तेल विन्दु प्रयोग

प्राथमिक आवेश (इलेक्ट्रॉन का आवेश) को मापने के लिए 1909 में रॉबर्ट एंड्रयूज मिलिकन;रॉबर्ट ए. मिलिकन और हार्वे फ्लेचर द्वारा तेल विन्दु (ड्रॉप) प्रयोग किया गया था। यह प्रयोग शिकागो विश्वविद्यालय के रायर्सन भौतिक प्रयोगशाला में हुआ था।   मिलिकन को 1923 में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार मिला था। प्रयोग में दो समानांतर धातु सतहों के बीच स्थित तेल की छोटी विद्युत आवेशित बूंदों का अवलोकन करना सम्मिलित था, जो एक संधारित्र की प्लेटें बनाती हैं। प्लेटें क्षैतिज रूप से उन्मुख थीं, एक प्लेट दूसरे के ऊपर थी। एटमाइजर नोजल तेल की बूंदों की एक धुंध को शीर्ष प्लेट में एक छोटे से छिद्र के माध्यम से पेश किया गया था और एक्स-रे द्वारा आयनीकरण किया गया था, जिससे उन्हें ऋणात्मक रूप से चार्ज किया गया था। सबसे पहले, शून्य लागू विद्युत क्षेत्र के साथ, गिरती हुई बूंद का वेग मापा गया। टर्मिनल वेग पर, ड्रैग (भौतिकी) बल गुरुत्वाकर्षण बल के बराबर होता है। चूंकि दोनों बल अलग-अलग तरीकों से त्रिज्या पर निर्भर करते हैं, इसलिए बूंद की त्रिज्या, और इसलिए द्रव्यमान और गुरुत्वाकर्षण बल, निर्धारित किया जा सकता है (तेल के ज्ञात घनत्व का उपयोग करके)। इसके बाद, प्लेटों के बीच एक विद्युत क्षेत्र को प्रेरित करने वाला एक वोल्टेज लागू किया गया और तब तक समायोजित किया गया जब तक कि बूंदें यांत्रिक संतुलन में निलंबित नहीं हो गईं, यह दर्शाता है कि विद्युत बल और गुरुत्वाकर्षण बल संतुलन में थे। ज्ञात विद्युत क्षेत्र का उपयोग करके, मिलिकन और फ्लेचर तेल की बूंद पर चार्ज निर्धारित कर सकते थे। कई बूंदों के लिए प्रयोग दोहराकर, उन्होंने पुष्टि की कि सभी आवेश एक निश्चित आधार मान के छोटे पूर्णांक गुणज थे, जो पाया गया $1.592 C$, वर्तमान में स्वीकृत मूल्य से लगभग 0.6% अंतर उन्होंने प्रस्तावित किया कि यह एकल इलेक्ट्रॉन के ऋणात्मक आवेश का परिमाण था।

पृष्ठभूमि
1908 में, शिकागो विश्वविद्यालय, मिलिकन में प्रोफ़ेसर  रहते हुए, फ्लेचर के महत्वपूर्ण इनपुट के साथ, श्री जे. यिनबोंग ली की सक्षम सहायता लिया, और अपने सेटअप में सुधार करने के बाद, 1913 में अपना मौलिक अध्ययन प्रकाशित किया था। यह विवादास्पद बना हुआ है क्योंकि फ्लेचर की मृत्यु के बाद मिले कागजात में उन घटनाओं का वर्णन किया गया है जिसमें मिलिकन ने फ्लेचर को अपनी पीएचडी प्राप्त करने की शर्त के रूप में लेखकत्व छोड़ने के लिए विवश किया था। बदले में, मिलिकन ने बेल लैब्स में फ्लेचर के करियर के समर्थन में अपने प्रभाव का उपयोग किया था।

मिलिकन और फ्लेचर के प्रयोग में दो इलेक्ट्रोडों, एक ऊपर और एक नीचे, के बीच स्थित कांच के कक्ष में तेल की बूंदों पर बल को मापना सम्मिलित था। विद्युत क्षेत्र की गणना के साथ, वे बूंद के आवेश को माप सकते हैं, एकल इलेक्ट्रॉन पर आवेश ($-1.592 C$). मिलिकन और फ्लेचर के तेल ड्रॉप प्रयोगों के समय, उपपरमाण्विक कणों के अस्तित्व को सार्वभौमिक रूप से स्वीकार नहीं किया गया था। 1897 में कैथोड किरणों के साथ प्रयोग करते हुए, जे. जे. थॉमसन ने ऋणात्मक रूप से चार्ज किए गए बेर का हलवा मॉडल  की खोज की थी, जैसा कि उन्होंने उन्हें कहा था, जिसका द्रव्यमान हाइड्रोजन परमाणु की तुलना में लगभग 1/1837 गुना छोटा था। इसी तरह के परिणाम जॉर्ज फ्रांसिस फिट्जगेराल्ड और वाल्टर कॉफ़मैन ([[भौतिक विज्ञानी)]]भौतिक विज्ञानी) द्वारा पाए गए थे। हालाँकि, बिजली और चुंबकत्व के बारे में जो कुछ भी ज्ञात था, उसमें से अधिकांश को इस आधार पर समझाया जा सकता है कि चार्ज एक सतत चर है; ठीक उसी तरह जैसे प्रकाश के कई गुणों को फोटॉनों की एक धारा के बजाय एक सतत तरंग के रूप में मानकर समझाया जा सकता है।

प्राथमिक आवेश e मूलभूत भौतिक स्थिरांकों में से एक है और इस प्रकार मान की सटीकता बहुत महत्वपूर्ण है। 1923 में, मिलिकन ने आंशिक रूप से इस प्रयोग के कारण भौतिकी में नोबेल पुरस्कार जीता।

थॉमस एडीसन, जिन्होंने पहले चार्ज को एक सतत चर के रूप में सोचा था, मिलिकन और फ्लेचर के उपकरण के साथ काम करने के बाद आश्वस्त हो गए। यह प्रयोग तब से भौतिकी के छात्रों की पीढ़ियों द्वारा दोहराया गया है, हालांकि यह काफी महंगा है और इसे ठीक से संचालित करना कठिन है।

पिछले दो दशकों में पृथक भिन्नात्मक आवेशित कणों की खोज के लिए कई कंप्यूटर-स्वचालित प्रयोग किए गए हैं। 2015 तक, 100 मिलियन से अधिक बूंदों को मापने के बाद भिन्नात्मक आवेश कणों का कोई सबूत नहीं मिला है।

उपकरण
मिलिकन के तेल ड्रॉप प्रयोग की सरलीकृत योजना तेल ड्रॉप प्रयोग उपकरण मिलिकन और फ्लेचर के उपकरण में क्षैतिज धातु प्लेटों की एक समानांतर जोड़ी सम्मिलित थी। प्लेटों में संभावित अंतर लागू करके, उनके बीच की जगह में एक समान विद्युत क्षेत्र बनाया गया था। प्लेटों को अलग रखने के लिए इन्सुलेशन सामग्री की एक रिंग का उपयोग किया गया था। रिंग में चार छिद्र काटे गए, तीन चमकदार रोशनी से रोशनी के लिए और एक माइक्रोस्कोप के माध्यम से देखने की अनुमति देने के लिए।

प्लेटों के ऊपर एक कक्ष में तेल की बूंदों की एक महीन धुंध छिड़की गई। तेल एक प्रकार का था जो सामान्यतः खालीपन  उपकरण में उपयोग किया जाता था और इसे इसलिए चुना गया क्योंकि इसमें वाष्प का दबाव बेहद कम था। साधारण तेल प्रकाश स्रोत की गर्मी के तहत वाष्पित हो जाएगा जिससे प्रयोग के दौरान तेल की बूंद का द्रव्यमान बदल जाएगा। कुछ तेल की बूंदें छिड़कते समय नोजल के साथ घर्षण के कारण विद्युत आवेशित हो गईं। वैकल्पिक रूप से, आयनीकरण विकिरण स्रोत (जैसे एक्स-रे ट्यूब) को सम्मिलित करके चार्जिंग लाई जा सकती है। बूंदों ने प्लेटों के बीच की जगह में प्रवेश किया और, क्योंकि वे चार्ज थे, प्लेटों में वोल्टेज को बदलकर ऊपर और नीचे किया जा सकता था।

विधि
प्रारंभ में विद्युत क्षेत्र बंद करके तेल की बूंदों को प्लेटों के बीच गिरने दिया जाता है। चैम्बर में हवा के साथ घर्षण के कारण वे बहुत तेजी से अंतिम वेग तक पहुँच जाते हैं। फिर फ़ील्ड को चालू कर दिया जाता है और, यदि यह पर्याप्त बड़ा है, तो कुछ बूंदें (आवेशित) ऊपर उठनी प्रारम्भ हो जाएंगी। (ऐसा इसलिए है क्योंकि ऊपर की ओर विद्युत बल FE उनके लिए नीचे की ओर गुरुत्वाकर्षण बल Fg से अधिक है, उसी प्रकार कागज के टुकड़ों को आवेशित रबर की छड़ द्वारा उठाया जा सकता है)। एक संभावित दिखने वाली बूंद का चयन किया जाता है और वोल्टेज को बारी-बारी से बंद करके दृश्य क्षेत्र के बीच में रखा जाता है जब तक कि अन्य सभी बूंदें गिर न जाएं। फिर इस एक बूंद के साथ प्रयोग जारी रखा जाता है।

बूँद को गिरने दिया जाता है और उसका अंतिम वेग v होता है1 विद्युत क्षेत्र की अनुपस्थिति में गणना की जाती है। फिर स्टोक्स के नियम का उपयोग करके ड्रॉप पर कार्य करने वाले ड्रैग (भौतिकी) बल को निकाला जा सकता है:


 * $$F_{u} = 6\pi r \eta v_1 \,$$

जहां v1 गिरती हुई बूंद का टर्मिनल वेग (अर्थात विद्युत क्षेत्र की अनुपस्थिति में वेग) है, η हवा की चिपचिपाहट है, और r बूंद की त्रिज्या है।

भार ' w ' आयतन D को घनत्व ρ और गुरुत्वाकर्षण के कारण त्वरण 'g ' से गुणा किया गया है। हालाँकि, जो आवश्यक है वह स्पष्ट वजन है। वायु में स्पष्ट भार, उत्क्षेप को घटाकर वास्तविक भार है (जो तेल की बूंद द्वारा विस्थापित वायु के भार के बराबर होता है)। एक पूर्णतः गोलाकार बूंद के लिए स्पष्ट भार को इस प्रकार लिखा जा सकता है:


 * $$\boldsymbol{w}=\frac{4\pi}{3}r^3(\rho-\rho_\textrm{air})\boldsymbol{g}$$

टर्मिनल वेग पर तेल की बूंद त्वरण नहीं है। इसलिए, इस पर कार्य करने वाला कुल बल शून्य होना चाहिए और दो बल F और $${w}$$ एक दूसरे को रद्द करना होगा (अर्थात, एफ = $${w}$$). यह संकेत करता है
 * $$r^2 = \frac{9 \eta v_1}{2 g (\rho - \rho_\textrm{air})}. \,$$

एक बार r की गणना हो जाने पर, $${w}$$ आसानी से काम किया जा सकता है.

अब क्षेत्र वापस चालू हो गया है, और बूंद पर विद्युत बल है
 * $$F_E = q E \,$$

जहां q तेल की बूंद पर आवेश है और E प्लेटों के बीच विद्युत क्षेत्र है। समानांतर प्लेटों के लिए
 * $$E = \frac{V}{d} \,$$

जहां V संभावित अंतर है और d प्लेटों के बीच की दूरी है।

q निकालने का एक कल्पनीय तरीका VE को तब तक समायोजित करना होगा जब तक कि तेल की बूंद स्थिर न रहे। तब हम एफ की बराबरी कर सकते हैंl साथ $${w}$$. इसके अलावा,FE का निर्धारण करना कठिन साबित होता है क्योंकि स्टोक्स के नियम का उपयोग किए बिना तेल की बूंद का द्रव्यमान निर्धारित करना कठिन है। एक अधिक व्यावहारिक तरीका यह है कि V को थोड़ा ऊपर कर दिया जाए ताकि तेल की बूंद एक नए टर्मिनल वेग v2 के साथ ऊपर उठे. तब
 * $$q\boldsymbol{E}-\boldsymbol{w}=6\pi\eta(\boldsymbol{r}\cdot \boldsymbol v _2)=\left|\frac{\boldsymbol v_2}{\boldsymbol v_1}\right| \boldsymbol{w}. $$

विवाद
भौतिक विज्ञानी जेराल्ड हॉल्टन (1978) द्वारा कुछ विवाद उठाया गया था, जिन्होंने बताया था कि मिलिकन ने अपने जर्नल में अपने अंतिम परिणामों में सम्मिलित किए गए मापों से अधिक माप दर्ज किए थे। हॉल्टन ने सुझाव दिया कि इन डेटा बिंदुओं को बिना किसी स्पष्ट कारण के उनके प्रयोगों में मापी गई तेल की बूंदों के बड़े सेट से हटा दिया गया था। बोल्डर में कोलोराडो विश्वविद्यालय में उच्च ऊर्जा भौतिकी प्रयोगवादी और विज्ञान के दार्शनिक एलन फ्रैंकलिन ने इस दावे का खंडन किया था। फ्रेंकलिन ने तर्क दिया कि मिलिकन के डेटा के बहिष्करण ने उसके e (ई) के अंतिम मूल्य को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित नहीं किया, लेकिन इस अनुमान e (ई) के आसपास के आंकड़ों में त्रुटियों और अवशेषों को कम कर दिया। इसने मिलिकन को यह दावा करने में सक्षम बनाया कि उसने ई की गणना एक प्रतिशत के आधे से बेहतर की थी; वास्तव में, यदि मिलिकन ने अपने द्वारा फेंके गए सभी डेटा को सम्मिलित किया होता, तो माध्य की मानक त्रुटि 2% के भीतर होती हैं। हालाँकि इसके परिणामस्वरूप मिलिकन ने उस समय किसी भी अन्य की तुलना में ई को बेहतर तरीके से मापा होगा, थोड़ी बड़ी अनिश्चितता ने भौतिकी समुदाय के भीतर उसके परिणामों के साथ अधिक असहमति की अनुमति दी होगी। जबकि फ्रैंकलिन ने मिलिकन के माप के लिए अपना समर्थन इस निष्कर्ष के साथ छोड़ दिया कि मिलिकन ने डेटा पर कॉस्मेटिक सर्जरी की हो सकती है, डेविड गुडस्टीन ने मिलिकन द्वारा रखी गई मूल विस्तृत नोटबुक की जांच की, और निष्कर्ष निकाला कि मिलिकन ने यहां और रिपोर्ट में स्पष्ट रूप से कहा है कि उन्होंने केवल बूंदें सम्मिलित की हैं जो अवलोकनों की एक पूरी श्रृंखला से गुज़रा था और संपूर्ण मापों के इस समूह से किसी भी बूंद को बाहर नहीं रखा था। संपूर्ण अवलोकन उत्पन्न करने में विफलता के कारणों में उपकरण सेटअप, तेल ड्रॉप उत्पादन और वायुमंडलीय प्रभावों के बारे में टिप्पणियां सम्मिलित हैं, जो मिलिकन की राय में (इस सेट में कम त्रुटि से उत्पन्न), एक दिए गए विशेष माप को अमान्य कर देती हैं।

वैज्ञानिक पद्धति में मनोवैज्ञानिक प्रभावों के उदाहरण के रूप में मिलिकन का प्रयोग
1974 में कैलिफोर्निया प्रौद्योगिकी संस्थान (कैलटेक) में दिए गए प्रारंभिक भाषण में (और 1985 में निश्चित रूप से आप मजाक कर रहे हैं, मिस्टर फेनमैन! और साथ ही 1999 में चीज़ों को खोजने का आनंद में पुनर्मुद्रित), भौतिक विज्ञानी रिचर्ड फेनमैन ने कहा :

"हमने अनुभव से बहुत कुछ सीखा है कि जिन तरीकों से हम स्वयं को मूर्ख बनाते हैं, उनसे कैसे निपटें। एक उदाहरण: मिलिकन ने गिरती तेल की बूंदों के साथ एक प्रयोग द्वारा एक इलेक्ट्रॉन पर आवेश को मापा, और एक उत्तर मिला जिसे अब हम जानते हैं कि यह बिल्कुल सही नहीं है। यह थोड़ा हटकर है क्योंकि उसके पास हवा की चिपचिपाहट का गलत मान था। मिलिकन के बाद, एक इलेक्ट्रॉन के आवेश के मापन के इतिहास को देखना दिलचस्प है। यदि आप उन्हें समय के फलन के रूप में प्लॉट करते हैं, तो आप पाते हैं कि एक मिलिकन से थोड़ा बड़ा है, और अगला उससे थोड़ा बड़ा है, और अगला उससे थोड़ा बड़ा है, जब तक कि अंततः वे स्थिर नहीं हो जाते। एक संख्या जो अधिक है. उन्हें तुरंत पता क्यों नहीं चला कि नई संख्या अधिक है? यह एक ऐसी चीज़ है जिससे वैज्ञानिक शर्मिंदा हैं - यह इतिहास - क्योंकि यह स्पष्ट है कि लोगों ने इस तरह की चीजें कीं: जब उन्हें एक संख्या मिली जो मिलिकन से बहुत अधिक थी, तो उन्होंने सोचा कि कुछ गलत हुआ होगा - और वे इसका कारण ढूंढेंगे और ढूंढेंगे क्यों कुछ गलत हो सकता है. जब उन्हें मिलिकन के मूल्य के करीब एक नंबर मिला तो वे उतने कठिन नहीं दिखे। और इसलिए उन्होंने उन संख्याओं को हटा दिया जो बहुत दूर थीं, और इसी तरह के अन्य कार्य भी किए..."

प्रारंभिक चार्ज का मूल्य 2019 में एसआई आधार इकाइयों को बिल्कुल सटीक रूप से परिभाषित करना है.

इससे पहले, सबसे हालिया (2014) स्वीकृत मूल्य था $1.602 C$, जहां (98) अंतिम दो दशमलव स्थानों की अनिश्चितता को इंगित करता है। मिलिकन ने अपने नोबेल व्याख्यान में अपना माप इस प्रकार दिया $4.774 statC$, जो बराबर है $1.592 C$. अंतर एक प्रतिशत से भी कम है, लेकिन मिलिकन की मानक त्रुटि से छह गुना अधिक है, इसलिए असहमति महत्वपूर्ण है।

एक्स-रे प्रयोगों का उपयोग करते हुए, एरिक बैकलिन ने 1928 में प्राथमिक आवेश का उच्च मूल्य पाया, $4.793 statC$ या $1.599 C$, जो सटीक मान की अनिश्चितता के भीतर है। 1929 में भौतिक स्थिरांकों की समीक्षा करते हुए रेमंड थायर बिर्जे ने कहा कि बैकलिन द्वारा की गई जांच एक अग्रणी कार्य है, और इस प्रकार, व्यवस्थित त्रुटि के विभिन्न अप्रत्याशित स्रोतों को सम्मिलित करने की काफी संभावना है। यदि [...यह है...] स्पष्ट संभावित त्रुटि के अनुसार भारित किया गया है, तो भारित औसत अभी भी संदिग्ध रूप से उच्च होगा। [...] लेखक ने अंततः बैकलिन मान को अस्वीकार करने और शेष दो मानों के भारित माध्य का उपयोग करने का निर्णय लिया है। बिर्ज ने मिलिकन के परिणाम का औसत निकाला और एक अलग, कम सटीक एक्स-रे प्रयोग किया जो मिलिकन के परिणाम से सहमत था। लगातार एक्स-रे प्रयोगों ने उच्च परिणाम देना जारी रखा, और विसंगति के प्रस्तावों को प्रयोगात्मक रूप से खारिज कर दिया गया था। स्टेन वॉन फ्राइसन ने एक नई इलेक्ट्रॉन विवर्तन विधि से मूल्य मापा, और तेल ड्रॉप प्रयोग फिर से किया गया। दोनों ने ऊंचे नंबर दिए. 1937 तक यह बिल्कुल स्पष्ट हो गया था कि मिलिकन का मूल्य अब और कायम नहीं रखा जा सकता, और स्थापित मूल्य बन गया $4.8 statC$ या $1.601 C$.

बाहरी संबंध

 * Simulation of the oil drop experiment (requires JavaScript)
 * Thomsen, Marshall, "Good to the Last Drop". Millikan Stories as "Canned" Pedagogy. Eastern Michigan University.
 * CSR/TSGC Team, "Quark search experiment". The University of Texas at Austin.
 * The oil drop experiment appears in a list of Science's 10 Most Beautiful Experiments, originally published in the New York Times.
 * Engeness, T.E., "The Millikan Oil Drop Experiment". 25 April 2005.
 * Paper by Millikan discussing modifications to his original experiment to improve its accuracy.
 * A variation of this experiment has been suggested for the International Space Station.