Experimento de la gota de aceite

Experimento para medir la carga eléctrica elemental

No confundir con el experimento Pitch drop .

Configuración de Millikan para el experimento de la gota de aceite

El experimento de la gota de aceite fue realizado por Robert A. Millikan y Harvey Fletcher en 1909 para medir la carga eléctrica elemental (la carga del electrón ). El experimento tuvo lugar en el Laboratorio de Física Ryerson de la Universidad de Chicago . ^{[1] [2] [3]} Millikan recibió el Premio Nobel de Física en 1923. ^{[4] [5]}

El experimento implicó la observación de pequeñas gotas de aceite cargadas eléctricamente ubicadas entre dos superficies metálicas paralelas, que forman las placas de un condensador . Las placas se orientaron horizontalmente, con una placa encima de la otra. Se introdujo una neblina de gotas de aceite atomizadas a través de un pequeño orificio en la placa superior y se ionizó mediante rayos X , lo que las cargó negativamente. Primero, con un campo eléctrico aplicado cero , se midió la velocidad de una gota que cae. A la velocidad terminal , la fuerza de arrastre es igual a la gravitacionalfuerza. Como ambas fuerzas dependen del radio de diferentes maneras, se podría determinar el radio de la gota y, por lo tanto, la masa y la fuerza gravitacional (utilizando la densidad conocida del aceite). A continuación, se aplicó un voltaje que inducía un campo eléctrico entre las placas y se ajustó hasta que las gotas quedaron suspendidas en equilibrio mecánico , lo que indica que la fuerza eléctrica y la fuerza gravitacional estaban en equilibrio. Usando el campo eléctrico conocido, Millikan y Fletcher pudieron determinar la carga en la gota de aceite. Al repetir el experimento para muchas gotas, confirmaron que las cargas eran todos pequeños múltiplos enteros de un cierto valor base, que resultó ser1,5924 (17) × 10 ⁻¹⁹  C , aproximadamente un 0,6% de diferencia del valor actualmente aceptado de1.602 176 634 × 10 ^-19  C . ^{[6] [7]} Propusieron que esta era la magnitud de la carga negativa de un solo electrón.

Fondo

Robert A. Millikan en 1891

A partir de 1908, mientras era profesor en la Universidad de Chicago , Millikan, con la importante aportación de Fletcher, ^[8] la "hábil ayuda del Sr. J. Yinbong Lee", y después de mejorar su configuración, publicó su estudio fundamental en 1913 . ^[9] Esto sigue siendo controvertido ya que los documentos encontrados después de la muerte de Fletcher describir eventos en los que Millikan coaccionado Fletcher en renunciar a la autoría como condición para recibir su doctorado. ^{[10] [11]} A cambio, Millikan utilizó su influencia para apoyar la carrera de Fletcher en Bell Labs.

El experimento de Millikan y Fletcher implicó medir la fuerza sobre las gotas de aceite en una cámara de vidrio intercalada entre dos electrodos, uno arriba y otro abajo. Con el campo eléctrico calculado, podrían medir la carga de la gota, siendo la carga de un solo electrón (1,592 × 10 ^-19  C ). En el momento de los experimentos de gota de aceite de Millikan y Fletcher, la existencia de partículas subatómicas no era universalmente aceptada. Experimentando con rayos catódicos en 1897, JJ Thomson había descubierto " corpúsculos " cargados negativamente , como él los llamó, con una masa aproximadamente 1/1837 veces más pequeña que la de un átomo de hidrógeno . George FitzGerald y Walter Kaufmann habían encontrado resultados similares . La mayor parte de lo que se sabía entonces sobre la electricidad y el magnetismosin embargo, podría explicarse sobre la base de que el cargo es una variable continua; de la misma manera que muchas de las propiedades de la luz pueden explicarse tratándola como una onda continua en lugar de como una corriente de fotones .

La carga elemental e es una de las constantes físicas fundamentales y, por lo tanto, la precisión del valor es de gran importancia. En 1923, Millikan ganó el Premio Nobel de Física , en parte debido a este experimento.

Aparte de la medición, la belleza del experimento de la gota de aceite es que es una demostración práctica simple y elegante de que la carga está cuantificada. Thomas Edison , que previamente había pensado en la carga como una variable continua, se convenció después de trabajar con el aparato de Millikan y Fletcher. ^[12] Este experimento ha sido repetido desde entonces por generaciones de estudiantes de física, aunque es bastante caro y difícil de realizar correctamente.

En las últimas dos décadas ^{[se necesita aclaración ]} , se han realizado varios experimentos automatizados por computadora para buscar partículas aisladas con carga fraccionada. A partir de 2015, no se ha encontrado evidencia de partículas de carga fraccionada después de medir más de 100 millones de gotas. ^[13]

Procedimiento experimental

Aparato

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Esquema simplificado del experimento de la gota de aceite de Millikan

Aparato de experimento de gota de aceite

Los aparatos de Millikan y Fletcher incorporaron un par paralelo de placas metálicas horizontales. Al aplicar una diferencia de potencial a través de las placas, se creó un campo eléctrico uniforme en el espacio entre ellas. Se utilizó un anillo de material aislante para mantener las placas separadas. Se cortaron cuatro orificios en el anillo, tres para la iluminación con una luz brillante y otro para permitir la visualización a través de un microscopio.

Se pulverizó una fina niebla de gotitas de aceite en una cámara sobre las placas. El aceite era de un tipo que se utiliza habitualmente en aparatos de vacío y se eligió porque tenía una presión de vapor extremadamente baja . El aceite ordinario se evaporaría bajo el calor de la fuente de luz, lo que provocaría que la masa de la gota de aceite cambiara durante el transcurso del experimento. Algunas gotas de aceite se cargaron eléctricamente a través de la fricción con la boquilla mientras se rociaban. Alternativamente, la carga podría realizarse incluyendo una fuente de radiación ionizante (como un tubo de rayos X ). Las gotas entraban en el espacio entre las placas y, debido a que estaban cargadas, se podían hacer subir y bajar cambiando el voltaje a través de las placas.

Método

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Inicialmente, se permite que las gotas de aceite caigan entre las placas con el campo eléctrico apagado. Alcanzan muy rápidamente una velocidad terminal debido a la fricción con el aire en la cámara. Luego, el campo se enciende y, si es lo suficientemente grande, algunas de las gotas (las cargadas) comenzarán a subir. (Esto se debe a que la fuerza eléctrica ascendente F _E es mayor para ellos que la fuerza gravitacional descendente F _g , de la misma manera que una varilla de goma cargada puede recoger trozos de papel). Se selecciona una caída de apariencia probable y se mantiene en el medio del campo de visión apagando alternativamente el voltaje hasta que todas las demás gotas hayan caído. Luego, el experimento continúa con esta gota.

Se deja caer la gota y se calcula su velocidad terminal v ₁ en ausencia de un campo eléctrico. La fuerza de arrastre que actúa sobre la gota se puede calcular usando la ley de Stokes :

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

donde v ₁ es la velocidad terminal (es decir, la velocidad en ausencia de un campo eléctrico) de la gota que cae, η es la viscosidad del aire y r es el radio de la gota.

El peso w es el volumen D multiplicado por la densidad ρ y la aceleración debida a la gravedad g . Sin embargo, lo que se necesita es el peso aparente. El peso aparente en el aire es el peso real menos el empuje hacia arriba (que es igual al peso del aire desplazado por la gota de aceite). Para una gota perfectamente esférica, el peso aparente se puede escribir como:

${\displaystyle {\boldsymbol {w}}={\frac {4\pi }{3}}r^{3}(\rho -\rho _{\textrm {air}}){\boldsymbol {g}}}$

A la velocidad terminal, la gota de aceite no se acelera . Por lo tanto, la fuerza total que actúa sobre él debe ser cero y las dos fuerzas F y debe cancelar el uno al otro fuera (es decir, F = ). Esto implica${\displaystyle {w}}$${\displaystyle {w}}$

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

Una vez que se calcula r , se puede calcular fácilmente.${\displaystyle {w}}$

Ahora el campo se vuelve a encender y la fuerza eléctrica en la gota es

${\displaystyle F_{E}=qE\,}$

donde q es la carga de la gota de aceite y E es el campo eléctrico entre las placas. Para placas paralelas

${\displaystyle E={\frac {V}{d}}\,}$

donde V es la diferencia de potencial yd es la distancia entre las placas.

Una forma concebible de calcular q sería ajustar V hasta que la gota de aceite permanezca estable. Entonces podríamos equiparar F _E con . Además, la determinación de F _E resulta difícil porque la masa de la gota de aceite es difícil de determinar sin volver al uso de la Ley de Stokes. Un enfoque más práctico es subir V ligeramente para que la gota de aceite se eleve con una nueva velocidad terminal v ₂ . Luego${\displaystyle {w}}$

${\displaystyle q{\boldsymbol {E}}-{\boldsymbol {w}}=6\pi \eta {\boldsymbol {(r\cdot v_{2})}}=\left|{\boldsymbol {\frac {v_{2}}{v_{1}}}}\right|{\boldsymbol {w}}.}$

Acusaciones de fraude

El físico Gerald Holton (1978) planteó cierta controversia, quien señaló que Millikan registró más mediciones en su diario de las que incluyó en sus resultados finales. Holton sugirió que estos puntos de datos se omitieron del gran conjunto de gotas de aceite medidas en sus experimentos sin razón aparente. Esta afirmación fue cuestionada por Allan Franklin , un experimentalista de física de altas energías y filósofo de la ciencia en la Universidad de Colorado . ^[14] Franklin sostuvo que las exclusiones de datos de Millikan no afectaron sustancialmente su valor final de e , pero redujeron el error estadístico alrededor de esta estimación e. Esto permitió a Millikan afirmar que había calculado e mejor que la mitad del uno por ciento; de hecho, si Millikan hubiera incluido todos los datos que había descartado, el error estándar de la media habría estado dentro del 2%. Si bien esto aún habría resultado en que Millikan midiera e mejor que nadie en ese momento, la incertidumbre ligeramente mayor podría haber permitido un mayor desacuerdo con sus resultados dentro de la comunidad física. Mientras que Franklin dejó su apoyo a la medición de Millikan con la conclusión que concede que Millikan pudo haber realizado una "cirugía estética" en los datos, David Goodsteininvestigó los cuadernos originales detallados que tenía Millikan, concluyendo que Millikan declara claramente aquí y en los informes que incluyó solo gotas que habían sido objeto de una "serie completa de observaciones" y no excluyó ninguna gota de este grupo de mediciones completas. ^{[15] [16]} Las razones por las que no se pudo generar una observación completa incluyen anotaciones sobre la configuración del aparato, la producción de gotas de aceite y los efectos atmosféricos que invalidaron, en opinión de Millikan (confirmado por el error reducido en este conjunto), un determinado medición.

El experimento de Millikan como ejemplo de efectos psicológicos en la metodología científica

Ver también: Sesgo de confirmación § Science_and_scientific_research

En un discurso de graduación pronunciado en el Instituto de Tecnología de California (Caltech) en 1974 (y reimpreso en Surely You're Joking, Mr. Feynman! En 1985, así como en The Pleasure of Finding Things Out en 1999), el físico Richard Feynman señaló : ^{[17] [18]}

Hemos aprendido mucho de la experiencia sobre cómo manejar algunas de las formas en que nos engañamos a nosotros mismos. Un ejemplo: Millikan midió la carga de un electrón mediante un experimento con gotas de aceite que caían y obtuvo una respuesta que ahora sabemos que no es del todo correcta. Está un poco apagado porque tenía un valor incorrecto para la viscosidad del aire. Es interesante observar la historia de las mediciones de la carga de un electrón, después de Millikan. Si los traza en función del tiempo, encontrará que uno es un poco más grande que el de Millikan, y el siguiente es un poco más grande que eso, y el siguiente es un poco más grande que eso, hasta que finalmente se establecen para un número que es mayor.
¿Por qué no descubrieron que el nuevo número era más alto de inmediato? Es algo de lo que los científicos se avergüenzan, esta historia, porque es evidente que la gente hizo cosas como esta: cuando obtuvieron un número que estaba demasiado alto por encima del de Millikan, pensaron que algo debía estar mal, y buscarían y encontrarían una razón. por qué algo puede estar mal. Cuando obtuvieron un número cercano al valor de Millikan, no buscaron tanto. Y así eliminaron los números que estaban demasiado lejos, e hicieron otras cosas como esa ...

A partir de mayo de 2019, ^[update]el valor de la carga elemental se define exactamente1,602 176 634 × 10 ^-19  C ^[6] . Antes de eso, el valor aceptado más reciente (2014) ^[19] era1,602 176 6208 (98) × 10 ⁻¹⁹  C , donde (98) indica la incertidumbre de los dos últimos lugares decimales. En su conferencia Nobel, Millikan dio su medida como4.774 (5) × 10 ⁻¹⁰  statC , ^[20] que es igual a1,5924 (17) × 10 ^-19  C . La diferencia es menor al uno por ciento, pero es seis veces mayor que el error estándar de Millikan , por lo que el desacuerdo es significativo.

Referencias

1. "American Physical Society para conmemorar la Universidad de Chicago como sitio histórico de física en honor al premio Nobel Robert Millikan en la Universidad de Chicago" . www-news.uchicago.edu . 28 de noviembre de 2006 . Consultado el 31 de julio de 2019 .
2. AvenueChicago, Universidad de ChicagoEdward H. Levi Hall5801 South Ellis; Nosotros, Illinois 60637773702 1234 Contacto. "Avances de UChicago: década de 1910" . Universidad de Chicago . Consultado el 31 de julio de 2019 .
3. "El trabajo del físico Millikan continúa recibiendo elogios" . chronicle.uchicago.edu . 4 de enero de 2007 . Consultado el 31 de julio de 2019 .
4. "El Premio Nobel de Física 1923" . NobelPrize.org . Consultado el 31 de julio de 2019 .
5. "El Premio Nobel de Física 1923" . NobelPrize.org . Consultado el 31 de julio de 2019 .
6. "Valor CODATA 2018: carga elemental" . La referencia del NIST sobre constantes, unidades e incertidumbre . NIST . 20 de mayo de 2019 . Consultado el 20 de mayo de 2019 .
7. "Robert Millikan" . Física APS . Consultado el 26 de abril de 2016 .
8. Niaz, Mansoor (2000). "El experimento de la gota de aceite: una reconstrucción racional de la controversia Millikan-Ehrenhaft y sus implicaciones para el libro de texto de química" (PDF) . Revista de Investigación en Enseñanza de las Ciencias . 37 (5): 480–508. Código Bibliográfico : 2000JRScT..37..480N . doi : 10.1002 / (SICI) 1098-2736 (200005) 37: 5 <480 :: AID-TEA6> 3.0.CO; 2-X .
9. Millikan, RA (1913). "Sobre la carga eléctrica elemental y la constante de Avogadro" (PDF) . Revisión física . Serie II. 2 (2): 109-143. Código bibliográfico : 1913PhRv .... 2..109M . doi : 10.1103 / PhysRev.2.109 .
10. Perry, Michael F. (mayo de 2007). "Recordando el experimento de la gota de aceite" . La física hoy . 60 (5): 56. Bibcode : 2007PhT .... 60e..56P . doi : 10.1063 / 1.2743125 .
11. Fletcher, Harvey (junio de 1982). "Mi trabajo con Millikan en el experimento de la gota de aceite". La física hoy . 43 (6): 43–47. Código bibliográfico : 1982PhT .... 35f..43F . doi : 10.1063 / 1.2915126 .
12. Bandrawal, Praveen Kumar (11 de marzo de 2009). Premio Nobel de Física . Tecnología Pinnacle. págs. 169–. ISBN 978-1-61820-254-3. Consultado el 14 de diciembre de 2012 .
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17. "Ciencia de culto de carga" . Instituto de Tecnología de California . Consultado el 22 de febrero de 2018 .(adaptado del discurso de apertura del Instituto de Tecnología de California de 1974 ), Páginas de Donald Simanek , Universidad Lock Haven , rev. Diciembre de 2017.
18. Feynman, Richard Phillips; Leighton, Ralph; Hutchings, Edward (1 de abril de 1997). "¡Seguro que está bromeando, señor Feynman!": Aventuras de un personaje curioso . Nueva York: WW Norton & Company. pag. 342. ISBN 978-0-393-31604-9. Consultado el 10 de julio de 2010 .
19. "Valores CODATA 2014: valores más antiguos de las constantes" . La referencia del NIST sobre constantes, unidades e incertidumbre . NIST . 25 de junio de 2015 . Consultado el 19 de agosto de 2019 .
20. Millikan, Robert A. (23 de mayo de 1924). El electrón y el cuanto de luz desde el punto de vista experimental (Habla). Estocolmo . Consultado el 12 de noviembre de 2006 .

Otras lecturas

• Serway, Raymond A .; Faughn, Jerry S. (2006). Holt: Física . Holt, Rinehart y Winston. ISBN 0-03-073548-3.
• Thornton, Stephen T .; Rex, Andrew (2006). Física moderna para científicos e ingenieros (3ª ed.). Brooks / Cole. ISBN 0-495-12514-8.
• Serway, Raymond A .; Jewett, John W. (2004). Física para científicos e ingenieros (6ª ed.). Brooks / Cole. ISBN 0-534-40842-7.

enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con el experimento de la gota de aceite .

• Simulación del experimento de la gota de aceite (requiere JavaScript)
• Thomsen, Marshall, " Bueno hasta la última gota ". Las historias de Millikan como pedagogía "enlatada". Universidad de Eastern Michigan.
• Equipo de CSR / TSGC, " Experimento de búsqueda de Quark ". La Universidad de Texas en Austin.
• El experimento de la gota de aceite aparece en una lista de los 10 experimentos más bellos de la ciencia [1] , publicada originalmente en el New York Times .
• Engeness, TE, " El experimento de la gota de aceite de Millikan ". 25 de abril de 2005.
• Millikan RA (1913). "Sobre la carga eléctrica elemental y la constante de Avogadro" (PDF) . Revisión física . Serie II. 2 (2): 109-143. Código bibliográfico : 1913PhRv .... 2..109M . doi : 10.1103 / PhysRev.2.109 . Documento de Millikan que analiza las modificaciones de su experimento original para mejorar su precisión.
• Hudspeth, Paul (2000). "Una búsqueda de quarks libres en el entorno de microgravedad de la Estación Espacial Internacional". Actas de la conferencia AIP . 504 : 715–722. Código bibliográfico : 2000AIPC..504..715H . doi : 10.1063 / 1.1302567 . Se ha sugerido una variación de este experimento para la Estación Espacial Internacional .
• Perry, Michael F. (2007). "Recordando el experimento de la gota de aceite" (PDF) . La física hoy . 60 (5): 56–60. Código bibliográfico : 2007PhT .... 60e..56P . doi : 10.1063 / 1.2743125 .