Millikan'ın Yağ Damlası Deneyi

1909 yılında Robert Millikan tarafından yapılan yağ damlası deneyinin amacı, elektronun elektrik yükünü ölçmekti. Millikan elektronun yükünü, iki metal elektrot arasına konulan küçük yüklü yağ damlaları üzerindeki kütle çekim ve elektrik yüklerini dikkatli bir şekilde dengeleyerek buldu. Elektrik alanın büyüklüğü biliniyorsa yağ damlası üzerindeki elektrik yükü belirlenebilir. Milikan deneyi çok sayıda yağ damlası için tekrarladığında ölçülen değerlerin hep aynı sayının katları olduğunu buldu. O bunu tekbir elektronun üzerine uygulanan yük olarak tanımladı: 1.602 × 10−19 Coulomb (elektrik yükünün uluslar arası birim sistemindeki birimi Coulomb’ dur.)

Tarihçe

Millikan 1909 yılının başlarında Chicago Üniversitesinde profesör iken yağ damlası deneyi üzerinde çalıştı ve tekbir elektron üzerindeki yükü ölçtü. 1910 yılında elde ettiği sonuçları bastırdıktan sonra Felix Ehrenhaf tarafından yapılan çelişkili gözlemler iki fizikçi arasında bir tartışma başlattı. 1919 yılında düzeneğini geliştirerek bilimde yeni ufuklar açan çalışmasını bastırdı.
Temel yük diye adlandırılan elektronun elektrik yükü temel fiziksel sabitlerden biridir ve bu değerin tam olarak bilinmesi büyük önem taşımaktadır. Millikan deneyde iki elektrot arasında kütleçekim kuvvetine karşı asılı duran yüklü yağ damlacıkları üzerine uygulanan kuvveti ölçtü. Elektrik alan bilindiğinde yağ damlası üzerindeki yük belirlenebilir. Deneyi çok sayıda yağ damlası için tekrarladığında Millikan tekbir elektron üzerindeki yükün 1.592 × 10⁻¹⁹ Coulomb değerinin tam katları şeklinde yorumlanabileceğini gösterdi.


Robert A. Millikan  (1891)

Millikan yağ damlası deneyini yaptığı sıralarda atomaltı parçacıklar pek fazla bilinmiyordu. 1897 yılında J.J. Thompson katot ışınları ile yaptığı deneylerde bir hidrojen atomunun kütlesinden yaklaşık 1000 kat daha küçük negatif yüklü “tanecikler” olduğunu keşfetmişti. Benzer sonuçlar George FitzGerald ve Walter Kaufmann tarafından da bulundu. Işığın pek çok özelliğinin foton sağanağı olarak ele alınmasından ziyade sürekli bir dalga gibi ele alınabilmesine benzer şekilde elektrik ve manyetizma hakkında bilinenlerin çoğu da yükün sürekli bir değişken olduğu fikrine dayanılarak açıklanabiliyordu.

Yağ damlası deneyinin önemi hem temel yük biriminin oldukça hassas bir şekilde belirlenmesi hem de yükün kuantumlu olduğunu gerçeğini ortaya koymasıdır.  Millikan’ ın deney düzeneği bunu oldukça basit ve yalın bir şekilde gösterir. Ayrıca önceleri yükün sürekli bir değişken olduğunu düşünen Thomas Edison’ da Millikan’ ın yağ damlası deneyinden sonra fikrini değiştirmişti.
Tarihçi Gerald Holton’ ın 1978 yılında Millikan’ ın ikinci kez yaptığı deneyin sonuçlarından bazılarını çıkardığını iddia etmesiyle tartışmalar başlamıştır. Holton’ a göre herhangi bir geçerli sebep olmaksızın Millikan deneyinde elde ettiği büyük bir kısım veriyi önemsememiştir. Colorado Üniversitesinde felsefe bilimcisi olan ve daha önceleri yüksek enerji fiziği deneyleri yapan Allan Franklin, bu fikirleri çürütmeyi denedi. Franklin Millikan’ ın hesaba katmadığı verilerin e ile gösterilen elektronun elektrik yükünün değerini değiştirmeyeceğini iddia etti. Fakat Millikan’ ın e’deki istatistiksel hatayı küçültmek için bazı deneysel verileri çıkardığını kabul etti. Böylece Milikan  e’ nin değerini  % 0.5’ den daha küçük bir hatayla hesaplamış oluyordu. Zaten daha büyük bir hata yüzdesinin çıkması fizik dünyasında büyük tartışmalara sebep olabilirdi.

1923 yılında Millikan yaptığı bu deneyle Nobel fizik ödülünü kazandı. Bu deney uygun bir şekilde yapılması zor ve oldukça pahalı olmasına rağmen, halen fizik öğrencileri tarafından tekrarlanmaktadır.

 
Üstteki diyagram Millikan’ ın oluşturduğu düzeneğin basitleştirilmiş bir versiyonudur. İki yatay ve birbirine paralel plaka arasına büyük bir potansiyel farkı uygulanarak homojen bir elektrik alan oluşturulur. Yağ damlaları plakalar arasında sürüklenebilir. Voltajı değiştirerek damlalar yükseltilip, düşürülebilir. Plakalar birbirine yalıtkan bir malzemeyle tutturulmuş ve dört adet delik açılmıştır. Bu deliklerin üçüne beyaz ışık kaynağı yerleştirilmiş ve plakalar arasında asılı duran yağ damlaları üzerine odaklanmıştır. Diğer deliğe de düşük güçlü bir mikroskop konmuştur. Yağ damlacıkları ışığı yansıtır ve mikroskoptan bakıldığında karanlıkta parlak noktalar gibi durur. Mikroskopta bir yağ damlasının bir bölmeden diğerine ne kadar zamanda geçtiğini gösteren ve böylece hızı tespit etmemizi sağlayan derecelendirilmiş bir ölçek mevcuttur.

Deneyde kullanılan yağ genellikle vakum düzeneklerinde kullanılan tipte bir yağdır. Çünkü bu tip yağlar düşük buhar basıncına sahiptir. Bilinen yağlar ışık kaynağının ısısıyla kolaylıkla buharlaşır, böylece yağ damlalarının kütlesi deney boyunca sabit kalamaz. Bazı yağ damlacıkları pompa tarafından püskürtüldüğünde sürtünme nedeniyle yüklenecektir, fakat iyonlaştırıcı bir radyasyon kaynağı ilave edilerek (örneğin bir X ışın tüpü) daha fazla yağ damlacığının yüklenmesi sağlanabilir.

 

Millikan’ın orijinal yağ damlası düzeneği.

Metot

Başlangıçta yağ damlaları elektrik alan olmadığı için plakalar arasından düşer. Bu yağ damlaları kısa sürede odacık içindeki hava molekülleri ile sürtünerek terminal bir hıza ulaşır. Daha sonra elektrik alan oluşturulur ve değeri yeteri kadar büyük ise yüklü olan damlacıklardan bazıları yükselmeye başlar. Bunun nedeni yukarı doğru olan FE elektrik kuvvetinin aşağı doğru olan W kuvvetinden daha büyük olmasıdır. Düşmesi muhtemel olan bir yağ damlası seçilir ve diğer tüm damlalar düşene kadar alternatif olarak voltaj kapatılarak alanın ortasında tutulur. Sonra deneye bu tek damla ile devam edilir.
Damlanın düşmesine izin verilir ve elektrik alan yokken terminal hızı hesaplanır. Damla üzerine etkiyen sürüklenme kuvveti Stokes kanunu uygulanarak incelenebilir:

Burada v₁  düşen damlanın terminal hızıdır (yani elektrik alan olmadığı durumda ölçülen hızı). η havanın viskozitesi ve r damlanın yarıçapıdır.
W ağırlığı, ρ yoğunluk, V hacim ve g yerçekim sabitinin çarpımıdır. Ancak bize gereken şey görünen ağırlıktır. Havadaki görünen ağırlık gerçek ağırlıktan yağ damlalarıyla yerdeğiştiren hava moleküllerinin ağırlığına eşit bir kaldırma kuvvetinin çıkarılması ile bulunur. İdeal küresel bir damlacık için görünen ağırlık aşağıdaki şekilde yazılabilir:



Terminal hızdaki bir yağ damlası ivmelenmez. Böylece ona uygulanan toplam kuvvet sıfır olmalıdır. Sonuç olarak W ve F birbirini yoketmelidir. Dolayısıyla F = W ve



olacaktır. r hesaplanırsa W ’ de kolayca hesaplanabilir.

Şimdide kuvvete geri dönelim.



burada q yağ damlası üzerindeki kuvvet ve E tabakalar arasındaki elektrik alandır. Paralel tabakalar için



burada V potansiyel farkı ve d plakalar arasındaki mesafedir. q elektrik yükünü elde edebilmemiz için yağ damlaları kararlı hale gelene kadar V  potansiyel farkı ayarlanmalıdır. O zaman FE ’ yi W ’ ya eşitleyebiliriz. Fakat pratikte bunu hassas bir şekilde yapmak oldukça güçtür. Bunun için en pratik yol V’ yi yavaş yavaş değiştirerek yağ damlasının yeni bir v2 terminal hızına ulaşmasını sağlamaktır.Bu durumda

olur.

Millikan'ın deneyi ve kült bilim

Richard Feynman 1974 yılında California Teknik Üniversitesinde yaptığı bir konuşmasının başında şunları söylemiştir:

Sahip olduğumuz tecrübeler aptal yerine koyulmamızdan kurtulmayı sağlar. Örneğin Millikan yağ damlacıkları deneyiyle bir elektronun yükünü ölçtü ve bugün tam olarak doğru olmadığını bildiğimiz sonucu verdi. Bulduğu değerin farklı çıkmasının sebebi havanın viskozitesinin değerini yanlış almasıdır. Millikan’ dan sonra tarihte elektronun yükünün bulunması ile ilgili yapılan diğer deneylere bakacak olursak çok ilginç şeylerle karşılaşırız. Ölçülen değerlerin zamana bağlı bir grafiğini çizecek olursak, elde edilen değerlerin Millikan’ ın bulduğu değerlerden büyük değerler olduğunu ve sonunda belli bir noktada bu değerin aynı kaldığını görürüz.
Peki, yeni sayı neden hemen keşfedilememişti?  Bilim adamları bundan utanç duymaktadırlar. Çünkü herkes aynı şeyi yapmışt. Onlar Millikan’ ınkinden çok büyük yeni bir sayı bulduklarında hata yaptıklarını düşünüyorlardı. Onlar bunu araştırmalı ve nerede hata yapmış olabileceklerini bulmalıydılar. Çünkü onlar Millikan’ ın bulduğu değeri bulduklarında sonuçtan şüphe duymuyorlardı. Ve böylece Millikan’ dan farklı buldukları sayıları çıkardılar. Bugün bu hilelerden çok şey öğrendik ve artık bu tip kazalara rastlanmıyor.

2006 yılına kadar elemanter yükün değerinin 1.60217653(14)x10⁻¹⁹ Coulomb, olduğu kabul edilmiştir. Burada 14 son iki basamaktaki belirsizliği gösterir. Nobel konuşmasında Millikan temel elektrik yükünün değerini statcoulomb cinsinden 4.774(5) x 10⁻¹⁰ ve Coulomb cinsinden 1.5924(17)x10⁻¹⁹ olarak ölçtüğünü söylemiştir. Aradaki fark yüzde birden daha azdır, fakat Millikan’ ın standart hatasından beş kat daha fazladır. Sonuç olarak farkın önemi büyüktür.

Millikan' ın yağ damlası deneyi için kullandığı orijinal düzenek.

Kaynaklar

• R.A. Millikan, A new modification of the cloud method of determining the elementary electrical charge and the most probable value of that charge, Phys. Mag. XIX, 6(1910), p. 209
• Ehrenhaft F., Über die Kleinsten Messbaren Elektrizitätsmengen, Phys. Zeit., 10(1910), p. 308
• R.A. Millikan, On the Elementary Electric charge and the Avagadro Constant, Phys. Rev. II, 2(1913), p.109
• Allan Franklin, Millikan’s Oil-Drop Experiments,The Chemical Educator, 2(1997), pp.-14
• Richard Feynman. Cargo Cult Science.
• NIST Reference on Constants, Units and Uncertainty 
• Millikan, Robert A.. "The electron and the light-quant from the experimental point of view" Stockholm (May 23, 1924). Retrieved on 2006-11-12
• Serway, Raymond A.; Faughn, Jerry S. (2006). Holt: Physics. Holt, Rinehart and Winston. ISBN 0-03-073548-3. 
• Thornton, Stephen T.; Rex, Andrew (2006). Modern Physics for Scientists and Engineers (3rd ed.). Brooks/Cole. ISBN 0-495-12514-8. 
• Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Physics for Scientists and Engineers (6th ed.). Brooks/Cole. ISBN 0-534-40842-7. 
• Karlsson, Magnus, "Millikan's oildrop experiment". Simplified Java applet simulation of the experiment.
• Thomsen, Marshall, "Good to the Last Drop". Millikan Stories as "Canned" Pedagogy. Eastern Michigan University.
• CSR/TSGC Team, "Quark search experiment". The University of Texas at Austin.
• The oil-drop experiment appears in a list of Science's 10 Most Beautiful Experiments originally published in the New York Times.
• Delpierre, G.R. and B.T. Sewell, "Millikan's Oil Drop Experiment". 25 April 2005
• Engeness, T.E., "The Millikan Oil Drop Experiment". 25 April 2005
• Millikan R. A. (1913). "On the elementary electrical charge and the Avogadro constant". The Physical Review, Series II 2: 109–143. , Paper by Millikan discussing modifications to his original experiment to improve its accuracy.
• Millikan Oil Drop Experiment in space. A variation of this experiment has been suggested for the International Space Station.
• Millikan's experiment as a Remotely Controlled Laboratory (see there under "Labs")

 
“http://en.wikipedia.org/wiki/Oil-drop_experiment" adresinden çeviren Yrd. Doç. Dr. Jale Yılmazkaya Süngü (Kocaeli Üniversitesi).