1910 yılında fizikçi Robert Andrews Milikan temel elektrik yükü olan elektron üzerine klasik yağ damlası deneyi ile ilk yük ölçümünü gerçekleştirdi.
Fizikçiler olarak bir elektronun yükünü temel elektrik yükü birimi olduğunu biliyoruz. Bu yükün miktarı 1.602×10-19 Coulomb’dur ve doğada oluşan en küçük yük miktarıdır. Bu temel elektronik yük daha küçük yük miktarlarına bölünemez.
Robert Milikan kendisinin ünlü yağ damlası deneyi ile temel elektrik yükünün değerini ilk kez ölçtü.
Milikan Yağ Damlası Deneyi
Milikan’ın yağ damlası deneyinden önce, J. J. Thomson 1897 yılında elektronun yükün kütleye (e/m) oranını ölçmüştü. Thomson’un elektron yükünü ölçmesi mümkün olmamıştı ama bu yük için olası değerlerin bir yaklaşık aralığını elde etmişti.
Thomson’un deneyi bir su bulutundaki elektrik yüklerini kullandı. Milikan’ın deneyi de benzerdi, ama su bulutuyla birbirinden ayrı yağ damlaları ile değiştirdi. Milikan, yağ damlası deneyi ile elektron yükü (e) ölçümünü yükün kütleye oranını da kullanarak elektronun kütlesini de hesaplayabildi.
Robert A. Milikan 1909 ve 1913 tarihleri arasında bir seri mükemmel deneyler yaptı.1910 yılında elektrondaki yükü ölçerek ilk ölçümünü gerçekleştirdi. Ve bu ölçümü ile ünlü yağ damlası deneyinde temel elektrik yükü değerini buldu. Şu an günümüzde kullandığımız e=1.602×10-19 C değerini bu ünlü yağ damlası deneyinde yağ damlalarının yükünün temel elektronun yüküne eşit olduğunu keşfederek buldu. Ayrıca elektronun yükünün kuantize olduğunu belirledi yani elektrik yükünün toplam miktarı temel elektron yükünün tam sayı katıdır ve bu deney Milikan’a 1923 yılında Nobel Fizik ödülünü kazandırdı.
Deneyi inceleyecek olursak
Aşağıda Milikan’ın deneyinin bir taslağı vardır. Bir püskürtücü ile yüklenmiş yağ damlacıklarını aydınlatmak için yatay doğrultuda bir ışık demeti kullanılır. Damlalar bir teleskop yardımı ile gözlenir. Teleskobun ekseni ışık demeti ile dik açı yapar. Damlacıklar bu düzende gözlendiğinde, karanlık bir zeminde parlayan yıldız gibi görünürler. Dolayısıyla damlaların düşüş hızı tayin edilebilir.
Kütlesi m, taşıdığı yük q olan tek bir damlanın gözlendiğini varsayalım. Damlanın yükü negatif olsun. Levhalar arasında elektrik alan yok ise yük üzerine etki eden iki adet kuvvet vardır. Aşağı doğru damlacığın mg ağırlığı ve yukarı doğru Fd viskoz sürüklenme kuvvetidir ve sürtünme kuvveti damlanın hızı ile orantılıdır. Damla v limit hızına ulaşınca her iki kuvvet birbirini dengeler(mg=Fd)
Şimdi ise üstteki plaka daha yüksek potansiyelde olacak şekilde plakaları bataryaya bağlayarak plakalar arasında bir elektrik alan oluştuğunu farz edelim o halde 3.bir kuvvet olan qE yüklü damla üzerine etkir. q negatif ve E aşağı yönlü olduğundan, elektriksel kuvvet yukarı yönlüdür. Bu kuvvet büyükse damlanın hareket yönü yukarı doğru olacaktır. Yukarı yöndeki qE elektriksel kuvvet aşağı yönlü olan sürüklenme kuvveti ile ağırlığın toplamını dengelediğinde damla, yeni bir v limit hızına ulaşır.
Binlerce damlacık üzerinde yapılan ölçümlerden sonra, Milikan ve çalışma arkadaşları, bütün damlacıkların %1 hata ile e elementer yükünün tam yükünün tam katı kadar yüke sahip olduğunu buldular. Yani
Q=ne ; n=0,-1,-2,-3…. şeklindedir. Burada e=1.60×10-19 C’ dur.
Milikan Yağ Damlası Deneyinin Önemi
Bir elektronun yükü ölçümüne ilave olarak, Milikan’ın deneyi tek bir elektronun yükünün en küçük mümkün yük miktarı olduğunu gösterdi. Milikan elektrik yükünün kuantize olduğunu kuantum fiziğinin bir tahmini olarak kanıtladı. Elektrik yükünün toplam miktarı her zaman bu temel elektrik yükünün bir tam sayısı olmak zorundadır. Milikan aynı zamanda Avagadro sayısının değerini hesaplamak için de bu sonucu kullandı.
Milikan Yağ Damlası Deneyi Üzerine Bir Problem Bir Çözüm
Bir Milikan aparatında bir yağ damlasının 3.3×10-15 kg olduğu biliniyor. Aralarındaki uzaklık 0.95 cm olan iki paralel plaka arasında 340 V potansiyel fark altında yağ damlasının yüzdüğü gözleniyor. Yağ damlası üzerine kaç elektronun ulaştığını hesaplayınız.
Soru bize yükü değil elektron sayısını soruyordu. Bu nedenle her bir elektronun 1.60×10-19 C yüke sahip olduğu düşünülürse kaç elektron olduğunu bulabiliriz,
Bir elektronun bir kısmının olmasının imkânsız olmasından dolayı 6 elektron bulundu denilir.
Böylelikle Milikan’ın ünlü yağ damlası deneyini kısaca incelemiş olduk, yeni çalışmalarımızda görüşmek üzere.
Duygu Tunçman
İstanbul Üni. Fizik Bölümü
KBT Fizik Çalışma Grubu / Popüler Bilim Yayın Grubu
Kaynaklar
- Serway, R.A., Fen ve Mühendislik İçin Fizik2, Elektrik ve manyetizma-Işık ve Optik
- http://suite101.com/article/millikan-oil-drop-experiment-a124624
- http://physics.wfu.edu/lectures/phy215/CourseMaterials/MillikanOilDropExperiment.pdf
