ミリカン の 実験。 ミリカンの実験とは

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ミリカン の 実験

「背信の科学者たち」は理系研究でのデータ捏造・恣意的なデータ操作・研究不正についてまとめた古典であり、是非抑えておくべき本ですが、書かれたのが今から30年以上前(1982年)ということで、内容が古くなっている部分がありました。 例えば、今手元にあるから刊行されたハードカバー版では、ミリカンの油滴実験について恣意的なデータ操作による不正が行われていたと書かれています。 しかし、最近は恣意的なデータ操作は行われてなかった説の方が有力なようです。 恣意的なデータ操作は行われてなかった説の大本は、David Goodstein 「」のようです。 取り敢えず、「背信の科学者」内でのミリカンの油滴実験についての記述と、"In Defense of Robert Andrews Millikan"の概略をまとめます。 「ミリカンの油滴実験」について さて、まずは疑惑の対象となっている「ミリカンの油滴実験」について。 といっても自分は学部時代は化学系だったので、学生実験などで油滴実験を実際にやった経験はありません。 あくまで概略程度で。 実験の目的は、「電子1つあたりの量(電気素量)」を求めることです。 そのための実験システムとして、まず霧吹きで細かな油のしずく(油滴)を作ってやります。 それらの油滴は、重力に引かれて落ちていきますが、一方で浮力や空気抵抗(空気の粘り気により発生)によって、落下速度はかなりゆっくり目になります。 さて、それらの油滴のいくつかは空気中から電子を取り込んだりして帯電します(を当てて強制的に帯電させるような実験方法もある模様)。 通常、帯電していようが無かろうが、落下速度に影響はありません。 しかし、油滴が電界(が引っ張られる場)の中にいる場合にはどうなるでしょうか?重力。 浮力、空気抵抗以外に、油滴に含まれるが電界で引っ張られます。 例えば+極が上に来るような電界を作ってやれば、マイナスを持つ油滴は上に引っ張られることになり、落下速度が電界の強さに依存して減少します。 で、電界の強さを変えた時の、油滴の落下速度差を観測してやれば、油滴に含まれるの総量を求めることが出来ます。 詳細は参照。 油滴の中に含まれるが電子一個分に成ることはまず無く、の電子によるを含んでいると予想されます。 つまり、油滴に含まれるは、電子の持つの整数倍になるはずです。 そこで、油滴実験のデータを解析することで、油滴の持つが「ある数」の整数倍であれば、その数が「電子一個あたりの」(電気素量)となるはずです。 実際に観測される値や。 電気素量の検証方法については、下記テキストで詳しく説明されています。 ミリカンは1910年にこの実験結果を発表し、「電子一個あたりの」の測定結果を発表しました。 ミリカンへの疑惑 この実験の解釈について異議を唱えたのが、フェリックス・エーレンハフトです。 1910年の油滴実験論文データにはある程度のバラつきがありました。 ミリカンはそれを実験誤差と解釈していましたが、エーレンハフトは『通常の電子より少ないを持つ「副電子」の存在を示している』と解釈し、ミリカンへの異議を唱えました。 この異議に答え、ミリカンは1913年に再度、よりバラつきの少ないな結果を盛り込んだ油滴実験論文を公表しました。 この論文中でミリカンは「これは選ばれた油滴群ではなく、60日間にわたり連続して行われた実験の全ての油滴についての結果である」と、まあ平たく言うと良いデータだけを恣意的にチョイスした訳では無いと述べています。 この"正確な"測定データによりエーレンハフトが提唱した「副電子」の存在は否定されます。 エーレンハフトは独自に電気素量測定実験を継続しますが、ミリカンのようなばらつきの少ないデータを得ることが出来ませんでした。 その後ミリカンはこの実験により(「電気素量、に関する研究」)を受賞し、一方エーレンハフトは幻滅の余りか精神病に陥るという結末を迎えてしまいました。 で、ここからが油滴実験への疑惑なんですが、ハーバード大の者ジェラルド・ホルトンによると、ミリカンの実験ノートには「きれいだ。 これを必ず発表しよう」のような私的注釈が付されており、1913年の論文では恣意的に「きれいな」データのみが選択されていた(つまり、ミリカン説に当てはまるデータだけを選択して公表していた)とのことです。 ミリカンは偽りが明らかになることを案ずる必要はなかった。 ホルトンはその理由を次のように書いている。 「ノートは私的なものであった。 ……だから彼はデータを自由に選び……理論と特定の実験によってデータを導き出した。 それを彼はすでに最初の重要な論文の中でも行っていた。 そしてその後、彼は発表データには星印を付けないことを覚えたのだ」 (「背信の科学者たち」p35より) 要は、観測結果から自分の理論に合わない不都合な部分を切り捨てるような、恣意的なデータ操作で論争に勝利したという疑惑です。 「背信の科学者たち」では、このような級のエポックメーキングな研究ですら研究不正が存在し、しかも結果オーライで見過ごされていたという実例として、ミリカンの事例が取り上げられていた訳です。 ちなみに、ミリカンの実験ノートスキャン画像がカルテクにより公開されてます。 結果についてのコメントっぽいことがあちこちに書かれてますが、ミミズの這ったようなで読みにくい。 (あと、内容を引用する場合にはカルテクに許可取れと書かれているのでとりあえずリンクのみ) 実験結果は表形式でまとめられており、"G"の欄が電圧をかけない状態、"F"の欄が電圧がかかった状態である油滴が一定距離落下するのにかかった時間とのこと。 ミリカンへの弁護(In Defense of Robert Andrews Millikan) さて、「ミリカンの油滴実験は恣意的データ操作」説に対する反論について。 によると、ミリカンの実験ノートを精査したところ、確かに実験結果についての予断を持ったコメントが有ったものの、恣意的なデータ操作は行われて居なかったとのことです。 1913年のミリカンの論文では「60日間にわたり連続して行われた実験」であると述べられていますが、実際に実験ノートと突き合わせを行い、1912年2月13日から4月16日までの63日間のデータが使用されていることが確認できたとのことです。 また、この期間に計測されたデータの幾つかが論文から除外されて居ることは確かであるものの、それらのデータを考慮に入れたとしても、論文の結論にはほぼ影響は無いとしています。 また、この63日間で誤差が少なかった原因として、気候条件が安定していたからではないかと述べられています。 上で書いたとおり、油滴にかかる力として浮力や空気抵抗がありますが、これらは温度や湿度、気圧といったパラメーターの影響を受けます。 なので、気候条件が不安定な場合、誤差が積み重なる可能性があり、逆に安定していれば誤差が減少すると。 しかしまあ、この反論についても鵜呑みにするのではなく検証していきたいところでは有りますが、実験ノートを解読する難易度が高すぎる・・・.

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ミリカンの油滴実験と電気素量 ■わかりやすい高校物理の部屋■

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Jトムソンとミリカンの実験の目的 J. Jトムソンとミリカンは電子について研究をしていました。 当時、電子の存在には気づいていたのですが、電子の質量と電気量は分かっていなかったのです。 それらを暴いてやろうと考えたのがこの2人です。 彼らは 電子の運動を考えることで求めることができたのです。 この時代背景をまずは理解しておいてください。 Jトムソンの実験 では、実際に実験の内容を見ていきます。 ただし、重力は無視してよい。 1 極板間に、ある向きに磁場を加えると電子は直進する。 どちら向きの磁場を加えるべきか答えよ。 2 極板間には電場のみがかかっているとして、この極板間中での電子の加速度を求めよ。 これはただの電磁気と力学の問題です。 実際に問題演習として解いてみましょう! 1 直進する=y方向の力がつり合う まず、電場によって受ける力を考えてみます。 ですから、電子を直進させるには、これと同じ大きさで下向きの力を加える必要があります。 磁場を加えることでローレンツ力がはたらくので、ローレンツ力が下向きになるように磁場を調整します。 このように、 紙面の表から裏向きに磁場が生じればローレンツ力は下向きに働きますね。 ちなみに電子は負電荷を持つので、フレミングの左手を使う場合、中指は速度の向きと逆に合わせることに注意しましょう。 ローレンツ力についてはこちらの記事で詳しく説明しています。 水平向きに動くということは 垂直方向の力がつり合っているということです。 これで初速度を求めることができました。 2 運動方程式を立てる これは 1 の磁場を取り除いて単純に運動方程式を立てればいいですね。 加速度が上向きなので軸も上向きに取ります。 あとは運動方程式を適用すればOKです。 特に間違えそうなポイントはないですね。 運動方程式の立て方についてはコチラで詳しく説明しています。 スポンサーリンク そして初速度は0です。 それを踏まえて式を立てると次のように求められます。 極板間を抜けた後 これも先ほどと同じように求めてみましょう。 なので極板を通過したとの距離も簡単に求まります。 (この値は覚えなくていいです) この実験の流れを理解しておいてくださいね。 ミリカンの実験 J. トムソンの実験では比電荷はわかりました。 しかし、電子の電気量は質量が決まったわけではありません。 ミリカンはその電気量と質量を測定することに成功しました。 その実験を見てみます。 ミリカンは正に帯電させた霧状の油滴を使って油滴の電荷を求めた。 これについて次の問いに答えよ。 この時の力のつり合い式を立てよ。 この時の力のつり合い式を立てよ。 空気抵抗の向きに注目 1 と 2 では空気抵抗の向きさえ気をつければめちゃめちゃ簡単な問題です。 1 では下向きに落下するので空気抵抗は上向きになります。 図を見れば力のつり合いは一発ですね。 2 では上昇するので、空気抵抗は下向きに働きます。 がもう少しこれについて見ていきます。 そして、ミリカンは実験の際にこのように考えていました。 これとさっきに比電荷から、電子の質量も導けます。 このような背景もしっかり理解しておいてください。 まとめ:実験の背景と流れを学べ いかがでしかた? ポイントは各実験のゴールと流れを把握することです。 原子分野は背景があっての問題が多いので背景をつかんでおくことで入試に出た場合も解きやすくなります。 ではしっかり復習しておきましょう!.

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ミリカンの油滴実験

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1.電気素量とは 電気に関する基本用語について、おさらいしておきましょう。 まず、物体は多数の原子で構成されています。 原子は、原子核とそのまわりをまわる電子からできています。 原子核は陽子と中性子からなります。 陽子は正の電荷、電子は負の電荷をもっていて、物体の帯電は物体内の電子の過不足によって起こります。 帯電した物体がもつ電気を電荷といい、正電荷と負電荷があります。 電荷の間には静電気力(クーロン力)が働き、同符号の電荷は反発、異符号の電荷は引かれあいます。 電子と陽子の電気量の大きさ(絶対値)は同じです。 原子はドイツ語で Atomといい、ギリシャ語を語源としています。 ギリシャ語で Atomの意味は「分割できないもの」であり、元素が元素の性質を保ち続けるための最小構成単位が原子です。 原子が電子と中性子、陽子によって構成されることが明らかになると、現在の化学で仮説的に分解不可能な単位として、素粒子という言葉をつくりました。 電子は素粒子であり、これ以上分解不可能な単位です。 そして、この電子 1個がもつ電気量を、電子素量と呼び、 eで表すことが多いです。 電気素量の大きさは決まっていて、 です。 電子は負電荷をもっていますから、電子の電荷は です。 帯電体が持っている電気は、電子や陽子がもっている正電荷や負電荷によって与えられるものです。 陽子がもつ正電荷の大きさは、電子の負電荷の大きさと同じですから、帯電体の電気量は、電気素量eの整数倍になります。 電子が素粒子であり、これ以上分割することができないからです。 2.電気素量とミリカンの実験 ミリカンの実験とは、電子の電荷を求めるために行われた実験です。 ミリカン(アメリカ、 1868~ 1953)は、 2つの平行な極版に電圧を加えて、一様な電場をつくり、その中に霧吹きから油滴を吹き込んで実験を行いました。 油滴の周辺の空気分子には X線を当ててイオン化し、 1つの油滴について顕微鏡で観察しました。 イオンが油滴に付着すると、油滴が帯電し、電場から静電気力を受けます。 実験装置では、電圧を操作できますから、電圧をいろいろ変えることで、帯電した油滴の落下速度を変えることができます。 まず、電圧を操作して、油滴が浮かんだまま制止するように、電場の強さを調整します。 このとき、油滴の質量を m [kg]、電気量を q [C]とすると、油滴に働く重力 mg 605と静電気力 qE 605がつりあうため、 が成り立ちます。 次に、電場を 0にします。 すると、油滴が重力に引かれて落下し始めますが、油滴は非常に軽く、空気の抵抗を受け、落下の加速度が小さくなります。 最終的には、空気抵抗と重力がつり合い、等速で落下するようになります。 このときの落下速度を終端速度と言います。 空気の抵抗力は、落下物の速さ vに比例し、比例定数を kとすると が成立します。 この 2つの式から、 が得られます。 空気抵抗の比例係数 kに関しては、空気の粘度、油滴の径を測定することで、求めることができますが、この記事では置きます。 この実験により、油滴に帯電する電気量を求めることができます。 この操作を何度も繰り返します。 油滴にはどれだけのイオンが含まれているかわかりませんが、何度も測定した結果、どの油滴の電気量も の、整数倍であることがわかりました。 これにより が 電気量の最小単位であることがわかり、電気素量を求められました。 ミリカンの実験は 1909年に行われましたが、それ以降も、より精密な測定結果を得るべく、実験が繰り返されました。 現在では、電気素量が1個の電子がもつ電気量の絶対値に等しいことがわかり、精密な測定の結果、より細かい小数点まで求められています。 ミリカンの実験で、いろいろな油滴の電気量 q [ C ] を測定したところ、 9. 70、 11. 36、 8. 09、 3. 23、 4. 87(単位は)という値であった。 電気量 q [ C ]は、電気素量 e [ C ]の整数倍であると仮定した場合、 eの値を求めよ。 解答・解説 このような問では、測定値の差に注目します。 まず、測定値を大きい順に並び替えます。 すると、 11. 36、 9. 70、 8. 09、 4. 87、 3. 23となります。 この数列の隣り合う数の差をそれぞれ考えると、 1. 66、 1. 61、 3. 22、 1. 64となり、およそ 1. 6の倍数になっているのがわかります。 このときの予想は、概ねの適当な値で構いません。 重要なのは、測定した電気量がeのおよそ何倍になっていそうかが、予測できることです。 36は 1. 6のおよそ 7倍ですから、これを 7eとします。 70は 1. 6のおよそ 6倍ですから、これを 6eとします。 同様に、それぞれの値を 7e、 6e、 5e、 3e、 2eと予測して、それぞれの油滴には電子が、 7個、 6個、 5個、 3個、 2個含まれていた、というように考えられます。 各測定値を平均すると、 という値が計算でき、これが電気素量となります。 4.電気素量のまとめ 最後までご覧管さってありがとうございました。 この記事では、電気素量についてと、電気素量を求めるためのミリカンの実験についてまとめました。 それでは簡潔にこの記事についておさらいします。 電子はこれ以上分解できないとされる素粒子の一つで、原子の構成要素のひとつです。 電子は負の電荷をもっていて、その電子 1つ 1つがもつ電荷の大きさを、電気素量といいます。 電気素量はアメリカの物理学者であるミリカンが 1909年に行った実験で、油滴の電荷量を測定することで電気素量を算出します。 2019年 5月 20日には、 SI基本単位の再定義が行われ、その中でアンペアの定義に電気素量が使われるようになりました。 電気素量も、不確かさを持たず、正確な値として であると定義されました。 また、トムソンの実験により、比電荷の計算も行われ、電子の質量も求められています。 ご参考になれば幸いです。

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