罗伯特·密立根的油滴实验

罗伯特·密立根的油滴实验

排名第三.很早以前,科学家就在研究电.人们知道这种无形的物质可以从天上的闪电中得到,也可以通过摩擦头发得到.1897年,英国物理学家托马斯已经得知如何获取负电荷电流.1909年美国科学家罗伯特·密立根开始测量电流的电荷.他用一个香水瓶的喷头向一个透明的小盒子里喷油滴.小盒子的顶部和底部分别放有一个通正电的电板,另一个放有通负电的电板.当小油滴通过空气时,就带有了一些静电,他们下落的速度可以通过改变电板的电压来控制.经过反复实验密立根得出结论:电荷的值是某个固定的常量,最小单位就是单个电子的带电量.

密立根油滴实验

美国物理学家密立根所做的测定电子电荷的实验。1907-1913年密立根用在电场和重力场中运动的带电油滴进行实验，发现所有油滴所带的电量均是某一最小电荷的整数倍，该最小电荷值就是电子电荷。用喷雾器将油滴喷入电容器两块水平的平行电极板之间时，油滴经喷射后，一般都是带电的。在不加电场的情况下，小油滴受重力作用而降落，当重力与空气的浮力和粘滞阻力平衡时，它便作匀速下降，它们之间的关系是：mg=F1+B（1），式中：mg──油滴受的重力，F1──空气的粘滞阻力，B──空气的浮力。
令σ、ρ分别表示油滴和空气的密度；δ为油滴的半径；η为空气的粘滞系数；vg为油滴匀速下降速度。因此油滴受的重力为 mg=4/3πa^3δg(注：a^3为a的3次方，一下均是)，空气的浮力 mg=4/3πa^3ρg，空气的粘滞阻力f1=6πηaVg （流体力学的斯托克斯定律  ，Vg表示v下角标g）。于是（1）式变为：4/3πa^3δg=6πηaVg+4/3πa^3ρg，可得出油滴的半径a=3(ηVg/2g(δ-ρ))^1/2（2），当平行电极板间加上电场时，设油滴所带电量为q，它所受到的静电力为qE，E为平行极板间的电场强度，E＝U／d，U为两极板间的电势差，d为两板间的距离。适当选择电势差U的大小和方向，使油滴受到电场的作用向上运动，以vE表示上升的速度。当油滴匀速上升时，可得到如下关系式：F2+m=qE+B（3），式中F2为油滴上升速度为Ve时空气的粘滞阻力：F2=6πηaVe，由（1）、（3）式得到油滴所带电量q为q=(F1+F2)/E=6πηad/(Vg+Ve)（4）。（4）式表明，按（2）式求出油滴的半径a后，由测定的油滴不加电场时下降速度vg和加上电场时油滴匀速上升的速度vE，就可 

以求出所带的电量q。注意上述公式的推导过程中都是对同一个油滴而言的，因而对同一个油滴，要在实验中测出一组vg、vE的相应数据。用上述方法对许多不同的油滴进行测量。结果表明，油滴所带的电量总是某一个最小固定值的整数倍，这个最小电荷就是电子所带的电量e。将仪器接入220伏交流电源。高压电源调节置于0位置，旋开油滴室盖子，把水准器放置在上极板面上，利用调平螺钉将油滴室内的平行板电容器板面调节水平。调节显微镜目镜，使分划板刻线明显清晰。再把大头针插入上板小孔中，调节光源角度，直到从显微镜中观察大头针周围光场最明亮、范围最大和光强均匀为止，然后拨出大头针拧上盖子准备喷油。由于本步骤要调节电容器极板，谨防极板带电，应由教师调节。用喷雾器将油滴喷入油滴室内，从显微镜中观察油滴运动情况。实验时先找一个合适的油滴（较小的油滴，运动较缓慢，所带电量小于5个基本电量），使它自由落下，然后再加上电场使它向上运动（上升太快或太慢就适当调节电压）。

这样在重力和电场力交替作用下，让油滴反复上升、下落若干次，在整个视场内都可以看得很清楚，否则需要重新选择。用停表作记录：记录油滴n次下落一定的距离L（显微镜分划板刻线的距离），所经历的总时间tg总，记录油滴n次上升同一距离L，所经历的总时间tE总（两次记录必须是对同一油滴），用油滴所通过的总距离nL分别除以总时间tg总及tE总就得出vg和vE利用公式（4）算出油滴所带的电量q。按照上述方法选取6－10个不同的油滴进行测量，计算它们各自所带的电量。数据处理：本实验只要求学生进行简单的数字处理和分析。按书后的表格记录数据和计算，该表是用国产油滴仪进行实验所得到的一组数据。

1897年汤姆生发现了电子的存在后，人们进行了多次尝试，以精确确定它的性质。汤姆生又测量了这种基本粒子的比荷（荷质比），证实了这个比值是唯一的。许多科学家为测量电子的电荷量进行了大量的实验探索工作。电子电荷的精确数值最早是美国科学家密立根于1917年用实验测得的。密立根在前人工作的基础上，进行基本电荷量e的测量，他作了几千次测量，一个油滴要盯住几个小时，可见其艰苦的程度。密立根通过油滴实验，精确地测定基本电荷量e的过程， 

是一个不断发现问题并解决问题的过程。为了实现精确测量，他创造了实验所必须的环境条件，例如油滴室的气压和温度的测量和控制。开始他是用水滴作为电量的载体的，由于水滴的蒸发，不能得到满意的结果，后来改用了挥发性小的油滴。最初，由实验数据通过公式计算出的e值随油滴的减小而增大，面对这一情况，密立根经过分析后认为导致这个谬误的原因在于，实验中选用的油滴很小，对它来说，空气已不能看作连续媒质，斯托克斯定律已不适用，因此他通过分析和实验对斯托克斯定律作了修正，得到了合理的结果。密立根的实验装置随着技术的进步而得到了不断的改进，但其实验原理至今仍在当代物理科学研究的前沿发挥着作用，例如，科学家用类似的方法确定出基本粒子──夸克的电量。油滴实验中将微观量测量转化为宏观量测量的巧妙设想和精确构思，以及用比较简单的仪器，测得比较精确而稳定的结果等都是富有启发性的。