Die Bestimmung der Elementarladung durch den Millikan-Versuch

Inhaltsverzeichnis

I. Einleitung

1. Die Biographie von Robert Andrews Millikan

2. Der Millikan-Versuch
2.1 Problemstellung ([Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]Bestimmung)
2.2 Die Grundlagen und der Aufbau des Millikan-Versuches
2.3 Die verschiedenen Varianten des Millikan-Versuches
2.4 Die Theorie zur Bestimmung der Tröpfchenladung
2.5 Anwendung der Formeln auf die Versuchsergebnisse und Bestimmung der Elementarladung

3. Fazit und Reflexion

4. Anhang
4.1 Quellenverzeichnis
4.2 Arbeitstagebuch
4.3 Schaltskizze und Bilder
4.4 Excel Formeln

I. Einleitung

Nachdem im Physikunterricht die Sprache auf das Verhältnis von [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]gekommen war, sprach Herr Tschirner den Millikan-Versuch an und erwähnte, dies sei ein mögliches Thema für eine Facharbeit im Grundkurs Physik. Je länger ich mich mit dieser Materie beschäftigte, desto mehr gewann der Millikan-Versuch an Reiz für mich. Da ich prinzipiell jemand mit einem sehr breit gefächerten Interessensspektrum bin und Physik auch durchaus einer meiner LKs hätte werden können, beschloss ich also die Möglichkeit zu ergreifen meine Facharbeit in Physik zu schreiben. Ein wenig skeptisch war ich zu Beginn schon, als ich hörte, dass das Thema ein Experiment sein würde, weil ich im Allgemeinen eher ein „Theoretiker“ als ein „Praktiker“ bin. Dennoch sah ich das Experiment bald auch als Chance an, meine praktischen Fähigkeiten zu testen und ein bedeutendes physikalisches Experiment selbst – praktisch und theoretisch – nachvollziehen. Die mir gestellte Aufgabe lautete „Die Bestimmung der Elementarladung durch den Millikan-Versuch“. Das Ziel hierbei soll sein, sowohl die Elementarladung an sich zu bestimmen als auch zu zeigen, dass jegliche Ladung nur als Vielfaches davon vorkommt. Dazu werde ich zunächst einen Überblick über das Leben und Wirken Robert Andrews Millikans geben, das Problem näher erläutern, die Grundlagen und den Aufbau des Versuches darlegen, verschiedene Varianten des Versuches aufzeigen, die Theorie für die von mir gewählte Variante erläutern, sowie die Formeln herleiten, meine Messungen auswerten und schlussendlich ein Fazit ziehen.

1. Die Biographie von Robert Andrews Millikan

Robert Andrews Millikan wurde am 22. März 1868 in Morrison im Staate Illinois in den Vereinigten Staaten von Amerika als Sohn von Reverend Silas Franklin Millikan und Mary Jane Andrews geboren. Seine Kindheit verbrachte Millikan auf dem Land und er besuchte später die Maquoketa High School in Iowa. Nachdem er diese abgeschlossen hatte, arbeitete er für kurze Zeit als Gerichtsreporter und besuchte dann ab 1886 das Oberlin College in Ohio. Zu seinen Lieblingsfächern während seiner Zeit dort zählten Griechisch und Mathematik – Physik war noch nicht darunter. Sein Interesse an der Physik wurde erst geweckt, als er nach Ende seiner Zeit am College als Lehrer für die Grundlagen der Physik arbeitete. Sein Physikdiplom machte Robert Andrews Millikan 1893. Im selben Jahr erhielt er seine Anstellung an der Columbia University, wo er auch 2 Jahre später promovierte. Seine Doktorarbeit behandelte die Polarisierung von Licht welches von glühenden Oberflächen emittiert wird, wozu er Versuche mit geschmolzenem Gold an der US-Mint durchführte^[1]. Von 1895 bis 1896 studierte Millikan ein Jahr an deutschen Universitäten in Berlin und Göttingen, von wo aus er 1896, der Einladung von A. A. Michelson folgend, wieder in die USA zurückkehrte, um dessen Assistent am Ryerson Laboratory an der Universität von Chicago zu werden. Robert Andrews Millikan wird oft als ein „hervorragender Lehrer“ beschrieben^[2]. Im Jahre 1910 wurde er zum Professor ernannt, wozu er sich über die normale universitäre Rangfolge hochgearbeitet hatte. In Chicago, wo er bis 1921 Professor bleiben sollte, widmete er sich vor allem dem Schreiben von Lehrbüchern und der Vereinfachung des Unterrichtens der Physik. Millikan verfasste aber nicht nur Schulbücher, sondern auch eine sehr große Anzahl weiterer Bücher und Schriften für Fachzeitschriften sowie auch religiös philosophische Texte, in denen er sich für die Vereinbarkeit von Wissenschaft und Religion aussprach^[3]. Er war also nicht nur ein faktenorientierter Wissenschaftler, sondern auch ein durchaus religiöser und gläubiger Mensch. Als Physiker sind ihm viele bedeutende Entdeckungen und Durchbrüche zuzuschreiben. Hierzu zählen unter Anderem experimentelle Nachweise dessen, was andere Physiker wie Einstein nur theoretisch vorausgesagt hatten. Unter diesen Nachweisen finden sich die Bestimmung der Elementarladung und die erste Bestimmung des Plank’schen Wirkungsquantums [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]über direkte photoelektrische Methoden^[4]. Weiterhin führten seine Untersuchungen der Brown’schen Bewegung dazu, dass in der Welt der Physik der letzte Zweifel daran ausgeräumt wurde, dass alle Materie aus Atomen zusammengesetzt ist. Ein weiteres Verdienst Millikans ist, dass er oftmals das Potential bestimmter Ansätze richtig einzuschätzen vermochte. So konnte er Studenten in eine bestimmte Richtung lenken, was im Falle von Carl David Anderson, welcher über die kosmische Strahlung forschte, in der Entdeckung zweier neuer Elementarteilchen kulminierte. Allerdings stand Millikan mitunter auch im Disput mit einigen Kollegen seiner Zunft, wie zum Beispiel mit dem Physiker Viktor Franz Hess, an dessen Theorie zur kosmischen Höhenstrahlung er scharfe Kritik übte, weil Millikans eigene Versuche dergleichen nicht aufzuspüren vermochten. Nachdem Hess mit verbesserten Geräten ihre Existenz doch noch zu beweisen in der Lage war, gab Millikan dies als seinen eigenen Erfolg aus, woraufhin Hess beleidigt war und erst durch die Verleihung des Nobelpreises an ihn wieder versöhnt wurde^[5]. Robert Andrews Millikan wurde mit zahllosen Preisen ausgezeichnet. Im Jahre 1923 wurde ihm der Physiknobelpreis für seine Arbeit über die Elementarladung verliehen. Zu den ihm verliehenen Preisen zählten nicht nur solche, die die Wissenschaften betrafen, sondern unter anderem auch der chinesische Jadeorden sowie der Titel „Kommandant der französischen Ehrenlegion“. Darüber hinaus hatte er die Ehrendoktorwürde 25 verschiedener Universitäten inne und war Ehrenmitglied diverser Lehrinstitutionen der USA und des Auslandes. In seiner Freizeit frönte Robert Andrews Millikan dem Tennis- und Golfspiel. Seine Frau, Greta Erwin Blanchard, mit der er drei Söhne hatte, heiratete er 1902. Am 19. Dezember 1953 starb der Wissenschaftler Robert Andrews Millikan und sein Vermächtnis spielt noch immer eine gewichtige Rolle in der Physik , wie beispielsweise der von ihm konzipierte Öltröpfchenversuch, der Thema dieser Arbeit ist.

2. Der Millikan-Versuch

2.1 Problemstellung (Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthaltenBestimmung)

Mit Hilfe von Elektronenstrahlen in einem B-Feld lässt sich die Ladung eines Kilogramms Elektronen bestimmen^[6].

Der Versuchsaufbau sieht wie folgt aus:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ein homogenes Magnetfeld durchsetzt den Glaskolben senkrecht zur Zeichenfläche, wobei die Feldlinien in diese hineingehen.

Da [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]in diesem Falle durch [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]hervorgerufen wird, gilt folgendes Kräftegleichgewicht:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

mit [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]und [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aus dieser Formel lässt sich die Ladung eines Kilogramms Elektronen berechnen. Ihre genaue Erscheinungsform, beziehungsweise die Frage ob überhaupt einzelne, von einander getrennte Elektronen existieren, bleibt offen. Ebenso die Frage, ob einzelne Elektronen alle die gleiche Ladung tragen oder ob sich diese unterscheidet.

2.2 Die Grundlagen und der Aufbau des Millikan-Versuches

Grundlagen

Ziel des Millikan-Versuches ist es, die Ladung einzelner Öltöpfchen zu bestimmen und zu zeigen, dass Ladungen nur als ganzzahliges Vielfaches einer Elementarladung vorkommen, deren Wert ebenfalls bestimmt werden soll.

Die Formel zur Bestimmung der Geschwindigkeit einer Ladung in einem elektrischen Feld lautet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Geschwindigkeit hängt also von drei Faktoren ab.

- Der Ladung [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]
- Der Anodenspannung [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]und damit von [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten], da [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]
- Der Masse [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

Wenn man obige Formel dahingehend umdeutet, dass die Geschwindigkeit sowie [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]und indirekt [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]gemessen werden, wobei die Masse wie in 2.4 dargelegt vom Radius des Tröpfchens abhängt und sich sowohl [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]als auch [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]ohne größere Schwierigkeiten bestimmen lassen, kann man die Ladung eines sich in einem Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten-Feld bewegenden Öltröpfchens berechnen.

[...]

^[1] Vgl. Nobel Lectures, Physics 1922-1941

^[2] Vgl. Spencer Weart, Selected Papers of Great American Physicists: The Bicentennial Commemorative Volume of The American Physical Society

^[3] Vgl. Nobel Lectures, Physics 1922-1941

^[4] Vgl. Georg Federmann, V.F. Hess – Eine Diplomarbeit

^[5] Vgl. Georg Federmann, V.F. Hess – Eine Diplomarbeit

^[6] Basierend auf Notizen aus dem Physikunterricht