Experimento de Millikan 1

Experimento de Millikan

Instalación de Millikan para el experimento de la gota de aceite.

El experimento de la gota de aceite fueun experimento realizado por RobertMillikan y Harvey Fletcher en 1909 paramedir la carga elemental (la carga delelectrón).

El experimento implicaba equilibrar lafuerza gravitatoria hacia abajo con laflotabilidad hacia arriba y las fuerzaseléctricas en las minúsculas gotas deaceite cargadas suspendidas entre doselectrodos metálicos. Dado que ladensidad del petróleo era conocida, lasmasas de las “gotas ", y por lo tanto susfuerzas gravitatorias y de flotación,podrían determinarse a partir de sus radiosobservados. Usando un campo eléctricoconocido, Millikan y Fletcher pudieron determinar la carga en las gotas de aceite en equilibrio mecánico. Repitiendoel experimento para muchas gotas, confirmaron que las cargas eran todas múltiplos de un valor fundamental, ycalcularon que es 1,5924|(17).10-19 C, dentro de un uno por ciento de error del valor actualmente aceptado de1,602176487|(40).10-19 C. Propusieron que esta era la carga de un único electrón.

Fundamento

Robert Millikan en 1891.

A partir de 1900, mientras era profesor en la Universidad de Chicago, Millikan, con laimportante aportación de Fletcher, trabajó en el experimento de la gota de aceite con elque midió la carga de un único electrón. Después de una publicación sobre sus primerosresultados[1] en 1910, las observaciones contradictorias de Felix Ehrenhaft[2] iniciaronuna controversia entre los dos físicos. Después de mejorar su configuraciónexperimental, publicó su estudio seminal en 1913.[3]

Su experimento mide la fuerza contra la gravedad en las minúsculas gotas de aceitecargadas suspendidas entre dos electrodos metálicos. Conociendo el campo eléctrico, sedetermina la carga en la gota. Repitiendo el experimento para muchas gotas, Millikandemostró que los resultados podían ser explicados como múltiplos enteros de un valorcomún 1,592.10-19 C, la carga de un único electrón.

En la época de los experimentos de la gota de aceite de Millikan y Fletcher, la existencia de las partículassubatómicas no era universalmente aceptada. Experimentando con los rayos catódicosThomson descubrió en 1897unos corpúsculos (como él los llamó) negativamente cargados, con una masa unas 1000 veces más pequeña que la deun átomo de hidrógeno. Resultados parecidos habían sido encontrados por George Francis FitzGerald y WalterKaufmann. La mayoría de lo que entonces se conocía acerca de la electricidad y el magnetismo, sin embargo, podríaexplicarse sobre la base de que la carga es una variable continua, de la misma forma que muchas de las propiedadesde la luz pueden explicarse el tratarla como una onda continua en lugar de como una corriente de fotones.La llamada carga elemental e es una de las constantes físicas fundamentales y su valor exacto es de gran importancia.En 1923, Millikan, ganó el Premio Nobel de física, en parte debido a este experimento.

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Aparte de la medición, la belleza del experimento de la gota de aceite reside en que es una simple y elegantedemostración práctica de que la carga está en realidad cuantizada. Thomas Edison, quien había considerado la cargacomo una variable continua, se convenció después de trabajar con el aparato de Millikan y Fletcher. Esteexperimento ha sido repetido por generaciones de estudiantes de física, aunque es bastante caro y difícil de hacercorrectamente.

Procedimiento experimental

Aparato

Esquema simplificado del experimento de la gota de aceite de Millikan.

El aparato de Robert Millikanincorpora un par de placas metálicasparalelas horizontales. Al aplicar unadiferencia de potencial entre las placas,se crea un campo eléctrico uniforme enel espacio entre ellas. Se utilizó unanillo de material aislante paramantener las placas separadas. Cuatroagujeros se cortaron en el anillo, trespara la iluminación con una luzbrillante, y otra para permitir la visualización a través de un microscopio.Una fina niebla de gotas de aceite se roció a una cámara por encima de las placas. El aceite era de un tipo utilizadonormalmente en aparatos de vacío y fue elegido porque tenía una presión de vapor extremadamente baja. El aceiteordinario se evaporaría bajo el calor de la fuente de luz causando que la masa de la gota de aceite cambiara durante eltranscurso del experimento. Algunas gotas de aceite se cargaban eléctricamente a través de la fricción con la boquillacuando fueron rociadas. Como alternativa, la carga podría llevarse a cabo mediante la inclusión de una fuente deradiación ionizante (como un tubo de rayos X). Las gotas entraban en el espacio entre las placas y, debido a queestaban cargadas se podía hacerlas subir y bajar al cambiar el voltaje a través de las placas.

MétodoInicialmente, las gotas de aceite se deja caer entre las placas con el campo eléctrico apagado. Muy rápidamentealcanzan la velocidad terminal debido a la fricción con el aire en la cámara. Se enciende entonces el campo y, si es losuficientemente grande, algunas de las gotas comenzarán a subir. (Esto se debe a que la fuerza eléctrica hacia arribaFE es mayor que la fuerza gravitacional hacia abajoFg, de la misma forma los trozos de papel puede ser recogidospor una barra de caucho cargada). Se selecciona una gota para observar la probable caída y se mantiene en el centrodel campo de visión conectando y apagando el voltaje alternativamente hasta que todas las otras gotas habían caído.El experimento se continúa entonces con esta única gota.La gota se deja caer y se calcula su velocidad terminal v1 en ausencia de campo eléctrico. La fuerza de fricción queactúa sobre la gota puede ser calculada usando ley de Stokes:

donde v1 es la velocidad terminal (es decir, la velocidad en ausencia de campo eléctrico) de la gota que cae, η es laviscosidad del aire, y r es el radio de la gota.El peso Fg es el volumen V multiplicado por la densidad ρ por la viscosidad y la aceleración de la gravedad g.terminal de la gota de aceite no hay aceleración. Así la fuerza total que actúa sobre ella debe ser cero. Así las dosfuerzas FE y Fg deben cancelarse una a otra (esto es, FE = Fg). Esto implica que:

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Una vez se ha calculado r, Fg puede calcularse fácilmente.Ahora el campo se vuelve a encender, y la fuerza eléctrica sobre la gota es:

donde q es la carga de la gota de aceite y E es el campo eléctrico entre las placas. Para placas paralelas:

donde V es la diferencia de potencial y d es la distancia entre las placas.Una de las formas concebibles para calcular q sería ajustar V hasta que la caída dela gota de aceite se mantengaestable. Entonces podríamos igualar FE with Fg. Pero en la práctica esto es muy difícil hacerlo con precisión.Además, la determinación deFE resulta difícil debido a que la masa de la gota de aceite es difícil de determinar sinvolver de nuevo a la utilización de la Ley de Stokes. Un enfoque más práctico es hacer deV hasta un poco mauyorpara que la gota de aceite se eleve con una nueva velocidad terminal v2. Entonces:

Acusaciones de fraudeExiste cierta controversia planteada por el historiador Gerald Holton sobre el uso de la selectividad en los resultadosde Millikan de su segundo experimento para la medición de la carga del electrón. Holton (1978) señaló que Millikandescartó un gran conjunto de las gotas de aceite obtenidas en sus experimentos sin razón aparente. Allan Franklin, unantiguo investigador en alta energía y actual filósofo de la ciencia en la Universidad de Colorado ha tratado derebatir este punto de Holton.[4] Franklin afirma que las exclusiones de Millikan de datos no afectan el valor final dela e que Millikan obtuvo, pero admite que hubo una sustancial "cirugía estética" que realizó Millikan y que tuvo elefecto de reducir el error estadístico en e. Esto permitió a Millikan citar que había calculado e con un error menorque una media del uno por ciento, de hecho, si Millikan hubiese incluido todos los datos que obtuvo, habría sido del2%. Aunque todo esto podría haberse traducido en que Millikan había medido el valor de e, mejor que nadie en esemomento, la incertidumbre de un poco más grande podría haber permitido un mayor desacuerdo con sus resultadosen la comunidad de físicos. David Goodstein cuenta que Millikan establece claramente que solamente incluyó lasgotas que se habían sometido a "una serie completa de observaciones" y no excluyó ninguna gota de este grupo.[5]

El experimento de Millikan y la pseudociencia (cargo cult science)En un discurso de apertura dado en el Instituto Tecnológico de California (Caltech) en 1974 (y reimpreso en¿Estáusted de broma, Sr. Feynman?), el físico Richard Feynman señaló:

Hemos aprendido mucho de la experiencia sobre cómo manejar algunas de las formas en que nosengañamos a nosotros mismos. Un ejemplo: Millikan midió la carga de un electrón en un experimentode caida de gotas de aceite, y recibió una respuesta que ahora sabemos que no tiene toda la razón. Estáun poco agarrado por los pelos porque tenía el valor incorrecto para la viscosidad de aire. Esinteresante observar la historia de las mediciones de la carga de un electrón, después de Millikan. Si sedibuja una grafica de la medida de la carga en función del tiempo, se descubre que uno dato es un pocomás grande que el de Millikan, y el siguiente es un poco más grande que ese, y el siguiente es un pocomás grande que ese, hasta que finalmente se asientan en un número que es mayor.

¿Por qué no descubrieron que el nuevo número era el inmediato superior?. Es algo de lo que los científicos se avergüenzan - de esta historia - porque es evidente que la gente pensaba cosas como esta: Cuando llegaron a un número que era demasiado alto por encima del de Millikan, pensaron que algo

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debía ser incorrecto - y buscaron y encontraron una razón por la que algo podría ser erróneo. Cuandollegaron a un número cercano al valor de Millikan no les pareció tan difícil. Y así eliminaron losnúmeros que estaban demasiado lejos, y otras cosas por el estilo. Hemos aprendido esos trucos hoy endía, y ahora no tenemos ese tipo de mal.[6] [7]

A partir de 2008, el valor aceptado para la carga elemental es 1,602176487|(40).10-19 C}},[8] donde el 40 indicaincertidumbre en las dos últimas cifras. En su conferencia Nobel, Millikan dio su medición como 4,774(5).10-10

uec,[9] que es igual a 1,5924(17).10-19 C. La diferencia es menor del uno por ciento, pero es más de cinco vecesmayor que la desviación estándar de Millikan, por lo que el desacuerdo es significativo.

Referencias[1] «A new modification of the cloud method of determining the elementary electrical charge and the most probable value of that charge». Phil.

Mag. 19:  pp. 209-228. 1910. doi: 10.1080/14786440208636795 (http:/ / dx. doi. org/ 10. 1080/ 14786440208636795).[2] Ehrenhaft, Felix , Über die Kleinsten Messbaren Elektrizitätsmengen, Phys. Zeit., 10(1910), p. 308[3] «On the Elementary Electric charge and the Avogadro Constant». Phys. Rev. 2:  pp. 109-143. 1913. doi: 10.1103/PhysRev.2.109 (http:/ / dx.

doi. org/ 10. 1103/ PhysRev. 2. 109).[4] «Millikan's Oil-Drop Experiments». The Chemical Educator 2:  pp. 1-14. 1997. doi: 10.1007/s00897970102a (http:/ / dx. doi. org/ 10. 1007/

s00897970102a).[5] « In defense of Robert Andrews Millikan (http:/ / eands. caltech. edu/ articles/ Millikan Feature. pdf)». Engineering and Science (Caltech

Office of Public Relations) 63:  pp. 30 - 38. 2000. . Consultado el December 2009.[6] Feynman, Richard, "Cargo Cult Science" (http:/ / www. lhup. edu/ ~DSIMANEK/ cargocul. htm) (adapted from 1974 California Institute of

Technology (http:/ / www. caltech. edu/ ) commencement address), Donald Simanek's Pages (http:/ / www. lhup. edu/ ~DSIMANEK/ home.htm), Lock Haven University (http:/ / www. lhup. edu/ ), rev. August 2008.

[7] Feynman, Richard P., Ralph Leighton and Edward Hutchings (1997), "Surely You're Joking, Mr. Feynman!": Adventures of a CuriousCharacter (http:/ / books. google. com/ books?id=7papZR4oVssC& pg=PA342& dq="surely+ You're+ Joking,+ Mr. + Feynman!":+Adventures+ of+ a+ Curious+ Character"+ Millikan#v=onepage& q=& f=false). New York: W. W. Norton & Co., Inc. ISBN978-0-393-31604-9.

[8] NIST Reference on Constants, Units and Uncertainty (http:/ / physics. nist. gov/ cgi-bin/ cuu/ Value?e)

• Este artículo fue creado a partir de la traducción del artículo Oil-drop experiment de la Wikipedia en inglés, bajolicencia Creative Commons Compartir Igual 3.0 y GFDL.

Otras lecturas• 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.

Enlaces externos• Thomsen, Marshall, " Good to the Last Drop (http:/ / www. physics. emich. edu/ mthomsen/ sege. htm)". Millikan

Stories as "Canned" Pedagogy. Eastern Michigan University.• CSR/TSGC Team, " Quark search experiment (http:/ / www. tsgc. utexas. edu/ floatn/ 1997/ teams/ UT-austin.

html)". The University of Texas at Austin.• El experimento de la gota de aceite aparece en un listado de Science's 10 Most Beautiful Experiments (http:/ /

physics. nad. ru/ Physics/ English/ top10. htm) originalmente publicado en el New York Times.• Engeness, T.E., " The Millikan Oil Drop Experiment (http:/ / people. ccmr. cornell. edu/ ~muchomas/ 8. 04/ Lecs/

lec_Millikan/ Mill. html)". 25 April 2005• Millikan R. A. (1913). « On the elementary electrical charge and the Avogadro constant (http:/ / www. aip. org/

history/ gap/ PDF/ millikan. pdf)». The Physical Review, Series II 2:  pp. 109 - 143., Artículo de Millikandiscutiendo modificaciones a su experimento original para mejorar su precisión.

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• Millikan Oil Drop Experiment in space (http:/ / scitation. aip. org/ getabs/ servlet/ GetabsServlet?prog=normal&id=APCPCS000504000001000715000001& idtype=cvips& gifs=yes). Una variante de este experimento ha sidosugerida por la Estación Espacial Internacional.

Fuentes y contribuyentes del artículo 6

Fuentes y contribuyentes del artículoExperimento de Millikan  Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?oldid=37564102  Contribuyentes: Acuatica, Alvaro qc, Ascánder, Chaos energy, Cookie, Diegusjaimes, Edmenb,Erbrumar, Erfil, Gustronico, HUB, Kved, Maldoror, Manwë, Matdrodes, Mr. Moonlight, Nidafuse, Pirenne, Rosarino, Rumpelstiltskin, Sabbut, Tano4595, TheSensei, Tostadora, Will vm,Wricardoh, Xuankar, Yhr, Zaka, 90 ediciones anónimas

Fuentes de imagen, Licencias y contribuyentesArchivo:Millikan's setup for the oil drop experiment.jpg  Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Archivo:Millikan's_setup_for_the_oil_drop_experiment.jpg  Licencia: PublicDomain  Contribuyentes: ElectronArchivo:Robert-millikan2.jpg  Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Archivo:Robert-millikan2.jpg  Licencia: Public Domain  Contribuyentes: photograph by Clark MillikanArchivo:Simplified scheme of Millikan’s oil-drop experiment.png  Fuente: http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Archivo:Simplified_scheme_of_Millikan’s_oil-drop_experiment.png Licencia: GNU Free Documentation License  Contribuyentes: Abanima, Divide, Electron

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