Elektron Yükü ve Kütlesinin Hesaplanması

Elektronun yük/kütle oranının belirlenmesinin ardından 1913 yılında elektronun kütlesi ve yükünün büyüklüğü Robert A. Millikan tarafından belirlenmiştir. Millikan elektronların yüklerini belirlemek için küresel yağ damlacıklarını elektronlarla yüklemiştir. Millikan’ın deneyi nasıl gerçekleştirdiği aşağıda daha ayrıntılı olarak tanımlanmıştır.


Yandaki şekilde Millikan’ın deneyinde kullandığı düzeneğin basit bir çizimi gösterilmiştir.



Robert A. Millikan kendi geliştirdiği düzeneğinin kullanılırken görülüyor.
Millikan’ın hazırladığı düzenek iki kısımdan oluşmuştur. Birincisi bir püskürtücü (atomizer) ile yağ damlacıklarının içine püskürtüldüğü oda, ikincisi elektrik alanının bulunduğu odadır. Yağ damlacıkları birinci odaya püskürtülürler ve oradan birinci odanın tabanındaki delikten elektrik alanının bulunduğu odaya geçerler. Bu damlacıkların elektrik yüklü olmaları gerektiğinden yağ damlacıklarının elektrikle yüklenebilmesi için X ışınları kaynağı kullanılır. İkinci odaya X ışınları gönderilerek havadaki moleküllerin iyonlaşması sağlanır. İyonlaşma sonucunda oluşan pozitif yüklü moleküller veya elektronlar yağ damlacıklarını pozitif veya negatif yüklerler. Elektrik yüklü damlacıkların hareketi bir teleskopla incelenir.
Negatif yüklü bir yağ damlacığı için bu damlacığa etki eden yer çekim kuvveti;
kadardır ( m : yağ damlasının kütlesi, g : yerçekim ivmesi). Bu damlacığı yukarıya doğru çeken elektriksel kuvvetin büyüklüğü ise
kadardır (E : elektrik alan büyüklüğü, q : yağ damlası üzerindeki yük mikarı). Damlacığın hareket etmemesi durumunda damlacığa etki eden çekm kuvveti ve elektriksel kuvvet birbirine eşit demektir.
Eğer damlacığın kütlesi bilinirse damlacık üzerindeki elektrik yükü q büyüklüğü bulunabilir.
Yağ damlası kütlesinin bulunabilmesi için için ikinci bir deney yapılması gerekir. Bu deneyde elektrik alan ortadan kaldırılarak damlacığın serbestçe düşmesine izin verilir. Belli bir zaman sonra hava direnci nedeniyle damlanın düşme hızı limit bir değere ulaşır. Bu damlacık üzerindeki çekim kuvveti ile hava direncinin (sürtünme kuvveti) denkleşmesi anlamına gelir. Bu durumda;
yazılır ( : havanın vizkozite kaysayısı, r : damlacığın yarıçağı : damlanın hızı). Yağ damlasının yoğunluğu kadarsa, olacaktır. Damlacığın yarıçağı için
elde edilebilir. Yağ damlacığı limit hıza ulaştıktan sonra bir L mesafesini t zamanında geçerse yağ damlacığının hızı
eşitliğinden belirlenebilir.
eşitliğinden yağ damlacığı üzerindeki q yükü belirlenebilir. Millikan yaptığı deneylerde q yükünün 1.593´10-19 Coulomb tam katları olduğu bulunmuştur. Bugün elektronun bilinen yüü bu değere oldukça yakın olan 1.6018´10-19 C dur. Elektronun e/m oranının daha önce ´1011 C/Kg olduğundan daha önce bahsetmiştik. Elektronun yükü yerine konursa m kütlesi 9.10´10-31 Kg olarak bulunur.
Benzer temellere dayalı olarak kullanılan kütle spektrometreler kullanılarak bir elementin farklı izotopları ve element içindeki oranları hesaplanabilir. Bu amaçla kullanılan sistemin basit bir çizimi aşağıda verilmiştir. Atom çekirdeği kısmında bu konu üzerinde durulacaktır.