Experiência de Millikan

 

 

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Robert A. Millikan era o cientista americano mais famoso dos anos vinte, e o segundo americano a receber o  Prémio Nobel em física em 1923 pelo seu estudo sobre a carga electrónica elementar e o efeito fotoeléctrico.

Robert Andrews Millikan nasceu em 22 de março de 1868, em Morrison, nos Estados Unidos da América. O pai dele, Reverendo Silas Franklin Millikan, era um ministro congressional numa cidade pequena e a mãe dele, Mary Jane (Andrews) Millikan. A família dele mudou-se, quando ele tinha cinco anos, para Iowa. Ele conduziu uma existência rural em infância, enquanto frequentava a escola secundária de Maquoketa (Iowa). Ele ajudava na  fazenda e aos 14  trabalhava 10 horas por dia durante os verões numa fábrica local, ganhando somente um dólar por dia. Depois da escola secundária ele trabalhou pouco tempo como um repórter de tribunal, e em 1886, entrou para a Faculdade de Oberlin em Ohio. Lá estudou durante cinco anos. Durante o curso de estudante universitário, os seus assuntos favoritos eram os temas gregos e matemáticos. Lá durante o seu segundo ano, tirou um curso de fisica de 12 semanas e pensou que tinha sido uma perda completa. Porém, ao término daquele ano (1891) foi pedido a  Robert para ensinar física elementar. Ele só aceitou o trabalho porque ele estava com pouco dinheiro. Então Robert foi continuar a sua educação na Universidade da Columbia. Em 1893, depois de obter a graduação no domínio da física, ele foi designado na mesma categoria em Fisica na Universidade da Columbia. Millikan durante algum tempo era o único estudante diplomado em fisica na Columbia.

Por instigação dos professores dele, Millikan passou um ano (1895-1896) na Alemanha, nas Universidades de Berlim e Gottingen, como era o costume para cientistas americanos jovens da geração dele - durante o seu verão em Gottingen encontrou mais americanos que alemães entre os estudantes avançados no laboratório. Enquanto ele estava lá recebeu uma mensagem de Michelson, que lhe ofereceu um cargo de assistente pedagógico no Laboratório de Ryerson recentemente estabelecido na Universidade de Chicago. Millikan aceitou, embora  tivesse outras propostas, com o dobro do salário. Michelson prometeu-lhe  metade do seu tempo de trabalho, para fazer a sua própria pesquisa, um privilégio não concedido pela maioria das faculdade. Durante os seus primeiros anos em Chicago ele gastou muito tempo preparando livros de ensino e simplificando o ensino de fisica, mas ele fez pouco progresso como um cientista de pesquisa.

Em colaboração ele escreveu textos elementares que educaram uma geração de americanos, e na sala de aula ele provou ser um pedagogo excelente. Estas qualidades foram avaliadas em Chicago, mas não tanto como na pesquisa. Millikan só foi designado professor com 38 anos. Ele recordou depois: " Embora eu tenha dez anos da minha vida gastos em pesquisa, de todas as horas que eu poderia poupar dos meus outros deveres urgentes, sei que ate 1906 não tive contudo publicado resultados de importância excelente, e certamente não tinha atingido uma posição de muita distinção como um físico de pesquisa"

Este era um período de mudança crucial na história da física: J. J. Thomson descobriu o electrão, Max Planck deu o passo inicial na revolução de quantidade, Albert Einstein produziu as teorias dele da relatividade e do efeito fotoeléctrico e Millikan não tinha feito nenhuma contribuição nestes eventos. Com 40 anos, ele ficou realmente ansioso para fazer a marca dele no mundo da fisica. Ele pensou em dedicar-se completamente à educação. Mas ao invés ele deixou de escrever livros de ensino e partiu pronto para uma última prova a numa  nova linha de pesquisa: a determinação da unidade elementar de carga eléctrica.

Millikan analisou o comportamento que as gotículas de água com carga eléctrica manifestavam quando submetidas a duas influências simultâneas: a da gravidade e a um campo eléctrico. (como a água evaporava rapidamente, substituiu-a, em 1911, por óleo.), chegando á conclusão de que a quantidade de carga que provocava a menor alteração possível era igual á carga de um electrão. De facto, constatou que todos os demais valores de carga que se podiam adicionar à gotícula eram múltiplos daquele valor unitário. A segunda contribuição de Millikan para a física foi demonstrar serem verdadeiras as equações deduzidas teoricamente por Einstein para explicar o efeito fotoeléctrico. O valor da constante de Planck também foi por ele determinado experimentalmente, confirmando o previsto pelos cálculos teóricos.

Estes resultados, fundamentais para a física, levaram Robert Millikan à notoriedade mundial e ao Prémio Nobel de 1923. Mas já em 1913, merecera o prémio da Academia Nacional de Ciências dos EUA pelos estudos sobre a carga do electrão apresentados no congresso de Winnipeg, sendo convidado em 1914 a integrá-la.

Figura 1 - Robert A. Millikan, a demostrar o aparelho electroscópico que era utilizado no início dos anos 30, para estudar os raios cósmicos.

Ao longo da sua vida Millikan permaneceu um autor prolífico, enquanto fazendo numerosas contribuições a diários científicos. Ele não era só um grande cientista, mas o seu religioso e a sua natureza filosófica eram evidentes nas conferências dele na reconciliação de ciência e religião, e dos livros: Ciência e Vida (1924); Evolução em Ciência e Religião (1927); Ciência e a Civilização Nova (1930); Tempo, Assunto, e Valores (1932). Durante a Primeira Guerra Mundial, Millikan era o Vice-presidente do Conselho de Pesquisa Nacional, enquanto desempenhava um papel principal em desenvolvimento de dispositivos anti-submarino e dispositivos meteorológicos. Em 1921, ele foi designado o Director do Laboratório de Fisica na Califórnia, ele também foi o Presidente do Conselho Executivo do instituto de Tecnologia, em Pasadena. Em 1946  aposentou-se desse cargo. Millikan foi ainda Presidente da Sociedade Física americana, Vice-presidente da Associação americana para o Avanço de Ciência, e foi o sócio americano do Comité em Cooperação Intelectual da Liga de Nações, e o representante americano ao Congresso Internacional de Fisica, conhecido como o Congresso de Solvay, em Bruxelas em 1921. Em 1950, com 82 anos de idade, publicou a sua auto - biografia e faleceu, em San Marino, Califórnia, a 20 de Dezembro de 1953, com 85 anos. Millikan via no Universo e nos eventos humanos a manifestação de uma inteligência superior. 

Ele deteve os graus de doutor honorário de umas vinte e cinco universidades, e era um sócio ou o sócio honorário de muitas instituições instruídas no seu país e no estrangeiro. Ele foi o recipiente do Prémio de Comstock da Academia Nacional de Ciências, da Medalha de Edison do Instituto americano de Engenheiros Eléctricos, da Hughes Medal da Sociedade Real de Grã Bretanha, e do Prémio  Nobel da Fisica de 1923. Ele também foi o Chefe da Legião de Honra, e recebeu a Ordem chinesa de Jade (referência).

Figura 2 - Medalha de Robert Millikan

 

 

Figura 3 – Fotografia de Robert Millikan

 

 

Desde os tempos antigos que os cientistas estudavam a electricidade - uma essência inatingível que vinha do céu como relâmpago ou podia ser produzida pelo atrito entre a escova e o cabelo.  

Pelo ano de 1896, o físico britânico John Thomson, descobriu o electrão, e encontrou o valor da sua massa .

Porém um ano depois Thomson tentou considerar a carga elementar, assim como pouco antes, também Townsend tentou calcular a carga do electrão e o resultado adquirido por ele foi . Thomson na tentativa de determinar a carga do electrão, usou a câmara de nuvem de Thomson (este instrumento devido ao processo de condensação permitiu a  observação de partículas muito pequenas, até mesmo iões) e permitiu a Thomson determinar o valor de carga elementar, mas com um erro grande, .

 

       

 

Em 1909, o cientista americano Robert Millikan iniciou as suas tentativas na determinação da carga dos electrões. Para tal ele começou por carregar um curso de água com um campo eléctrico. Os resultados sugeriram que a carga nas gotas era um múltiplo da carga eléctrica elementar, mas a experiência não era suficientemente precisa para convencer. Ele obteve resultados mais precisos em 1910 com a substituição da água por óleo, pois a água tendia a evaporar-se mais depressa do que o óleo. Usando um pulverizador de perfume, borrifou gotas de óleo numa câmara transparente. Na parte de cima e na de baixo havia placas de metal ligadas a uma bateria, que fazia que uma delas fosse positiva e a outra, negativa. Como cada gota recebia uma pequena carga de electricidade estática enquanto viajava pelo ar, a velocidade de sua descida podia ser controlada pela alteração da voltagem nas placas (quando essa força eléctrica se igualava à força da gravidade, a gota - "como uma estrela brilhante sobre um fundo negro" - levitava no ar). Millikan observou várias vezes as gotas, variando a voltagem e anotando os efeitos sobre as mesmas. Concluiu que a carga só podia assumir certos valores fixos. A menor dessas porções não era outra coisa senão a carga de um único electrão.

 

       Figura 4 – Figura acima apresentada, encontra-se um esquema associado à experiência de Millikan na determinação da carga de um electrão. Uma câmara fechada, constituída por duas placas de metal carregadas electricamente (a de cima com carga positiva e a de baixo com carga negativa). Inicialmente um pequeno atomizador (situado acima da primeira placa) borrifa uma pequena névoa de óleo. Debaixo da influência da acção gravítica  e da resistência do ar, somente algumas gotas passam por um pequeno buraco cortado na primeira placa de metal. Quando o espaço existente entre as placas de metal é ionizado através da radiação (por exemplo raio-X), os electrões unem-se ás gotas de óleo, fazendo-as adquirir uma carga negativa o que as fará serem atraídas para a primeira placa, por uma força eléctrica de sentido ascendente, pois ela tem carga positiva (dois corpos de cargas opostas atraem-se), ou seja dependendo da intensidade da força eléctrica as gotas iram-se deslocar até um determinado ponto onde essa mesma força eléctrica iguala em módulo a intensidade da força gravítica existente no electrão, isto porque as duas forças têm a mesma direcção mas sentidos opostos. 

Legenda:

*   Atomizer – Atomizador de perfume

*    Oil droplets – Gotas de óleo

*    Charged metal plates (+) – Placa de metal, carregada electricamente, de carga positiva

*    Charged oil droplets – Gotas de oleo caregadas electricamente, pela placa positiva

*    Viewing microscope – microscópio para a visualização das gotas de óleo

*    Charged metal plate (-) – Placa de metal, carregada electricamente, de carga negativa

*    Ionizing radiation – Radiação ionizante

*    Light source – luz para melhor visualizar as gotas de óleo

A massa de uma única gota carregada electricamente pode ser calculada observando a sua velocidade de queda. Ajustando a diferença de potencial, entre as placas de metal, a velocidade do movimento da gota pode ser aumentada ou pode ser diminuída; quando a intensidade da força eléctrica de sentido ascendente igualar a força gravitacional descendente conhecida, a gota carregada electricamente permanece estacionária. Quando uma gota se encontra suspensa, a intensidade da força gravítica é exactamente igual á força eléctrica aplicada: 

 

            Figura 5 – Campo eléctrico uniforme

Os valores  E (o campo eléctrico aplicado)m (massa da gota), e  g (aceleração da gravidade), são todos valores conhecidos. Então pode-se encontrar o valor q, (carga), existente na gota, estando a supor que a câmara é uma câmara de vazio, desprezando assim a impulsão que o fluido, ar, exerce sobre as gotas.

 

Porque o volume de uma gota, esférica, é dado por , sendo o raio da gota, e a massa da gota é dada por , sendo a densidade da gota de óleo, temos que:

Sendo , em que  é a intensidade do campo eléctrico entre as placas,  é o módulo da diferença de potencial entre as placas e a distância entre elas, concluímos que:

Se não tivermos vazio, e assim não se desprezar a impulsão do ar sobre as gotas de óleo, temos de considerar o seguinte.

Por aplicação repetida deste método, os valores da carga eléctrica em gotas de óleo individuais são sempre múltiplos de números inteiros de um mais baixo valor - aquele valor que é a própria carga eléctrica elementar (aproximadamente igual a  ). No tempo da experiência original de Millikan, este método ofereceu provas suficientemente convincentes de que a carga eléctrica existe em unidades naturais básicas. Todos os métodos distintos subsequentes de medir a unidade básica de ponto de carga eléctrica têm que ter o mesmo valor fundamental. 

Figura 6 – Aparelho que Millikan utilizou para a determinação da carga eléctrica

Uma pequena curiosidade:

A experiência de Millikan é a terceira entre as 10 experiências melhor classificadas pela revista Physics World.

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