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Millikans Experiment ging weiter

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Belgische Wissenschaftler haben eine neue Methode zur Messung der Ladung vorgeschlagen, die sich auf einer in eine Flüssigkeit eingetauchten Plastikkugel ansammelt. Als Ergebnis dieser Methode betrug die Messgenauigkeit eine Elementarladung. Diese Methode ist dem Experiment von Robert Millikan sehr ähnlich, das vor etwa hundert Jahren durchgeführt wurde. Dank dieser Technik ist die Messgenauigkeit an der Grenzfläche zwischen Festkörper und Flüssigkeit sehr hoch.

Die Forscher glauben, dass dieses Experiment zur Herstellung verschiedener kommerzieller Installationen sowie zur Verbesserung verschiedener kommerzieller Installationen verwendet werden kann.

Um ein kolloidales System zu modellieren, verwenden Wissenschaftler normalerweise eine Suspension aus kleinen Plastikkugeln, die in eine Flüssigkeit gegeben werden. Aber solche Modelle beschreiben das zufällige Auf- und Umladen kolloidaler Teilchen näherungsweise, praktisch ohne Berücksichtigung der Quantennatur der Ladung.

Millikan war es, der als erster versuchte, Ladungsaustauschvorgänge nach dem Konzept des Vorhandenseins einer Elementarladung zu messen. In seinem Experiment nutzte der Wissenschaftler das Einfangen kleiner geladener Öltröpfchen durch ein elektrisches Feld. Moderne belgische Wissenschaftler der Universität Gent wiederholten die Idee von Millikans Experiment.

Ein ähnliches Schema wendeten sie bei der Untersuchung elementarer Ladungsaustauschprozesse an den Grenzen einer Flüssigkeit und eines Festkörpers an. Ein klares Verständnis solcher Prozesse wird für die kommerzielle Entwicklung solcher Substanzen, die geladene Teilchen enthalten, immer wichtiger. Dies können die in elektronischen Büchern verwendete sogenannte "elektronische Tinte" sowie andere kolloidale Flüssigkeiten sein, die für die industrielle Produktion verwendet werden.

Eine detaillierte Beschreibung dieser Arbeit wurde in der wissenschaftlichen Zeitschrift Physical Review Letters vorgestellt. Für ihr Experiment nahmen die belgischen Forscher eine Plexiglaskugel mit einem Durchmesser von 1 Mikrometer und legten sie in einen Behälter mit Flüssigkeit. Dann wurden zwei Elektroden in einem Gefäß mit dieser "kolloidalen" Suspension angeordnet, deren Abstand 300 Mikrometer betrug. Dann wurde eine oszillierende Spannung an die Elektroden angelegt.

Als Folge des Ladens und Entladens an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Festkörper begann die Kugel entsprechend der angelegten Spannung zu schwingen. Die maximale Amplitude dieser Schwingungen entsprach der Gesamtladung des kugelförmigen Teilchens. Die Hauptschwierigkeit des Experiments bestand darin, die Parameter so einzustellen, dass die durch die angelegte Spannung verursachten Schwingungen größer waren als die zufälligen Schwingungen der Kugel. Es war auch notwendig, die Amplitude von Schwingungen ziemlich oft zu messen, um den Prozess der elementaren Wiederaufladung nicht zu verpassen.

Als Ergebnis von Experimenten wurde festgestellt, dass der Vorgang des Wiederaufladens einer Kugel mit solchen Parametern zweimal pro Sekunde erfolgt. Es wurde eine sprungartige Änderung der Schwingungsamplitude aufgeklärt, die die Quantennatur der Ladung kolloidaler Teilchen vollständig bestätigt. Beim Vergleich der bekannten Daten zur Ladung eines Elektrons und der während des Experiments erhaltenen Daten zur Ladung eines kugelförmigen Objekts wurde eine zehnprozentige Übereinstimmung gefunden.

Um dieses Phänomen zu erklären, wurde eine Hypothese aufgestellt, dass ein fester Teil der Kugel Wasserstoffionen verliert. Dadurch wird die Gesamtladung der Kugel negativ. Nach einiger Zeit vereinigen sich wieder Wasserstoffionen mit der Kugel, wodurch ihre Ladung verringert wird. Im Zuge experimenteller Berechnungen stellte sich heraus, dass die Kugel 69 solcher Regionen hatte, von denen zehn Regionen ständig aufgeladen waren.

Damit wurde das Millikan-Experiment auf einem neuen technischen Niveau fortgesetzt.

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