Università di Chicago
Il 30 novembre 2006, come parte della sua iniziativa Siti storici, l’American Physical Society ha presentato una targa all’Università di Chicago, in onore di Robert A. Millikan., Millikan ha ricevuto il Premio Nobel nel 1923 nel riconoscimento di due importanti obiettivi: la misura della carica dell’elettrone nel suo famoso olio-drop esperimento (vedere “Questo Mese in Fisica Storia” APS News, agosto/settembre 2006), e la verifica Einstein”s la stima del rapporto tra la frequenza della luce e di elettroni di energia nell’effetto fotoelettrico, un fenomeno in cui gli elettroni vengono emessi dalla materia, dopo l’assorbimento di energia dalla radiazione elettromagnetica, come i raggi x o la luce visibile.,
La teoria prevalente nel tardo 19 ° secolo su come veniva prodotta la carica, sosteneva che la carica era un tipo di “sforzo sull’etere”, qualcosa che poteva crescere o ridursi senza restrizioni. Le leggi di elettrolisi di Faraday, che furono scoperte intorno al 1840, fornirono una forte prova della quantizzazione della carica, ma Faraday non sostenne mai l’idea. Lui e la maggior parte dei fisici dell’epoca credevano che la carica, come la massa, fosse una quantità infinitamente divisibile.
Ma nel 1897, ci si rese conto che i raggi catodici erano in realtà minuscole particelle cariche, soprannominate “corpuscoli” dal loro scopritore, JJ., Thomson dell’Università di Cambridge, e ora chiamato elettroni. Piegando gli elettroni nei campi elettrici e magnetici, i ricercatori potevano dire che erano caricati negativamente e che il rapporto tra carica e massa, e/m, era lo stesso per tutti gli elettroni e circa 1700 volte più grande di quello per l’atomo di idrogeno ionizzato. Thomson credeva che questo fosse perché la carica era la stessa, ma la massa era circa 1700 volte più piccola., Misurando la carica su nuvole di goccioline d’acqua in una camera nuvolosa, lui ei suoi collaboratori sono stati in grado di determinare che la carica sull’elettrone, o almeno la carica media sugli elettroni in una nuvola, era di circa 10-19 Coulomb (il Coulomb è l’unità di carica nel sistema metrico). Ciò era coerente con la sua ipotesi che la carica sull’elettrone fosse la stessa di quella trovata nell’idrogeno.,
Nel 1906, Millikan iniziò esperimenti all’Università di Chicago per tentare di misurare le singole cariche di elettroni, e con una precisione molto maggiore di quella che Thomson e colleghi erano stati in grado di ottenere. Uno dei grandi miglioramenti è stato l’uso di gocce d’olio al posto della nuvola di gocce d’acqua che Thomson ha usato. Nell’apparato di Millikan, le gocce d’acqua sarebbero rapidamente evaporate, mentre le singole gocce di olio potrebbero essere studiate a lungo. Lo studente di Millikan Harvey Fletcher ha svolto un ruolo importante nell’implementazione di questo miglioramento.,
Millikan ha impostato una coppia di piastre di conduzione parallele orizzontalmente, una sopra l’altra, con un grande campo elettrico tra di loro che potrebbe essere regolato. Una nebbia sottile di olio è stata spruzzata in una camera sopra le piastre. Molte delle goccioline sarebbero state caricate negativamente mentre raccoglievano un piccolo numero sconosciuto di elettroni mentre passavano attraverso l’ugello. Alcune delle gocce poi cadde attraverso un foro nella piastra superiore e alla deriva nella regione tra le due piastre parallele. Illuminate di lato da una luce intensa, queste gocce brillavano quando la regione veniva osservata al microscopio.,
Con il campo elettrico spento, Millikan poteva osservare una caduta e misurare la sua velocità terminale. Questa misurazione gli ha dato il raggio della goccia e, poiché conosceva la densità, poteva determinare la massa. Poteva quindi accendere il campo elettrico e regolarlo in modo che la forza elettrica bilanciasse con precisione la forza di gravità sulla goccia. Conoscendo la forza del campo e la massa della goccia, poteva calcolare l’unica sconosciuta, la carica sulla goccia., Questa misura è stata ripetuta molte volte, e spesso la stessa goccia sarebbe stata lasciata salire e scendere nell’apparecchio ancora e ancora, mentre raccoglieva e versava elettroni.
Lavorando con Fletcher, Millikan ha dimostrato che la carica delle goccioline erano sempre un numero intero multiplo di 1.592 x10-19C, l’unità di base di carica. Oggi, il valore accettato è 1. 602×10-19C. Ha pubblicato i suoi risultati nel 1913.
Nel 1915, Millikan verificò sperimentalmente l’importantissima equazione fotoelettrica di Einstein e fece la prima determinazione fotoelettrica diretta della costante h di Planck., Il documento di Einstein del 1905 proponeva la semplice descrizione di “quanti di luce”, o fotoni, e mostrava come spiegavano l’effetto fotoelettrico. Supponendo che la luce in realtà consistesse di pacchetti di energia discreti, Einstein propose una relazione lineare tra l’energia massima degli elettroni espulsi da una superficie e la frequenza della luce incidente. La pendenza della linea era la costante di Planck, introdotta 5 anni prima da Planck. Millikan era convinto che l’equazione dovesse essere sbagliata, a causa del vasto corpo di prove che avevano già dimostrato che la luce era un’onda., Se Einstein era corretto, la sua equazione per l”effetto fotoelettrico suggerito un modo completamente diverso per misurare la costante di Planck.
Millikan ha intrapreso un programma sperimentale decennale per testare la teoria di Einstein con un’attenta misurazione dell’effetto fotoelettrico e ha persino ideato tecniche per raschiare le superfici metalliche all’interno del tubo a vuoto necessarie per un esperimento incontaminato.
Per tutti i suoi sforzi Millikan ha trovato ciò che per lui erano risultati deludenti: ha confermato le previsioni di Einstein in ogni dettaglio, misurando la costante di Planck entro lo 0,5% con il suo metodo., Ma Millikan non era convinto dell ” interpretazione radicale di Einstein, e più tardi nel 1916 ha scritto, “Equazione fotoelettrica di Einstein… non può a mio giudizio essere considerato al momento come poggiante su qualsiasi tipo di fondamento teorico soddisfacente”, anche se “in realtà rappresenta molto accuratamente il comportamento” dell’effetto fotoelettrico. Ha ricevuto il premio Nobel in parte per questa scoperta comunque.
Millikan è ancora oggi conosciuto meglio per i suoi famosi esperimenti goccia di petrolio, e studenti universitari di fisica continuano a replicare questa misurazione rigorosa.