รอเบิร์ต แอนดรุส์ มิลลิแกน

รอเบิร์ต แอนดรุส์ มิลลิแกน

การหาประจุและมวลของอิเล็กตรอน
      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

        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

การทดลองหยดน้ำมัน !

มิลลิแกนได้ทำการทดลองหาค่าประจุไฟฟ้าของอิเลคตรอน เนื่องจากอิเลคตรอนเล็กมากทำให้ทำการทดลองกับอิเลคตรอนโดยตรงไม่ได้ จึงทำการทดลองวัดประจุไฟฟ้าที่แฝงอยู่กับหยดน้ำมันแทน โดยให้หยดละอองน้ำมันมีประจุไฟฟ้า โดยจัดอุปกรณ์การทดลองดังรูป

เครื่องฉีดฝอยละอองน้ำมัน มีหน้าที่ฉีดฝอยละอองน้ำมันฝอยละอองน้ำมันที่ถูกฉีดออกไปจะมีประจุไฟฟ้า(ประจุที่เกิดขึ้นเกิดจากการขัดสี) หยดน้ำมันที่ถูกพ่นออกมาจะแบ่งเป็น 3 กลุ่ม ดังนี้หยดที่สูญเสียอิเลคตรอนไปจะมีประจุไฟฟ้าเป็นบวกหยดที่ได้รับอิเลคตรอนเพิ่มมาจะมีประจุไฟฟ้าเป็นลบหยดน้ำมันที่ไม่สูญเสียอิเลคตรอน 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

เมื่อหยดน้ำมันสมดุล (หยดน้ำมันหยุดนิ่งหรือเคลื่อนที่ลงด้วยความเร็วคงที่)และไม่คิดแรงเสียดทานของอากาศเราจะได้ว่า

                แรงเนื่องจากสนามไฟฟ้า = แรงเนื่องจากน้ำหนักของหยดน้ำมัน

                                

เมื่อ q = ประจุไฟฟ้าบนหยดน้ำมัน เป็น C.(= จำนวนอิเลคตรอน x ประจุของอิเลคตรอน)

    m_o = 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