密立根与电子电荷测量(论文).docx

大庆师范学院本科毕业论文（设计） 大庆师范学院本科生毕业论文密立根与电子电荷的测量学 院 机电工程学院 专 业 物理学 研 究 方 向 原子物理 学 生 姓 名 麦提如则如则麦麦提 学 号 201207010125 指导教师姓名 郝淑娟 指导教师职称 讲师 2016 年 4 月 24 日摘要 随着人类不断地已知领域和未知领域的探索，已知领域得到了充分的完善，未知领域被开发拉入“已知领域”并且通过各方面的研究发现其新的性质，新的规律开拓新的领域。为此受人尊敬的拥有坚持不懈的研究精神和超越正常人的智慧的科学家们贡献出来自己的一生，把自己的青春为此燃烧。他们的贡献与发现让我们的世界大有改变，快速发展出现高科技时代。 做实验研究时无意中“阴极射线”的出现促进了电子的发现。汤姆逊研究阴极射线时发现电子，确定其性质并成功的测出电子的荷质比 /m，从此电子正式进入人们的视野，同时结束了将近三十年的的有关的科学争执。电子的发现结束了有关阴极射线的争论，同时也给人们抛出了一些难题，比如电子电荷的测量。史上首位精确测量出电子电荷的物理学家是美国实验物理学家密立根。通过几次的实验仪器上的改良，以油滴替代水滴甚至连续60天的观察，大量数据处理，最终在1917年发表论文给出的电子电荷量为1.5924(17) x 1019C,与到2006年利用现代高科技得出来的结果(1.60217653(14) x 1019C)差异小于百分之一。密立根的油滴实验（Oil-drop experiment）现在已经进入大学物理实验中并成为一个很重要的实验。油滴实验让密立根在当时享受美誉，名声大噪，活的是人的尊重。1923年以电子电荷的测量与光电效应方面的研究贡献成为了本年度诺贝尔物理学奖的赢得者。尽管密立根的实验以精确著称没有发表一部分数据而弃用让油滴实验的结果以及他的名誉和品德受到了质疑。最终发现的事实让其中一部分数据弃用的原因大白，打消了各界人士的质疑。油滴实验也评为实验物理史上最美丽的十大实验之一。 关键词：密立根 贡献 电子 电子电荷的测量 10 绪论人类对物质运动的一般规律和物质的基本结构的研究从未停止过：亚里士多德，阿基米德，到伽利略，牛顿，再到波义耳，爱因斯坦。人类对物理的兴趣和研究带来了现在的生产革命和强大的生产力量以及前所未有的高科技。登陆了月球，对火星进行探测，甚至对银河系有了很大的了解。物理科学家们的兴趣与研究无处不在：大到宇宙，银河系；小到电子，夸克甚至更小。经典物理的研究到量子化理论提出更是掀起了一波又一波物理研究的风暴。他们把自己毕生的心血和时间以及天赋和努力献给了物理的各个领域的各项研究，将物理的发展提高了一层又一层。经过他们的努力，物理的发展加快了步伐。19世纪末20世纪初物理科学迎来了前所未有的惊人的发展速度，人们的研究对象已经达到了电子级别，物理研究达到了更高的水平和级别。随着对原子的结构进行深入的研究，1897年汤姆逊发现了电子并为现代物理学的发展起了在工大的促进作用以及飞跃式的发展。然而，汤姆逊测定了阴极射线的电荷与质量之比值（e/m,也叫做荷质比）但是测定出电子电荷的准确测量值的物理学家是罗伯特安德鲁密立根（Robert Andrews Millikan）。密立根凭着自己的敏锐的洞察力，不同常人的思考能力和思考方法，能够发现微妙不同的眼光，惊人的实验技巧天赋通过改善前人的实验仪器与实验过程和最为准确的实验结果，最终在1923年10月22日瑞典斯德哥尔摩音乐大厅获得了本年度诺贝尔物理学奖。1927年4月25日，时代杂志的封面上印上了这位科学巨匠的专心致志的看着显微镜的令人深思吸引的画面，那正好描述了当时新的美国神话的画面的标题为RA密立根博士检查宇宙的脉搏。密立根是当时的科学界的风云人物之一。密立根的一生与贡献密立根的生涯要说密立根的传奇般的一生，就需要从他的身世说起：他的父亲塞拉斯密立根在奥柏林学院和奥柏林神学院，担任了公理会教堂的牧师，而母亲玛丽密立根也与1857年也在奥柏林获得了学位，接着在密歇根的奥利维特学院担任女教徒的牧师。1868年3月22日美国的伊利诺斯州的莫里森（Morrison Illinois）的塞拉斯密立根和玛丽密立根夫妇迎来了将来要成为天赋异禀，才华横溢的科学巨匠的婴儿（他们的次子，总六个兄弟）。这位婴儿慢慢长大却没有让人们看到了自己从小就有过人的非凡之处，也没有做出让人感觉到很惊讶，出其不意的事，就像其他孩子一样过着无忧无虑的童年。幼年时，父母的清教徒式的培养塑造了他极其坚强和具有很有责任心的性格。六岁便给父亲写了一封很严肃的表达自己小小年纪就知道了自力更生道理的信。这封信的内容是：亲爱的爸爸：我爱你，我希望你度过快乐的一年。我会努力成为一个好孩子让你幸福。我会学习阅读，工作，唱歌。我想赚钱，为小鸟，为我们星期日的教徒集会会买食物。 您的孩子 罗比小小的一个年纪学会复当年责任，为自己的责任努力，而母亲的想法是自己的孩子们在住宿和膳食方面之外靠自己的努力自食其力。而在马克克塔中学的成绩单很是令人满意：罗伯特密立根的行为举止有口皆碑，对工作认真负责，学业出类拔萃。 中学毕业后再一家锯木工厂工作，还在法院当速记员以为大学的花销做点儿积累。密立根在十八岁那一年（1886年）进入俄亥俄州的奥柏森大学（Oberlin College，也是密立根的其他五个兄弟也同样在这里获得了学位。学习期间刻苦钻研，认真学习，成绩优异，令人期待。还没有大学毕业便在第二年起被聘为初等物理班担任教员。期间努力学习拉丁文和希腊文，过程中佩克也是他的希腊文老师在他走上物理科学路上起了非常关键的作用并且在他的帮助下确定了人生方向，也是他要求密立根教第一堂物理课，同样在他的要求之下密立根后来才去的哥伦比亚大学。获得学士学位之前他已经学了物理学以外的包括天文学，植物学和微积分相关的知识。到了1893年双喜临门获得了硕士学位和哥伦比亚大学物理系攻读博士学位的奖学金。1895年成为了大物理系建立以来的第一位博士学位的获得者，紧接着在柏林和哥廷根大学大学留学，一年后回国在芝加哥大学教书并根据出色的成绩第二年就升为副教授，又在1910年成为正教授。（几个选择当中选择芝加哥大学的原因：铀射线即放射性物质的发现让他处于兴奋状态且提供研究工作）。1904年，密立根与格丽特布兰卡德结婚，可是在欧洲的为期七个月的蜜月他还是去拜访很多实验室以便回国投入自己的研究事业。1921年又转职到了加州理工大学的物理系主任，直到1945年退休担任了加州理工执行理事会的主席。加州理工大学在短时间内成为全美顶尖的研究型大学，密立根的功不可没。在物理科学界中出生的研究成果成为1923年的诺贝尔物理学奖的获得者，在1927年以检查宇宙脉搏者的身份登上了时代杂志的封面。这位伟大的实验物理学家也是一位非常了不起的爱国者，他看出科学在战争中的不可估量的作用并呼吁让科学界在二战期间积极为国家做出贡献。1953年12月19日以心脏病突发的缘故与世长辞，留下巨大的科学财富离开了我们。做出的贡献 密立根以思维严谨，实验方法巧妙，颇有创造性的实验作风，数据与结果精确成为当代实验研究者们的楷模。他除了电子电荷的测量，因质疑爱因斯坦的理论而研究光电效应，而且完全肯定光电效应方程，也测定了当时最为准确的普朗克常量的值。在电子在强电场作用下金属表面逸出课题方面研究和元素火花光谱学研究有很大的成就。由于他的一系列研究紫外光谱大大超出了当时已知范围，新发现了一千多条谱线。宇宙射线方面的大量的研究改变了以前的“宇宙射线是光子”观念。电子自旋理论的提出和正电子的也有密立根的间接的贡献。二战期间致力动员科学界人士借科学的力量为国家在战争中做出贡献。 电子的发现过程的坎坷1838年，法拉第（MFaraday）为自己制作的真空放电管（真空度较低）通电之时注意到了一种新的现象两极之间有暗区（法拉第暗区），而在1858年德国物理学家普吕克尔（JPlucker）用盖斯勒管（真空度很高的真空管）研究气体放电现象时低压气体发光之外，阴极正对面的玻璃管也出现了禄色的荧光，奇怪的是拿磁铁在玻璃管外晃动的时候该禄色的荧光也跟着晃动。通过一系列的实验和争辩之后，德国物理学家哥尔茨坦将普吕克尔发现的荧光现象命名为阴极射线。当然，当在科学界出现了新的现象，哪怕是微妙的不同都会引起很多很多研究者的兴趣和研究。阴极射线也不例外而且弄的科学界很不安，关于阴极射线是个什么性质的射线问题，科学家们分成两个对立的门派持两个不同的观念。其中一种是以太说即阴极射线是类似于紫外线的以太波。另一种是带点微里说即提出阴极射线是由带有负电的物质微粒组成的假象。相对而言，后者比前者更新鲜一些。这两种观点之间的争执持续了将近30年，双方为了证明自己的观点做了大量的实验却谁也不能够说服谁。确定阴极射线的性质与弄清楚出现的原因似乎是当头第一要务。直到1897年剑桥大学卡文迪许实验室的主管汤姆逊通过自己的一系列实验确定阴极射线并非以太波，而是带有负电的亚原子微粒。汤姆逊面前摆了一道很严肃问题：这些带有负电的亚原子微粒是原子，分子还是其他微粒？顺着问题寻找答案测定阴极射线的荷质比（e/m）并且证明荷质比是固定不变的，与各种条件下得到的都是同样的带点微粒，电极材料与气体成分没有任何关系。从此而起，电子被发现拉开了近代物理学的序幕，率先敲开了通向基本粒子物理的大门，宣告物理学进入新的时代。虽然汤姆逊不是电子的命名者，却是公认的电子的发现者，为物理学做出不可估量的贡献。电子电荷的测量电子电荷测量的探索 电子被发现，掀起了对电子的研究的热潮。汤姆逊在卡文迪许实验室通过利用阴极射线在电磁场中偏转测定出荷质比，其同事唐森德，研究生威尔逊通过云雾室实验试图对电子电荷进行测量，著名科学家卢慈福通过粒子散射实验推算出电子电荷量。汤姆逊，唐森德，威尔逊等人彼此改善实验工具和实验方法以精益求精，取得了很大的进展却不是准确度较低，实验数据误差较大。美国芝加哥大学的密立根从1906年开始重复做威尔逊的云雾室实验进行电子的电荷的测定实验，然而没有得出有发表价值的数据，所得出的数据起伏大因此影响实验结果的准确度。卢瑟福根据自己的实验研究提出由于水滴蒸发问题的存在导致结果数据的偏小，密立根为卢瑟福的建议做出针对性改变即改用平衡水滴法在云雾水滴上加上与重力方向相反的电场力（最高可达一万伏特）使水滴悬浮起来，得出的结果还是没有让很多研究者满意。经过思考如何消除水滴蒸发问题对最终结果的影响，最终以油滴替代水滴。于1913年发布的最初的数据也得到了认可，但是密立根并没有感到满足继续努力地做研究到1917年四年左右的时间多次发表论文公布实验结果并在1917年公布他最为精确的电子电荷量。 实验仪器与原理现在油滴实验已经走进大学物理实验室与计算机技术相结合，直接在计算机上处理在实验中得出的数据。大学实验室里用于油滴实验的主要实验仪器为MOD-IX型油滴仪和计算机。密立根油滴实验测量电子电荷基本原理：将雾化的微量的带电的油滴喷入到一对水平的平行板电容器的两个电极之间，测定出其在重力场电场力共同作用下的速度，计算出所带电荷量的多少。多次改变带电量就可以发现其带电量是某一常量e的可正或负的整倍数。e值便是电子电荷的大小。用静平衡法油滴电荷量大小：平行板电容器的电极之间距离为，当电场强度=0时，油滴会在自身的重力作用之下向下运动， 小油滴是球形的密度为，半径为，则，而在空气中所受到的浮力为，油滴下落时的速度为时，其所受到的阻力为 ，油滴下落时受力为，而在当以速度匀速下落的时候即总受力（合外力），由此可以得出油滴球的半径表达式 （1）又进一步可以得到油滴的质量的表达式 在此处键入公式。 （2）当电场强度时，油滴所带的电量为，所受的电场力为，平行板电容器两个电极之间的电压为时，此时的两个电极之间的电场强度为，而电场力。此时此刻的油滴在电场力，重力与浮力的共同作用下处于平衡状态，悬浮在两极板之间静止不动，数学表达式为：，即 （3） 我们在得出的推导公式时设斯托克斯定律严格成立（实际上油滴半径远大于气体分子自由程时才是成立的）。由于油滴很小很小，空气是不能看做连续介质，所以对斯托克斯公式进行修正（对黏度进行修正）：，并代入到式（3）中得到的修正值， 令 ，则的数学表达式为 （4） 根据上列所述以及利用以下数据，通过测出平行板电容器电极之间的电压（油滴静止时），其距离=5.0010-3m，温度为20时油滴密度=981kgm3，下落速度为，可以计算出的值，为修正常数；=8.23MPa，大气压强=101.325KPa；为油滴半径（由式（1）确定）；空气密度=1.006kgm3；空气的黏度1.8310-5kgm3s；重力加速度g=9.80ms2；下落时的速度为下落距离与所用时间之比。 用动态法测出带电量多少：油滴很小的缘故，再者静止状态时的布朗运动的影响，要让其到达完全静止状态是很难的，所以可以借动态法消除布朗运动的影响较快达到完全静止状态。如果所加的电场力比重力大，那么油滴向上运动而不是下落，当运动之时的阻力与外作用力平衡的时候，油滴会以速度匀速上升，此时会有，也就是。从此可以得出 (5)现在把式（1）代入到式（5）当中，得出的数学表达式当令 ，的时候 得出 (6)当紫外线射到油滴时，其所带电荷由变为，油滴在电场上升速度由变为，匀速下降速度却不变。根据式（6）可以得到的数学表达式 (7) 最后，对电荷基本单位进行确定：取多个油滴分别测出其带电量再求出其最大公约数，作为电荷量的基本单位；或者对同一个油滴测出多个（）再求其最大公约数，作为电荷量的基本单位。初学者测量准确度不够高求最大公约数确定基本单位的方法相对难，所以建议用反推出的相对来说简单方便的方法来确定。油滴的来源与贡献密立根创造设计以及进行的油滴实验作为电子电荷的测量的基本实验被编入到大学物理实验当中。该实验对于近代物理和基本粒子物理至关重要。密立根最初开始研究电子电荷的测量时，也像其他同类研究者一样试图通过水滴来测量而并不是用油滴。所谓灵感来了什么也挡不住，正如爱迪生的话“99%的汗水重要，但是1%的灵感更重要”，一直被水滴蒸发造成实验结果准确度偏低的所困扰的他参加完英国科学促进会1909年8月在加拿大温尼伯市（Winnipeg）召开的年会赶回芝加哥的旅途当中，正眺望窗外的那一刻灵感毫无征兆的来拜访留下解决水滴蒸发问题的方法：人类为获得不易蒸发的的润滑剂，最近的300年来一直改进钟表油的质量，我却在如何处理：蒸发问题上纠结这么久？为什么不用钟表油来做液粒，钟表油几乎一点都不会蒸发的呀。回到芝加哥大学的研究实验室，他立刻对实验进行改善用油滴替代水滴，原先的可以观察水滴速度的改变的时间从45秒变为长达四小时半的时间，就这样密立根有足够的时间来对油滴速度进行连续的观察，向成功迈出了开始该项研究以来的最大的一步。物理科学历史也随着向前进跨出一大步。密立根用油滴替代水滴之后取得了非常大的进步，测出来的数据也开始符合他的预期。他还通过实验研究对斯托克斯定律进行修正。1910年到1917年期间的他测出的电子的电荷量值一次比一次提高了精确度，做过的实验次数超过了一千次，处理大量的实验数据。1917年再度发表实验结果，发表的论文称电子电荷值为：=4.774(0.005) 静电单位，相当于，在高科技与高端计算机技术的帮助下到2006年为止的电子电荷值为：，而在高中与大学阶段的教学教材里其取值为。可以看出，一百年前密立根用自己的简陋的实验装置和笔纸测出来的电子电荷值与现在我们所知道的值相差不到百分之一，当时也获得了迈克尔逊，汤姆逊等等物理学家的认可与很高的赞誉。很明显当时的密立根的实验技术相当精妙，实验手段和技巧令人惊讶，实验思维严谨，结果数据准确度很高，当然油滴也为得到精确数据“贡献”了不少。后人的有关的争论使得密立根在历史上留下明显清晰的足迹的实验似乎完美，也结束了20世纪初对电子的争论却其中的“完美”成了7080年代的另一系列争论的导火线。密立根在1913年“物理评论”上发表的论文以及1917年的初版，1924年与1934年再次再版的著作“电子及其他质点”论文中称所发表的数据是代表自己和自己的学生连续观察60天的58颗油滴的所有数