Millikanversuch

Hier https://stoppi-homemade-physics.de/e-m-bestimmung/  habe ich einige Experimente zur Bestimmung der spezifischen Elektronenladung e/m vorgestellt.

Mit dem Millikanversuch war es erstmalig möglich, die elektrische Ladung des Elektrons alleine zu bestimmen. Im Jahr 1910 gelang es den Physikern Robert Millikan (1868-1953) und Harvey Fletcher (1884-1981) die Elementarladung e des Elektrons experimentell mit dem berühmten Öltropfenexperiment zu ermitteln. Robert Millikan bekam dafür 1923 auch den Nobelpreis für Physik verliehen.

Zur Durchführung des Versuchs: In einen Kondensatorzwischenraum wird zerstäubtes Öl eingesprüht. Dabei laden sich die Öltropfen unterschiedlich auf. An den Kondensatorplatten (Abstand d) liegt eine variable Spannung U an. Damit kann man das elektrische Feld E = U/d im Zwischenraum und dadurch auch die Kraft F = E * q auf die Öltröpfchen verändern. Auf diese wirken folgende Kräfte:

Ruht das Öltröpfchen in der Luft, so gleichen sich die nach unten wirkende Schwerkraft und die nach oben wirkende elektrische Kraft + Auftriebskraft aus. Es gilt daher:

Kennt man so wie in meinem Versuch die Dichte ρ des Öls (Anmerkung: Ich verwende anstelle des Öls kleine Polystyrene-Kugeln mit bekannten Durchmesser) und den Radius r der Öltropfen, so kann man bereits mittels der obigen Gleichung die Ladung q der Öltropfen bestimmen. Konkret verwendete ich Polystyrenekugeln mit einer Dichte von ρ = 1.05 * 10^3 kg/m³ und mit einem Durchmesser von 1.5 µm (r = 0.75*10^-6 m).

Millikan und Fletcher verwendeten aber keine Kugeln bekannter Größe, sondern eben unterschiedlich große Öltropfen. Daher mussten sie zur Eliminierung der unbekannten Größe r das anvisierte Öltröpfchen bei Veränderung der Spannung mit einer Geschwindigkeit v nach oben oder unten driften lassen. Erst durch diesen zweiten Messvorgang konnten sie die Ladung q der Öltröpfchen ermitteln. Driftet etwa das Öltröpfchen mit der Geschwindigkeit v nach oben, müssen sich die oben angeführten Kräfte wiefolgt aufheben:

Durch Kombination beider Gleichungen (ruhendes Öltröpfchen bzw. nach oben oder unten driftendes Öltröpfchen) konnte schlussendlich die jeweilige Ladung q berechnet werden.

Welchen Wert erhielten sie aber für q? Millikan und Fletcher stellten fest, dass die unterschiedlichen Ladungen alle ein ganzzahliges Vielfaches der sog. Elementarladung e waren. Diese konnten sie mit rund e = 1.6 * 10^-19 C ermitteln.

In meinem Versuch verwende ich wie gesagt Partikel mit bereits bekannter Größe. Dadurch vereinfacht sich der Messvorgang deutlich. Um die sehr kleinen Partikel überhaupt sehen zu können, bedarf es einer guten Beleuchtung (ich verwende eine weiße 3W LED) von schräg hinten und eines Mikroskops. Mein Mikroskop mit Display konnte ich günstig (ca. 40 Euro) auf Amazon erwerben. Es ist genau auf den sehr kleinen Raum zwischen den beiden Kondensatorplatten (Abstand d = 5 mm) ausgerichtet.

Die für den Versuch notwendige, variable Hochspannung (100-900V) erzeuge ich mit einem sog. CCFL-Inverter und nachgeschalteter Gleichrichtung. Zum Einsprühen der in Wasser gelösten Polystyrene-Partikel verwende ich einen Parfumzerstäuber. Diesen fand ich günstig auf ebay.

Zu den Ergebnissen: Ich konnte einige Teilchen zum Schweben bringen und daraus deren Ladung q bestimmen. Diese lag zumeist bei der doppelten Elementarladung, also q = 2*e. Partikel mit q = 1*e konnte ich nur ein einziges ausmachen.