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Geschichte

Geschichte der Bestimmung der Elementarladung

Die Idee, dass elektrische Ladung durch diskrete Teilchen hervorgerufen wird, wurde zuerst 1750 von Benjamin FRANKLIN beschrieben. 1881 erhielten diese Teilchen den Namen Elektronen, die Größe ihrer Ladung war aber unbekannt.

Den ersten Versuch zur direkten Messung von \(e\) unternahm 1897 Sir John Sealy Edward TOWNSEND. Er bemerkte, dass sich an geladene Ionen Wassermoleküle ansetzen, wenn man das Gas durch eine Schicht Wasser leitet. Über die Fallgeschwindigkeit bestimmte TOWNSEND die Masse einzelner Wassertröpfchen, wobei er bereits das STOKESsche Gesetz zu Hilfe nahm. Durch verschiedene Messungen makroskopischer Größen berechnete TOWNSEND schließlich die Ladung eines einzelnen Ions. Der gesamte Versuch war jedoch von einigen unsicheren Annahmen geprägt. Zum Beispiel ging TOWNSEND davon aus, dass jedes Ion einfach geladen war und dass jedes Ion auch Wasser an sich bindet, was jedoch in keiner Weise experimentell oder theoretisch bestätigt werden konnte. Außerdem führte die schnelle Verdunstung des Wassers zu Messfehlern. Dennoch führten Messreihen mit positiven und negativen Ionen zu einer Elektronenladung von ca. \(1,0 \cdot {10^{ - 19}}{\rm{As}}\). Eine Wiederholung des Versuches ergab zwar abweichende Werte, jedoch war nun die Größenordnung von \(e\) bekannt.

Ungefähr zur gleichen Zeit bestimmte Sir Joseph John THOMSON die spezifische Ladung \(\frac{e}{m}\) von Elektronen und bewies damit ihren Teilchencharakter. Mit einigen Verbesserungen des Versuchaufbaus von TOWNSEND erhielt THOMSON als Endergebnis seiner Untersuchungen für die Elektronenladung Werte zwischen \(1,8 \cdot {10^{ - 19}}{\rm{As}}\) und \(2,8 \cdot {10^{ - 19}}{\rm{As}}\). Nach einer zweiten Messung gab Thomson schließlich den Wert \(2,2 \cdot {10^{ - 19}}{\rm{As}}\) an.

1903 stellte Harold Albert WILSON ein Experiment vor, bei dem in einem völlig anderen Ansatz die Geschwindigkeiten von ionisierten Wassertröpfchen gemessen wurde, die von einem Zerstäuber zwischen zwei geladene Metallplatten gesprüht wurden. Zuerst wurde die Geschwindigkeit der Tröpfchen nur unter dem Einfluss der Gewichtskraft, dann unter dem Einfluss von Gravitationskraft und elektrischer Feldkraft gemessen. Da WILSON in seinen Berechnungen fälschlicherweise davon ausging, dass alle Teilchen in Größe und Masse übereinstimmen, und das Problem der Verdunstung des Wassers weiterhin ungelöst blieb, erhielt auch er für die Ladung eines einzelnen Elektrons nur Werte zwischen \(0,66 \cdot {10^{ - 19}}{\rm{As}}\) und \(1,47 \cdot {10^{ - 19}}{\rm{As}}\).

1909 begann Robert Andrews MILLIKAN an der University of Chicago mit der Verbesserung des Versuchs von WILSON. Er verwendete zur Herstellung des elektrischen Feldes eine Batterie mit einer Spannung von \(10000{\rm{V}}\), wofür damals sehr viel Aufwand nötig war, und legte diese Spannung an zwei horizontal angebrachten Metallplatten. Diese beiden Platten waren \(1,6{\rm{cm}}\) voneinander entfernt. In der Mitte der oberen negativen Platte brachte er einen Zerstäuber an, der ca. \(1{\rm{\mu m}}\) große Öltröpfchen in den Zwischenraum der Platten sprühte. Durch ein Mikroskop stoppte er dann die Zeit, die ein Tröpfchen brauchte, um unter Einwirkung der Gravitationskraft (die gegen die Reibungskraft des Tröpfchens wirkte) eine markierte Entfernung von \(1,303{\rm{cm}}\) zurückzulegen. Danach fiel das Tröpfchen in einen Strahl von Röntgenstrahlen von denen es ionisiert wurde. Unter dem Einfluss des elektrischen Feldes stieg das nun geladene Öltröpfchen dann wieder und die Durchgangszeit wurde ein zweites Mal gemessen. Aber erst nachdem das STOKESsche Gesetz, das die Reibungskraft von fallenden Körpern beschrieb, mit Hilfe der Korrekturen von Ebenezer CUNNINGHAM richtig für die Öltröpfchen angewandt wurde, erhielt MILLIKAN 1910 für die Ladung des Elektrons den Wert von \(1,63 \cdot {10^{ - 19}}{\rm{As}}\). Bis zum Jahr 1917 verbesserte er diesen Wert auf \(1,59 \cdot {10^{ - 19}}{\rm{As}}\).

Heutige Messungen ergeben mit der noch im Prinzip gleichen Versuchsanordnung den Wert \(1,602 \cdot {10^{ - 19}}{\rm{As}}\).

Quellen: u.a. MILLIKAN, Robert Andrews: Das Elektron. Seine Isolierung und Messung. Bestimmung einiger seiner Eigenschaften, Braunschweig, Vieweg, 1922.