羅伯特·安德魯·密立根

羅伯特·安德魯·密立根

羅伯特·安德魯·密立根(Robert Andrews Millikan,1868年3月22日—1953年12月19日),美國實驗物理學家。 1896年-1921年間,密立根在世界頂級學府芝加哥大學進行了一系列測定電子電荷以及光電效應的卓越工作,包括著名的油滴實驗,因而獲得1923年諾貝爾物理學獎。

基本信息

人物經歷

簽名 簽名

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

年輕時候的密立根 年輕時候的密立根

1886年密立根進入俄亥俄州的奧柏森大學(Oberlin College)後,從二年級起被聘在初等物理班擔任教員,他很喜愛這個工作,這使他更深入地鑽研物理學。

1891年大學畢業後,仍繼續在初級物理班講課兩年,由此寫成了廣泛流傳的教材。在大學期間,密立根最喜歡的學科就是希臘語和數學。

1893年取得碩士學位,同年得到哥倫比亞大學物理系攻讀博士學位的獎金。

羅伯特·安德魯·密立根 羅伯特·安德魯·密立根

1895年密立根博士畢業,成為哥大物理系建系來畢業的第一位物理學博士。隨後他留學德國的柏林和哥廷根大學。

1896年回國任教於芝加哥大學。由於教學成績優異,第二年就升任副教授。

1910年,由於他出色的教學和科研工作,正式提升為正教授。

1921年,密立根離開芝加哥大學,轉職到了加州理工學院擔任物理系Normal Bridge Laboratory的主任。在那裡,他主要研究由另外一名物理學家維克多-海斯(Victor Hess)發現的從外太空來的射線,密立根證明,這些射線確實來自於外太空,並且命名為“宇宙射線”(Cosmic Rays)。

1921年到1945年密立根退休之前,擔任加州理工執行理事會的主席,並在此期間,讓加州理工成為全美最優秀的研究型大學之一。

1953年12月19日,由於心臟病發作,密立根死於他在加州的家中,時年85歲。

研究成果

測定元電荷

密立根油滴實驗 密立根油滴實驗

密立根以其實驗的精確著名。從1907年一開始,他致力於改進威耳遜雲霧室中對α粒子電荷的測量甚有成效,得到盧瑟福的肯定。盧瑟福建議他努力防止水滴蒸發。

1909年,當他準備好條件使帶電雲霧在重力與電場力平衡下把電壓加到10000伏時,他發現的是雲層消散後“有幾顆水滴留在機場中”,從而創造出測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,使油滴可以在電場力與重力平衡時上上下下地運動,而且在受到照射時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值:e=(4.774±0.009)×10-10esu,這樣,就從實驗上確證了元電荷的存在。他測的精確值最終結束了關於對電子離散性的爭論,並使許多物理常數的計算獲得較高的精度。

普朗克常量

他還致力於光電效應的研究經過細心認真的觀測,

1916年,他的實驗結果完全肯定了愛因斯坦光電效應方程,並且測出了當時最精確的普朗克常量h的值。由於上述工作,密立根贏得1923年度諾貝爾物理學獎。

元素火花光譜學

1923年 1923年

他還對電子在強電場作用下逸出金屬表面進行了實驗研究。他還從事元素火花光譜學的研究工作,測量了紫外線與X射線之間的光譜區,發現了近1000條譜線,波長直到13.66nm)使紫外光譜遠超出了當時已知的範圍。他對x射線譜的分析工作,導致了烏倫貝克(G.E.Uhlenbeek1900~1974)等人在1925年提出電子自鏇理論。

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”這個名稱。研究了宇宙粒子的軌道及其曲率,發現了宇宙線中的“α粒子、高速電子、質子、中子、正電子和V量子。改變了過去“宇宙線是光子”的觀念。尤其是他用強磁場中的雲室對宇宙線進行實驗研究,導致他的學生安德森在1932年發現正電子。

油滴實驗

實驗步驟

密立根油滴實驗,美國物理學家密立根所做的測定電子電荷的實驗。

實驗儀器 實驗儀器

1907-1913年密立根用在電場和重力場中運動的帶電油滴進行實驗,發現所有油滴所帶的電量均是某一最小電荷的整數倍,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,油滴經噴射後,一般都是帶電的。在不加電場的情況下,小油滴受重力作用而降落,當重力與空氣的浮力和粘滯阻力平衡時,它便作勻速下降,它們之間的關係是:mg=F1+B(1),式中:mg──油滴受的重力,F1──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為空氣的粘滯係數;vg為油滴勻速下降速度。因此油滴受的重力為 mg=4/3πa^3δg(註: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 (流體力學的斯托克斯定律 ,Vg表示v下角標g)。於是(1)式變為:4/3πa^3δg=6πηaVg+4/3πa^3ρg,可得出油滴的半徑a=3(ηVg/2g(δ-ρ))^1/2(2),當平行電極板間加上電場時,設油滴所帶電量為q,它所受到的靜電力為qE,E為平行極板間的電場強度,E=U/d,U為兩極板間的電勢差,d為兩板間的距離。適當選擇電勢差U的大小和方向,使油滴受到電場的作用向上運動,以vE表示上升的速度。當油滴勻速上升時,可得到如下關係式:F2+mg=qE+B(3),式中F2為油滴上升速度為Ve時空氣的粘滯阻力: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後,由測定的油滴不加電場時下降速度vg和加上電場時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過程中都是對同一個油滴而言的,因而對同一個油滴,要在實驗中測出一組vg、vE的相應數據。用上述方法對許多不同的油滴進行測量。結果表明,油滴所帶的電量總是某一個最小固定值的整數倍,這個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。高壓電源調節置於0位置,鏇開油滴室蓋子,把水準器放置在上極板面上,利用調平螺釘將油滴室內的平行板電容器板面調節水平。調節顯微鏡目鏡,使分劃板刻線明顯清晰。再把大頭針插入上板小孔中,調節光源角度,直到從顯微鏡中觀察大頭針周圍光場最明亮、範圍最大和光強均勻為止,然後撥出大頭針擰上蓋子準備噴油。由於本步驟要調節電容器極板,謹防極板帶電,應由教師調節。用噴霧器將油滴噴入油滴室內,從顯微鏡中觀察油滴運動情況。實驗時先找一個合適的油滴(較小的油滴,運動較緩慢,所帶電量小於5個基本電量),使它自由落下,然後再加上電場使它向上運動(上升太快或太慢就適當調節電壓)。

這樣在重力和電場力交替作用下,讓油滴反覆上升、下落若干次,在整個視場內都可以看得很清楚,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),所經歷的總時間tg總,記錄油滴n次上升同一距離L,所經歷的總時間tE總(兩次記錄必須是對同一油滴),用油滴所通過的總距離nL分別除以總時間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個不同的油滴進行測量,計算它們各自所帶的電量。數據處理:本實驗只要求學生進行簡單的數字處理和分析。按書後的表格記錄數據和計算,該表是用國產油滴儀進行實驗所得到的一組數據。

實驗背景

1897年湯姆生髮現了電子的存在後,人們進行了多次嘗試,以精確確定它的性質。湯姆生又測量了這種基本粒子的比荷(荷質比),證實了這個比值是唯一的。許多科學家為測量電子的電荷量進行了大量的實驗探索工作。電子電荷的精確數值最早是美國科學家密立根於1917年用實驗測得的。密立根在前人工作的基礎上,進行基本電荷量e的測量,他作了上百次測量,一個油滴要盯住幾個小時,可見其艱苦的程度。密立根通過油滴實驗,精確地測定基本電荷量e的過程,

實驗意義

是一個不斷發現問題並解決問題的過程。為了實現精確測量,他創造了實驗所必須的環境條件,例如油滴室的氣壓和溫度的測量和控制。開始他是用水滴作為電量的載體的,由於水滴的蒸發,不能得到滿意的結果,後來改用了揮發性小的油滴。

最初,由實驗數據通過公式計算出的e值隨油滴的減小而增大,面對這一情況,密立根經過分析後認為導致這個謬誤的原因在於,實驗中選用的油滴很小,對它來說,空氣已不能看作連續媒質,斯托克斯定律已不適用,因此他通過分析和實驗對斯托克斯定律作了修正,得到了合理的結果。

密立根的實驗裝置隨著技術的進步而得到了不斷的改進,但其實驗原理至今仍在當代物理科學研究的前沿發揮著作用,例如,科學家用類似的方法確定出基本粒子──夸克的電量。油滴實驗中將微觀量測量轉化為巨觀量測量的巧妙構想和精確構思,以及用比較簡單的儀器,測得比較精確而穩定的結果等都是富有啟發性的。

人物評價

他的求實、嚴謹細緻,富有創造性的實驗作風也成為物理界的楷模。

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