Bài Giảng Thí Nghiệm Giọt Dầu của Millikan

Một trong những thí nghiệm vĩ đại nhất trong vật lý và hóa học hiện đại là thí nghiệm giọt dầu của Robert A. Millikan (1909) – giúp xác định điện tích

Bài Giảng Thí Nghiệm Giọt Dầu của Millikan

(Bài 2: Thành phần của nguyên tử – Hóa học 10 Chân trời sáng tạo)

I. Mở đầu:

Khi nói về nguyên tử, học sinh được học rằng electron có điện tích âm và rất nhỏ. Nhưng điều gì chứng minh được điều đó?

Một trong những thí nghiệm vĩ đại nhất trong vật lý và hóa học hiện đại là thí nghiệm giọt dầu của Robert A. Millikan (1909) – giúp xác định điện tích của electron một cách chính xác.

Ý nghĩa: Đây là thí nghiệm lần đầu tiên chứng minh rằng điện tích là một lượng rời rạc và có giá trị xác định, không thể chia nhỏ hơn.

II. Giới thiệu nhà khoa học – ROBERT A. MILLIKAN

Robert Andrews Millikan (1868 – 1953): Nhà vật lý người Mỹ

Giành giải Nobel Vật lý năm 1923 vì đo được điện tích electron và chứng minh hiện tượng quang điện

III. Mục tiêu của thí nghiệm

Xác định điện tích của một electron bằng phương pháp gián tiếp.

Từ đó, khẳng định điện tích là một đại lượng lượng tử hóa

IV. Nguyên lý và thiết bị thí nghiệm.

1. Nguyên lý hoạt động

Phun những giọt dầu rất nhỏ vào một buồng thí nghiệm

Các giọt dầu được tích điện (âm hoặc dương) do ma sát khi đi qua đầu kim phun

Một điện trường đều được thiết lập giữa hai bản kim loại (một bản tích điện âm và một bản tích điện dương)

→ Dưới tác dụng của trọng lực và lực điện trường, giọt dầu có thể:

Rơi tự do (chỉ chịu trọng lực và lực cản)
Lơ lửng khi lực điện trường cân bằng trọng lực
Di chuyển lên hoặc xuống tùy theo điện trường

Tại trạng thái cân bằng (giọt dầu đứng yên):

Lực điện = Trọng lực → Từ đó tính được điện tích giọt dầu

2. Thiết bị thí nghiệm

Buồng quan sát có 2 bản kim loại song song
Kim phun dầu tạo giọt nhỏ
Nguồn điện cao thế để tạo điện trường
Kính hiển vi để quan sát chuyển động của giọt dầu
Đèn chiếu sáng giọt dầu (thường dùng ánh sáng đơn sắc)

V. Phân tích toán học cơ bản (Đơn giản hóa cho THPT)

Khi giọt dầu lơ lửng:

Lực điện trường: Fđ = q.E (q là điện tích giọt dầu, E là cường độ điện trường)
Trọng lực: P = m.g = V.d.g (V là thể tích giọt dầu, d là khối lượng riêng dầu)

→ Khi giọt đứng yên: q.E = V.d.g

⇒ Tính được q, và đo nhiều lần sẽ thấy q luôn là bội số của một giá trị nhỏ nhất → Chính là điện tích electron: e = 1,602 × 10⁻¹⁹ C

VI. Kết quả và ỳ nghĩa của thí nghiệm

Kết quả:

Xác định được điện tích của electron rất chính xác:

e = –1,602 × 10⁻¹⁹ C

Ý nghĩa khoa học:

Chứng minh điện tích là lượng tử hóa
Củng cố mô hình nguyên tử hiện đại
Cơ sở để xác định hằng số Faraday (F = N_A × e)
Hỗ trợ cho sự phát triển của điện tử học, vật lý hạt nhân

VII. Ứng dụng thực tiễn của thí nghiệm giọt dầu của Millikan để xác định thành phần cấu tạo của nguyên tử.

Trong công nghệ hiện đại:

Sản xuất vi mạch, thiết bị điện tử dựa trên nguyên lý điện tích rời rạc
Phát triển công nghệ máy gia tốc hạt, kính hiển vi điện tử

Trong nghiên cứu sinh học phân tử:

Tính toán điện tích protein, ion
Phân tích di truyền dựa vào dịch chuyển của ion trong điện trường

Trong giáo dục – khoa học cơ bản:

Là nền tảng cho chương trình giảng dạy điện học, cấu tạo nguyên tử

VIII. Bài tập minh họa.

Ví dụ 1: Một giọt dầu có khối lượng 3,2 × 10⁻¹⁵ kg đứng yên trong điện trường E = 2,0 × 10⁴ V/m. Tính điện tích của giọt dầu.

Giải:

Lực điện = Trọng lực
q.E = m.g ⇒ q = (3,2 × 10⁻¹⁵ × 9,8) / (2,0 × 10⁴)
q = 1,568 × 10⁻¹⁸ C

→ Gần bằng 10e (1e = 1,602 × 10⁻¹⁹ C)

IX. Kết luận:

Thí nghiệm giọt dầu của Millikan là một trong những bước đột phá khoa học vĩ đại nhất thế kỷ 20, đặt nền móng cho nhiều lý thuyết vật lý và hóa học hiện đại.

Qua bài học này, học sinh không chỉ hiểu điện tích electron đến từ đâu, mà còn biết cách kết nối kiến thức hóa học với công nghệ – đời sống – kỹ thuật.

Xem thêm:

Thành phần của nguyên tử và Nguyên tố hóa học - Hóa học 10 Chân trời sáng tạo.

Bài tập thành phần cấu tạo của nguyên tử - Hóa học 10 Chân trời sáng tạo.

Công thức tính số loại phân tử được hình thành từ các loại đồng vị | Hóa Học 10

Các dạng bài tập về đồng vị hóa học.

Cấu trúc lớp vỏ electron của nguyên tử.

Hướng dẫn cách viết cấu hình Electron nguyên tử của 30 nguyên tố đầu tiên.

Nguyên lí Pauli | Cấu trúc lớp vỏ Electron của nguyên tử.

Quy tắc Hund | Cấu trúc lớp vỏ Electron của nguyên tử.

Hướng dẫn cách viết cấu hình electron nguyên tử | Hóa 10 Chân trời sáng tạo.

Bài tập thành phần của nguyên tử | Hóa học 10 chân trời sáng tạo.

Bài tập nguyên tố hóa học chương 1 cấu tạo nguyên tử | Hóa học 10 chân trời sáng tạo.