Wissensteil:
Robert Andrews Millikan gelang es zwischen 1909 und 1913 die Elementarladung e zu bestimmen. Er verbesserte einen Versuch von H. A. Wilson. Millikan verwendete die sogenannte Tröpfchenmethode, heute als Millikan-Versuch bekannt.
Aufbau des Millikan-Versuchs
In einen Plattenkondensator werden parallel zu den Feldlinien Öltröpfchen gesprüht. Dabei werden sie durch die Reibung schwach geladen. Die Öltröpfchen werden seitlich durch ein Mikroskop beobachtet. Liegt am Kondensator keine Spannung an, so hängt es von der Größe der Tröpfchen ab, wie schnell sie nach unten sinken.
Legt man die Spannung U an den Kondensator, so sinken manche Tröpfchen schneller, manche langsamer, andere steigen sogar nach oben. Durch Verändern der Spannung kann man bestimmte Tröpfchen zum Schweben bringen. Umpolung der Spannung führt dazu, dass Tröpfchen, die vorher gefallen sind, nun steigen. Auf die Tröpfchen mit der Masse m, dem Volumen V und der Ladung q wirken folgende Kräfte:
- Gewichtskraft FG = m·g,
- elektrische Kraft Fel = q·E,
- Stokessche Reibungskraft FR = 6 π·ƞ·r·v
(ƞ: Zähigkeit des Stoffes, r: Tröpfchenradius; v: Geschwindigkeit).
Im Plattenkondensator gilt für die Öltröpfchen beim:
- Steigen mit Feld: Die Gravitationskraft und die elektrische Kraft sind entgegengesetzt gerichtet. Das Tröpfchen steigt mit konstanter Geschwindigkeit.
Es gilt: Fel = FG + FR bzw. q·E = m·g + 6 π·ƞ·r·v1 .
- Fallen mit Feld: Die Gravitationskraft und die elektrische Kraft sind gleich gerichtet. Das Tröpfchen fällt mit konstanter Geschwindigkeit.
Es gilt: FR = FG + Fel bzw. 6 π·ƞ·v2 = m·g + q·E.
Um die Elementarladung q = n·e zu bestimmen, löst man die beiden Gleichungen nach v1 bzw. v2 auf und bestimmt v1 + v2 bzw. v1 – v2 . Eliminiert man in beiden Gleichungen r und löst die erhaltene Gleichung nach q auf, erhält man mit E = U/d und der Teilchenmasse m = 4/3 π r3 ϱ (ϱ: Dichte des Öls):
Genaue Messungen ergaben für die Elementarladung:
e = 1,60217646·10-19C.
1923 erhielt Millikan für den Nachweis der Quantelung der elektrischen Ladung den Nobelpreis.
