قطره روغن: کلیدی برای کشف دنیای نامرئی مولکولها
آزمایش میلیکان: وقتی قطرات روغن حرف میزنند
در اوایل قرن بیستم، فیزیکدان آمریکایی به نام رابرت میلیکان4 آزمایشی طراحی کرد که امروزه به نام «آزمایش قطره روغن» شناخته میشود. هدف او اندازهگیری بار الکتریکی یک الکترون منفرد بود. اما چرا روغن؟ زیرا قطرات روغن بسیار ریز و سبک هستند و به آرامی در هوا فرو میروند. میلیکان با پاشیدن اسپری روغن، قطرات ریزی تولید میکرد که در محفظهای بین دو صفحهی فلزی قرار میگرفتند.
او سپس به این صفحات، ولتاژ الکتریکی متصل میکرد تا یک میدان الکتریکی5 قوی ایجاد شود. این میدان میتوانست بر قطرات روغن که به طور طبیعی در اثر اصطکاک کمی باردار شده بودند، نیرو وارد کند. با تنظیم دقیق ولتاژ، میلیکان میتوانست نیروی الکتریکی رو به بالا را دقیقاً برابر با نیروی وزن (گرانش) رو به پایینِ قطره کند. در این حالت، قطره روغن مانند یک بالن کوچک در هوا شناور میماند. این وضعیت تعادل، کلید حل معما بود.
نیروهای درگیر: جدال گرانش و الکتریسیته
برای درک این آزمایش، باید با نیروهای اصلی بازیگر در آن آشنا شویم. تصور کنید یک تیلهی بسیار کوچک روغنی را در هوا رها کنید. چه اتفاقی میافتد؟
| نام نیرو | جهت | چگونگی اثر | مثال روزمره |
|---|---|---|---|
| نیروی گرانش (وزن) | پایین | همهی اجسام دارای جرم را به سمت مرکز زمین میکشد. | سقوط سیب از درخت |
| نیروی الکتریکی | به بار صفحات بستگی دارد | اگر صفحهی بالا مثبت باشد، به قطرهی باردار منفی نیروی رو به بالا وارد میکند. | جذب برادههای کاغذ توسط شانهی پلاستیکی باردار |
| نیروی پسای ویسکوز (اصطکاک با هوا) | مخالف جهت حرکت | مانع از شتاب گرفتن بیوقفهی قطره میشود و سرعت آن را ثابت نگه میدارد. | فرو رفتن آرام در عسل نسبت به آب |
میلیکان با زیرکی از نیروی ویسکوز استفاده کرد. او سرعت سقوط آزاد قطرات روغن (وقتی میدان الکتریکی خاموش بود) را اندازه میگرفت. با استفاده از قانون استوکس6 برای حرکت در سیال، و با دانستن ویسکوزیته هوا و چگالی روغن، میتوانست شعاع و در نتیجه جرم قطرهی ریز را محاسبه کند. این یک قدم حیاتی بود، زیرا نمیشد این قطرات میکروسکوپی را روی ترازو گذاشت!
نتایج شگفتانگیز: بار الکترون، پلکانی به اندازهی ثابت جهانی
میلیکان بار هزاران قطره روغن مختلف را اندازهگیری کرد. او متوجه یک الگوی فوقالعاده شد: بارهای محاسبه شده برای قطرات، همگی مضرب صحیحی از یک عدد ثابت و بسیار کوچک بودند. مثلاً اگر بار یک قطره $3.2 \times 10^{-19}$ کولن7 و بار قطرهای دیگر $6.4 \times 10^{-19}$ کولن بود. این یعنی کوچکترین واحد بار (که امروزه با $e$ نشان میدهیم) برابر با همان عدد پایه، حدود $1.6 \times 10^{-19}$ کولن است.
این کشف دو مفهوم بزرگ را ثابت کرد:
۱. بار الکتریکی کوانتیزه است: یعنی بار هر جسمی همیشه مضرب صحیحی از یک مقدار پایهی ثابت است. شما نمیتوانید نیمی الکترون یا یکسوم بار آن را داشته باشید. مانند پلههای یک نردبان که فقط میتوانید روی پلههای کامل بایستید، نه بین آنها.
۲. الکترون، ذرهای با بار مشخص است: آن مقدار پایه، در واقع بار یک الکترون منفرد است. این آزمایش وجود الکترون به عنوان یک ذرهی بنیادی را به زیبایی نشان داد.
بازسازی آزمایش در خانه (با کمی سادهسازی!)
شاید فکر کنید چنین آزمایش دقیقی فقط در آزمایشگاه ممکن است. اما میتوانید مفهوم اصلی آن را با یک فعالیت ساده درک کنید. یک بادکنک را باد کرده و آن را با پارچهی پشمی مالش دهید تا باردار شود. حالا بادکنک را نزدیک شیر آب باز (با جریانی باریک و ملایم) بگیرید. میبینید که جریان آب به سمت بادکنک منحرف میشود. این به خاطر نیروی الکتریکی بین بار بادکنک و مولکولهای قطبی آب است.
در آزمایش میلیکان هم، صفحات باردار نقش آن بادکنک را داشتند و قطرات روغنِ باردار، نقش جریان آب را. البته که در آزمایش اصلی، همه چیز بسیار دقیقتر و در مقیاس میکروسکوپی است. برای اندازهگیری واقعی، دانشآموزان دبیرستانی گاهی با استفاده از محفظههای اختلاف پتانسیل و ذرات بسیار ریز پلاستیک، نمونههای سادهشدهای از این آزمایش را انجام میدهند تا مفهوم کوانتیده بودن بار را از نزدیک ببینند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
خیر. این یک تصور رایج اشتباه است. میلیکان بار هزاران قطره روغن مختلف را اندازهگیری کرد. تکرار زیاد اندازهگیریها روی قطرات مختلف با بارهای مختلف بود که الگوی مضربهای صحیح را آشکار و نتیجه را قابل اعتماد کرد.
روغن دو مزیت کلیدی داشت: اولاً به سرعت تبخیر نمیشد (برخلاف آب که تبخیر آن جرم قطره را تغییر میداد). ثانیاً چگالی مشخص و ثابتی داشت که برای محاسبهی جرم ضروری بود. همچنین ویسکوزیتهی روغن به ایجاد قطرات پایدار کمک میکرد.
این اندازهگیری یکی از پایههای فیزیک مدرن و مهندسی است. درک دقیق بار الکترون برای توسعهی تمام قطعات الکترونیکی، از ترانزیستورهای داخل رایانه و تلفن همراه گرفته تا صفحهنمایشها و سلولهای خورشیدی، ضروری است. بدون این دانش، طراحی مدارهای دقیق ممکن نبود.
پاورقی
۱. بار الکترون (Charge of the Electron): کوچکترین واحد بار الکتریکی منفی در طبیعت.
۲. ذرات زیراتمی (Subatomic Particles): ذرات کوچکتر از اتم، مانند الکترون، پروتون و نوترون.
۳. ویسکوزیته (Viscosity): معیاری برای مقاومت یک سیال در برابر جاری شدن. سیال غلیظتر ویسکوزیته بالاتری دارد.
۴. رابرت میلیکان (Robert A. Millikan) (۱۹۵۳-۱۸۶۸): فیزیکدان آمریکایی که به خاطر آزمایش قطره روغن و اندازهگیری بار الکترون، برندهٔ جایزه نوبل فیزیک در سال ۱۹۲۳ شد.
۵. میدان الکتریکی (Electric Field): ناحیهای در اطراف بار الکتریکی که در آن نیروی الکتریکی احساس میشود.
۶. قانون استوکس (Stokes' Law): رابطهای که نیروی پسای وارد بر یک کرهی در حال حرکت در یک سیال ویسکوز را توصیف میکند.
۷. کولن (Coulomb): واحد استاندارد بار الکتریکی در سیستم SI.
