A história de Millikan, o primeiro físico a ver o elétron
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Em 1923, o físico americano Robert Andrews Millikan (1868-1953) recebeu o Prêmio Nobel de Física,
“pelo seu trabalho sobre a carga elementar da eletricidade e sobre o efeito fotoelétrico”.
Em sua palestra Nobel “O elétron e o quantum de luz do ponto de vista experimental”, ele se referiu ao experimento que lhe permitiu determinar a carga do elétron, deixando seu público convencido de que havia visto elétrons:
“Aquele que viu esse experimento, e centenas de investigadores o observaram, literalmente viu o elétron”.
Freqüentemente, os físicos dizem que vemos as coisas nas quais estamos trabalhando, não importa quão pequenas ou mesmo abstratas possam ser. Há pouca dúvida, porém, de que dentro do aparato usado por Millikan havia um mundo de partículas com o qual ele se tornou tão familiarizado que afirmava ver coisas naquele mundo.
A física requer experimentos, medições precisas e, é claro, conclusões a serem tiradas. Existem numerosos exemplos de experimentos decisivos na história da física. Um dos mais famosos e importantes deles foi o que possibilitou a determinação da carga do elétron, conduzido por Millikan em 1909, que ficou conhecido como experimento da gota de óleo ou simplesmente experimento de Millikan. De fato, é considerado um dos “mais belos experimentos da física” e foi fundamental para permitir a medição da carga do elétron.
Robert Andrews Millikan nasceu em Morrison, Illinois (EUA) em 22 de março de 1868. Depois de se formar no Oberlin College em Ohio (1891) -onde gostou particularmente de estudar grego e matemática- fez dois cursos de física elementar, o que despertou seu interesse nesta disciplina. Em 1893 foi premiado com uma bolsa na Universidade de Columbia, da qual recebeu seu PhD em 1895 com uma tese sobre a polarização da luz emitida por superfícies incandescentes. Fenômeno originalmente observado (1824) por François Aragó, Millikan usou ouro e prata fundidos do Departamento do Tesouro dos Estados Unidos para provar sua tese. Depois de passar um ano (1896) na Alemanha nas Universidades de Berlim e Götingen, ele retorna aos Estados Unidos para aceitar o convite do físico e Prêmio Nobel Albert A. Michelson para se tornar seu assistente no recém-fundado Laboratório Ryerson na Universidade de Chicago. Ele viria a se tornar um conferencista lá (1910), cargo que ocupou até 1921. No decorrer de sua vida (ele morreu em 1953), Millikan foi professor de física, diretor do Norman Bridge Physics Laboratory e presidente do California Instituto de Tecnologia (CALTECH).
Uma gota de óleo para “desmascarar” o elétron
Millikan foi uma figura chave no desenvolvimento da física nos Estados Unidos na primeira metade do século XX. Se fosse necessário classificá-lo como físico, sua faceta de físico experimental teria, sem dúvida, de ser destacada, assim como as numerosas e importantes descobertas que fez, predominantemente nos campos da ótica e da física molecular. A primeira grande conquista de Millikan foi determinar a carga do elétron, para o qual ele usou o "método da gota de óleo". J. J. Thomson, o físico britânico, já havia estabelecido a relação carga/massa do elétron em 1897, mas nenhum deles separadamente. Assim, se fosse possível determinar um desses valores separadamente (carga ou massa), o outro poderia ser facilmente calculado. Millikan, com a ajuda de Harvey Fletcher, um de seus alunos de doutorado, usou o experimento da gota de óleo para medir a carga do elétron (e com isso, sua massa). Quando Millikan iniciou uma longa série de experimentos em 1907, ele já trabalhava na Universidade de Chicago havia dez anos, era casado, era pai de três filhos e estava prestes a completar 40 anos. Ele havia conquistado grande renome como professor de física, mas ainda não havia conquistado nada digno de nota como investigador científico.
A carga elétrica fundamental é uma das constantes básicas da física, consequentemente, sua determinação precisa é essencial para esta disciplina. Em seu experimento, Millikan mede a força elétrica em uma pequena gota de óleo que foi carregada por um campo elétrico criado entre dois eletrodos quando a gota estava no campo gravitacional. Como o campo elétrico era conhecido, foi possível determinar a carga acumulada na gota de óleo.
Um spray formou gotas de óleo, algumas das quais caíram através de uma pequena abertura em um espaço de área de campo elétrico uniforme por duas placas carregadas paralelas. Um microscópio tornou possível observar uma determinada gota de óleo e aprender sua massa medindo a velocidade terminal de sua queda. A gota de óleo foi carregada com raios-x e, ajustando o campo elétrico, foi possível fazer com que ela permanecesse em repouso, em equilíbrio estático, quando a força elétrica fosse igual à força gravitacional oposta. Millikan, realizando uma tarefa longa e tediosa que envolvia um conjunto de experimentos colaterais, repetiu o experimento inúmeras vezes, concluindo que os resultados obtidos poderiam ser explicados se houvesse uma única carga elementar (cujo valor ele determinou) e as cargas identificadas eram múltiplos inteiros desse número.
Em 1909, ele enviou seu primeiro artigo para publicação, no qual explicava uma técnica que chamou de “um método de equilíbrio de gota para determinar a carga do elétron, e”, intitulado “Uma nova modificação do método da nuvem para determinar a carga elétrica elementar e o valor mais provável dessa carga”. Millikan incluiu suas opiniões pessoais sobre a confiabilidade e validade de cada uma de suas 38 observações. Ele marcou sete observações "muito boas" com dois asteriscos, dez "boas" com um único asterisco e deixou as treze restantes "satisfatórias" sem marcar. Um genuíno ato de honestidade, a respeito do qual o historiador da ciência Gerald Holton mais tarde se referiria como “um gesto bastante incomum em publicações científicas”. Em setembro de 1910, Millikan publicou um segundo artigo na revista Science sobre a carga de elétrons intitulado, “O isolamento de um íon, uma medição precisa de sua carga e a correção da lei de Stokes”, o primeiro a explicar completamente seu método de “equilíbrio de queda”.
Três anos depois, em 1913, Millikan melhorou os resultados obtidos para determinar a carga do elétron e = 4,774 ± 0,009 x 10-10 unidades eletrostáticas de carga (esu), ou seja, 1,592 x 10-19 C (1 esu = 3,33564 × 10-10 C) que está ligeiramente abaixo do valor atualmente aceito de 1,602 x 10-19 C, provavelmente porque Millikan usou um valor impreciso para a viscosidade do ar.
Mas este não foi o único experimento “crucial” conduzido pelo meticuloso Millikan. Em 1905, no decorrer de seu Annus Mirabilis, Albert Einstein publicou o artigo intitulado “Sobre um ponto de vista heurístico sobre a criação e conversão da luz”. Neste artigo, Einstein analisa teoricamente o efeito fotoelétrico, introduzindo de forma convincente o conceito de “quantum de luz” (mais tarde renomeado como fóton) e aplicando as ideias de Max Planck, antes que qualquer um de seus colegas o fizesse, para explicar teoricamente o efeito fotoelétrico efeito. O próprio Planck acabou por ser um dos mais ferrenhos críticos dessa ideia de quanta de luz, enquanto Millikan rejeitou a ideia de Einstein como uma "hipótese precipitada, para não dizer tola", rapidamente começando a trabalhar em mostrar experimentalmente a Einstein o erro de sua teoria. caminhos. Após dez anos de experimentos (1916), Millikan publicou seus resultados na revista Physical Review em um artigo intitulado “A Direct Photoelectric Determination of Planck's h”. No entanto, e ao contrário do que pretendia originalmente, Millikan não só validou experimentalmente a equação de Einstein para o efeito fotoelétrico, como também determinou a constante de Planck, h. A conclusão do artigo de Millikan de 1916 não deixa margem para dúvidas:
“A equação fotoelétrica de Einstein foi submetida a testes muito minuciosos e parece em todos os casos prever exatamente os resultados observados”.
No entanto, Millikan pretendia demonstrar com seus experimentos que a ideia de “quanta de luz” de Einstein estava errada. Em um artigo intitulado “Albert Einstein em seu septuagésimo aniversário” (1949), na revista Reviews of Modern Physics, Millikan escreveu:
“Passei dez anos da minha vida testando aquela equação de Einstein de 1905 [o efeito fotoelétrico] e, ao contrário de todas as minhas expectativas, fui compelido em 1915 a afirmar sua verificação experimental inequívoca, apesar de sua irracionalidade, pois parecia violar tudo o que sabíamos da interferência da luz”.
Em 14 de novembro de 1923, Millikan recebeu um telegrama da Real Academia Sueca de Ciências informando-o de que havia recebido o Prêmio Nobel de Física por seu trabalho sobre a carga elementar da eletricidade e o efeito fotoelétrico, tornando-o o segundo americano a receba-o. O texto do telegrama é o seguinte:
5 gs d 2625 803R
ESTOCOLMO 10h30 14 DE NOVEMBRO DE 1923
DOUTOR MILLIKAN
PASADENA, CALIF
PRÊMIO NOBEL DE FÍSICA CONCEDIDO A VOCÊ POR FAVOR, TELEFONE SE VOCÊ PODE ESTAR PRESENTE EM ESTOCOLMO, 10 DE DEZEMBRO
HOEDERBAUM, SECY ACADEMY OF SCIENCE
Millikan participou da Terceira Conferência Solvay realizada em Bruxelas (1921) e foi premiado com doutorado honorário por vinte e cinco universidades em todo o mundo. Além do Prêmio Nobel de Física, ele também recebeu o Prêmio Comstock de Física da Academia Nacional de Ciências, a Medalha Edison e a Medalha Hughes da Royal Society, sem mencionar uma série de outras honrarias. Millikan morreu em 19 de dezembro de 1953 em San Marino, Califórnia, aos 85 anos.
