงสรุปว่าหยดน้ำมันแต่ละหยดมีจำนวนอิเล็กตรอนไม่เท่ากัน  และอิเล็กตรอนแต่ละตัวมีประจุเป็น  1.6 x 10-19  คูลอมบ์
       เมื่อนำค่าประจุของอิเล็กตรอนที่คำนวณได้ไปสัมพันธ์กับค่าประจุต่อมวลของรังสีคาโธด  ซึ่งก็คืออิเล็กตรอนในเวลาต่อมา  จะได้มวลของอิเล็กตรอนจะมีค่าเป็น
 9 x 10-31 กิโลกรัม.




รางวัลที่ได้รับ

 ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ จากผลงานการหาค่าประจุไฟฟ้าของอิเล็กตรอน และการทดลองที่สนับสนุนสมการโฟโตอิเล็กทริกของไอน์สไตน์










จัดทำโดย

นายวัชริศ ไทยาพงศ์สกุล เลขที่ 11
นายเชิดพันธ์ ริวรรณ เลขที่ 1










                                                 แทนค่า 1.60 X 10-19/m = 1.76 X 108

ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น

แสดงความคิดเห็น