密立根与电化学巧测电子电荷

时间：2023-05-05 百科知识版权反馈

【摘要】：密立根与电化学巧测电子电荷密立根与电化学巧测电子电荷电是我们现代生活中不可缺少的能源。随着现代物理学的迅猛发展，精确测量出电子电荷，已成为非常迫切需要解决的问题。正是由于密立根用油滴实验精确测定电子电荷，以及对光电效应的研究，而使他获得了1923年诺贝尔物理学奖。电子所带电量虽然十分微小，但是准确测定电子电荷的密立根却显得非常伟大。

密立根与电化学巧测电子电荷

电是我们现代生活中不可缺少的能源。然而，在距今100年前人类还未曾发现电和使用电能。

19世纪末叶，电到底是什么？怎样传输？它的能量是从哪儿来的？这些问题人们还不清楚。于是各地的科学家都企图回答这一系列的问题。在这一领域用来进行研究的基本仪器之一是克鲁克斯管，现在通称为阴极射线管。当我们把阴极射线管的两个电极跟电池连通后，便有一种看不见的放电从负极（阴极）流向正极（阳级）。人们所能看见的，只是放电时加热的阴极发出的辉光。

克鲁克斯管

克鲁克斯管内部结构

1895年，伦琴使用克鲁克斯管发现X射线。现在我们知道，X射线实际上是比可见光的波长更短的电磁波，是阴极射线撞击到某种金属物体时产生的。然而，那时的科学家们却不知道阴极射线到底是什么，这个谜在一年半以后才被揭穿。

在剑桥的卡文迪许实验室，汤姆生教授和助手卢瑟福重做了伦琴的实验，发现阴极射线是带负电的粒子，汤姆生把这些带负电的粒子称为电子。

电子是非常非常小的微观粒子，它所携带的电荷更是极其微小的，因此，要测量电子电荷是很困难的。在威尔逊发明了云室后，汤姆生便在英国剑桥大学的卡文迪许实验室利用威尔逊云室测量了电子所带的电荷“e”。但他测量得到的e值为1．03×10－19库仑，比现今公认的值小35%。1903年，威尔逊利用自己发明的云室，测得e值为0．67×10^－19～1．47×10^－19库仑，其平均值和汤姆生测得的e值差不多，误差都比较大。

伦琴

卢瑟福

1906年，美国物理学家密立根开始研究这一课题。他首先重复了汤姆生、威尔逊的实验，测得的结果很不一致。1908年，他在做了一系列重大改进的基础上，测得的e值为1．57×10^－19库仑，误差小了很多，但他仍不满意。1909年秋天，他放弃了威尔逊云室的方法而改用油滴法做实验。他和他的合作者测量了上千个油滴的电荷，结果发现每一个油滴所带的电荷都是e的整数倍，从而巧妙地精确测出电子的电荷为1．602×10^－19库仑，误差仅为±0．002×10^－19库仑。

电子发现后，人们对电子电荷进行了无数次的测量，其中包括汤姆生本人所进行的，但都没有取得精确的结果。随着现代物理学的迅猛发展，精确测量出电子电荷，已成为非常迫切需要解决的问题。这不仅是关系到现代物理学的精确性，更重要的是关系到原子结构、辐射理论、电的概念等一系列现代物理学的基本问题。正是由于密立根用油滴实验精确测定电子电荷，以及对光电效应的研究，而使他获得了1923年诺贝尔物理学奖。

电子所带电量虽然十分微小，但是准确测定电子电荷的密立根却显得非常伟大。密立根是美国出生的学者中第一个获得诺贝尔物理学奖的科学家，他是20世纪20～30年代美国科学界最活跃的领袖人物之一。

密立根

密立根全名是罗伯特·安德鲁斯·密立根，1868年3月22日出生于美国伊科诺斯州的一个乡村小镇——莫利森。这里人口稀少，风光秀丽。他从小是个贪玩的孩子，没有受过专门的教育，也没有读过多少书。他8岁才开始上学，到17岁高中毕业时，还没有受过多少自然科学知识的教育。他父亲是个穷牧师，虽然家境不算贫寒，但也说不上宽裕。

上高中时，学校仅有一位物理教师，也是这个学校的校长，他也不怎么懂物理学。

有一次，他向老师提出问题：“空气为什么能够传播声音呢？”

老师却说：“声音怎么能由空气传播呢？胡说八道！”

这一下子刺伤了密立根的自尊心，弄得他面红耳赤，瞠目结舌，他开始讨厌物理学这门课程。

高中毕业后，没有钱进入大学读书，为了能够继续学习深造，他自己开始想办法挣钱，他到锯木厂做过杂工，担任过法庭的记录员。到1886年，他挣得了一笔钱，终于进入了奥伯林学院，在这里，他对希腊语、拉丁语和代数产生了浓厚兴趣，但高中时对物理学的厌恶，在这里丝毫也没有变化。他与物理学结下的不解之缘还要从一个偶然的机会说起。

那是1889年春末，奥伯林学院需要一名教授预科学生物理学的教师，希腊语教授帕克偏偏选定了密立根。

一天下课，正当他想回宿舍时，突然，帕克教授叫道：

“密立根，请您到我的办公室来，我有事情要同您商量。”密立根根本没有想到老师让他去做一名物理学教师，当他在帕克教授的办公室坐定后，老师说道：

“学院要我物色一名物理学教师，我看你能胜任。”听到这话，密立根惊呆了，接着教授又说，“这事已定了！”

“我对物理学一窍不通，怎么，怎么……”密立根吞吞吐吐地回绝着，没等他说完，教授打断了他的话。

“任何一个能够学希腊文的人都能教授好物理学！”教授的话是不容置疑的。

“好吧，我尽力试一试，但您必须承担后果。”他不得不服从教授的决定。

就这样，密立根被强行推进了物理学王国，也从此与物理结下了不解之缘。

强大的压力促使密立根开始真正地学习物理学，并逐渐改变了对这一学科的看法。不久，在奥伯林学院的物理讲台上，密立根那生动活泼的讲授，开始受到学生和校方的称赞，首次的成功，鼓舞了他的自信。

1891年秋，密立根从奥伯林学院毕业，并获得文学学士学位，留校继续任教，并兼教体育。他利用工作之余，自学了汤姆生那冗长而枯燥的《电动力学》，1893年获得了硕士学位。直到这时，密立根还没有意识到自身所蕴藏的物理学才能。一个又一个的成功曾使他激动、振奋，但随之而来的烦恼与恐惧又使他不安，纵横交错的心情使他难以看到未来的曙光。说来也巧，1893年又是那位教希腊语的帕克教授，悄悄地将密立根的成绩单和一封推荐信寄给了哥伦比亚大学，不久，密立根就获得了哥伦比亚大学700美元的奖学金，成为那里唯一的一名物理学研究生，从此，他开始对物理学发生了真正的兴趣。

哥伦比亚大学

密立根两次受到帕克教授的推荐，并不是偶然的，因为密立根在奥柏林学院除物理外，各科成绩都很突出，名列前茅。

他来到哥伦比亚大学学习刚刚一年，不幸的事情发生了：密立根的奖学金被别人给挤掉了。是回去，还是继续在这里攻读呢。在这举棋不定的时刻他想起了帕克教授对他的一片诚心，“不能辜负老师的厚望，我要渡过难关。”他暗暗下了决心，正是这一决心使他后来荣登物理学的殿堂。

迈克耳逊，阿尔贝特·亚伯拉罕1852－1931德裔美国物理学家，同莫雷·爱德华一起证明以太这一假设的电磁波介质的不存在，因其光谱学和气象学的研究获1907年诺贝尔奖。

后来他不得不靠为别人代课来渡过难关。1894年6月，密立根结识了美国物理学家迈克耳逊，迈克耳逊由于在1878—1890年精确地测定了光速和进行了著名的以太漂移实验而成为美国物理学界的大名星。夏天，密立根专程到芝加哥大学拜访他，经过长达一个多月的交谈，使他更加崇拜迈克耳逊，决心要成为迈克耳逊式的物理学家。

理想具有伟大的力量，是伟大的理想把密立根送上科学研究的轨道。

1895年，密立根完成了论文“关于炽热的液体和固体表面所放射出的光的偏振的研究”，获得了哥伦比亚大学博士学位。

1895年5月，在哥伦比亚大学教授帕品的资助下，密立根赴德国继续深造，他先后在柏林和哥廷根两地学习和做研究工作。

当时柏林和哥廷根是两个科学圣地，常常荟萃着一批又一批科学明星。在这里，使密立根看到了一个新的世界，他如饥似渴地学习、研究……在著名的物理化学家能斯特的实验室进行研究时，能斯特广泛的研究兴趣，严密的研究方法，使密立根深受启发；而能斯特组织物理学家、化学家联合研究两学科交叉的一些边缘问题的做法，直接萌发了密立根合作研究的思想。

1896年他回到美国芝加哥大学当助教，成为迈克耳逊教授的助手，并讲授物理学课程，不久，他以高水平的教学在芝加哥大学闻名遐迩。

正当密立根在物理学领域大显身手的时候，爱情闯入了他的生活。1899年，他结识了来自伊利诺斯州的姑娘布兰查德。姑娘年轻、漂亮，是芝加哥大学希腊语专业的学生。她特别佩服密立根的聪明才智，二人很快情投意合，相亲相爱了，然而，姑娘的父亲是一位富有的机械制造商，他很看重金钱，认为女儿和这位穷书生结婚是一种冒险。由于父亲的坚持，姑娘只好恳求密立根，要他尽快达到每年至少有1500美元的收入，否则，他们只能天各一方。这对密立根宏伟的抱负无疑是一个强烈的刺激，他开始夜以继日地奋斗。

1902年4月10日，密立根终于被“批准”同布兰查德小姐结婚。不久，他被提升为助理教授，1907年又晋升为副教授。

1908年，密立根研究生涯中的一个崭新时期开始了。他选择了第一个具有重大意义的研究课题——测量电子的电荷。经过近10年的艰苦努力，1917年，他终于利用油滴实验精确测定出电子的电荷为e＝1．602×10－19库仑，误差仅为±0．002×10－19库仑。这是人类第一次精确测量到了基本的电子电荷，推动了原子物理学的发展。

与此同时，密立根经过3年的努力，通过精心巧妙的实验，证明了爱因斯坦的光电效应方程的正确性。并通过光电效应首次测出普朗克常数h＝6．624×10－27尔格·秒，这也是当时取得的最精确的数值。