Millikan Versuch Einführung:

Der Millikan Versuch ist  nach seinem Erfinder Robert Andrews Millikan (1868-1953) benannt worden. 

Er hat in den Jahren von 1909-1913 im Rahmen eines  Forschungsprogrammes an der University of Chicago den Versuch zur Bestimmung der Ladung eines Elektrons durchgeführt und so die Experimente von Harold Albert Wilson (Werte zwischen 0,6610-19 bis 1,4710-19),  Joseph John Thomson( Werte zwischen 1,810-19 bis 2,810-19) und anderen Forschern verbessert. Das Ergebnis dieser Arbeit war der Millikan Versuch, bei dem die Ladung  von 1,6310-19 C bei einem Elektron ermittelt wurde.

Im Laufe der Zeit wurde der Wert von 1,60210-19 ermittelt, dies ist den genaueren und moderneren Messmethoden zu verdanken.

Für die Entwicklung dieses Experiments und der Entdeckung des Photoelektrischen Effektes erhielt er im Jahre 1923 einen Nobelpreis.

 

Allgemeine Versuchserklärung

Während des Versuches beobachtet und misst man Öl Tröpfchen in einem Plattenkondensator.
-> in einem Plattenkondensator kann man eine elektrische Spannung aufbauen.
Ziel bei der Beobachtung der Tröpfchen ist das Ermitteln der Schwebespannung und der Fallgeschwindigkeit des Tröpfchens. Was mit diesen Daten genau errechnet wird, wird später im mathematischen Teil geklärt.
Zunächst der Versuchsablauf:
Nachdem man die Tröpfchen als Öl Nebel eingesprüht hat (A), werden sie durch ein Präparat (B) zufällig positiv oder negativ geladen. Danach gelangen sie in das Innere des Plattenkondensators (C).
Ab dort kann man die Tröpfchen, die indirekt mit einer Lampe beleuchtet werden (sogenannte Dunkelfeld-Methode), durch ein Mikroskop (D) beobachten. Achtung: ein Mikroskop dreht das beobachtete Bild um: oben ist also unten, oben ist unten!
Hier beginnt das eigentliche Experimentieren mit den Tropfen:

Man sieht nun mehrere Tropfen runterfallen. Nun kann man mit dem Regler (F) eine Spannung in dem Plattenkondensator einstellen. Man sucht sich einen Tropfen aus und wählt die Spannung so, dass der Tropfen in der Schwebe gehalten wird. Dies funktioniert da das Tröpfchen geladen ist und daher durch die Anziehung im elektrischen Feld gehalten wird. Die Kraft des elektrischen Feldes wirkt entgegen der Erdanziehung. Wir notieren genau diese Schwebespannung.
Nun hält man eine Stoppuhr bereit und schaltet die Spannung komplett aus. Das Tröpfchen fällt wieder herunter (normale Erdanziehungskraft wirkt). Mit der  Uhr wird nun eine Fallzeit gemessen und dabei die genaue Fallstrecke beobachtet. Beide Werte werden notiert und ergeben die Fallgeschwindigkeit des Tröpfchens.
Wir haben nun also die Schwebespannung und die Fallgeschwindigkeit des Tropfens experimentell bestimmt.

 

                                                

Man kann nun alle Werte und Konstanten einsetzen und die Ladung  eines Öltröpfchens berechnen. Wie man nun auf die genaue Ladung eines Elektrons kommt findest Du unter dem Punkt Auswertung.

Wenn du den Versuch nun einmal ganz bequem am Computer durchführen möchtest, gehe zum Punkt Versuchsdurchführung

 

Versuchsdurchführung über das Applet:

Nach dem Öffnen des Applets kann direkt mit dem Experimentieren begonnen werden.

Zum Starten klickt man auf den Button „Pumpe“ und wartet kurz bis die Öltröpfchen (weiße Punkte) im Feld zu sehen sind. Nun sucht man sich ein Öltröpfchen, welches beobachtet und gemessen werden soll.

Dann schaltet man die Spannung ein und stellt über den Spannungsregler diese hoch. Die Spannung muss so eingestellt werden, dass das Öltöpfchen schwebt. Falls alle Tröpfchen weiter fallen, muss die Spannung einmal umgepolt werden. Ist das Öltröpfchen in der Schwebe muss die Spannung notiert werden.

Nun muss noch die Fallgeschwindigkeit gemessen werden. Dazu bringt man das Öltröpfchen im Sichtfeld nach unten. Warum nach unten? Das Applet ist wie der echte Blick durch das Mikroskop konstruiert. Deshalb sind oben und unten vertauscht.
Wenn das Öltröpfchen zum unteren Rand des Sichtfeldes befördert wurde, wird die Spannung ausgeschaltet. Nun wird der Timer eingeschaltet und gleichzeitig gezählt wie viele Striche das Tröpfchen „hochfällt“. Bevor das Tröpfchen aus der Strichskala raus ist, muss der Timer wieder gestoppt werden.
Abschließend wird zu der bereits gemessenen Spannung die Fallzeit und die durchfallenden Striche notiert.

Damit ist eine Messung abgeschlossen.
Du solltest um die 5-8 Messungen mit verschiedenen Tröpfchen durchführen.
Weiter zur Auswertung.

Tipp: Die Zeit kann mit der Triggerung Funktion Spannung aus direkt beim Ausschalten der Spannung gestartet werden. Aber Achtung: Zählen der Striche nicht vergessen!

 

Link zum Applet

 

Hier kannst Du nun deine notierten Werte aus dem Versuch ausrechnen lassen.
Lege mit den errechneten Werten ein kleines Diagramm an. Dieses ist elementar für die spätere Auswertung.

Bei diesem Skript zur Auswertung müssen Punkte anstelle von Kommas stehen.

Beispiel: 7,64s = 7.64s

 

Java-Skript zur Auswertung

 

Auswertung Histogramm:

Nach dem man nun mehrere Messungen durchgeführt und viele verschiedene Werte für die Ladung bekommen hat, erstellt man ein Diagramm. Dieses Diagramm hat als x-Achse die Ladung. Nun zeichnet man alle zuvor errechneten Werte ein. Es entsteht ein Histogramm. Ein Histogramm ist ein Diagramm, bei dem es Häufungen von Werten gibt. Es ergeben sich beim Millikan-Versuch mehrere Häufungen von Werten. Man bildet nun Mittelwerte von den Ladungen und stellt fest, dass diese Mittelwerte immer einen Abstand von 1,602 zueinander haben.
Genauso hat Dr. Millikan vor 100 Jahren auf die einzelne Elementarladung e vor 100 geschlossen und wir haben sie jetzt auch so vollständig nachgewiesen.

Wir haben die Elementarladung e erfolgreich annähernd bestimmt.
 

Hier findet man ein ausführliches Protokoll, wie wir den Millikan Versuch in der Praxis durchgeführt haben (ein anstrengendes aber sehr interessantes Projekt;-)).

 

Protokoll zu unserer Versuchsreihe (pdf)

Auswertung zu unserer Versuchsreihe (xlsx)

Video (wmv)