รอเบิร์ต แอนดรุส์ มิลลิแกน
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
แทนค่า 1.60 X 10-19/m = 1.76 X 108
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
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.
********************************
