密立根油滴实验物理史-上海交通大学物理实验中心.DOC

密立根（Robert Andrews Millikan，1868—1953）1868年3月22日出生于美国一个小镇莫里森镇上一个穷牧师的家中。在他五，一家人搬到衣阿，他上学很晚，除了希腊语和数学以外，几乎没有什么特长。１８８５年克科他中。在了短期法庭之，他入了奥伯林学院。1889年，他在奥伯林学院念大学，二年级快结束时，一位教授请他协助给预科开基础物理课。由于他刻苦自学，数学基础好，常采用演示实验和生动讲授相结合的方法，不仅胜任了这一工作，还颇受学生欢迎，因为这比教授们照本宣科的方法高明得多。正是由于这个机会，年轻的密立根对物理学发生了浓厚的兴趣。1891年他从奥伯林学院毕业后，一边继续教书，一边自学，两年后获硕士学位。1893年，密立根获奖学金到哥伦比亚大学当博士研究生，以炽热表面发光的偏振性为题获博士学位。继而得到资助去欧洲留学。1896年回国后，接受迈克耳（A.A.Michelson）邀请到芝加哥大学任教。 密立根在芝加哥大学从事教学多年，先后与他人合作出版了一系列物理教材。同时，他也协助迈克耳孙指导高年级学生进行科学研究。为此，他很注意物理学的发展动态，收集了大量有关资料，以备选题和指导时参考。这种情况一直持续到1906年，这时，密立根已经38岁了。虽然教学工作成绩卓著，却没有在科学研究上获得成果，为此他很着急，决心投身到科学研究的前沿。一次在介绍J.J.汤姆1897年发现电子的论文时，受到了极大地启发，使他决心以基本电荷的测定为出发点，立即开始进行科学研究。 他先和研究生贝济曼（L.Begeman）一起，重复了卡文迪什实验室的工作。在这之前，J.J.汤姆领导他的卡文迪什实验室成员已经多次测定电子电荷。其中有：汤森德（J.S.E.Townsend）的电解法、J.J.汤姆自己的膨胀云室法以及H.A.威耳逊的平板电极法。他们得到的都是统计平均结果，不能令人满意。 密立根和贝济曼最初只是重复H.A.威耳逊的实验，所得结果没有什么进步。后来改用镭作为电离剂，代替X射线，结果比H.A威耳逊的略好，得e＝4.03×10-10esu。1908年在美国物理学会年会上宣读了论文。他们的论文被卢瑟福注意到了。卢瑟福和盖革刚从α射线得到He＋＋的电荷值为9.3×10-10esu，假设氦离子所带电荷为｜2e｜，则e应为4.65×10-10esu。J.J.汤姆和威耳逊比卢瑟福的小30％，而密立根的只小15％。所以，卢瑟福对密立根的工作给予肯定，并指出这一实验还可以改进，应在防止水滴蒸发上下功夫，因为蒸发会造成离子数偏大，而使e值偏小。此时，卢瑟福已因放射性的研究获诺贝尔化学奖，很有名气。卢瑟福的肯定当然对密立根是很大的鼓励，促使他进一步改进自己的实验。于是，密立根设法让带电云雾的顶层在重力和电场力的作用下稳定不动，以观察云雾蒸发的情况。这件事很容易办到，因为只要把电场力的方向改为与重力相反，并且加大电压就可以了。 1909年春夏之际，密立根将电压加到1万伏。当他合上电闸，奇迹出现了。云层哪里稳定得住，竟立即消散离析，很强的电场作用在带电雾粒上，使雾粒各自以不同的速度散开。这一偶然事件启发了密立根想到有可能对单个液滴进行测量。就这样密立根发明了水珠平衡法。 1909年，密立根用水珠平衡法测量电子电荷，年底发表结果，得e＝4.65×10-10esu。这一年的8月，英国科学促进会在加拿大温尼伯（Winnipeg）市召开年会，密立根参加了。数学物理分会的主席是卢瑟福，他当时提到了电子电荷实验，并举出密立根1909年发表的结果予以赞扬。但卢瑟福也表示遗憾，说还没有哪种电学或光学方法能直接得出单个电子的电荷，像α粒子那样。拉摩（J.Larmor）则建议密立根注意斯托克斯定律的有效性。这次大会给密立根极大鼓励，使他了解到自己的工作处于科学的最前沿，是亟待解决的问题。就在从加拿大返回芝加哥的火车途中，他突然灵感上心，想到了可以用钟表油来做液粒，因为钟表油是几乎一点也不蒸发的。 回到芝加哥后，他立即请技师做了一个空气电容器，用两块22cm直径的圆铜板、三块石英柱（接近完全绝缘）放在平板的外缘。在上板的中心钻了半毫米的小孔，让喷雾器喷出的油滴可以经小孔进入平板之间，平板上加一万伏可以随意调节的电压。这就是密立根油滴仪最早的设计。密立根油滴1909年12月至1910年5月，密立根与他另一名学生弗雷切尔（H.Fletcher）用油（或甘油和汞）作了近两百颗的油滴的平衡实验。他们宣称，在所有情况下液滴从空气中捕获的电荷都是最小电荷的整数倍。综合所有数据，并对斯托克斯定律进行修正，得到电子电荷的平均值e＝4.891×10-10esu。1910年以后，密立根在平衡油滴法的基础上，进一步改进实验方法。他让油滴在电场力和重力的共同作用下，上上下下地运动。如果用X射线或镭照射油