Millikan-Versuch Bestimmung der Elementarladung

 

Robert Andrews Millikan

Robert_Andrews_Millikan

Der amerikanische Physiker Robert A. Millikan lebte von 1868-1953. Er wurde bekannt durch seine relativ genaue Bestimmung der Elementarladung e. Dies gelang ihm in den Jahren 1909-1913, durch seine „Tröpfchenmethode“. 1924 gewann er dafür den Nobelpreis der Physik.

 

 

Tröpfchenmethode

Diese Methode sieht kompliziert aus, ist aber leicht zu verstehen. Dadurch wurde die Elementarladung erstmals präzise bestimmt und ermittelt. Die wichtigsten Bestandteile sind die Ölpumpe, aus welcher die Öltröpfchen entstehen. Außerdem noch ein Plattenkondensator der ein elektrisches Feld erzeugt. Des weiteren brauch man immer ein Mikroskop um die Öltröpfchen zu sehen und eine Stoppuhr.

Es wird als erstes ein elektrisches Feld mit den Plattenkondensator erzeugt. Dieses muss natürlich umschlossen sein von Glas oder ähnlichem, damit die Öltröpfchen nicht entweichen. Man notiert dann die Spannung U. Jetzt werden feine Öltröpfchen in das Feld gesprüht, welche beim  sprühen ein wenig elektrisch geladen werden.

Nun guckt man durchs Mikroskop und sieht die feinen Öltröpfchen. Manche steigen auf, manche fallen und manche sind sozusagen schwerelos und bewegen sich gar nicht. Wenn keine schwerelosen Tröpfchen dabei sind muss man die Spannung U ändern.

Die Spannung wird ausgestellt wenn man ein geeignetes Tröpfchen gefunden hat. Gleichzeitig misst man die Zeit die das Öltröpfchen braucht um auf den Boden zu sinken. Dann muss man mithilfe einer Skala am Mikroskop oder am Plattenkondensator den Weg messen.Durch dieses Experiment gelang es Millikan die winzige Ladungen Q der Tröpfchen zu ermitteln.

Bestimmung der Elementarladung

Bei wiederholten Messungen stellte er fest das es immer ganzzahlige Vielfache von e sind. e ist damit die kleinste Ladung die frei in der Natur vorkommt. Positiv und Negativ geladene Körper besitzen immer eine ganzzahlige Ladung von e. Diese beträgt

e=1{,}602\,176\,6208(98)\cdot 10^{-19}\ \mathrm {C} \ .

 

Heisenbergsche Unschärferelation

Was sind Quantenobjekte?

Photonen, Elektronen, Ionen und alle andere Quantenobjekte folgen nicht den Gesetzen der klassischen Physik sondern der der Quantenphysik. Dabei müssen diese Quantenobjekte manchmal als Teilchen oder auch als Welle angesehen, da sie Eigenschaften beider Zustände aufweisen. Teilchen haben dabei immer einen festen Ort, man kann also immer genau sagen, wo sich das Teilchen gerade befindet. Bei Wellen ist dies anders, da eine Welle keinen festen Ort hat (ist überall), sondern nur eine Richtung und eine Geschwindigkeit aufweist. Damit hat sie einen Impuls aus p=m*v. Dadurch, dass Quanten aber Welle und Teilchen sind, lässt sich der Ort und der Impuls gleichzeitig nie genau bestimmen. Es entsteht eine Unbestimmtheit. Welche der Grundgedanke für die Heisenbergsche Unschärferelation war.

Heisenbergsche Unschärferelation

Aus dieser Unbestimmtheit hat der deutsche Physiker Werner Heisenberg (1901-1976) eine Theorie entwickelt, die sogenannte Heisenbergsche Unschärferelation für welche er 1932 den Nobelpreis der Physik erhielt.

Diese Heisenbergsche Unschärferelation besagt, dass je genauer man den Ort eines Quant bestimmen kann, desto unbestimmter ist sein Impuls und umgekehrt. Er entwickelte daraus eine Formel:

Dabei steht x für den Ort und für das Planksche Wirkungsquantum, das steht für die Änderung des Ortes beziehungsweise für die Änderung des Impulses

Daraus folgt das je genauer der Ort bestimmbar ist desto größer muss die Unbestimmtheit des Impulses sein. Je kleiner der Wert für ist desto größer muss der Wert für sein.