Experiência de mergulho com óleo Millikan

Experimento da gota de óleo de Millikan

© 2002 Prof. C.A. dos Santos

Texto revisado em outubro/2002

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Além do papel desempenhado no contexto do desenvolvimento científico do início do século, o experimento da gota de óleo de Millikan (terceiro entre os 10 mais da revista Physics World) desempenha hoje papel importante no ensino da física moderna; trata-se de um dos clássicos experimentos freqüentemente realizados nos laboratórios de física moderna.

Físico experimental reconhecidamente habilidoso, Millikan exerceu forte influência no desenvolvimento da ciência norte-americana, não apenas pela realização de pesquisa relevante, como também pela competência administrativa, conforme brevemente discutido a seguir. Entre todos os seus trabalhos, aqueles referentes ao experimento da gota de óleo e à comprovação da equação de Einstein para o efeito fotoelétrico apresentam significados especiais porque simbolizam o Prêmio Nobel ganho em 1923.

O texto a seguir é uma versão resumida do material publicado na página A Controvertida Participação de Fletcher no Planejamento do Experimento de Millikan

O precursor na investigação da carga do elétron foi J.J. Thomson, que descobriu esta partícula em 1897. Com seu estudante C.T.R. Wilson, Thomson determinou a carga do elétron fazendo uso de uma câmara de bolhas, ou câmara de nuvens, desenvolvida por Wilson. O uso da câmara de Wilson para a determinação da carga do elétron fundamenta-se no fato de que íons gasosos servem como núcleos de condensação de vapor d’água. Em outras palavras, os íons são decorados por gotículas do vapor supersaturado. Os íons são produzidos com um feixe de raios X, ou com um feixe de raios gama emitidos por uma fonte radioativa.

Em 1851, Sir George Stokes mostrou que uma gota esférica, de raio a e densidade r, caindo sob a ação de um campo gravitacional g, num fluido uniforme de viscosidade h , atinge uma velocidade terminal uniforme dada por v = (2/9)(ga2r/h ). Sendo este movimento exatamente o mesmo daquele experimentado por cada gota ionizada na câmara de Wilson, Thomson usou a relação de Stokes para estimar o raio médio das gotículas. Não cabe aqui apresentar o trabalho de Thomson detalhadamente; ele é importante pela introdução da câmara de bolhas, e pelo uso da relação de Stokes, mas as dificuldades metodológicas imediatamente apontaram para a necessidade de aperfeiçoamentos. Para compreender essa necessidade e as motivações das tentativas seguintes, vejamos, mesmo que superficialmente, algumas etapas do método de Thomson. A carga total da nuvem de gotículas era medida com um eletrômetro, de modo que a carga de cada gotícula era obtida pela média; o número de gotículas era obtido através de um complicado processo de medidas e cálculos, começando pela medida da velocidade da nuvem e passando pelo uso da relação de Stokes. O melhor valor obtido por Thomson foi da ordem de 1.1x10-19 coulomb

Em 1903, outro estudante de Thomson, H.A. Wilson, implementou duas novidades nesse método. A primeira foi a decisão de observar apenas a parte superior de cada nuvem, porque consistia de gotículas menores e que se deslocavam mais lentamente. A segunda e mais importante novidade, foi a introdução de um campo elétrico na mesma direção do campo gravitacional. O tratamento matemático desse método é apresentado no livro de Anderson, não cabendo aqui repeti-lo. A carga do elétron obtida com este método oscilava em torno de 1.04x10-19 coulomb.

Millikan e seu estudante Begeman iniciaram, em 1907, a repetição do experimento de H.A. Wilson. A seqüência de tentativas de Millikan é dividida em três etapas, cada uma caracterizada por um método. Esses métodos foram enumerados por Holton como Método I (essencialmente o método de Wilson), Método II (gota d’água isolada com alto campo elétrico) e Método III (gota de óleo).

Com o Método I eles obtiveram, para a carga do elétron, uma relação formalmente idêntica à de Thomson-Wilson, com valor médio em torno de 1.3x10-19 coulomb. Uma fonte de erro muito importante nos métodos baseados na câmara de bolhas foi destacada por Rutherford, segundo o qual, a dificuldade de se levar em consideração o efeito da evaporação das gotículas de água resultava em valores superestimados para o número de gotículas e, conseqüentemente, em valores subestimados para a carga do elétron. Portanto, o problema crucial era reduzir o efeito da evaporação. A idéia imediata de Millikan foi utilizar um forte campo elétrico (obtido com uma