盧瑟福使數值精確,液滴也可做出測量,單個電子的電量!

2020-12-04 科學伴我行

哈嘍小夥伴們大家好,在此之前許多年,密立根就已經關注此項測量的進展,並在全心投入教學工作之餘,為日後的親手測量做了大量理論上的準備。不過,即使當密立根決心吻別教科書從事科學研究時,他仍然意識到他有進一步失敗的危險;而且當他選定測量電子電荷作為自己首選課題時,自己也並沒有很大的信心。開始時他僅僅重複了威爾遜的方法,觀測了垂直電場對雲層上端下落速度的影響。

然後利用斯託克斯定律確定了電荷。其間密立根只是作了一些程序上的改進,得到的值雖然優於威爾遜的值,受到過盧瑟福的肯定,並也因此使密立根受到鼓舞,但由於威爾遜的方法不僅在理論上,而且在實踐上都存在一些缺陷,盧瑟福就深刻地指出,這種測定方法忽略了液滴的蒸發,這將導致對離子數目的估計偏大,從而使其值偏小。盧瑟福還進一步建議在防止水分蒸發上下功夫。

為了更精確地測定數值,必須排除由於蒸發引起的偏差。密立根認為,他首先應該設法讓帶電的雲層能夠懸浮在空中不動,這樣可以研究水分的蒸發率。為此密立根決定將電場的方向改為與重力方向相反,並加大電壓。一九零九年春夏之際,密立根開始了新的測量工作。當他把與重力方向相反的電壓加大到一千伏時,出現了一種他根本沒有預料到的意外情形,雲層不僅沒有保持靜止。

相反,由液滴形成的雲霧在強電場作用下竟迅速以各自不同的速度散發開了!為作用上克過速以各自不同的速度散發開了!在這一意外的現象面前,密立根顯示出了一個優秀科學家所必備的天賦和敏銳的判斷力。他曾描述過他當時的思想變化:雲層的消失最初好像破壞了我的實驗,但是當我重複這一實驗時,我立即看到一些雲層上端更重要的東西,因為重複的實驗顯示出,每當雲霧被強大的電場驅散時。

總有幾顆單獨的液滴留在那兒。這些帶有適量電荷的液滴由於在電場中受到電場力和重力的同時作用而保持了平衡,所以浮在空中。而在此之前,所測得的值都是平均值,因而未能意識到不同液滴上所帶的電荷是不同的,而是認為被滴上的電荷都相等;正是在這一錯誤的假定下,密立根才設想整個雲層可以在適當電場作用下懸浮在空中。這次意外的發現,使密立根恍然大悟。

他開始意識到對單個液滴也可作出測量,直至測出單個電子的電量。正是採用了這一使單個帶電液滴懸浮在空中的新方法,密立根測出了更好的值。他還指出,這一新方法可以避免各種有問題的理論假設,它的精確性之同空氣粘滯係數的精度有關。這些預言後來都基本上得到證實。此後這一數值作為個物理學基本常數被當作國際標準達十年之久。從科學史上看,密立根對物理學的貢獻是不容置疑的。

但是,好景不長,另一位科學家厄倫哈夫特突然對密立根測定的值,以及原子分子理論進行了公開的攻擊,並因此而揭穿了密立根的一系列不夠地道的科學研究手段。今天的內容到這兒就結束了,喜歡的小夥伴記得關注和留言哦,我們下期見。

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