10 อันดับการทดลองทางวิทยาศาสตร์ที่งดงามที่สุด (10)
การทดลองหยดน้ำมันของมิลลิแกน
Millikan's oil-drop experiment (1910s)
|
สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) |
นับแต่โบราณกาลมา มนุษย์ศึกษากระแสไฟฟ้าที่มาจากฟากฟ้า คือ ฟ้าแลบฟ้าผ่า หรือไม่ก็ไฟฟ้าที่เกิดขึ้นขณะ กำลังใช้แปรงหวีผม คือ ไฟฟ้าสถิต จนเมื่อ ค.ศ. 1897 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อ เจ.เจ. ทอมสัน (J.J. Thomson) ก็ค้นพบว่ากระแสไฟฟ้าประกอบขึ้นจากอนุภาคประจุลบที่เรียกว่า อิเล็กตรอน พร้อมกับระบุค่าของ ประจุไฟฟ้า ต่อมวล ของอิเล็กตรอนไว้ด้วย ไม่เพียงเท่านั้น ทอมสันยังเพียรพยายามต่อไปที่จะทดลองหาว่าอนุภาคอิเล็กตรอนนั้น มีขนาดของประจุไฟฟ้าเป็นเท่าใด ด้วยอุปกรณ์ ห้องหมอก (cloud chamber) ซึ่งประดิษฐ์ขึ้นโดยลูกศิษย์ของเขา ที่มีชื่อว่า ชาร์ลส์ วิลสัน (Charles Thomson Rees Wilson) |
|
เจ.เจ. ทอมสัน (? copyright the Cavendish Laboratory) |
|
| ห้องหมอกเป็นอุปกรณ์ที่ช่วยให้มองเห็นอนุภาคที่มีประจุได้ด้วยตาเปล่า อาศัยหลักการเดียวกับเกิดเมฆบนท้องฟ้า คือ ความชื้นในอากาศเข้าไปอาศัยเกาะรอบ ๆ อนุภาคของ ฝุ่น ในอากาศ และเมื่อรวมตัวกันหนาแน่น ก็เห็นเป็น ละอองน้ำที่เรียกว่า เมฆ ในทำนองเดียวกัน ภายในห้องหมอกก็ใช้วิธีทำให้ความชื้นสูงจนอิ่มตัวจับเอาฝุ่นใน ห้องหมอกตกลงมาจนอากาศในห้องหมอกสะอาดไร้ฝุ่น จากนั้นก็ปล่อยอนุภาคจากสารรังสีผ่านทะลุเข้าไปภายใน ห้องหมอก คราวนี้ไอน้ำก็จะเข้าไปจับอนุภาครังสีแทน และเพราะว่าอนุภาครังสีมีความเร็วสูง เมื่อเคลื่อนที่ไปทางใด ไอน้ำที่เข้ามาจับก็ถูกปล่อยทิ้งไว้เบื้องหลัง ทำให้เมฆหมอกเกิดขึ้นเป็น รอยทาง (track) ตามแต่อนุภาคนั้นจะ เคลื่อนที่ไปทางใด เป็นเส้นตรงบ้าง เป็นวงบ้าง ซึ่งทอมสันต้องการมองเห็นอิเล็กตรอนของเขาด้วยอุปกรณ์ชิ้นนี้ |
|
ภาคตัดขวางของห้องหมอก การดูรอยทางของอนุภาคต้องก้มลงดูทางด้านบน (http://www.njsas.org/projects/atoms/cloud_chamber/images/cloudchamber_11_diagram.jpg) |
|
|
รอยทางการเคลื่อนที่ของอนุภาคชนิดต่าง ๆ ที่เห็นได้จากห้องหมอก (http://www.physicscentral.com/explore/action/antimatter-1.cfm) |
|
| ทอมสันผลิตอนุภาคอิเล็กตรอนให้เกิดขึ้นภายในห้องหมอกด้วย ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect) กล่าวคือ มีโลหะบางชนิดเมื่อได้รับรังสีเช่น รังสีอัลตราไวโอเลต ทำให้ได้รับพลังงานส่วนเกินและต้องการคายพลังงาน นั้นออกมา โดยปล่อยออกมาเป็นอนุภาคอิเล็กตรอน ซึ่งทำให้มองเห็นได้ในห้องหมอก ตกลงมาแบบเดียวกับเม็ดฝนด้วย แรงความโน้มถ่วงของโลก ซึ่งตอนแรกจะตกลงมาเร็ว แต่เมื่อเสียดสีกับอากาศ ในที่สุดก็จะตกลงมาด้วยความเร็วคงที่ เรียกว่า ความเร็วปลาย (terminal velocity) จากนั้นเมื่อวัดความเร็วปลายนี้ไว้ ก็สามารถคำนวณรัศมีของละอองน้ำนั้น ได้จาก สูตรของสโตกส์ (Stokes formula) คือ ความเร็ว หรือ v = (2/9) (ga2/ ? ) เมื่อ a คือรัศมีของละอองน้ำนั้น และ ? เป็นสัมประสิทธิ์ความหนืดของอากาศที่มีค่าคงที่ เมื่อทราบรัศมีของละอองน้ำ ก็คำนวณปริมาตรของละอองน้ำ ได้ และจากปริมาตรนี้ก็ทำให้ทราบน้ำหนักหรือมวลของละอองน้ำได้จากความหนาแน่นของน้ำ |
|
ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (http://www.astro.virginia.edu/class/oconnell/astr130/im/photoelectric-effect-2.jpg) |
|
ขั้นต่อมาก็คือ ทอมสันติดตั้งขั้วไฟฟ้าไว้ในห้องหมอก โดยให้ขั้วบวกอยู่ด้านบนและขั้วลบอยู่ด้านล่าง เมื่อปล่อย กระแสไฟฟ้าเข้าไป คราวนี้ละอองน้ำที่มีประจุลบของอิเล็กตรอนจะถูกขั้วไฟฟ้าบวกดูดไว้ทำให้ตกช้าลง ซึ่งหากปรับ กระแสไฟฟ้าให้พอเหมาะจะมีจังหวะหนึ่งที่แรงดูดเท่ากับแรงความโน้มถ่วง แรงทั้งสองจึงหักล้างพอดีและทำให้ ละอองน้ำลอยอยู่นิ่ง ๆ โดยเขียนสมการสมดุลได้ดังนี้
qE = mg
เมื่อ q คือ ขนาดประจุอิเล็กตรอนที่ทอมสันต้องการหา
E คือ ความต่างศักย์ระหว่างขั้วไฟฟ้าซึ่งดูได้จากหน้าปัด
m คือน้ำหนักของละอองน้ำที่หาไว้แต่แรกจากสูตรของสโตกส์
และ g คือ ค่งคงตัวความโน้มถ่วง ซึ่งทราบค่าอยู่แล้ว
ดังนั้น จาการทดลองนี้ ทอมสันก็สามารถหาประจุของอิเล็กตรอนได้ตามต้องการ เท่ากับ 2.2 x10-19 คูลอมบ์ แต่ต่อมาเขาปรับปรุงการทดลองและหาประจุของอิเล็กตรอนค่าใหม่ว่าเท่ากับ 1.1x10-19 คูลอมบ์ จึงพอเห็นได้ว่า ผลการทดลองของทอมสันยังคลาดเคลื่อนอยู่บ้าง สาเหตุเนื่องมาจาก จำนวนของละอองน้ำ (แรงไฟฟ้ากระทำต่อ ละอองน้ำทุกละออง หากนับขาดหรือเกิน การคำนวณก็คลาดเคลื่อนได้) และขนาดของละอองน้ำที่แตกต่างกันบ้าง แม้เพียงเล็กน้อย ก็ย่อมทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนได้ การทดลองนี้ดำเนินอยู่ราวถึง ค.ศ 1901 หรือ 1902 ก็ไม่ได้ค่า ที่ให้ความมั่นไจไปกว่านี้ และก็ไม่มีผู้ใดจะประสบผลสำเร็จมากกว่า จนกระทั่ง ค.ศ. 1907 ชาวอเมริกันชื่อ รอเบิร์ต มิลลิแกน (Robert Millikan) ใช้เวลาอยู่ 7 ปีก็สามารถพัฒนาอุปกรณ์และปรับปรุงวิธีการของทอมสันเป็นผลสำเร็จ ด้วยวิธีการดังนี้ |
|
|
|
มิลลิแกนและอุปกรณ์ที่เขาพัฒนาขึ้นมา (http://www.trinity.edu/fwalmsle/Millikan/millikanapparatus.jpg) |
|
- มิลลิแกนแก้ปัญหาขนาดไม่แน่นอนของละอองน้ำซึ่งน่าจะเกิดจากน้ำระเหยได้ง่าย เปลี่ยนมาใช้น้ำมันซึ่งระเหยในอากาศช้ากว่ามาก
- ไม่ต้องใช้หลักการของห้องหมอกทำให้เกิดละอองน้ำ แต่ใช้ ตัวทำละออง (atomizer) มาพ่นละอองน้ำมันโดยตรง
- ปัญหาจำนวนละอองน้ำมัน มิลลิแกนใช้ขั้วไฟฟ้าบวกเป็นแผ่นโลหะเจาะรู (รูเข็ม) เพื่อมาจำกัดละอองน้ำมันที่ตกลงมา ให้มีจำนวนน้อยหรือบางครั้งมีละอองเดียวที่ผ่านรูเข็มลงไป
- การวัดความเร็วปลายของละอองถูกต้องแน่นอนขึ้น โดยการส่องดูด้วยกล้องจุลทรรศน์ และอีกด้านก็ฉายด้วยแสงไฟ ทำให้เห็นได้ชัดเจน
- มิลลิแกนใช้รังสีเอกซ์ทำให้อากาศแตกตัวเป็นไอออน (อิเล็กตรอนกระเด็นออกมาจากโมเลกุลแก๊สต่าง ๆ ของอากาศ และธรรมชาติของทั้งละอองน้ำและละอองน้ำมันต่างก็ชอบจับอิเล็กตรอนเอาไว้) ละอองน้ำมันที่ผ่านรูเข็มลงมาจะไปจับกับอิเล็กตรอนเองโดยง่าย
|
|
http://www.trinity.edu/fwalmsle/Millikan/oildrop.gif |
|
ผลการทดลองนับร้อยละอองน้ำมันของมิลลิแกน เมื่อคำนวณแล้วให้ค่าของประจุบนแต่ละละอองน้ำมันเท่ากับ หรือเป็นจำนวนเท่าตัวของ 1. 6 x10-19 คูลอมบ์ มิลลิแกนจึงสรุปว่าขนาดประจุของอิเล็กตรอนก็คือ 1.6x10-19 คูลอมบ์ กล่าวคือ บางละอองน้ำอาจจับอิเล็กตรอนไว้ 1 อนุภาค บางละอองก็จับอิเล็กตรอนไว้ 2 หรือ 3 หรือ 4 อนุภาค
ปัจจุบันเวลาผ่านมาเกือบหนึ่งศตวรรษแล้ว ด้วยอุปกรณ์ที่ดีขึ้น ขนาดประจุของอิเล็กตรอนที่วัดได้ แตกต่างจากที่มิลลิแกนคำนวณไว้ไม่ถึง 1 เปอร์เซ็นต์
ความงดงามของการทดลองนี้จัดอยู่ในอันดับที่สาม |
| |
