Millikan-Versuch
Worum geht es?
wirkt im Alltag wie eine beliebig teilbare Menge — man kann einen Körper „ein bisschen mehr“ oder „ein bisschen weniger“ aufladen. Der Millikan-Versuch stellt die Frage, ob das im Kleinen wirklich stimmt: Gibt es eine kleinste Ladungsportion, aus deren Vielfachen jede Ladung besteht? Dazu wird die Ladung einzelner, winziger Öltröpfchen gemessen, die zwischen den Platten eines Kondensators schweben. Das Ergebnis: Alle gemessenen Ladungen sind ganzzahlige Vielfache einer kleinsten Ladung — der Elementarladung .
Warum macht man dieses Experiment?
Um 1910 stand die Physik an einer entscheidenden Stelle: Vieles sprach dafür, dass „körnig“ ist — aber gemessen worden waren bis dahin nur Mittelwerte über riesige Mengen von Teilchen. Ein Mittelwert kann aber nicht zwischen zwei Welten unterscheiden: einer, in der jede Ladung ein Vielfaches von ist, und einer, in der Ladungen beliebige Werte haben und nur ihr Durchschnitt ist. Die Entscheidung konnte nur eine Messung an einzelnen Ladungsträgern bringen. Genau das leistete der Millikan-Versuch — und lieferte nebenbei den bis dahin genauesten Wert von .
Die physikalische Idee
Ein geladenes Öltröpfchen zwischen waagerechten Kondensatorplatten spürt zwei einstellbare Gegenspieler: die nach unten und die elektrische , deren Stärke über die regelbar ist. Bringt man das Tröpfchen zum Schweben, sind beide Kräfte im Gleichgewicht — und aus diesem Gleichgewicht lässt sich die des Tröpfchens berechnen. Misst man so die Ladungen vieler Tröpfchen, zeigt sich das Muster: keine beliebigen Werte, sondern Stufen im Abstand .
Benötigtes Vorwissen
Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.
Historische Einordnung
Der Öltröpfchenversuch entstand zwischen 1909 und 1913 an der University of Chicago. Robert A. Millikan, damals Physikprofessor ohne großen Forschungsruf, suchte gezielt nach einem , mit dem sich die elektrische Elementarladung präzise bestimmen ließe — eine Frage, an der sich zu dieser Zeit mehrere Arbeitsgruppen in Europa versuchten. An den entscheidenden Öltröpfchen-Messungen war sein Doktorand Harvey Fletcher maßgeblich beteiligt; Fletcher hat seine Rolle später selbst beschrieben (Physics Today, 1982). Veröffentlicht wurden die Ergebnisse unter Millikans Namen — auch das gehört zur Geschichte dieses Experiments.
Robert A. Millikan (1868–1953)
Leitete die Öltröpfchenversuche an der University of Chicago (1909–1913) und veröffentlichte 1913 den Präzisionswert der Elementarladung; Nobelpreis für Physik 1923.
Harvey Fletcher (1884–1981)
Millikans Doktorand; maßgeblich an Aufbau und Messungen der Öltröpfchenversuche beteiligt. Seine Rolle beschrieb er selbst in einem posthum veröffentlichten Bericht (Physics Today, 1982).
Felix Ehrenhaft (1879–1952)
Wiener Physiker; führte ähnliche Messungen an Metallpartikeln durch, berichtete vermeintliche „Subelektronen“ und bestritt die Ladungsquantisierung — die Kontroverse begleitete das Experiment über Jahre.
Was wusste man damals?
Was war um 1909 bereits bekannt — und was nicht?
- tritt in festen Portionen auf — als Vermutung. Schon Michael Faradays Elektrolysegesetze (1833) hatten gezeigt: Bei der elektrolytischen Abscheidung gehört zu einer bestimmten Stoffmenge stets dieselbe Ladungsmenge. Das legt eine kleinste Ladungsportion nahe, beweist sie aber nicht — es ist mit beiden Bildern verträglich.
- Das Elektron als Teilchen. J. J. Thomson hatte 1897 an Kathodenstrahlen das Verhältnis gemessen und gezeigt, dass sie aus leichten, negativ geladenen Teilchen bestehen. Bekannt war damit aber nur das Verhältnis von Ladung zu — nicht die Ladung selbst.
- Erste Ladungs-Schätzwerte — als Mittelwerte. Townsend, Thomson und H. A. Wilson hatten um 1900 die Ladung von Nebeltröpfchen-Wolken untersucht: Man ließ ionisierten Wasserdampf kondensieren und schloss aus dem Verhalten der ganzen Wolke auf eine mittlere Ladung pro Tröpfchen. Die Ergebnisse schwankten stark — Wassertröpfchen verdunsten während der Messung, und eine Wolke liefert eben nur einen Durchschnitt.
Die wissenschaftliche Fragestellung
Die offene Frage lautete also zweifach:
- Ist gequantelt? Tritt sie ausschließlich in ganzzahligen Vielfachen einer kleinsten Portion auf — oder ist die „Körnigkeit“ nur ein statistischer Eindruck?
- Wie groß ist diese kleinste Ladung? Ein präziser Wert von war auch deshalb begehrt, weil an ihm weitere Naturkonstanten hingen: Zusammen mit der aus der Elektrolyse bekannten Faraday-Konstante liefert die Avogadro-Konstante — also die Antwort auf die Frage, wie viele Teilchen in einem Mol stecken.
Die Idee hinter dem Experiment
Die experimentelle Idee: ein einzelnes geladenes Teilchen festhalten und wiegen. Ein winziges Tröpfchen zwischen waagerechten Kondensatorplatten spürt die nach unten und — wenn es geladen ist — die elektrische , deren Stärke sich über die regeln lässt. Damit wird das Tröpfchen zu einer Waage für seine eigene : Aus seiner Bewegung (oder seinem Stillstand) lässt sich berechnen.
Zwei Verbesserungen machten daraus ein Präzisionsexperiment:
- Öl statt Wasser. Die Wassertröpfchen der älteren Wolkenmethoden verdunsteten während der Messung — ihre änderte sich also, während man sie brauchte. Öltröpfchen sind stabil und lassen sich minutenlang einzeln verfolgen.
- Dasselbe Tröpfchen mehrfach umladen. Mit ionisierender Strahlung (z. B. Röntgenstrahlung) lässt sich die Ladung eines beobachteten Tröpfchens während der Messung ändern. Springt die gemessene Ladung dabei immer um dieselben Stufen, ist das der direkte Blick auf die Ladungsportionen — an ein und demselben Teilchen.
Die historische Durchführung
Wie Millikan tatsächlich gemessen hat — und das ist aufwendiger als die heutige Schulversion: Millikan hat seine Werte nicht primär mit schwebenden Tröpfchen bestimmt, sondern aus Steig- und Sinkgeschwindigkeiten.
Ein Tröpfchen, das in Luft fällt, wird durch die Luftreibung schnell auf eine konstante Sinkgeschwindigkeit abgebremst. Für so kleine Kugeln beschreibt das Stokessche Reibungsgesetz diese Bewegung: Die Sinkgeschwindigkeit hängt von Radius und des Tröpfchens sowie der Zähigkeit der Luft ab. Daraus ergab sich der erste Messschritt:
- Feld aus, Tröpfchen fällt. Aus der gemessenen Sinkgeschwindigkeit (Stoppuhr, Skalenstriche im Fernrohr) folgt über das Stokes-Gesetz der Radius des Tröpfchens — und mit der bekannten Öldichte seine . Das löste das Kernproblem aller Vorgängermethoden: Die Masse des einzelnen Teilchens war jetzt messbar.
- Feld ein, Tröpfchen steigt. Aus der Steiggeschwindigkeit bei bekannter folgt die elektrische und damit die des Tröpfchens.
- Umladen und wiederholen. Dasselbe Tröpfchen wurde mit Röntgenstrahlung umgeladen und der Steig-Sink-Zyklus viele Male wiederholt — teils über Stunden am selben Tröpfchen.
Eine Feinheit zeigt Millikans Sorgfalt: Für sehr kleine Tröpfchen stimmt das Stokes-Gesetz nicht mehr exakt, weil die Luft dann nicht mehr wie ein gleichmäßiges Medium wirkt — die Tröpfchen „spüren“ die Lücken zwischen den Luftmolekülen. Millikan bestimmte experimentell eine Korrektur des Stokes-Gesetzes für kleine Radien und veröffentlichte sie als Teil der (1911). Ohne diese Korrektur wären systematisch falsche Ladungen herausgekommen — ein Lehrstück dafür, dass ein Präzisionsexperiment auch die Grenzen seiner eigenen Hilfsgesetze vermessen muss.
Beobachtung und damalige Interpretation
Was wurde beobachtet? Die aus den Steig- und Sinkzeiten berechneten einzelner Tröpfchen waren nicht beliebig verteilt: Sie lagen auf Stufen — ganzzahlige Vielfache eines kleinsten Wertes. Und wenn ein Tröpfchen durch die Röntgenstrahlung umgeladen wurde, sprang seine Ladung stets um genau eine oder mehrere dieser Stufen, nie um Bruchteile.
Wie wurde das damals interpretiert? Millikan folgerte: Elektrische Ladung tritt in diskreten Einheiten auf; die Stufenhöhe ist die Elementarladung. In seiner Veröffentlichung von 1913 gab er an: elektrostatische Einheiten (esu) — im heutigen Einheitensystem etwa . Das war um Größenordnungen präziser als alle Vorgängerwerte.
Die Gegenposition. Der Wiener Physiker Felix Ehrenhaft berichtete aus ähnlichen Versuchen an Metallpartikeln auch kleinere Ladungen („Subelektronen“) und bestritt die Quantelung jahrelang. Die Kontroverse zog sich über ein Jahrzehnt; durchgesetzt hat sich Millikans Ergebnis, weil seine Ölmethode die Störeinflüsse (Verdunstung, unregelmäßige Partikelform, Brownsche Bewegung winzigster Teilchen) besser beherrschte. Wissenschaftshistorisch ist der Streit gut dokumentiert (Holton 1978) — er zeigt, dass auch ein „klassisches“ Ergebnis sich erst gegen ernsthafte Einwände behaupten musste.
Zeitleiste
1833
Faradays Elektrolysegesetze
Zu einer festen Stoffmenge gehört stets dieselbe abgeschiedene Ladungsmenge — der erste starke Hinweis, dass portioniert sein könnte.
1897
Thomson: das Elektron
J. J. Thomson misst an Kathodenstrahlen das Verhältnis und identifiziert das Elektron als Teilchen. Die selbst bleibt unbekannt.
um 1900
Wolkenmethoden
Townsend, Thomson und H. A. Wilson schätzen die Elementarladung aus dem Verhalten geladener Nebelwolken — nur Mittelwerte, stark streuend, weil Wassertröpfchen verdunsten.
1909–1910
Einzeltröpfchen statt Wolke
Millikan (mit Fletcher) geht zu einzelnen Tröpfchen über und ersetzt Wasser durch Öl — Tröpfchen lassen sich nun minutenlang beobachten und mehrfach umladen.
1911
Methode und Stokes-Korrektur
Millikan veröffentlicht die Einzeltröpfchen-Methode samt experimentell bestimmter Korrektur des Stokes-Gesetzes für kleine Radien (Physical Review).
1913
Der Präzisionswert
Millikan publiziert esu — und zeigt: Alle Tröpfchenladungen sind ganzzahlige Vielfache dieses Wertes. Parallel läuft die Kontroverse mit Ehrenhaft um angebliche „Subelektronen“.
1923
Nobelpreis
Millikan erhält den Nobelpreis für Physik — für die Arbeiten zur Elementarladung und zum photoelektrischen Effekt.
2019
e wird exakt
Die SI-Reform legt exakt fest — die einst gesuchte Größe definiert heute die Einheit Coulomb.
Die schulische Betrachtung: Versuchsziel
Aktuelles Versuchsziel
Ladung eines Öltröpfchens bestimmen (Schwebemethode)
Bestimme die eines Öltröpfchens, das zwischen den Kondensatorplatten schwebt — und prüfe anschließend, ob sich als ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung schreiben lässt. Das ist die schulische Vereinfachung des historischen : dieselbe Kernphysik (Kräftegleichgewicht), aber mit gegebener Tröpfchenmasse.
Gesucht
- — Ladung des Tröpfchens (in )
Die Unbekannte des Experiments — nicht direkt messbar, aber über das Kräftegleichgewicht aus messbaren Größen berechenbar.
Gemessen
- — Spannung am Kondensator (in )
Wird so eingeregelt, dass das Tröpfchen schwebt, und dann abgelesen — sie bestimmt über die elektrische Kraft.
- — Plattenabstand (in )
Zweite Zutat der Feldstärke ; wird einmal am Aufbau gemessen.
Bekannt
- — Masse des Tröpfchens (in )
In der Schulvariante gegeben (hier: ). Historisch war ihre Bestimmung der schwierigste Teil — Millikan gewann sie aus der Sinkgeschwindigkeit über das Stokes-Gesetz (siehe historische Durchführung).
Berechnet
- — Elektrische Feldstärke (in )
Zwischengröße — sie übersetzt die gemessene Spannung in die Kraft pro Ladung.
Konstante
- — Fallbeschleunigung (in )
Bekannter Wert — Bestandteil der Gewichtskraft.
Der Weg von der Messung zum Ergebnis:
Für diese Zielsetzung brauchst du:
- Übersetzt die messbare Spannung in die Feldstärke des homogenen Feldes zwischen den Platten.Zur Formelsammlung
- Das nach aufgelöste Kräftegleichgewicht des schwebenden Tröpfchens — die Auswertungsformel dieser Variante.Zur Formelsammlung
Versuchsprotokoll
So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.
1Aufgabenstellung
Ein Öltröpfchen der befindet sich zwischen den waagerechten Platten eines Kondensators (Plattenabstand ). Die wird so eingestellt, dass das Tröpfchen schwebt. Bestimme aus den Messwerten die des Tröpfchens und prüfe, ob sie ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung ist.
2Vorbetrachtung
Die Situation durchdenken, bevor gerechnet wird. Auf das Tröpfchen zwischen den Platten wirken unter den Bedingungen dieser Betrachtung zwei :
- die , senkrecht nach unten — sie hängt nur von der ab;
- die elektrische Kraft , entlang der Feldlinien — ihre Stärke lässt sich über die regeln, ihre Richtung hängt vom Vorzeichen der ab. Damit sie nach oben zeigt, muss die Platte, die das Tröpfchen anzieht, oben liegen.
(Der Auftrieb des Tröpfchens in Luft ist rund tausendmal kleiner als die Gewichtskraft — Öl ist etwa 750-mal dichter als Luft — und wird deshalb in dieser Betrachtung vernachlässigt.)
Vom Schweben zur Formel — der Gedankengang
Was heißt „schweben“ physikalisch? Das Tröpfchen ruht — es bewegt sich weder auf noch ab. Nach dem Trägheitssatz bedeutet das: Die resultierende Kraft ist null, die beiden Kräfte sind im Gleichgewicht:
Jetzt werden beide Kräfte durch ihre bekannten Ausdrücke ersetzt — links die elektrische Kraft auf die Ladung im Feld, rechts die Gewichtskraft:
Gesucht ist , also durch teilen (, sonst gäbe es keine elektrische Kraft und kein Schweben):
ist nicht direkt messbar — messbar sind Spannung und Plattenabstand. Im homogenen Feld des gilt ; das wird eingesetzt (durch einen Bruch teilen heißt mit dem Kehrwert multiplizieren):
Die Formel ist damit nicht „gegeben“, sondern entstanden: aus der Beobachtung (Schweben) über das Kräftegleichgewicht zu einer Gleichung aus lauter messbaren bzw. bekannten Größen. Genau dieser Dreischritt — Situation → Gesetz → Gleichung — ist das Muster jeder physikalischen Auswertung.
Zur Erinnerung an das Vorwissen: Ein geladenes Teilchen im homogenen Feld erfährt die Kraft entlang der Feldlinien. Beim Millikan-Versuch wird diese Kraft nicht zum Beschleunigen genutzt, sondern als Gegenspieler der Gewichtskraft — so, dass sich beide genau aufheben.
3Geräte / Stoffe
Die Geräteliste des Grundaufbaus gilt vollständig; entscheidend sind die regelbare Spannungsquelle (fürs Einregeln des Schwebens) und das Spannungsmessgerät (für den Messwert).
Plattenkondensator (waagerecht, Plattenabstand d)
Erzeugt zwischen den Platten das homogene , das die elektrische auf das geladene Tröpfchen ausübt.
Regelbare Hochspannungsquelle mit Spannungsmessgerät
Liefert die und macht sie messbar. Regelbar muss sie sein, damit sich die elektrische genau so einstellen lässt, dass ein Tröpfchen schwebt.
Zerstäuber mit Öl
Erzeugt feinste Öltröpfchen (Radius unter einem Mikrometer), die sich durch elektrisch aufladen. Öl statt Wasser, weil die Tröpfchen sonst während der Beobachtung verdunsten.
Beleuchtung und Messmikroskop
Die Tröpfchen sind zu klein, um sie direkt zu sehen — im Seitenlicht erscheinen sie im Mikroskop als helle Lichtpunkte, deren Bewegung sich verfolgen lässt.
4Skizze des Versuchsaufbaus
Die Skizze des Grundaufbaus zeigt den mit . Für diese Variante kommt gedanklich das Kräftebild hinzu: am schwebenden Tröpfchen greifen (nach unten) und (nach oben) an — gleich lang gezeichnet, denn genau das ist das Gleichgewicht.
Das Herzstück des Aufbaus: ein . Zwischen den waagerechten Platten herrscht ein (nahezu) homogenes mit — überall gleich stark und gleich gerichtet. Nur deshalb lässt sich die elektrische auf ein Tröpfchen so einfach berechnen.
Der schulische Aufbau besteht aus einem waagerecht liegenden Plattenkondensator (Plattenabstand , regelbare ), einem Zerstäuber, der feinste Öltröpfchen in den Raum zwischen den Platten bringt, einer seitlichen Beleuchtung und einem Messmikroskop. Die Tröpfchen laden sich beim Zerstäuben durch elektrisch auf — welche ein einzelnes Tröpfchen trägt, ist zunächst unbekannt und genau das, was bestimmt werden soll.
Warum waagerechte Platten? Die zeigt senkrecht nach unten. Sollen elektrische Kraft und Gewichtskraft gegeneinander arbeiten können, muss die elektrische Kraft senkrecht nach oben zeigen — also müssen die Feldlinien senkrecht verlaufen, und dafür liegen die Platten waagerecht: die positive Platte unten oder oben, je nach Vorzeichen der Tröpfchenladung.
5Durchführung
Schritt 1: Tröpfchen einbringen. Mit dem Zerstäuber Öltröpfchen zwischen die Platten sprühen. Im Mikroskop erscheinen sie als helle Punkte, die langsam sinken.
Schritt 2: Ein Tröpfchen auswählen und die einregeln. Ein einzelnes, langsam sinkendes Tröpfchen ins Auge fassen und die Spannung langsam erhöhen. Geladene Tröpfchen werden langsamer, bleiben stehen oder steigen — je nach . Die Spannung so nachregeln, dass das gewählte Tröpfchen still steht.
Schritt 3: Messwerte ablesen. Die Schwebespannung ablesen. Der Plattenabstand wird einmal am Aufbau gemessen.
6Beobachtung
Ohne sinken alle Tröpfchen langsam und gleichmäßig (nicht — die Luftreibung begrenzt die sofort). Mit wachsender Spannung ändern manche Tröpfchen ihr Verhalten: Sie werden langsamer, stehen still oder steigen — andere sinken unbeeindruckt weiter. Bei einem ausgewählten Tröpfchen steht im Beispiel bei die Bewegung still.
7Auswertung
Schritt 1: berechnen. Zuerst wird die Umrechnung fällig: — die Feldstärke verlangt Meter, sonst stimmen die Einheiten der Kette nicht.
Schritt 2: aus dem Kräftegleichgewicht.
(Zur Einheit: — es kommt tatsächlich eine Ladung heraus.)
Schritt 3: Die entscheidende Prüfung — Vielfaches von ?
Das Tröpfchen trägt also (im Rahmen der Messgenauigkeit) genau zwei Elementarladungen — es fehlen ihm zwei Elektronen oder es trägt zwei zu viel, je nach Vorzeichen. Erst diese Prüfung macht aus einer Ladungsmessung den Blick auf die Quantisierung: Ein einzelnes Tröpfchen könnte zufällig passen — dass bei vielen Tröpfchen immer ganzzahlige Vielfache herauskommen (historisch an hunderten Tröpfchen gemessen), trägt die Aussage.
8Fazit
Aus Schwebespannung , Plattenabstand und der gegebenen Tröpfchenmasse ergibt sich die . Die Fragestellung ist beantwortet: Die gemessene Ladung ist ein ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung — im Einklang mit dem historischen Befund, dass elektrische Ladung gequantelt ist. Eine einzelne Messung belegt die Quantisierung nicht; sie fügt sich in das Muster, das erst durch viele Messungen an vielen Tröpfchen trägt.
9Fehlerbetrachtung
Die Fehlerquellen der Schwebemethode unterscheiden sich deutlich von denen des Fadenpendels: Hier dominieren nicht Reaktionszeiten, sondern die Instabilität des Schwebezustands und die Frage, wie gut die eingehenden Größen — allen voran die Tröpfchenmasse — wirklich bekannt sind.
Schwebezustand nicht exakt bestimmbareher zufällig
- Ursache
Brownsche Bewegung und kleinste Luftströmungen lassen das Tröpfchen um seine Lage zittern; „es steht still“ ist immer ein Urteil über einige Sekunden Beobachtung.
- Auswirkung
Die abgelesene Schwebespannung streut um einige Prozent; wegen überträgt sich das direkt auf . Bei der Zuordnung zu fällt das erst auf, wenn die Streuung an eine halbe Elementarladung heranreicht.
- Verbesserung
Länger beobachten, mehrfach neu einregeln und mitteln; Konvektion vermeiden (Kammer geschlossen halten, Beleuchtungswärme minimieren).
Tröpfchenmasse ungenaueher systematisch
- Ursache
In der Schulvariante wird vorgegeben — real ist die eines einzelnen Tröpfchens schwer zugänglich. Historisch wurde sie aus der Sinkgeschwindigkeit über das Stokes-Gesetz bestimmt, das für sehr kleine Radien selbst korrekturbedürftig ist.
- Auswirkung
: Jeder relative Fehler der geht eins zu eins in die . Millikans um zu kleiner -Wert hatte genau hier seine Wurzel — im ungenauen Viskositätswert, der über das Stokes-Gesetz in die Massenbestimmung einging.
- Verbesserung
Historische Lösung: je Tröpfchen aus der Sinkbewegung bestimmen und die Stokes-Korrektur für kleine Radien anwenden; im Schulversuch: die Herkunft des angegebenen m hinterfragen.
Feld am Rand nicht homogen / Platten nicht exakt paralleleher systematisch
- Ursache
gilt für das homogene Feld zwischen ausgedehnten, parallelen Platten. Am Plattenrand krümmen sich die Feldlinien, und ein ungleichmäßiger Plattenabstand macht ortsabhängig.
- Auswirkung
Für Tröpfchen nahe am Rand stimmt die berechnete nicht — wird systematisch falsch, ohne dass man es der Einzelmessung ansieht.
- Verbesserung
Nur Tröpfchen in der Mitte des Plattenraums auswerten; Plattenabstand an mehreren Stellen messen.
Vernachlässigter Auftriebeher systematisch
- Ursache
Das Tröpfchen verdrängt Luft; die Auftriebskraft wirkt der entgegen und wurde im Modell weggelassen.
- Auswirkung
Die wirksame ist um das Verhältnis der von Luft und Öl kleiner — etwa . Der Fehler ist klein gegen die übrigen Unsicherheiten, aber systematisch: wird stets geringfügig überschätzt.
- Verbesserung
Für Präzisionsmessungen die Auftriebskorrektur mitführen: statt die um den Auftrieb verminderte ansetzen (so auch historisch bei Millikan über die Dichtedifferenz von Öl und Luft).
Warum ist dieses Experiment wichtig?
Die Bedeutung des liegt auf drei Ebenen:
- Ladungsquantisierung als Messergebnis. Dass nur in Vielfachen von auftritt, war nun keine Deutung von Mittelwerten mehr, sondern an einzelnen Teilchen gemessen — mit dem Umladungssprung als unmittelbar sichtbarer Ladungsstufe.
- Ein Präzisionswert für . Mit ließen sich weitere Konstanten berechnen, allen voran die Avogadro-Konstante (über die Faraday-Konstante der Elektrolyse) — und damit und Anzahl von Atomen. Das Experiment stärkte so die damals noch nicht selbstverständliche Überzeugung, dass Atome real und zählbar sind.
- Methodisch ein Maßstab. Die Kombination aus Einzelteilchen-Beobachtung, kontrollierter Störgrößenkorrektur (Stokes-Korrektur) und tausendfacher Wiederholung wurde zum Vorbild für Präzisionsmessungen.
Millikan erhielt 1923 den Nobelpreis für Physik — ausdrücklich für seine Arbeiten zur Elementarladung und zum photoelektrischen Effekt (NobelPrize.org).
Was kam danach?
Millikans Zahlenwert wurde in den folgenden Jahrzehnten korrigiert: Der von ihm verwendete Wert für die Zähigkeit der Luft war etwas zu klein, wodurch sein um rund unter dem heutigen Wert lag. Präzisere Viskositätsmessungen und später völlig unabhängige Methoden (etwa über Röntgenbeugung an Kristallen zur Avogadro-Bestimmung) führten die Konstante immer genauer.
Das Ende dieser Entwicklung ist bemerkenswert: Seit der Neudefinition des SI-Einheitensystems 2019 wird die Elementarladung nicht mehr gemessen, sondern ist exakt festgelegt: . Die Logik hat sich umgekehrt — heute definiert die Einheit Coulomb, nicht umgekehrt. Aus der gesuchten Größe von 1913 ist ein Grundpfeiler des Einheitensystems geworden.
Wie verstehen wir das Experiment heute?
Aus heutiger Sicht kommen zwei Einordnungen hinzu, die Millikan noch nicht kennen konnte:
- Quarks tragen Drittelladungen. Nach dem Standardmodell der Teilchenphysik tragen Quarks von und . Das widerspricht Millikans Ergebnis nicht: Quarks treten nie frei auf, sondern nur in Verbünden (wie Proton und Neutron), deren Gesamtladung stets ein ganzzahliges Vielfaches von ist. Für jedes frei beobachtbare Teilchen gilt die Quantelung unverändert — , die nach frei beweglichen Drittelladungen suchten (teils mit modernisierten Millikan-Aufbauten), fanden keine.
- Die Größe „Elementarladung“ blieb, ihr Status änderte sich. Was 1913 ein Messwert mit Unsicherheit war, ist seit 2019 eine definierte Konstante. Dass ein und dieselbe Größe diesen Weg gehen kann — von der umstrittenen Vermutung über den Präzisionsmesswert bis zum Fundament des Einheitensystems —, macht dieses Experiment zu einem Musterbeispiel dafür, wie physikalische Erkenntnis entsteht und reift.
Quellen
Die historischen Aussagen dieser Seite stützen sich auf die folgenden Quellen. Die Darstellung ist eigenständig didaktisch aufbereitet und keine Übernahme der Texte.
- On the Elementary Electrical Charge and the Avogadro Constant — Robert A. Millikan (1913), Physical Review 2, 109–143 Zur Quelle
- The Isolation of an Ion, a Precision Measurement of its Charge, and the Correction of Stokes's Law — Robert A. Millikan (1911), Physical Review (Series I) 32, 349–397
- Robert A. Millikan — Facts (Nobelpreis für Physik 1923), NobelPrize.org, Nobel Prize Outreach Zur Quelle
- My work with Millikan on the oil-drop experiment — Harvey Fletcher (1982), Physics Today 35 (6), 43–47
- Subelectrons, Presuppositions, and the Millikan–Ehrenhaft Dispute — Gerald Holton (1978), Historical Studies in the Physical Sciences 9, 161–224
- Le Système international d’unités / The International System of Units (SI-Broschüre, 9. Auflage) (2019), Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) Zur Quelle
Das Wichtigste
- Historische Frage
Tritt nur in diskreten Portionen auf — und wie groß ist die kleinste, die Elementarladung?
- Idee
Die einzelner Öltröpfchen messen statt Mittelwerte über Millionen Teilchen — nur so ist entscheidbar, ob Ladung gequantelt ist.
- Zentrale Physik (Schulvariante)
Schwebendes Tröpfchen ⇒ Kräftegleichgewicht ⇒ ⇒ .
- Historisches Ergebnis
Alle gemessenen sind ganzzahlige Vielfache einer kleinsten Ladung. Millikan (1913): esu — nach heutiger Kenntnis rund zu klein, weil der damals verwendete Wert der Luftviskosität ungenau war.
- Heute
Seit der SI-Reform 2019 ist exakt festgelegt — die Einheit Coulomb wird über definiert, nicht mehr umgekehrt.
- Wichtigste Fehlerquelle (Schulvariante)
Das Schweben ist nie perfekt: Brownsche Bewegung und Luftströmungen stören, und die Tröpfchenmasse muss unabhängig bekannt sein — historisch war gerade ihre Bestimmung der schwierigste Teil.
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