밀리컨의 기름방울 실험으로 전자의 전하량을 측정한 원리가 궁금해요

Question

과거 밀리컨이 기름방울에 X선을 쬐어 전하를 띠게 한 뒤 전기장 속에서 띄워 올려 전자의 전하량을 정확히 측정해 낸 물리학 및 화학적 실험 기작이 궁금합니다. 중력과 전기장의 힘을 균형시켜 최소 공배수 전하량을 구하는 과정이 알고 싶어요.

Answer 1

안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.

밀리컨의 기름 방울 실험은 전기장이랑 중력이 서로 딱 균형을 이루는 지점을 이용했습니다. 기름 방울에 X선을 쬐어서 전하를 뛰게 만듭니다. 그 다음에 위쪽으로 전기장을 걸어 줬죠. 그래서 아래로 끌어당기는 중력이랑 위로 위로 올리는 전기력이 똑같아지면은 기름 방울이 공중에 둥둥 뜹니다.

그리고 이때 멈춰 있는 기름 방울의 무게랑 전기장의 힘을 계산해 보면 전하량을 구할 수가 있습니다. 그리고 실험을 여러 번 반복해 보니까 구해진 전하량이 항상 특정 기본값의 정수 배로 나왔습니다. 그래서 밀리컨은 그 최소 단위의 값이 바로 전자 한 개가 가진 전하량이란 걸 알아낸 거죠.

Answer 2

안녕하세요. 강세훈 전문가입니다.

밀리컨은 기름방울에 중력과 전기력을 정확히 균형시켜 방울을 공중에 띄운 뒤 그때의 전압과 방울의 무게로 전하량을 계산했습니다. 수많은 방울을 측정한 결과 전하량ㅇ ㅣ항상 1.6*10^-19C의 정수배로 나왔고 , 이 최대공약수가 전자 하나의 전하량임을 밝혀냈답니다.

Answer 3

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

밀리컨은 두 금속판 사이에 분무기로 아주 작은 기름방울을 뿌렸어요. 증발이 거의 없는 시계용 기름이라 측정 중 질량이 변하지 않아요. 방울은 분무할 때 마찰로 전하를 띠어요. X선은 주변 공기를 이온화해 방울의 전하량을 바꿔 가며 재는 데 썼어요.

먼저 전압을 걸지 않고 방울이 떨어지는 속도를 현미경으로 재요. 공기 저항과 중력이 같아지면 방울은 일정한 속도로 떨어져요. 이 속도를 스토크스 법칙에 넣으면 방울의 반지름과 질량 m을 구할 수 있어요. 그다음 판에 전압 V를 걸어 방울이 공중에 멈추도록 조절하면 전기력과 중력이 같아져요. 그러면 qE = mg, 즉 q = mgd/V로 방울의 전하량이 나와요(d는 판 간격).

수많은 방울을 재 보니 전하량이 아무 값이나 나오지 않고 항상 약 1.6×10⁻¹⁹C의 정수배였어요. 그래서 이 과정은 최소 공배수가 아니라 최대공약수를 찾는 일이에요. 모든 값을 나누어떨어지게 하는 가장 큰 공통 단위가 전자 하나의 전하량 e예요. 이 실험으로 전하가 쪼갤 수 없는 알갱이 단위로 존재한다는 사실도 함께 증명됐어요. 지금은 1.602176634×10⁻¹⁹C를 정확한 값으로 정의해 쓰고 있어요 :)

Answer 4

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

밀리컨의 기름방울 실험은 미세한 기름방울에 X선을 쬐어 전자를 포획해 대전시킨 뒤 평행판 전극 사이의 전기장에 띄워 올리는 방식으로 진행되었습니다. 이때 기름방울에 작용하는 중력과 위쪽으로 작용하는 전기력의 힘을 균형 상태로 만들어 속도를 측정함으로써 각 기름방울의 총전하량을 정밀하게 계산합니다 수많은 기름방울에 대해 이 과정을 반복하여 얻은 전하량 값들을 비교해보면 모두 특정한 하나의 기본값이 가진 정수배로만 떨어진다는 사실을 발견할 수 있습니다 이 측정값들 사이에서 가장 작은 공통의 단위 즉 최대공약수에 해당하는 값을 추출하면 그것이 바로 전자 한 개가 지닌 기본 전하량이 됩니다 결과적으로 이 실험은 전하가 연속적인 양이 아니라 특정 단위의 정수배로 양자화되어 있음을 증명하며 전자의 전하량을 최초로 정확하게 측정해 냈습니다