Basiswissen

Mit dem Millikan-Versuch wurde die Frage untersucht, inwiefern Elektrizität teilchenartig ist^[3]. Der Versuch führte auch zur Bestimmung der Elementarladung eines Elektrons. Der Versuch wurde im Jahr 1910 vorgestellt. Über die zuvor bestimmte spezifische Ladung eines Elektrons^[4] (Fadenstrahlrohr) konnte man dann auch die Elektronenmasse berechnen.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Öltröpfchen (helle Punkte) im Mikroskop gesehen: die Skala hat eine Gesamtlänge von 0,98 Millimeter, zwei benachbarte Skalenstriche haben einen Abstand von etwa 0,033 Millimeter oder 33 µm. Die verschmierten hellen Flecken liegen außerhalb des Fokus des Mikroskops. © Stefan Pohl (Wikimedia) ☛

Die Elementarladung

Die in der Natur kleinstmögliche Ladungsmenge. Ladung meint hier elektrische Ladung mit plus und minus. Diese Ladung kann man nicht beliebig kleine machen. Es gibt eine "atomare" kleinstmögliche Ladungsmenge. Diese heißt Elementarladung. Sie ist sehr klein. Siehe auch 👉 Elementarladung

Das Problem

Schon relativ früh nach der Entdeckung des Elektrons durch J. J. Thomson im Jahr 1897 war das Verhältnis der Ladung e zur Masse m des Elektrons bekannt.^[5] Dieses Verhältnis e/m, auch spezifische Ladung genannt, kann man unter anderem mit Hilfe von Untersuchungen der Form der Elektronenbahn in magnetischen Feldern bestimmen. Die heute verwendete Zahl dafür ist 1,75882001076(53) mal 10 hoch 11 C/kg. Die Einheit spricht man als Coulomb pro Kilogramm. Der klassische Lehrversuch dazu ist das 👉 Fadenstrahlrohr

Nun wollte man aber nicht nur wissen, wie viel mal so groß der Zahlenwert für die Ladung wie der für die Masse war. Was eigentlich interessiert waren die exakten Werte für die Ladung und die Masse selbst.

Theoretisch könnte man eine Elementarladung nehmen und ihre Kraft auf eine bekannte andere Ladung, eine Probeladung messen. Mit Hilfe des Coulombschen Gesetzes könnte man dann bei bekanntem Abstand der Ladungen zueinander auch die Menge der Elektronenladung berechnen. Diese Elementarladung eines einzelnen Elektrons aber ist so klein, dass man sie nicht einzeln "packen" kann. In allen praktisch durchführbaren Versuchen hatte man es zur Zeit von Millikan immer mit einer eher großen und immer unbekannten Anzahl von Elektronen zu tun. Wie man dennoch auf die Ladung eines Elektrons schlussfolgern kann erforderte eine Kombination mehrerer Kniffe.

Millikans Idee

Er erzeugte sehr kleine Öltröpfchen.

Man konnte sie nur mit Spezialmikroskopen beobachten.

Sie waren so klein, dass sie vielleicht nur ...

einige wenige Elementarladungen aufnehmen konnten.

Millikan ließ geladene Tröpfchen in der Luft sinken.

Aus der Sinkgeschwindigkeit konnte man die Kugelgröße berechnen^[2].

Über die Dichte von Öl konnte man die Kugelmasse berechnen.

Mit einem elektrischen Feld konnte er das Sinken bremsen.

Der Pluspol des Feldes war dabei oben und der Minuspol unten.

Elektrische Kraft und Erdanziehungskraft hielten sich dann die Waage.

Daraus konnte man eine Gleichung aufstellen.

Über die Gleichung konnte man die Ladung auf einzelnen Tröpfchen berechnen.

Die Elementarladung

Die Tröpfchen hatte nicht alle dieselbe Ladung.

Aber: es zeigte sich, dass die berechneten Ladungen immer ...

ganzzahlige Vielfache von einem Wert waren (etwa 1,6).

Als berechnete Ladungen von einem Tröpfchen kamen ...

zum Beispiel 1,6 oder 3,2 oder 4,8 heraus, aber nie z. B. 1,9.

Die Ladung kommt in 1,6er-Paketen daher

Kleinere Pakete als 1,6 scheint es nicht zu geben.

Der Schluss: die 1,6 ist die elementare Zahl.

Man nennt sie die 👉 Elementarladung

Die Idee der Quantelung

Wenn eine physikalische Größe immer nur in ganzzahligen Vielfachen einer kleinsten Grundmenge angegeben werden kann, spricht man von einer Quantelung. Die elektrische Ladung, ganz gleich ob positiv oder negativ, ist ein Beispiel dafür. Weitere so ähnlich gequantelte Größen sind die Energie, der Bahn- und der Eigendrehimpuls. Siehe mehr unter 👉 Quantelung

Historische Einordnung

Als Mlllikan seine Versuche im Jahr 1909 im US-amerikanischen Chicago durchführte, lag der Erste Weltkrieg als große Zeitenwende noch gut 4 bis 5 Jahre in der Zukunft. Im selben Jahr erlangte der Franzose Louis Bleriot Weltruhm als er als erster Mensch den Ärmelkanal von Calais nach Dover in einem Flugzeug überquerte (Flugdauer: 36 Minuten und 30 Sekunden). In Deutschland herrschte Kaiser Wilhelm II und das Land Polen gab es noch nicht. Im Jahr 1912 sollte die Titanic zu ihrer Schicksalsfahrt aufbrechen.

Fußnoten

[1] Millikan, R. A. (1913). "On the Elementary Electrical Charge and the Avogadro Constant" (PDF). Physical Review. Series II. 2 (2): 109–143. DOI: doi:10.1103/PhysRev.2.109.

[2] Metzler Physik. 5. Auflage. 592 Seiten. Westermann Verlag. 2022. ISBN: 978-3-14-100100-6. Dort die Seite 207.

[3] Der Physiker Max Born charakterisiert Millikans Arbeit als "endgültige Bestägigung der korpuskularen Struktur der Elektrizität und seine genaue Messung der Elektronenladung". Max Born in: Albert Einstein Max Born Briefwechsel 1916-1955. Geleitworte von Bertrand Russell und Werner Heisenberg. Ullstein Buch, Frankfurt am Main, 1986. ISBN: 3-548-3445-7. Dort die Seite 157.

[4] Die spezifische Ladung gab nur an, wie viel mal größer die elektrische Ladung eines Elektrons ist im Vergleich zu seiner Masse. Dieser Wert von etwa 1,75882001076 mal 10 hoch 11 C/kg war schon vor Durchführung des Millikan-Versuchs bekannt. Siehe auch 👉 spezifische Ladung

[5] Das Verhältnis von Ladung zu Masse des Elektrons war schon seit um das Jahr 1900 bekannt. In: Walter Kaufmann: Über die elektromagnetische Masse des Elektrons. In: Göttinger Nachrichten. Nr. 5, 1902, S. 291–296.