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Der Millikan-Versuch (Öltröpfchenversuch)

Der Öltröpfchenversuch nach Robert A. Millikan

Die Idee, dass elektrische Ladung durch diskrete Teilchen hervorgerufen wird, wurde zuerst 1750 von Benjamin Franklin beschrieben. 1881 erhielten diese Teilchen den Namen Elektronen. Die 16 Jahre später erfolgte Bestimmung von e / m durch J. J. Thomson bewies zwar den Teilchencharakter der Elektronen, bestimmte aber nicht die Größe der Ladung. 1903 stellte H. A. Wilson ein Experiment vor, bei dem die Geschwindigkeiten von durch Röntgenstrahlen ionisierten Wassertröpfchen gemessen wurde, die von einem Zerstäuber zwischen zwei Metallplatten gesprüht wurden. Zuerst wurde die Geschwindigkeit der Tröpfchen nur unter dem Einfluss der Gravitationskraft gemessen, dann unter dem Einfluss der Gravitationskraft und einem elektrischen Feld. Die daraufhin bestimmte Ladung eines einzelnen Elektrons betrug (da die Messung sehr ungenau war) zwischen 0,66 · 10 -19 und 1,47 · 10 -19 C .

1909 begann Robert Millikan (1869-1953) an der University of Chicago mit der Verbesserung des Versuchs von Wilson. Er verwendete zur Herstellung des elektrischen Feldes eine Batterie mit einer Spannung von 10.000 V, wofür damals sehr viel Aufwand nötig war, und legte diese Spannung an zwei horizontal angebrachte Metallplatten. Diese beiden Platten waren 1,6 cm voneinander entfernt. In der Mitte der oberen negativen Platte brachte er einen Zerstäuber an, der ca. 1 μm   große Öltröpfchen in den Zwischenraum der Platten sprühte.

Mit Hilfe eines Mikroskops konnte er die Öltröpfchen beobachten und mit einer Stoppuhr die Zeit ermitteln, die ein Tröpfchen benötigte, um unter Einwirkung der Gravitationskraft (die gegen die Reibungskraft des Tröpfchens wirkte) eine markierte Entfernung von 1,303 cm zurückzulegen. Danach fiel das Tröpfchen in einen Strahl von Röntgenstrahlen, von denen es ionisiert wurde. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes stieg das Öltröpfchen dann wieder und die Durchgangszeit wurde ein zweites Mal gemessen.

Aber erst nachdem das Stokes'sche Gesetz, das die Reibungskraft von fallenden Körpern beschrieb, richtig auf die Öltröpfchen angewandt wurde, beobachtete Millikan, dass für die elektrische Ladung q auf den Öltröpfchen die Beziehung q = n e gilt mit n = 0, ± 1, ± 2, ± 3, usw., die Ladung also das ganzzahlige Vielfache einer Elementarladung e ist. Dabei bestimmte Millikan e zu 1,63 10 19 C . Der heute gültige Wert ist e = 1,60217646 ± 6 10 19 C .

Dies war der erste experimentelle Beweis für die Quantelung der Ladung.

Für die Bestimmung dieser Elementarladung e und die Entdeckung des Photoelektrischen Effekts wurde Robert Millikan 1923 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

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