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1、1923年诺贝尔物理学奖基本电荷和光电效应实验 1923年诺贝尔物理学奖基本电荷和光电效应实验 1923年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州帕萨迪那加州理工学院的密立根(Robert Andrews Millikan，18681953)，以表彰他对基本电荷和光电效应的工 作。密立根1868年3月22日出生于美国一个小镇上一个穷牧师的家中。他上学很 晚，除了希腊语和数学以外，几乎没有什么特长。一个偶然的机会使他投身于物 理学。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
2、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 孙(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
3、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 姆孙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) 起，重复了卡文迪什实验室的工作。在这 之前，JJ.汤姆孙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.汤姆孙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
4、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=4.03x10- 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a射线得到He+ +的电荷值为9.3x10-10esu，假设氦离子 所带电荷为丨2e I，则e应为4.65x10-10esu。J.J.汤姆孙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
5、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。691923年诺贝尔物理学奖基本电荷和光电效应实验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
6、发表结果，得e= 4.65x10-10esu。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a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
7、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（图23 1）。这就是密立根油滴仪最早的设计。閣 23-1B!J!密立根的油備实验装置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=4.891x10-10esu。191
8、0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射线或镭照射油滴，使 油滴所带电量发生改变，就会看到油滴的速度突然发生变化，从而求出电荷量改 变的差值。密立根进一步研究了斯托克斯定律的有效性，作了修正，1913年宣布 从油滴测定电子电荷为e=(4.7740.009) x10-10esu。密立根的历史功绩70 1923年诺贝尔物理学奖基本电荷和光电效应实验 就在于以巧妙的实验，确凿的数据肯定了电的原子性。密立根第二项为人们所称道的工作是他对光电效应的研究。1905年，爱因斯坦提出光量子理论来解释光电效应。他根据普朗克的能量子
9、假 设，假设光子的能量为E=hv，其中v是光的频率，h是普朗克常数。提出所谓 的光电方程：eV=hvW，其中e为电子电荷，V为遏止电压，eV等于电1子逸 出金属表面的最大动能mv2，W为电子逸出金属表面需作的功。这个方程2 中不出现光的强度，说明电子的最大速度与光强无关。这个方程不但解释了遏止 电压，而且还说明了电子的最大速度与光强无关。特别是，从这个方程可以预见 到遏止电压与频率的线性关系。尽管这个关系当时还没有人从实验得到过，因为 要测量不同频率下纯粹由光辐射引起的微弱电流并不是一件容易的事。爱因斯坦的光量子理论和光电方程提出时并没有得到普遍承认。这个革命性理论 受到的怀疑超过了同年爱因斯
10、坦发表的狭义相对论。甚至相信量子概念的一些著 名物理学家都反对他，就连量子假说的提出者普朗克本人也持否定态度。为了检验爱因斯坦的光电方程，实验物理学家开展了全面的实验研究。主要困难 在于电极表面有接触电势差存在，氧化膜也会影响实验结果。只是经过许多人长 期的研究，才逐渐克服这些困难。就在这一过程中，出现了不少曲折。例如， 1907年，拉登堡用6种频率的紫外光照射金属表面，得到的经验公式为： 口 常数相当于Vl/2=clv c2；而不是像爱因斯坦光电方程的线性关系：V = clv c2；后 来林德曼(Lindemann)建议是V=c1vc2。三种公式，究竟哪一个对，一时很 难判断。孔兹(J.Ku
11、nz)和考聂柳斯(D.W.Cornelius)报告说，他们的实验结果 更接近于拉登堡的公式；而休斯(A.L.Hughes )虽然肯定了爱因斯坦的线性关 系，但系数偏差甚远。这个时候，关键在于有一个精确可靠的实验，对爱因斯坦 的光电方程进行全面的验证。密立根从1910年就着手于实现这项十分复杂的实验。他为了能在没有氧化物薄 膜的电极表面上同时测量真空中的光电效应和接触电势差，设计了一个特殊的真 空管（图23 2），在这个管子里安装了精致的实验设备。实验样品固定在小轮 上，小轮可以用电磁铁控制，所有操作都是借助于装在外面的可动的电磁铁来完 成。所有的真空管都要进行这样几步操作：先在真空中排除全部表
12、面的氧化膜； 然后测量消除了氧化膜的表面上的光电流和光电势并同时测量表面的接触电势 差。三种待测的硷金属（Na、K、Li）做成的圆柱体电极装在小轮上，用电磁铁 操纵小轮的转位。剃刀可沿管轴方向前后移动，真空管外面有另外一个电磁铁， 可使管内的衔铁动作，从而带动剃刀旋转，在圆柱电极上进行切削，刮掉电极上 极薄的一层表皮，让新刮出的表面处在真空中保持清洁，这时可将光电极转至对 准电极以测量接触电势差；再转一个角度，对准窗口以接受单色紫外光的照射， 同时测量其光电流。他选择了6种不同波长的单色光，分别测量不同电压下的光 电流（曲线如图23 3），从光电流与电压的关系曲线求出在某一波长的光照射 3/2
13、 711923年诺贝尔物理学奖一一基本电荷和光电效应实验 下被测阴极的遏止电压V。然后将六组光电流曲线所得作图，如图234。密立 根得到的正好是一根漂亮的直线。他还根据这根直线的斜率求出了普朗克常数h 的值，与普朗克1900年从黑体辐射求得的h值：6.55x10-27ergs，符合得极好。正是由于密立根1916年发表的实验结果全面地证实了爱因斯坦光量子理论对光 电效应的分析，光量子理论才开始得到人们的承认。在诺贝尔奖领奖词中，密立 根并不讳言，他在做光电效应实验时，对爱因斯坦的光电方程和光量子理论曾长 期抱怀疑态度。他做这些实验的本来目的是希望证明经典电磁理论。但他在事实 面前服从真理，反过来宣布爱因斯坦的光电方程完全得到了证实。0.80.9im.ll21314151fil71.8 1.9 2C 2.12. 22324Etn;ui -atnum昶1髓册I-!曙！1Tu.nnnuiiGLJidti图23-3密立根的辻电疣电线
