[전자기학 실험] 밀리컨 - 기름방울을 균일한 전기장 속에서 운동을 관찰하여 기름방울의 전하를 측정하는 실험

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[전자기학 실험] 밀리컨 - 기름방울을 균일한 전기장 속에서 운동을 관찰하여 기름방울의 전하를 측정하는 실험
실험 목적
대전된 기름방울을 균일한 전기장 속에서 운동시켜 관찰된 운동으로부터 기름방울의 전하를 직접 측정하고, 측정한 전하가 전자 전하의 정수배라는 사실로부터 전자 하나의 전하를 구한다.

실험 이론
밀리컨은 기름방울의 실험을 통하여 모든 전하는 기본전하량의 정수배가 된다는 것을 확인시켰다. 아래 그림은 밀리컨의 유적 실험 장치를 나타낸 것이며, 분무기로 기름을 뿜어서 안개처럼 만들어서 극판사이로 분사시킨다. 기름방울은 중력에 의하여 아래로 떨어지는 동안 공기의 저항력과 평형이 되어 궁극적으로 등속도로 내려간다. 이 때 작은 기름방울 일수록 더욱 느린 등속도 운동을 한다. 이 운동을 분석하여 기름방울의 질량을 측정한다. 기름방울 중에는 빛에 의하여 전기를 띤 것이 있을 수 있다.

그러므로 두 극판사이에 전압을 걸어 전기장의 세기 E를 걸어 주면 운동속도가 달라지는 기름방울들을 관측할 수 있다. 그러므로 기름방울이 받는 중력과 전기력이 평형이 되도록 전기장의 세기를 조절하면 기름방울은 멈추게 되고 된다.
기름방울의 질량을 m, 전하량을 q라고 하면, mg=qE의 관계가 성립되고 이 때 전하량은 q=mg/E로 측정할 수 있다. 밀리컨의 실험에 의하면 여러 개의 기름방울이 갖는 전하량은을 단위로 할 때,6.41, 8.01, 9.65, 11.23, 16.02, 17.57, 27.18 등과 같은 값들을 갖는다. 이 수들은 모두 1.60의 정수배에 해당하므로 전하의 기본 전하량은 전자의 전하량과 같고, 이 값은 라고 할 수 있다.
따라서 전자의 질량 m은 비전하의 측정값으로 부터 계산하여 다음과 같은 값을 얻을 수 있다.

이 값은 수소 질량의 약 1/1840정도이다.
톰슨과 밀리컨의 실험을 통하여 전자의 존재와 전자의 질량 그리고 전하량이 측정이 되었다. 그리고, 전자는 금속에서 나왔으므로 물질을 구성하는 입자라는 것이 확실하므로, 원자는 물질의 최소단위가 아니라, 전자와 다른 입자로 구성되어 있음을 알 수 있다.
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