羅伯特·安德魯·密立根（美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，測(cè)定電子電荷量與光電效應(yīng)）

人物經(jīng)歷
研究成果
油滴實(shí)驗(yàn)
人物評(píng)價(jià)

羅伯特·安德魯·密立根（Robert Andrews Millikan，1868年3月22日—1953年12月19日），美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家、1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主。

1896年-1921年間，密立根擔(dān)任美國(guó)芝加哥大學(xué)物理學(xué)教授，并進(jìn)行了一系列測(cè)定電子電荷以及光電效應(yīng)的工作，包括著名的油滴實(shí)驗(yàn)，因而獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。?1921年起，密立根在美國(guó)加州理工學(xué)院任教，直至1945年退休。

人物經(jīng)歷

1868年3月22日羅伯特·安德魯·密立根生于伊利諾斯州的莫里森，是其父母的第二個(gè)兒子。

1886年密立根進(jìn)入俄亥俄州的奧柏森大學(xué)（Oberlin College）后，從二年級(jí)起被聘在初等物理班擔(dān)任教員，他很喜愛這個(gè)工作，這使他更深入地鉆研物理學(xué)。

1891年大學(xué)畢業(yè)后，仍繼續(xù)在初級(jí)物理班講課兩年，由此寫成了廣泛流傳的教材。在大學(xué)期間，密立根最喜歡的學(xué)科就是希臘語和數(shù)學(xué)。

1893年取得碩士學(xué)位，同年得到哥倫比亞大學(xué)物理系攻讀博士學(xué)位的獎(jiǎng)金。

1895年密立根博士畢業(yè)，成為哥大物理系建系來畢業(yè)的第一位物理學(xué)博士。隨后他留學(xué)德國(guó)的柏林和哥廷根大學(xué)。

1896年回國(guó)任教于芝加哥大學(xué)。由于教學(xué)成績(jī)優(yōu)異，第二年就升任副教授。

1910年，由于他出色的教學(xué)和科研工作，正式提升為正教授。

1921年，密立根離開芝加哥大學(xué)，轉(zhuǎn)職到了加州理工學(xué)院擔(dān)任物理系Normal Bridge Laboratory的主任。在那里，他主要研究由另外一名物理學(xué)家維克多-海斯（Victor Hess）發(fā)現(xiàn)的從外太空來的射線，密立根證明，這些射線確實(shí)來自于外太空，并且命名為“宇宙射線”（Cosmic Rays）。

1921年到1945年密立根退休之前，擔(dān)任加州理工執(zhí)行理事會(huì)的主席，并在此期間，讓加州理工成為全美最優(yōu)秀的研究型大學(xué)之一。

1953年12月19日，由于心臟病發(fā)作，密立根死于他在加州的家中，時(shí)年85歲。

研究成果

測(cè)定元電荷

密立根以其實(shí)驗(yàn)的精確著名。從1907年一開始，他致力于改進(jìn)威耳遜云霧室中對(duì)α粒子電荷的測(cè)量甚有成效，得到盧瑟福的肯定。盧瑟福建議他努力防止水滴蒸發(fā)。

1909年，當(dāng)他準(zhǔn)備好條件使帶電云霧在重力與電場(chǎng)力平衡下把電壓加到10000伏時(shí)，他發(fā)現(xiàn)的是云層消散后“有幾顆水滴留在機(jī)場(chǎng)中”，從而創(chuàng)造出測(cè)量電子電荷的平衡水珠法、平衡油滑法，但有人攻擊他得到的只是平均值而不是元電荷。

1910年，他第三次作了改進(jìn)，使油滴可以在電場(chǎng)力與重力平衡時(shí)上上下下地運(yùn)動(dòng)，而且在受到照射時(shí)還可看到因電量改變而致的油滴突然變化，從而求出電荷量改變的差值；

1913年，他得到電子電荷的數(shù)值：e=（4．774±0．009）×10-10esu，這樣，就從實(shí)驗(yàn)上確證了元電荷的存在。他測(cè)的精確值最終結(jié)束了關(guān)于對(duì)電子離散性的爭(zhēng)論，并使許多物理常數(shù)的計(jì)算獲得較高的精度。

普朗克常量

他還致力于光電效應(yīng)的研究經(jīng)過細(xì)心認(rèn)真的觀測(cè)，

1916年，他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全肯定了愛因斯坦光電效應(yīng)方程，并且測(cè)出了當(dāng)時(shí)最精確的普朗克常量h的值。由于上述工作，密立根贏得1923年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

元素火花光譜學(xué)

他還對(duì)電子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下逸出金屬表面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。他還從事元素火花光譜學(xué)的研究工作，測(cè)量了紫外線與X射線之間的光譜區(qū)，發(fā)現(xiàn)了近1000條譜線，波長(zhǎng)直到13．66nm）使紫外光譜遠(yuǎn)超出了當(dāng)時(shí)已知的范圍。他對(duì)x射線譜的分析工作，導(dǎo)致了烏倫貝克（G．E．Uhlenbeek1900～1974）等人在1925年提出電子自旋理論。

宇宙射線

他在宇宙線方面也做過大量的研究。他提出了“宇宙線”這個(gè)名稱。研究了宇宙粒子的軌道及其曲率，發(fā)現(xiàn)了宇宙線中的“α粒子、高速電子、質(zhì)子、中子、正電子和V量子。改變了過去“宇宙線是光子”的觀念。尤其是他用強(qiáng)磁場(chǎng)中的云室對(duì)宇宙線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，導(dǎo)致他的學(xué)生安德森在1932年發(fā)現(xiàn)正電子。

油滴實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)步驟

密立根油滴實(shí)驗(yàn)，美國(guó)物理學(xué)家密立根所做的測(cè)定電子電荷的實(shí)驗(yàn)。

1907-1913年密立根用在電場(chǎng)和重力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的帶電油滴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)所有油滴所帶的電量均是某一最小電荷的整數(shù)倍，該最小電荷值就是電子電荷。用噴霧器將油滴噴入電容器兩塊水平的平行電極板之間時(shí)，油滴經(jīng)噴射后，一般都是帶電的。在不加電場(chǎng)的情況下，小油滴受重力作用而降落，當(dāng)重力與空氣的浮力和粘滯阻力平衡時(shí)，它便作勻速下降，它們之間的關(guān)系是：mg=F1+B（1），式中：mg──油滴受的重力，F(xiàn)1──空氣的粘滯阻力，B──空氣的浮力。

令δ、ρ分別表示油滴和空氣的密度；a為油滴的半徑；η為空氣的粘滯系數(shù)；vg為油滴勻速下降速度。因此油滴受的重力為 mg=4/3πa^3δg(注：a^3為a的3次方，一下均是)，空氣的浮力 mg=4/3πa^3ρg，空氣的粘滯阻力f1=6πηaVg （流體力學(xué)的斯托克斯定律?，Vg表示v下角標(biāo)g）。于是（1）式變?yōu)椋?/3πa^3δg=6πηaVg+4/3πa^3ρg，可得出油滴的半徑a=3(ηVg/2g(δ-ρ))^1/2（2），當(dāng)平行電極板間加上電場(chǎng)時(shí)，設(shè)油滴所帶電量為q，它所受到的靜電力為qE，E為平行極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度，E=U/d，U為兩極板間的電勢(shì)差，d為兩板間的距離。適當(dāng)選擇電勢(shì)差U的大小和方向，使油滴受到電場(chǎng)的作用向上運(yùn)動(dòng)，以vE表示上升的速度。當(dāng)油滴勻速上升時(shí)，可得到如下關(guān)系式：F2+mg=qE+B（3），式中F2為油滴上升速度為Ve時(shí)空氣的粘滯阻力：F2=6πηaVe，由（1）、（3）式得到油滴所帶電量q為q=(F1+F2)/E=6πηad/(Vg+Ve)（4）。（4）式表明，按（2）式求出油滴的半徑a后，由測(cè)定的油滴不加電場(chǎng)時(shí)下降速度vg和加上電場(chǎng)時(shí)油滴勻速上升的速度vE，就可以求出所帶的電量q。注意上述公式的推導(dǎo)過程中都是對(duì)同一個(gè)油滴而言的，因而對(duì)同一個(gè)油滴，要在實(shí)驗(yàn)中測(cè)出一組vg、vE的相應(yīng)數(shù)據(jù)。用上述方法對(duì)許多不同的油滴進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明，油滴所帶的電量總是某一個(gè)最小固定值的整數(shù)倍，這個(gè)最小電荷就是電子所帶的電量e。將儀器接入220伏交流電源。高壓電源調(diào)節(jié)置于0位置，旋開油滴室蓋子，把水準(zhǔn)器放置在上極板面上，利用調(diào)平螺釘將油滴室內(nèi)的平行板電容器板面調(diào)節(jié)水平。調(diào)節(jié)顯微鏡目鏡，使分劃板刻線明顯清晰。再把大頭針插入上板小孔中，調(diào)節(jié)光源角度，直到從顯微鏡中觀察大頭針周圍光場(chǎng)最明亮、范圍最大和光強(qiáng)均勻?yàn)橹?，然后撥出大頭針擰上蓋子準(zhǔn)備噴油。由于本步驟要調(diào)節(jié)電容器極板，謹(jǐn)防極板帶電，應(yīng)由教師調(diào)節(jié)。用噴霧器將油滴噴入油滴室內(nèi)，從顯微鏡中觀察油滴運(yùn)動(dòng)情況。實(shí)驗(yàn)時(shí)先找一個(gè)合適的油滴（較小的油滴，運(yùn)動(dòng)較緩慢，所帶電量小于5個(gè)基本電量），使它自由落下，然后再加上電場(chǎng)使它向上運(yùn)動(dòng)（上升太快或太慢就適當(dāng)調(diào)節(jié)電壓）。

這樣在重力和電場(chǎng)力交替作用下，讓油滴反復(fù)上升、下落若干次，在整個(gè)視場(chǎng)內(nèi)都可以看得很清楚，否則需要重新選擇。用停表作記錄：記錄油滴n次下落一定的距離L（顯微鏡分劃板刻線的距離），所經(jīng)歷的總時(shí)間tg總，記錄油滴n次上升同一距離L，所經(jīng)歷的總時(shí)間tE總（兩次記錄必須是對(duì)同一油滴），用油滴所通過的總距離nL分別除以總時(shí)間tg總及tE總就得出vg和vE利用公式（4）算出油滴所帶的電量q。按照上述方法選取6－10個(gè)不同的油滴進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算它們各自所帶的電量。數(shù)據(jù)處理：本實(shí)驗(yàn)只要求學(xué)生進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)字處理和分析。按書后的表格記錄數(shù)據(jù)和計(jì)算，該表是用國(guó)產(chǎn)油滴儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得到的一組數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)背景

1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子的存在后，人們進(jìn)行了多次嘗試，以精確確定它的性質(zhì)。湯姆生又測(cè)量了這種基本粒子的比荷（荷質(zhì)比），證實(shí)了這個(gè)比值是唯一的。許多科學(xué)家為測(cè)量電子的電荷量進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)探索工作。電子電荷的精確數(shù)值最早是美國(guó)科學(xué)家密立根于1917年用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的。密立根在前人工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行基本電荷量e的測(cè)量，他作了上百次測(cè)量，一個(gè)油滴要盯住幾個(gè)小時(shí)，可見其艱苦的程度。密立根通過油滴實(shí)驗(yàn)，精確地測(cè)定基本電荷量e的過程，

實(shí)驗(yàn)意義

是一個(gè)不斷發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的過程。為了實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，他創(chuàng)造了實(shí)驗(yàn)所必須的環(huán)境條件，例如油滴室的氣壓和溫度的測(cè)量和控制。開始他是用水滴作為電量的載體的，由于水滴的蒸發(fā)，不能得到滿意的結(jié)果，后來改用了揮發(fā)性小的油滴。

最初，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過公式計(jì)算出的e值隨油滴的減小而增大，面對(duì)這一情況，密立根經(jīng)過分析后認(rèn)為導(dǎo)致這個(gè)謬誤的原因在于，實(shí)驗(yàn)中選用的油滴很小，對(duì)它來說，空氣已不能看作連續(xù)媒質(zhì)，斯托克斯定律已不適用，因此他通過分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)斯托克斯定律作了修正，得到了合理的結(jié)果。

密立根的實(shí)驗(yàn)裝置隨著技術(shù)的進(jìn)步而得到了不斷的改進(jìn)，但其實(shí)驗(yàn)原理至今仍在當(dāng)代物理科學(xué)研究的前沿發(fā)揮著作用，例如，科學(xué)家用類似的方法確定出基本粒子──夸克的電量。油滴實(shí)驗(yàn)中將微觀量測(cè)量轉(zhuǎn)化為宏觀量測(cè)量的巧妙設(shè)想和精確構(gòu)思，以及用比較簡(jiǎn)單的儀器，測(cè)得比較精確而穩(wěn)定的結(jié)果等都是富有啟發(fā)性的。