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,1868~1953),美國著名實驗物理學家。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。

  • 中文名稱
    羅伯特·安德魯·密立根
  • 外文名稱
    Robert Andrews Millikan
  • 國籍
    美國
  • 出生地
    Morrison, Illinois
  • 出生日期
    1868年3月22日
  • 逝世日期
    1953年12月19日
  • 職業
    實驗物理學家
  • 畢業院校
    Oberlin College
  • 主要成就
    測定電子電荷量;光電效應
  • 主要獎項
    1923年諾貝爾物理學獎

個人履歷

1868年3月22日生于伊利諾斯州的莫裏森,是其父母的第二個兒子。密立根1886年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,甚至在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。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年回國任教于芝加哥大學。由于教學成績優異,第二年就升任副教授。在1910年,由于他出色的教學和科研工作,正式提升為正教授。

年輕時候的密立根年輕時候的密立根

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。在那裏,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,這些射線確實來自于外太空,並且命名為"宇宙射線"(Cosmic Rays)。密立根從1921年到1945年退休之前,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,由于心髒病發作,密立根死于他在加州的家中,時年85歲。

研究成果

測定元電荷

密立根以其實驗的精確著名。從1907年一開始,他致力于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隻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于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。

密立根油滴實驗密立根油滴實驗

普朗克常量

他的求實、嚴謹細致,富有創造性的實驗作風也成為物理界的楷模,與此同時,他還致力于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。由于上述工作,密立根贏得1923年度諾貝爾物理學獎。

元素火花光譜學

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。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準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,它們之間的關系是: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。

實驗儀器實驗儀器

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;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)。于是(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,可得到如下關系式:F2+m=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。註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的相應資料。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。高壓電源調節置于0位置,旋開油滴室蓋子,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準。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。由于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,所帶電量小于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,讓油滴反復上升、下落若幹次,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。資料處理:本實驗隻要求學生進行簡單的數位處理和分析。按書後的表格記錄資料和計算,該表是用國產油滴儀進行實驗所得到的一組資料。

實驗背景

1897年湯姆生發現了電子的存在後,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于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製。開始他是用水滴作為電量的載體的,由于水滴的蒸發,不能得到滿意的結果,後來改用了揮發性小的油滴。最初,由實驗資料通過公式計算出的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于,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──誇克的電量。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啓發性的。

實驗作假醜聞

密立根油滴實驗60年後,史學家發現,密立根一共向外公布了58次觀測資料,而他本人一共做過140次觀測。他在實驗中通過預先估測,去掉了那些他認為有偏差,誤差大的資料。這違反了科學的原則。

密立根是在1907年在芝加哥大學任教時開始做測定基本電荷的實驗的。他一開始用的是水滴。在1909年他首次報告了用水滴測定的基本電荷的數值。但是用水滴做實驗有一個很大的問題:水滴很容易揮發,隻能對它們的運動情況做幾秒種的觀察。這時研究生哈維·弗雷徹加入了密立根實驗室。在參與討論如何防止水滴蒸發的問題之後,弗雷徹建議改用油滴做實驗。在一天之間,弗雷徹製作了油滴實驗的設備,並在當天就進行了實驗,獲得了一個比較靠譜的基本電荷資料。那一天密立根不在實驗室。

密立根在第二天回到實驗室後,看到了弗雷徹的實驗設備,非常興奮。此後兩個人一起工作,對實驗設備進行了改進。6周後,公布了實驗結果。很顯然,這個實驗的論文應該由兩人聯合發表。但是密立根提醒弗雷徹,根據學校的要求,研究生的博士論文必須單獨署名,不能有合作者。密立根建議,弗雷徹可以在以後的某篇論文單獨署名作為其博士論文,但是做為交換條件,這第一篇論文必須隻署密立根一人的名字。弗雷徹雖然感到失望,但是沒有別的辦法,同意了這一安排。

于是在1910年密立根做為唯一作者發表了第一篇油滴實驗的論文,並最終獲得諾貝爾獎。弗雷徹則在第5篇論文中做為唯一作者。1982年,弗雷徹死後發表的文章中才披露了這個秘密。這個安排雖然是兩人協定的結果,而密立根在第一論文中也提到實驗是由他和弗雷徹一起做的,但是不管以什麽理由或交換條件,剝奪研究生在參與設計和實驗的論文的署名權,仍然是一種不正當的行為。不能拿論文的署名權做交易。密立根如果大度一點的話,完全可以讓第一篇論文兩人共同署名,這與讓弗雷徹以後在某篇主要由他一個人完成的論文中單獨署名,一點也不沖突。論文的作者必須是對實驗做出了實質性貢獻的所有的人,不能多也不能少。然而,即使是在今天,實驗室的"老板"不看對論文的實質性貢獻,利用權勢決定誰是論文的共同作者,這仍然是相當常見的。密立根的問題還不限于此。在密立根的論文發表後,其他實驗室嘗試重復其實驗。其主要對手是維也納大學的菲裏克斯·厄侖霍夫特。

在1911~1913年間,厄侖霍夫特重復了油滴實驗,但是卻未能發現像密立根所說的油滴所帶的電量總是某一個最小固定值的整數倍。1913年,密立根發表了一篇論文,其資料非常清楚地表明了基本電荷的存在,並算出了基本電荷的精確值,從而結束了爭論。密立根油滴實驗果真像其論文顯示的那樣清晰、精確嗎?1981年,阿蘭·富蘭克林研究了密立根的實驗記錄本,發現密立根在記錄本中對其觀察結果進行打分,從"一般"到"最好"。根據記錄本,密立根在1913年發表的論文依據的是140次觀察,然而他把其中49次觀察的資料舍棄不用,隻根據91次他認為較好的觀察結果的資料進行計算。但是,在論文中,密立根卻聲稱該論文"代表了所有的油滴實驗"。如果密立根把所有的觀察資料都包括進去,雖然不會影響其結果,卻會加大誤差。這樣,密立根通過有選擇性地移除資料,獲得了漂亮的實驗結果,並且在論文中誤導讀者。像這樣對實驗資料進行修飾,不論是少報還是多報實驗次數,不論是移除不利資料還是增添有利資料,都是一種嚴重的學術不端行為。現在看來,密立根當時獲得的基本電荷數值偏低,因為他在計算空氣阻力時使用了不準確的空氣粘滯系數。1974年,美國著名物理學家費曼在加州理工學院畢業典禮發表的演說中提到一個有趣的現象:在密立根之後物理學家測定的基本電荷數值隨著時間的推移在不斷增大,每次隻增大一點點。

費曼認為這是由于後來的物理學家在測定基本電荷時,如果獲得的數值比密立根的數值高得多,就會想當然地認為自己測錯了,回頭去找原因,舍去這些"高得離譜"的資料,隻保留那些比較接近密立根數值的資料。看來幹修飾資料勾當的物理學家還不在少數。

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