La carga en el electrón es 1.60217657 × 10 ^ -19 coulombs.
Prehistoria
La carga en el electrón fue medida primero por JJ Thomson y dos compañeros de trabajo (JSE Townsend y HA Wilson), a partir de 1897. Cada uno utilizó un método ligeramente diferente. El trabajo de Townsend se describirá como un ejemplo.
El trabajo de Townsend dependía del hecho de que crecerían gotas de agua alrededor de los iones en el aire húmedo. Bajo la influencia de la gravedad, la caída caería, acelerando hasta alcanzar una velocidad constante.
Se midieron varios artículos en este experimento.
1. la masa de una gota de agua (en realidad, la masa promedio de muchos)
2. la carga eléctrica total transportada en todas las gotas (esto se hizo absorbiendo el agua en un ácido y midiendo la carga recogida).
3. la velocidad de la gota
4. la masa total de todas las gotas de agua (encontrada midiendo el aumento de peso del ácido)
Determinó la relación e / m de las gotas (2 dividido por 4), luego se multiplicó por la masa de una gota para obtener el valor de e.
Thomson, Townsend y Wilson obtuvieron cada uno aproximadamente el mismo valor para la carga de iones positivos y negativos. Fue alrededor de 1 x 10¯19 coulombs. Este trabajo continuó hasta aproximadamente 1901 o 1902.
II Medición definitiva de Robert A. Millikan
Robert A. Millikan comenzó su trabajo en carga electrónica en 1906 y continuó durante siete años. Su artículo de 1913 que anuncia la determinación de la carga del electrón es un clásico y Millikan recibió el Premio Nobel por sus esfuerzos.
Aquí hay un diagrama de su aparato, reproducido de su artículo de 1913:
Aquí está la descripción de Millikan:
8. LOS ARREGLOS EXPERIMENTALES.
Los arreglos experimentales se muestran en la Fig. 1. El recipiente de latón D fue construido para trabajar a todas las presiones de hasta 15 atmósferas, pero dado que las presentes observaciones tienen que ver solo con presiones de 76 cm. Estos se midieron con un manómetro de mercurio M cuidadosamente elaborado que a presión atmosférica dio exactamente la misma lectura que un barómetro estándar. El estancamiento completo del aire entre las placas condensadoras M y N se logró primero mediante la absorción de todos los rayos de calor del arco A por medio de una celda de agua w, 80 cm. de largo, y una celda de cloruro cúprico d, y segundo sumergiendo todo el recipiente D en un baño de temperatura constante G de aceite de motor de gas (40 litros) que permitió, en general, fluctuaciones de no más de .02 ° C durante un observación. Este baño de temperatura constante se consideró esencial para obtener la consistencia de medición que se muestra a continuación. Una larga búsqueda de causas de ligera irregularidad no reveló nada tan importante como esto y después de que se instaló el baño, todas las irregularidades desaparecieron. El atomizador A se sopló por medio de una bocanada de aire cuidadosamente seco y sin polvo introducido a través de la llave e. El aire alrededor de la gota p se ionizó cuando se deseaba mediante rayos Röntgen de X que pasaban fácilmente a través de la ventana de vidrio g. A las tres ventanas g (solo se muestran dos) en el recipiente de latón D corresponden, por supuesto, tres ventanas en la tira de ebonita c que rodea las placas del condensador M y N. A través de la tercera de estas ventanas, coloque un ángulo de aproximadamente 18 ° desde la línea Xpa y en el mismo plano horizontal, se observa la caída de aceite.
Esta es una foto que data de la época del experimento.
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Estos son algunos puntos a destacar sobre el experimento:
1. Las dos placas tenían 16 mm de ancho, “correctas de aproximadamente 0,01 mm”.
2. El orificio en la placa superior era muy pequeño.
3. El espacio entre las placas se iluminó con un potente haz de luz.
4. Roció aceite (“el más alto grado de aceite de reloj”) con un atomizador que produjo gotas de una diezmilésima de pulgada de diámetro.
5. Una gota de aceite pasaría por el agujero.
6. Las placas se cargaron con 5.000 voltios.
7. Le llevó una gota sin carga unos 30 segundos caer por la abertura entre las placas.
8. Expuso la gota a la radiación mientras caía, lo que eliminó los electrones.
9. La gota se ralentizaría en su caída. Las gotas eran demasiado pequeñas para ver. Lo que vio fue un punto brillante de luz.
10. Al ajustar la corriente, podría congelar la gota en su lugar y mantenerla allí durante horas. También podría hacer que la gota se moviera hacia arriba y hacia abajo muchas veces.
11. Dado que la velocidad de ascenso (o descenso) fue crítica, tiene una escala altamente precisa inscrita en el telescopio utilizado para la observación de gotas y utilizó un reloj muy preciso, “que leyó a 0.002 segundos”.
Las mejoras de Millikan sobre Thomson
1. El aceite se evaporó mucho más lentamente que el agua, por lo que las gotas se mantuvieron esencialmente constantes en masa.
2. Millikan podría estudiar una gota a la vez, en lugar de una nube completa.
3. Al seguir la caída de aceite en muchos ascensos y descensos, pudo medir la caída a medida que perdía o ganaba electrones, a veces solo uno a la vez. Cada vez que la caída gana o pierde carga, SIEMPRE lo hace en un número entero múltiplo de la misma carga.
El valor a partir de 1991 (para la carga en el electrón) es 1.60217733 (49) x 10¯19 coulombs. Esto es menos del 1% más alto que el valor obtenido por Millikan en 1913. El paréntesis 49 muestra el rango más / menos de los últimos dos dígitos (los 33). Es poco probable que haya mucha mejora en la precisión en los próximos años.
Dato interesante sobre el experimento de Robert Millikan
En “El descubrimiento de partículas subatómicas” de Steven Weinberg aparece una nota al pie de la página. 97. Se lee:
. . . . apareció una notable memoria póstuma que arroja algunas dudas sobre el papel principal de Millikan en estos experimentos. Harvey Fletcher (1884-1981), que era un estudiante graduado en la Universidad de Chicago, por sugerencia de Millikan trabajó en la medición de la carga electrónica para su tesis doctoral y fue coautor de algunos de los primeros trabajos sobre este tema con Millikan. Fletcher dejó un manuscrito con un amigo con instrucciones de que se publicara después de su muerte; el manuscrito fue publicado en Physics Today, junio de 1982, página 43. En él, Fletcher afirma que fue el primero en hacer el experimento con gotas de aceite, fue el primero en medir las cargas en gotas individuales y puede haber sido el primero en sugerir El uso del petróleo. Según Fletcher, había esperado ser coautor con Millikan en el crucial primer artículo que anunciaba la medición de la carga electrónica, pero Millikan lo rechazó.
