{"id":25555,"date":"2020-07-21T06:00:47","date_gmt":"2020-07-21T04:00:47","guid":{"rendered":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/2020\/07\/21\/mit-oeltropfen-zu-den-fundamenten-der-physik-die-spannendsten-experimente-der-naturwissenschaft-08\/"},"modified":"2025-05-14T16:50:45","modified_gmt":"2025-05-14T14:50:45","slug":"mit-oeltropfen-zu-den-fundamenten-der-physik-die-spannendsten-experimente-der-naturwissenschaft-08","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/2020\/07\/21\/mit-oeltropfen-zu-den-fundamenten-der-physik-die-spannendsten-experimente-der-naturwissenschaft-08\/","title":{"rendered":"Mit \u00d6ltropfen zu den Fundamenten der Physik (Die spannendsten Experimente der Naturwissenschaft 08)"},"content":{"rendered":"

Dieser Artikel ist Teil einer Serie \u00fcber naturwissenschaftliche Experimente<\/a>. Entsprechende Artikel werden hier im Blog bis Ende Juli erscheinen. Alle Artikel der Serie k\u00f6nnt ihr hier finden<\/a>.<\/i>
\n———————————————-<\/p>\n

Ich mag Experimente besonders gern die versuchen den konkreten numerischen Wert von Naturkonstanten zu bestimmen. Denn die haben einerseits eine sehr klare Zielsetzung: Es gibt da etwas in der Natur das immer gleich ist und deswegen enorm wichtig. Und dieses etwas kann mit einer Zahl beschrieben werden. Diese Zahl kennen wir nicht. Wir w\u00fcrden sie aber gerne kennen. Also \u00fcberlegen wir uns kreative Methoden wie wir sie kennen k\u00f6nnen. Naturkonstanten gibt es jede Menge und in der Geschichte der Naturwissenschaft hat man sich dementsprechend intensiv damit besch\u00e4ftigt. Ich hab in dieser Serie schon \u00fcber die Messung der Lichtgeschwindigkeit<\/a> berichtet (und werde noch die eine oder andere Messung von Naturkonstanten vorstellen). Heute geht es um ein weiteres klassisches Experiment: Der Millikan-Versuch.<\/p>\n

Die Frage ist so klar wie vorhin beschrieben: Wie gro\u00df ist die Elementarladung? Wir wissen dass es Objekte gibt die elektrisch geladen sind; mal st\u00e4rker und mal schw\u00e4cher. Dank der Quantenmechanik wissen wir auch, dass eine elektrische Ladung nicht beliebig klein werden kann. Sie kann gleich Null sein, ein Teilchen kann also etwa gar nicht geladen sein. Aber wenn es geladen ist, dann kann die Ladung eines freien Teilchens nur ein ganzzahliges Vielfaches einer fixen Ladungsmenge sein. Und genau diese kleinstm\u00f6gliche Ladung ist die Elementarladung. Es ist die Ladung, die ein Elektron hat, das negativ geladen ist. Die gleiche, aber positive Ladung hat ein Proton (und ja, die Quarks aus denen ein Proton besteht haben eine elektrische Ladung die einem oder zwei Drittel der Elementarladung entspricht; die Quarks sind aber auch keinen freien Teilchen und k\u00f6nnen nicht alleine existieren sondern nur in einem Verbund der zusammen immer ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung hat).<\/p>\n

Der exakte Wert der Elementarladung ist fundamental wichtig; er ist die Grundlage f\u00fcr den gesamten Elektromagnetismus und damit f\u00fcr eine der vier Grundkr\u00e4fte des Universums. Es ist also verst\u00e4ndlich, dass man wissen wollte, wie gro\u00df diese Zahl ist. Deswegen haben die amerikanischen Physiker Robert Millikan und Harvey Fletcher 1910 ein Experiment durchgef\u00fchrt um sie zu messen. Was gar nicht so einfach war, damals war die Teilchenphysik noch ganz am Anfang. Aber Wissenschaft ist kreativ!<\/p>\n

\"\"<\/a>
Damit haben Millikan und Fletcher damals gearbeitet (Bild: Daderot, gemeinfrei<\/a>)<\/figcaption><\/figure>\n

Kurz gesagt funktioniert das ganze so: Man erzeugt feinste \u00d6ltr\u00f6pfchen, so klein dass sie mit freiem Auge oder einem Mikroskop gar nicht mehr sichtbar sind. Damit man sie dennoch sehen kann, werden sie von hinten beleuchtet; das Licht wird an den Tr\u00f6pfchen gebeugt und dabei entstehen kleine „Beugungsscheibchen“, also quasi Lichtflecken die man im Mikroskop sehen kann. Man sorgt daf\u00fcr dass die Tr\u00f6pfchen elektrisch geladen sind und l\u00e4sst sie dann zwischen zwei Platten schweben, die ein elektrisches Feld erzeugen. Zwischen den geladenen Tr\u00f6pfchen und dem elektrischen Feld wirkt eine elektrische Kraft (die Coulomb-Kraft) und die versucht die Tr\u00f6pfchen zu einer der beiden Platten hin (der positiv geladenen wenn die Tr\u00f6pfchen negativ geladen sind). Gleichzeitig wirkt aber auch noch die Schwerkraft auf die Tr\u00f6pfchen und will sie in die andere Richtung bewegen (sofern die Platten korrekt ausgerichtet sind). Man kann nun probieren die St\u00e4rke des elektrischen Felds exakt so einzustellen, dass beide Kr\u00e4fte sich die Waage halten. Die Gravitationskraft kann man berechnen, die St\u00e4rke des elektrischen Feldes kennt man, weil man es ja selbst angelegt hat und aus beiden Werten kann man die Elementarladung berechnen denn die bestimmt ja, wie stark die elektrische Kraft wirken kann.<\/p>\n

In der Praxis ist es nat\u00fcrlich komplizierter. Man wei\u00df ja nicht genau wie gro\u00df die \u00d6ltr\u00f6pfchen sind. Was man aber wissen muss, wenn man ihre Masse und die Gravitationskraft berechnen will. Man sieht ja nur die Lichtflecken. Aber mit ein wenig Kreativit\u00e4t kriegt man die n\u00f6tigen Wert trotzdem raus. Man kann zum Beispiel das Feld umpolen und den Tropfen zuerst sinken und dann steigen lassen. Das tut der Tropfen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten weil da unterschiedliche Kr\u00e4fte involviert sind die aber trotzdem beide von der Gr\u00f6\u00dfe des Tropfens abh\u00e4ngen – die sich dadurch aus den Messwerten berechnen l\u00e4sst. Ich will jetzt aber gar nicht zu sehr in die Details gehen. Es war ein kniffliges Experiment aber Millikan und Fletcher waren am Ende erfolgreich. Der von ihnen bestimmte Wert der Elementarladung betrug 1,5924 x 10-19<\/sup> Coulomb. Das war ein wenig kleiner als der Wert den wir heute verwenden (und der dank einer Neudefinition der grundlegenden SI-Einheiten mittlerweile nicht mehr gemessen werden muss sondern exakt festgelegt ist) und der 1,602176634 x 10 -19<\/sup> betr\u00e4gt.<\/p>\n

Es gibt ein paar Anekdoten zum Millikan-Versuch die man nicht unterschlagen sollte. Millikan bekam f\u00fcr die Arbeit im Jahr 1923 den Nobelpreis f\u00fcr Physik. Fletcher bekam nichts. Beide hatten zuvor vereinbart, dass nur Millikan als Autor der entsprechenden Facharbeit genannt werden w\u00fcrde; Fletcher bekam die alleinige Autorschaft f\u00fcr eine andere Arbeit und die er nur deswegen auch f\u00fcr seine Doktorarbeit verwenden konnte. Ich h\u00e4tte gern mehr \u00fcber die Hintergr\u00fcnde dieser seltsamen Abmachung gewusst, habe aber auf die Schnelle nichts gefunden. Gute wissenschaftliche Praxis ist das auf jeden Fall nicht.<\/p>\n

\"\"<\/a>
Und so kann man das Experiment heute durchf\u00fchren… (Bild: Stefan, gemeinfrei<\/a>)<\/figcaption><\/figure>\n

Man hat Millikan auch vorgeworfen, die Messdaten manipuliert zu haben. Beziehungsweise sich aus allen Datenpunkten nur die „sch\u00f6nen“ ausgesucht zu haben um das Endergebnis genauer erscheinen zu lassen als es tats\u00e4chlich war. Was aber, wie man heute wei\u00df, nicht stimmt<\/a>. <\/p>\n

Und dann hat sich auch noch der gro\u00dfe Physiker Richard Feynman zum Millikan-Experiment ge\u00e4u\u00dfert:<\/p>\n

„We have learned a lot from experience about how to handle some of the ways we fool ourselves. One example: Millikan measured the charge on an electron by an experiment with falling oil drops, and got an answer which we now know not to be quite right. It’s a little bit off because he had the incorrect value for the viscosity of air. It’s interesting to look at the history of measurements of the charge of an electron, after Millikan. If you plot them as a function of time, you find that one is a little bit bigger than Millikan’s, and the next one’s a little bit bigger than that, and the next one’s a little bit bigger than that, until finally they settle down to a number which is higher. Why didn’t they discover the new number was higher right away? It’s a thing that scientists are ashamed of\u2014this history\u2014because it’s apparent that people did things like this: When they got a number that was too high above Millikan’s, they thought something must be wrong\u2014and they would look for and find a reason why something might be wrong. When they got a number close to Millikan’s value they didn’t look so hard. And so they eliminated the numbers that were too far off, and did other things like that …“<\/i><\/p><\/blockquote>\n

Seit ich dass das erste Mal gelesen habe, hab ich mich gefragt, wie dieses Diagramm tats\u00e4chlich aussieht. Hat Feynman hier aus didaktischen Gr\u00fcnden \u00fcbertrieben? Oder war das wirklich so? Ich hab aber kein entsprechendes Bild gefunden und mir auch schwer getan, ausreichend viele alte Messdaten zu finden. Vielleicht wei\u00df ja jemand aus der Leserschaft Bescheid?<\/p>\n

So oder so: Das Millikan-Experiment ist ein absoluter Klassiker unter den physikalischen Experimenten. Zu Recht! Und zum Abschluss gibt es noch eine dem Klassiker angemessene sehr „klassische“ Demonstration des ganzen:<\/p>\n