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Sandbox Physics
量子物理:读懂证据

诺奖 A · 证据与操控 · 1897–2022

油滴实验:从下落时间里找出电荷单位

Sandbox Physics ·

托住一滴油,为什么还不能建立基本电荷?

显微镜看见轨迹,看不见电荷

被照亮的油滴在电容器极板间运动。观察者记录它经过标记位置的时间,先测重力下的运动,再加电场。原始证据是距离、时间、外加电压和环境条件;电荷需要借助力学模型推得。

悬停表明电力可以平衡有效重力,但显微镜并不独立显示油滴质量。无电场时的终端下落可帮助推断尺寸,随后密度、空气黏度和浮力进入电荷估计。把悬停直接说成读出了一个电子,会把这些环节藏起来。

证据阅读:R. A. Millikan (1913), On the Elementary Electrical Charge and the Avogadro Constant, Phys. Rev. 2, 109–143 — original scan

写下平衡,也写下假设

对以终端速度向下运动的球形油滴,下式平衡扣除浮力后的重力与黏滞阻力。半径取正,两种密度分别属于油和空气,黏度属于空气,滑移修正是无量纲因子,并作为连续介质 Stokes 阻力的除数。

这是低雷诺数、终端运动的近似,不是任意加速或蒸发油滴的定律。随后若电力向上,可用反向的有效重力与阻力推断其大小;必须先追踪方向,才能给推得的电荷指定符号。

4πr33(ρoil−ρair)g=6πηrvfallCslip\frac{4\pi r^3}{3}(\rho_{\mathrm{oil}}-\rho_{\mathrm{air}})g=\frac{6\pi\eta r v_{\mathrm{fall}}}{C_{\mathrm{slip}}}

证据阅读:R. A. Millikan (1913), On the Elementary Electrical Charge and the Avogadro Constant, Phys. Rev. 2, 109–143 — original scan

改变同一滴油,比较更有力

一滴油可以改变所带电荷,同时近似保持为同一个力学对象。比较其连续几次上升速度,有助于把电荷增量与未知质量区分开。Millikan 既考察这种序列,也比较不同油滴;1913 年论文汇总了 58 滴油的完整观测序列。

拟议的共同单位必须在实验不确定度内,同时组织许多电荷值和增量。一滴带有未知电子数的油,不能独自给出这个单位。任意挑一个极小公约数,总更容易凑近整数倍,因此必须同时看分辨率、散布和实际增量的尺度。

证据阅读:R. A. Millikan (1913), On the Elementary Electrical Charge and the Avogadro Constant, Phys. Rev. 2, 109–143 — original scanCaltechAUTHORS, Millikan’s 1913 charge paper — institutional record

气体也是实验的一部分

Millikan 发现,若直接使用未经修正的 Stokes 阻力,推得的电荷尺度会依赖油滴尺寸。油滴小到与分子输运尺度不可分离时,不能把空气一直视为延伸至表面的连续流体。改变压力有助于暴露并估计这项修正。

黏度和温度影响每一个推得的尺寸与电荷。布朗运动带来波动;尺寸改变或跟丢油滴,可能使整个序列失效。重复读数很集中,并不能排除共同标定误差。跨尺寸、跨压力的一致性,检验的是另一件事。

证据阅读:R. A. Millikan (1913), On the Elementary Electrical Charge and the Avogadro Constant, Phys. Rev. 2, 109–143 — original scan

量子化与数值精度分别判断

这些证据支持受测油滴及其电荷变化具有共同电荷单位。它不测电子的形状,也不是覆盖一切可能带电载体的普遍搜寻。推断所用的力学可以是经典的,得到的电荷规律却呈离散性。

今天的 SI 把基本电荷的数值固定为定义,但这并不使油滴测量变得没有不确定度。现代实验检验单位的实现和自身装置;1913 年的测量则在当时的单位约定与标定下估计一个常数。

证据阅读:R. A. Millikan (1913), On the Elementary Electrical Charge and the Avogadro Constant, Phys. Rev. 2, 109–143 — original scanNIST, Defining the International System of Units — the 2019 ampere definition

两项 Millikan 测量,回答不同问题

油滴实验建立电荷尺度,用于解读光电截止电势随频率变化的斜率;光电实验检验能量与频率的关系。两者都包含电压,并不意味着可以互相替代。

本篇没有附会一个油滴采集 Lab。模拟器若直接生成精确整数倍,只能演示假设,不能独立建立它。可信的重建应先保留计时记录、修正、排除的测量和不确定度,再检验一个共同电荷单位能否解释它们。

证据阅读:R. A. Millikan (1913), On the Elementary Electrical Charge and the Avogadro Constant, Phys. Rev. 2, 109–143 — original scanR. A. Millikan (1916), A Direct Photoelectric Determination of Planck’s h, Phys. Rev. 7, 355–388 — original scanRobert A. Millikan — official 1923 award facts

来源与阅读说明

APS 的 Millikan 1913 年论文扫描件可读,包括阻力修正和多油滴表格;Caltech 提供馆藏记录,NIST 用于说明现代 SI 约定。本文分析已发表的测量逻辑,不审计实验笔记,也不重新拟合数据。

  1. R. A. Millikan (1916), A Direct Photoelectric Determination of Planck’s h, Phys. Rev. 7, 355–388 — original scan
  2. R. A. Millikan (1913), On the Elementary Electrical Charge and the Avogadro Constant, Phys. Rev. 2, 109–143 — original scan
  3. CaltechAUTHORS, Millikan’s 1913 charge paper — institutional record
  4. NIST, Defining the International System of Units — the 2019 ampere definition
  5. Robert A. Millikan — official 1923 award facts
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