Millikan-Versuch möglichst günstig und einfach

[Christoph E. (stoppi)]

Hallo!

Aktuell versuche ich gerade den berühmten Millikanversuch 
(https://de.wikipedia.org/wiki/Millikan-Versuch) von Robert Millikan 
(Nobelpreis 1923) zur Bestimmung der Elementarladung e nach zu bauen. Es 
gibt ja käuflich zu erwerbende Apparate (z.B. 
https://www.conatex.com/catalog/physik_lehrmittel/fundamentale_konstanten/milikan_versuch_e_m_bestimmung_franck_hertz_versuch_planck_konstante/product-millikan_versuch/sku-1040271#.XdPSAdVCeM8 
oder 
https://www.alibaba.com/product-detail/JOAN-lab-millikan-oil-drop-apparatus_1850237826.html), 
aber erstens sind diese zum Teil extrem teuer und zweitens möchte ich es 
eben selbst umsetzen.

Im Originalexperiment wird ja Öl zerstäubt und dann im 
Kondensatorinnenraum die notwendigen Spannungen fürs Schweben bzw. 
driften nach unten/oben bestimmt. Daraus lässt sich dann der Radius r 
der Öltropfen eliminieren (ist ja unterschiedlich) und schlussendlich 
die Ladung Q (= Vielfaches von e) berechnen.

Ich verwende anstelle von Öl aber Mikropartikel mit bekannten 
Durchmesser 
(https://www.ebay.com/itm/1-0-2-8-um-Monodispersed-Polystyrene-Particles-Microspheres-Beads-Latex-PS/173622022422?ssPageName=STRK%3AMEBIDX%3AIT&var=472300705994&_trksid=p2060353.m2749.l2649), 
konkret 1.5 µm.

Damit vereinfacht sich der Versuch deutlich. Ich könnte die Ladung nur 
aus einer einzelnen Messung (z.B. Bestimmung der Spannung, bei der der 
Mikropartikel schwebt) ableiten. Für Ladungen von 1*e bis 3*e benötige 
ich zum Schweben konkret Spannungen von 568V bzw. 189V (Plattenabstand 
des Kondensators = 5 mm, Dichte Mikropartikel = 1.05 g/cm³).

Daher habe ich zu Beginn einmal ein HV-Netzteil auf Basis eines 
CCFL-Inverters gebastelt. Dieses liefert mir Spannungen zwischen rund 40 
bis 970V.

Auf dem Weg zu mir sind gerade ein Plexiglasrohr, Messingscheiben, 
medizinischer Zerstäuber 
(https://slicksurgico.com/p/universal-atomizer-complete-with-movable-tube-screw-bottle-30-ccm-and-rubber-bulb/?attribute_pa_finishing=finish), 
Handymikroskop usw.

Anstelle eines gewöhnlichen Mikroskops möchte ich eben ein günstiges 
Handymikroskop 
(https://www.ebay.com/itm/Phone-Clip-50X-Microscope-With-LED-Magnifier-Loupe-with-UV-Currency-Detector/372679055488?ssPageName=STRK%3AMEBIDX%3AIT&_trksid=p2060353.m2749.l2649) 
mit 50-facher Vergrößerung verwenden. Auf das Handydisplay werde ich 
dann eine Folie mit mm-Markierungen kleben. Hierzu muss natürlich die 
Skala erstmals kalibriert werden. Bin schon neugierig, welche 
Gegenstandsweiten umsetzbar sind. Das Plexiglasrohr und die 
Messingscheiben haben nämlich einen Durchmesser von 50mm. Demnach wäre 
es günstig, wenn Gegenstandsweiten um die 25 mm möglich sind...

Als Beleuchtung kommt eine regelbare weiße 3W-LED zum Einsatz.

Wenn es Neuigkeiten gibt, melde ich mich wieder ;-)

[Christoph E. (stoppi)]

So, der Postmann hat geklingelt...

50mm-Plexiglasrohr, Parfumzerstäuber (den ich wie gesagt eh nicht 
verwenden werde) und 30x-Handymikroskop von Amazon 
(https://www.amazon.de/gp/product/B07D3RFHJH/ref=ppx_yo_dt_b_asin_title_o00_s00?ie=UTF8&psc=1) 
sind eingetroffen.

Gleich einmal das Handymikroskop getestet. Im Originalzustand war nicht 
nur das Gesichtsfeld durch das Linsengehäuse stark eingeschränkt, 
sondern ich musste für scharfe Abbildungen mit dem Objekt ganz nahe ans 
Gehäuse. Für meine Zwecke natürlich weniger geeignet, da der Abstand 
Linse-Öltropfen ja um die 25mm betragen wird (es sei denn, ich wandere 
mit dem Kondensatoreingang von der Mitte weg näher zum Rand).

Deshalb gleich einmal das Gehäuse bis zur Linse gekürzt. Jetzt ist das 
Gesichtsfeld deutlich größer und ich erreiche für scharfe Abbildungen 
fast die gewünschte Distanz zum Objekt.

Habe es auch anstelle des Handymikroskops mit einer einzelnen f = 39.5mm 
Glaslinse von Astromedia versucht. Diese hatte ich noch vom 
TSL1401-Arduino-Spektroskop über. Das Ergebnis und die Abstände zum 
Objekt sind mittelmäßig zufriedenstellend. Da ist das gekürzte 
Handy-Mikroskop besser.

Ich habe ja noch ein 50-fach Handymikroskop auf ebay bestellt. Mal 
schauen, ob das noch besser ist und ich vielleicht dessen Objektiv sogar 
verstellen kann. Müsste nämlich mit dem Objektiv näher ans Handy 
(kleinere Bildweite), damit die Gegenstandsweite (auf besagte 25mm) 
zunimmt.

[Marcus H. (Firma: www.harerod.de) (lungfish)]

Hallo Christoph,

viel Erfolg beim Basteln - ich bin gespannt auf Deine Ergebnisse in 
diesem klassischen Experiment. Kann mich noch erinnern, wie es war, mit 
triefenden Augen durch das Okular zu schauen und Daten zu sammeln.

In diesem Zusammenhang sollte man auch mal
https://en.wikipedia.org/wiki/Harvey_Fletcher
erwähnen.

Die im Wikipedia Artikel zitierte Reference 9 ist in ganz vielen 
Aspekten interessant:
https://web.archive.org/web/20160128151252/http://www.cce.ufes.br/jair/te1/PhysToday_43_Fletcher_Work_Millikan.pdf

Grüße,
 marcus

[M.A. S. (mse2)]

Ich finde es grundsätzlich schön, wenn Leute sich mit soetwas befassen.
Interessante Sache, das!

Sorry, wenn es aus obenstehendem irgendwie hervorgehen sollte, ich habe 
keine Zeit, dass alles jetzt zu lesen aber:

Im Originalversuch wurde (soweit ich mich an meine Schulbildung 
erinnere) mit Röntgenstrahlung gearbeitet, um einzelne Elektronen 
herauszuschlagen.

Wie planst Du, hier vorzugehen.

[Christoph E. (stoppi)]

@ Marcus: Ja, H.Fletchers Beitrag ist ordentlich untergegangen. 
Ärgerlich wenn nur einer die Lorbeeren sammelt. Ist aber öfters in der 
Wissenschaft so (vgl. Hubblegesetz und die Beiträge von Lemaitre).

@ M.A.S.: Soviel ich weiß, diente die Röntgenstrahlung nur um die 
Ladungen zu ändern. Kann aber gut möglich sein, dass es durch die 
Röntgenstrahlung erst überhaupt zu einer Ionisierung kam. Es gibt auch 
kommerzielle Millikanapparate mit integrierten Alpha-Strahler.

Soweit ich aber in Erfahrung bringen konnte, brauche ich dies bei den 
Mikropartikeln eben alles nicht. Die laden sich beim Zerstäuben 
automatisch auf. Müsste beim Öl eigentlich das gleiche sein. Mal 
schauen...
Wenn ich einen Alphastrahler dazu benötigen würde, nehme ich einfach 
einen meiner Americium-241-Strahler...

Gestern habe ich in meinem Optikfundus noch eine nahezu ideale Linse mit 
Halterung finden können. Erstens ist die durch die Halterung einfach am 
Handy zu fixieren und zudem ist ihre Brennweite groß genug, um die 
geforderten Gegenstandsweiten von rund 2-3 cm einzuhalten. Anbei eine 
Aufnahme mit dieser Linse + Handyzoom. Die Skalenstriche sind 1 mm. Zur 
Erinnerung: Der Abstand der Kondensatorplatten beträgt geplante 5 mm.

[M.A. S. (mse2)]

Christoph E. schrieb:
> @ M.A.S.: Soviel ich weiß, diente die Röntgenstrahlung nur um die
> Ladungen zu ändern.

Jupp!


Christoph E. schrieb:
> Es gibt auch
> kommerzielle Millikanapparate mit integrierten Alpha-Strahler.

Uji!


Christoph E. schrieb:
> Wenn ich einen Alphastrahler dazu benötigen würde, nehme ich einfach
> einen meiner Americium-241-Strahler...
Aha, na wenn Du sowas im Schrank hast...

[Christoph E. (stoppi)]

Hier geht es mit Kleinigkeiten weiter. Habe am Wochenende nochmals 
überprüft, mit welcher Linse ich die Mitte des 50mm-Plexiglasrohres 
scharf und vergrößert bekomme.

Mit dem 30-fach bzw. eben angekommenen 50-fach Handymikroskopen geht es 
leider nicht, mit der "Linse 1" schon. Deren Brennweite habe ich mittels 
Laserpointer mit rund 31 mm bestimmen können. Mit dieser und dem 
manuellen Fokus erziele ich brauchbare Ergebnisse (siehe Bleistift im 
Glas).

[Christoph E. (stoppi)]

Kondensator und Zerstäuberkammer sind soweit fertig. Ein Rohr per Hand 
genau senkrecht abzuschneiden ist alles andere als leicht. Die 
Abweichungen liegen jetzt aber wohl im < 0.5mm-Bereich. Der Abstand d 
der Kondensatorplatten geht ja in die elektrische Feldstärke mit E = U/d 
ein. Von daher sollte er schon möglichst überall gleich sein...

Ich werde die ganze "Säule" mit drei M4-Gewindestangen von oben 
zusammenpressen. Als Dichtungsringe kommt Moosgummi zum Einsatz. So ist 
der Aufbau schön zerlegbar, falls er z.B. geputzt werden muss. Das 
Eintrittsloch in der oberen Kondensatorplatte hat momentan einen 
Durchmesser von 1 mm. Im Internet wurden zwar bei einer Quelle 0.5mm 
genannt, ich denke mir aber dass die dadurch bedingten Inhomogenitäten 
der elektrischen Feldstärke noch gering sind und zudem genügend 
Mikropartikel in den Innenraum driften.

Das Spannungskabel habe ich einmal seitlich an die obere Platte gelötet. 
Das Kabel für die untere Platte werde ich dann an der Unterseite 
festlöten und seitlich rausführen.

[Christoph E. (stoppi)]

Schön langsam nimmt der Millikan-Apparat Formen an. Das zugeschnittene 
Plexiglas habe ich gestern abholen können. Das 6mm-Rohr für den 
Kondensatorinnenraum habe ich händisch auf 5 mm abgeschliffen. Die 
verstellbare LED-Halterung ist auch fertig.

Jetzt fehlt nur noch der Zerstäuber aus England (jener aus Pakistan kann 
nicht geliefert werden :aufsmaul: ) und die Handyhalterung...

[M.A. S. (mse2)]

Sei so nett und poste dann, wenn es soweit ist, den von Dir ermittelten 
Wert für e.

:)

[Christoph E. (stoppi)]

Schön langsam treffen die letzten Teile fürs Experiment ein. Gestern ist 
der Zerstäuber aus England angekommen. Den schon etwas porösen Schlauch 
habe ich gegen einen neuen aus Silikon ausgetauscht.

Als Ersatz für das Handy + Linse habe ich mir quasi als 
Weihnachtsgeschenk noch ein Mikroskop mit Bildschirm gekauft. Dieses ist 
bereits heute eingetroffen. Für mich ist also am 11.12 bereits 
Weihnachten...

Die Verarbeitung ist für den Preis wirklich mehr als ordentlich. Habe 
auch gleich die unterschiedlichen Vergrößerungen ermittelt. Diese ändert 
man wie schon gesagt durch Veränderung der Gegenstandsweite. Bei 
geringem g ist die Vergrößerung höher und vice versa.

Die angegebenen 600-fach schafft es natürlich bei weitem nicht aber für 
meine Bedürfnisse dürfte es trotzdem ideal sein. Immerhin möchte ich ja 
nur den Abstand der Kondensatorplatten (5 mm) formatfüllend abbilden.

Die Vergrößerung ist im Bereich 6- bis 30-fach variierbar. Der 
Strichabstand beträgt in echt 1 mm!

Ich habe mich bewusst für dieses Modell 
(https://www.amazon.de/gp/product/B07B6H1K9W/) entschieden, weil ich 
dann das Stativ am leichtesten an meine Bedürfnisse (horizontale 
Verschiebung) anpassen kann.

[Uhu U. (uhu)]

Christoph E. schrieb:
> Mikroskop mit Bildschirm gekauft

Kannst du dazu genauere Angaben machen?

[Christoph E. (stoppi)]

So, der Aufbau ist soweit fertig. Jetzt steht dann als nächstes der 
erste Testlauf an. Das Mikroskop habe ich nun ausgerichtet. Die 
momentane Vergrößerung beträgt ca. 15-fach.

Zum Ausrichten und Fokusieren habe ich einen 1mm Bohrer ins 
Eintrittsloch gesteckt. So sind etwa 4mm des 5mm messenden 
Plattenabstands einsehbar. Das Mikroskop lässt sich im Stativ ein wenig 
bewegen. Dies ist aber insofern von Vorteil, weil ich dann das 
Eintrittsloch ins Bild rücken und scharf stellen kann...

[Christoph E. (stoppi)]

Anbei noch eine Abbildung der Mikroskophalterung. Zum Einsatz kommt an 
einem Ende die Originalhalterung und am anderen eine Rohrschelle...

[Christoph E. (stoppi)]

Heureka, ich hab's geschafft...

Habe heute den ersten Versuch mit den Mikropartikeln unternommen. Zuerst 
sprühte ich die Mikropartikel von oben in die Kammer oberhalb des 
Kondensators. Dadurch erhielt ich leider aber viel zu viele Tröpfchen im 
Zwischenraum. Daher sprühe ich diese jetzt seitlich in die obere Kammer 
und danach driften sie durch die 1mm große Eintrittsöffnung in den 
Kondensatorzwischenraum.

Die Mikropartikel sind nicht leicht am Bildschirm auszumachen, aber es 
geht. Und zudem darf man sich nur auf jene konzentrieren, die trotz 
Spannung nicht nach unten sinken. Beim zweiten Durchlauf habe ich dann 
gleich ein Mikropartikel entdeckt, welches bei 273V Kondensatorspannung 
in Schwebe gehalten werden konnte.

Daraus errechnet sich eine Ladung von 2.08 * Elementarladung e

Hier das erste Video dazu, wobei oben unten ist und umgekehrt, sprich 
die Teilchen kommen von unten ins Bild:

Fühle mich gerade wie Robert Millikan

Habe die 0.25 g Mikropartikel mit rund 14 ml vermischt. Löst sich aber 
nur sehr zögerlich auf und bildet kleine Klumpen. Vielleicht gebe ich 
eine kleine Metallkugel noch in den Zerstäuber, die mir dann das Pulver 
weiter ausflöst...

https://www.youtube.com/watch?v=qg_IeUnfj4c

[Christoph E. (stoppi)]

Habe heute nochmals eine Messserie durchgeführt. Brauchbare Ergebnisse 
zu erzielen ist aber wirklich sehr schwierig. Erstens ist der Bereich 
scharfer Abbildungen äußerst schmal und zweitens kommen nur sehr wenige, 
richtig geladene Mikropartikel in den Kondensatorinnenraum. Passt das 
eine, passt das andere nicht und umgekehrt.

Damit möglichst wenig Streulicht ins Objektiv gelangt, habe ich nun die 
3 Gewindestangen zur Fixierung der Kammer anders postiert. Jetzt 
befindet sich in Sichtlinie des Mikroskops keine Gewindestange mehr 
(früher war eine genau auf der Kammerrückseite). Zudem habe ich die 
Kammer etwas näher zum Mikroskop gerückt, damit ich noch höhere 
Vergrößerungen erzielen kann.

Die großen Tropfen des Zerstäubers decken mir auch öfters die 
Eintrittsöffnung ab, sodaß keine Mikropartikel mehr in den Innenraum 
gelangen. Dann heißt es die Kammer auseinander nehmen und reinigen. Dies 
geht aber mit Hilfe der Flügelmuttern recht flott. Durch die große 
Anzahl an Versuchen, habe ich auch schon recht ordentlich 
Mikropartikellösung verbraucht. Ich bin am Überlegen, ob ich nicht die 
kommerzielle Lösung mit Latexpartikel kaufe. Die hätten 1,02 µm 
Durchmesser, kosten allerdings 57 Dollar ohne Versand aus den USA...

Am Ende der Versuchreihe hatte ich dann 4 brauchbare Messungen in der 
Tasche. Komisch ist nur, dass ich bisher keine einfache Elementarladung 
(q = 1 * e) messen konnte. Bisher ergaben 3 Messungen die doppelte 
Elementarladung und eine ca. die 3-fache. Dabei müsste die Einfache am 
häufigsten auftreten.

Vielleicht sprühe ich als nächstes die Mikropartikellösung direkt in den 
Kondensatorzwischenraum. Dann muss ich diesen zwar sehr oft reinigen, 
ich hätte aber deutlich mehr beobachtbare Teilchen. Mal schauen, ganz 
zufrieden bin ich mit den bisherigen Ergebnissen eben noch nicht...

[Marcus H. (Firma: www.harerod.de) (lungfish)]

Mehr Kontrast mit anderer Lichtfarbe? RGB-LEDs?
Filter vor die Linse?

[Dumdi D. (dumdidum)]

Tolle Sache. Hast Du die Spannung vom Netzteil nachgemessrn?
Woher weisst Du das kein Lösemittel and den Kügelchrn hängenbleibt?

[Christoph E. (stoppi)]

Wenn ich den Fokus richtig/gut eingestellt habe, sehe ich die 
Micropartikel eigentlich nicht so schlecht. Das größere Problem ist, 
dass ich bis jetzt kein einfach elektrisch geladenes Partikel gefunden 
habe. Denn dann müsste die Schwebespannung rund 570V betragen. Regle ich 
auf diese Spannung hoch, hauen mir sämtliche Partikel ab. Ich habe 
bisher den Schwebezustand scheinbar nur für 2-fach geladene Partikel 
erzielen können (U = ca. 280V).

Ich werde wie gesagt in den nächsten Tagen einmal die Mikropartikel 
direkt in den Zwischenraum zerstäuben, damit ich viel mehr (geladene) 
Partikel im Mikroskop beobachten kann. Denn so driften nur sehr wenige 
Partikel durchs Eintrittsloch (1 mm Durchmesser) und davon sind dann 
nicht alle elektrisch geladen...

Die angezeigte Spannung habe ich mit einem Multimeter überprüft, die 
stimmt sehr genau. Wenn Lösungsmittel (verwende normales Leitungswasser) 
an den Mikropartikeln hängen bleibt und sie dadurch schwerer werden, 
müsste die notwendige Schwebespannung ja noch weiter ansteigen.

[Christoph E. (stoppi)]

Gestern noch eine Versuchsreihe mit seitlich in die Kammer zerstäubten 
Partikeln gemacht. Damit erhalte ich logischerweise deutlich mehr 
Teilchen aber erstens befinden sich diese unterschiedlich weit weg vom 
Objektiv und deshalb sind nicht alle scharf zu bekommen und zweitens 
musste ich in den Plexiglasring nicht nur seitlich die Eintrittsöffnung 
bohren, sondern auch zum Druckausgleich ein zweites Loch. Dadurch ist 
das Ganze aber zum Teil einer seitwärts gerichteten Luftströmung 
ausgesetzt und die Teilchen driften nach rechts/links.

Zudem habe ich auch bei seitlich eintretenden Partikeln zum Schweben zu 
niedrige Spannungen benötigt. Gehe ich auf die für q = 1 * e notwendigen 
Spannungen im Bereich von 600V, so hauen mir sämtliche negativ geladenen 
Partikel nach oben ab. Ich erhalte wiederum Schwebespannungen im Bereich 
zwischen 55V und 280V, aber eben nie im Bereich 500-600V.

Bei zwei Aufnahmen konnte ich sogar 2 unterschiedlich geladene Teilchen 
zum Schweben bringen. Jenes mit größerer Ladung schwebte bereits bei 
geringerer Kondensatorspannung, das weniger geladene benötigte dann eine 
höhere Spannung, bei der dann das erste bereits nach oben abhaute...

Habe auch nochmals die Spannung mit einem Multimeter überprüft aber die 
passt eigentlich sehr gut. Wenn die Mikropartikel anstelle der 
angegebenen 1.5 µm nur 1.2 µm Durchmesser hätten, würden eine 
Schwebespannung von 280V genau einer Ladung von q = 1*e entsprechen. 
Rechne ich aber mit den 1.5 µm, habe ich noch nie die Ladung 1*e 
gemessen.

Bzgl. der nicht erhaltenen einfachen Elementarladung habe ich mir noch 
gedacht, dass das Eintrittsloch mit 1 mm Durchmesser vielleicht die 
Feldstärke in direkter Nachbarschaft des Lochs stark beeinflusst. Aber 
wenn ich davon ausgehe, dass das Loch die elektrische Feldstärke 
erniedrigt verglichen mit der Kondensatorformel E = U / d, so müsste ich 
ja erst recht höhere Schwebespannungen benötigen und nicht zu niedrige.

[Christoph E. (stoppi)]

Ich bin ja wie gesagt mit den bisherigen Ergebnissen noch nicht 100%ig 
zufrieden. Daher habe ich mich im Internet weiter schlau gemacht und 
u.a. in einem Artikel gelesen, dass niedrige Ladungen (1*e) mit einer 
geringen Wahrscheinlichkeit auftreten. Das würde aber der einen 
Abbildung widersprechen, wo die Häufigkeiten der jeweils gemessenen 
Ladungen aufgetragen sind und eben die größte Häufigkeit bei einfacher 
Elementarladung auftritt.

Dann kümmere ich mich noch um den Erwerb einer Latexkugel-Lösung, wie 
sie eben bei kommerziellen Produkten zum Teil angeboten wird. Da habe 
ich eine Firma in den USA zwecks Kosten angeschrieben. Das Produkt 
selbst würde 57 USD kosten. Dann kommen aber noch 
Bearbeitungsgebühren/Bankgebühren (42 USD) und Versand (stolze 133 USD 
für ein Fläschchen so groß wie ein Nagellack) dazu. Mit Zoll wäre ich 
dann für 15ml bei 270 Euro, was einen Literpreis von 18000 Euro macht...

Auf einen Teil eines interessanten Artikels (The physics teacher, 
Jahrgang 1971) bin ich auch gestoßen, wo das Problem mit dem Beschlagen 
der Glasfenster mit der milchigen Latexkugel-Lösung beschrieben/gelöst 
wird...

Habe deshalb meinen Zerstäuber einmal mit Silikonschlauch und 
Ballpumpendüse erweitert. Naturlatexschlauch habe ich auch aus China 
bestellt, das wird aber mehr als 1 Monat dauern.

Frohe Weihnachten von mir ...