A Millikan-kísérlet

Robert Millikan 1909-ben kezdi elemi töltést meghatározó kísérleteit, amelyek révén világhírű lett. 1909 és 1916 közt két fontos kísérletet végzett el. Először az olajcseppes kísérlettel rájött arra, hogy létezik egy elemi töltésadag, aminél kisebb töltés nem létezik, és minden töltés ennek az adagnak többszöröse. Ezt követően hagyományos katódsugárzásos módszerrel kimutatta, hogy az elektron töltésének a nagysága nagyjából megegyezik az elemi töltéssel. Ezek után ismét visszatért az olajcseppes kísérletéhez, pontosította és továbbfejlesztette azt. Millikan kísérleteinek a révén vált lehetségessé az elektron tömegének a meghatározása is

Az eredeti berendezésről készült rajzon  már jól láthatók a kísérleti berendezés legfőbb jellegzetességei. A nagynyomású tankból érkező levegő az üveggyapoton keresztül megszűrve és párátlanítva, a porlasztó-berendezésben olajcseppeket ragad magával. Az olajcseppek mikroszkopikus méretűek, és a közegellenállástól fékezve lassan esnek a kondenzátor felé. A kondenzátor zárható nyílásán keresztül a kondenzátor fegyverzetei közé kerülhetnek. A kondenzátor változtatható feszültségre kapcsolható, vagy akár ki is süthető. A kísérlet során az elektromos mezőben mozgatott olajcseppek töltését sikerült meghatározni, ami mindig egy elemi töltésadag egészszámú többszörösének bizonyult egy bizonyos hibahatáron belül.  A rajzon nincs feltüntetve az a mikroszkóp, ami a cseppek megfigyelését szolgálja, illetve az a lámpa amelyik az olajcseppeket világította meg.

A kísérlet lényege a következő volt: A kondenzátor fegyverzetei közé kerülő mikroszkopikus olajcseppre három erő hat,  a nehézségi lefelé, a súrlódási (közegellenállási) erő és a felhajtóerő felfelé. (1.ábra)Mivel az olajcsepp tömege nagyon kicsi, ezért a súrlódási (közegellenállási)  erő (ami sebességfüggő) hamar megnő akkorára, hogy a három erő kiegyenlíti egymást, és az olajcsepp csaknem egyenletesen mozog lefelé. (A mozgása azért nem lesz egyenletes, mert kis tömege miatt némi Brown-mozgást is végez). A lefelé történő mozgás sebessége meghatározható, ha megmérjük azt, hogy a kiszemelt csepp mennyi idő alatt teszi meg a mikroszkóp látómezejének bizonyos távolságát. Ezután  a kondenzátorra feszültséget kapcsolunk, amit úgy állítunk be, hogy a csepp most egyenletesen emelkedjen. (2.ábra) Ekkor a kondenzátor elektromos terében egy EQ nagyságú erő is fog ébredni. A sebesség most is meghatározható. Ebből a két mérésből már ki lehet számolni az olajcsepp Q töltését. A matematikai leírást külön ismertetem.

Millikan 1909-ben kezdett el a kísérlettel foglalkozni.  Az első mérési eredményeit 1910-ben ismertette. A mérés technikailag rendkívül pontos kivitelezést igényel, ami egyúttal igen nehézkessé is teszi a végrehajtását. Erre jellemző az, hogy az első közleményében Millikan egy 60 napos mérési sorozatról számolt be, és ez alatt mindössze 58 olajcsepp töltését határozta meg. A megfigyelt olajcseppek száma ennek mintegy háromszorosa volt. Ez az jelenti, hogy Millikan eredeti kísérletében az olajcseppek megfigyelése rendkívüli nehézségekbe ütközött a bonyolult technikai apparátus miatt. Az egész kísérleti berendezés egy nagyméretű olajtermoszban volt, hogy a hőmérséklet végig állandó legyen. Az olajcseppek párolgását úgy lehetett csökkenteni, hogy különleges vákuumolajat használt. A mikroszkópban a cseppek csak akkor voltak láthatók, ha őket oldalról erős fény érte. Ekkor viszont azt kellett megoldani, hogy a lámpa fénye a kondenzátor légterét ne melegítse fel. Ezért a lámpával szemközti fal is különleges üvegborítást kapott, hogy nehogy a "rabul ejtett fénysugarak" felmelegedést okozzanak.
1910 után Millikan az elektron töltését a katódsugárzás alapján is meghatározta, ami sokkal pontosabban sikerült neki, mint Thomsonnak. Ezt követően visszatért kísérletéhez, amit tovább tökéletesített. Megoldotta azt is, hogy a cseppek töltése a vizsgálat alatt is változtatható legyen. Ehhez röntgensugárral ionizálta a fegyverzetek közt légteret, és az ebbe belehulló cseppek a levegőtől töltéseket vettek fel. A tökéletesített kísérleteivel 1916-ig mérte az elemi töltést. Hamarosan azonban a német Walter.Schottky az úgynevezett sörétzaj alapján még nagyobb pontossággal tudta meghatározni az elektron töltését. A sörétzaj a izzókatódos diódákban megfigyelhető, sörétszemek koppanására emlékeztető zaj, amennyiben a dióda anódáramát felerősítve hangszóróba vezetjük. A hanghatás oka pedig az anódáram statisztikusan ingadozó jellege. Az anódáram pontos mérésével annak ingadozása is mérhető. Az ingadozás hátterében pedig az időegységenként különböző számú elektronok becsapódása húzódik meg okként, amelyből az elektronok töltése meghatározható volt. Az elemi töltés ma ismert legpontosabb értéke: 1,60217733*10^-19 C (0,3 milliomodrész hibával)