密立根油滴实验——“最美丽”的十大物理实验之十，本文主要内容关键词为：十大论文,最美丽论文,物理实验论文,密立根油滴论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1923年12月10日，在瑞典斯德哥尔摩的音乐厅里，美国著名物理学家R·A·密立根（Robert Andrews Millikan，1868～1953）登上了领奖台，领取了物理学的最高荣誉——诺贝尔物理学奖。他由于用“油滴法”巧妙而精确地测量了电子电荷以及在光电效应方面的研究而获此殊荣。
电荷有两个基本特征：一是遵循守恒定律；二是具有量子性。所谓量子性是说存在正的和负的基本电荷，一切带电物体的电荷都是基本电荷的整数倍。在原子、亚原子的实验现象被大量发现，理论被确立的今天，人们已确知负的基本电荷即电子电荷，正的基本电荷即质子电荷。然而在这些微观理论确立之前，人们是在对电现象的漫长的观察和研究中，逐步感知到电荷的基本特征——守恒和量子性的，并逐步用实验进行了验证。1834年法拉第通过实验建立了电解定律：等量电荷通过不同电解液时，电极上析出物质的质量与该物质的化学当量成正比。电解定律可以解释为在电解过程中，形成电流的是正、负离子的运动，这些离子的电荷是基本电荷的整数倍。1897年，J·J·汤姆孙证明了电子的存在，并测量了这种基本粒子的荷质比。然而，直接以实验验证电荷量子性并以寻求基本电荷为目的的实验则首推密立根油滴实验。
在1909年密立根和他的研究生开始测定电子电荷的时候，还没有人求得这一基本常数的可靠值。电子是非常小的微观粒子，它所携带的电荷极其微小，因此，要测量电子的电荷是很困难的。更有少数反原子论的物理学家坚持认为，这不是单个粒子的恒量，而是各种电能的统计平均值。尽管如此，科学研究者们还是对测量电子电荷进行了多次尝试。在威耳逊发明了云室后，J·J·汤姆孙便在英国剑桥大学的卡文迪什实验室利用威耳逊云室测量了电子所带的电荷“e”，但他测得的e值为1.03×10[-19]库仑，比现在公认的值小35％，1903年，威耳逊利用自己发明的云室，测得的e值为0.67×10[-19]～1.47×10[-19]库仑，其平均值和J·J·汤姆孙测得的e值差不多，误差都比较大。
密立根最初研究该课题时，也利用了在威耳逊实验基础上改进后的方法，这一方法的要点是：首先测定荷电水蒸气云在引力作用下的下降速率，然后用电场的反向作用力修正这一速率，再利用斯托克斯黏性定律算出云雾的质量，这样一来在原则上就可以算出离子电荷，但是密立根认识到这一方法中的许多不确定性，包括云雾表面的蒸发干扰了它的下降速度的测定。为了对此进行纠正，他很快研究了当强电场使云雾处于驻定位置时云雾的蒸发。当密立根加上强电场时，云雾消失了，在原来有云雾的地方只留下少数水滴，相应于所加的电场缓慢运动，他很快认识到，测定单个水滴上的电子电荷比测定云雾中大量粒子的电荷要精确得多，于是设计了一种研究单个水滴在电场和重力场作用下运动的方法，密立根可以做到在水滴蒸发前，有45秒时间来测定水滴上的电荷，更为重要的是，他观测到任何给定的水滴上的电荷总是一个不可减少的值的整数倍，这一结果为电子是一个具有同样电荷与质量的基本粒子提供了最有说服力的证据。然而，密立根所采用的这种测量方法仍然有其固有的误差和不确定性，原因在于：1.难使“小滴”的运动环境——空气完全稳定；2.难使所施加的电场充分均匀；3.小滴的逐渐蒸发会使观察某一给定小滴的时间无法超过1分钟，即测定小滴在仅有重力时下落的时间不能超过5、6秒钟；4.须假定斯托克斯定律对所选用的小滴精确成立。
后来，密立根用油滴代替水滴，使实验方法大大改进，因为油的挥发性较低，可以使测定油滴的升降达4.5小时。这个经过改进的方法不仅完全摆脱了上述所有局限性，而且构成了一种研究电离作用的全新方法，它在一系列方面都能给出重要的结果。
1.使一微小油滴带上1～150个之间的任何所需数目的电离空气的离子。
2.通过对该携带离子的油滴在电场和重力场中行为的研究，为“所有电荷，不论是怎样产生的，都是某一确定基本电荷的精确倍数”这一理论的正确性提供了直接而确切的证明。换言之，它证明了电荷并不是均匀地分布在带电体表面上，而是具有一种明确的微粒结构，事实上是些数目确定的微粒，它们全都极为相像，并像胡椒面一样散布在带电体的表面上。
3.与所有值得商榷的理论假设都无关地测定出基本电荷的精确值，其准确程度只受空气黏滞系数测量可达到的精度的限制。
4.直接测定一个分子骚动动能的数量级，这为物质的分子动理论的正确性提供了新的、直接的、最可信的证据。
5.证明全部，至少是大多数电离空气的离子，不论为正还是为负，带的都是基本电荷的整数倍的电荷。
6.证实了当小球直径与媒质分子的平均自由程可比时，小球在黏滞媒质中运动的斯托克斯定律不再成立，并确定了该定律不成立的精确条件。
下面让我们简要描述密立根油滴实验的装置和测量过程。
上图为密立根油滴实验所用的装置示意图。喷雾器A通过除尘，空气把一束细油滴喷入防尘箱C，其中便会有一滴或数滴通过针孔P落入水平放置的空气电容器的两个极板M和N之间，电池组B加在两板之间，产生一个近似均匀的电场，小油滴经过喷嘴喷出时，因摩擦而带电荷。这样小油滴将在电场力、重力、空气阻力和浮力作用下下落或上升。在强光照射下，可通过显微镜观察油滴的运动。
从油滴上下运动的速度，可求出油滴的带电量。如果用X射线或镭照射油滴，使油滴所带电量发生改变，就会看到油滴的速度突然发生变化，从而求出电荷量改变的差。
小油滴所带电荷相对值的推导。
设小油滴的表观质量m，所带的电荷e[，n]，在重力场中的速度v[，1]以及在强度为E的电场影响下的速度v[，2]之间的关系遵循简单的方程
除了假定小油滴的速度与它受的力成正比之外，式中不包含任何假设，而上述假设可由下面的实验得到充分而精确的验证，进一步说，方程（1）不仅对确定某个给定小油滴上的全部电荷（该电荷是通过捕获离于得到的）的相对值是充分的，而且对于满足前述的要求（3，4，6除外）也是充分的，然而，为了得到方程（1）中m的一个暂设估计值，并由此得出小油滴所带电荷的暂设绝对值，先应假定斯托克斯定律是正确的，但要清楚地记住，现在所考虑的结论与这个假定是否成立完全无关。
斯托克斯定律最简单的形式是：若η是媒质的黏滞系数，f是作用在媒质中半径为a的小球上的力，v是小球在此力影响下的运动速度，则有
f=6πηav（2）
可以看出在斯托克斯定律中，速度与力成正比。
将作用在密度为ρ的媒质中的密度为σ的小球上的合力代入此方程，就得到重力作用下小球下落速度的一般表达式，即
为了作出无可辩驳的论证，密立根还用阴极射线和a，β射线做了类似的实验，而且研究了小物体在气体中降落的规律和小物体的布朗运动规律，1910年末，密立根得到了电子的电荷为
e=4.891×10[-10]静电单位
密立根认识到这个数值的精确度不会优于计算中所涉及的关键常量的精确度，所以他又重新估算了斯托克斯定律中空气的黏滞系数和平均自由程，1913年，密立根完成了精确测定电子电荷的工作，在《物理学评论》第Ⅱ卷第2期（1913）上发表了题为《关于基本电荷和阿伏伽德罗常量》的长篇论文，公布了测定的电子电荷值为
e=（4.774±0.009）×10[-10]静电单位
密立根的历史功绩就在于以巧妙的实验，确凿的数据证明了电荷的量子性。正如物理学家加尔斯特兰德所说：“他（密立根）对单位电荷的精确求值是对物理学的不可估量的贡献，它能使我们以较高的精密度计算大量最重要的物理常量。”
电子电荷是最基本的物理常量之一，是现代物理学的一块重要基石。
注：目前采用的电子电荷值是国际物理和化学常量委员会（CODATA）推荐的1998年平差值（见《物理通报》2001年第10期第4页）
e=1.602176462（63）×10[-19]库仑
——编者