基元電荷

基元電荷

基元電荷,電荷 [diàn hè] 的天然單位基本物理常量之一,記為e,其值為:1.60217733×10^(-19) 庫侖

該物理常量於1910年由美國實驗物理學家 R.A.密立根 ( R.A.Millikan,1868~1953 ) 通過油滴實驗精確測定,並認證其“基元性”。電子的電荷為(-1)個基元電荷,質子的電荷為(+1)個基元電荷,已發現的全部帶電亞原子粒子的電荷都等於基元電荷的整數倍值。

基本介紹

  • 中文名:基元電荷、元電荷、基本電荷
  • 外文名:Elementary Charge
  • 所屬基本物理常量
  • 數值:1.60217733×10^-19 庫侖
  • 修正數值:1.60217653×10^-19 庫侖
  • 發現人:羅伯特·安德魯·密立根
  • 發現年代:1910年
發現者簡介,個人履歷,測定元電荷,普朗克常量,元素火花光譜學,宇宙射線,油滴實驗,實驗步驟,實驗背景,實驗意義,
中文名稱:基元電荷
英文名稱:Elementary Charge
基元電荷的值在2002年更正為:1.60217653(14)×10-19 庫侖,其相對標準不確定度為85 。
註:括弧“( )”里的數字 是末尾數值的“標準不確定度”。
基元電荷的質量為:0.91×10^-30kg
電子的電荷量與質量的比值,叫做比荷,大小為:1.76×10^11C/kg 。
註:C =Coulomb =庫侖

發現者簡介

羅伯特·安德魯·密立根(Robert Andrews Millikan,1868~1953),美國實驗物理學家,由於其在測定電子電荷以及光電效應的出色工作被授予1923年諾貝爾物理學獎。
羅伯特·安德魯·密立根羅伯特·安德魯·密立根

個人履歷

1868年3月22日生於伊利諾斯州的莫里森,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。
年輕時候的密立根年輕時候的密立根
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年回國任教於芝加哥大學。由於教學成績優異,第二年就升任副教授。在1910年,由於他出色的教學和科研工作,正式提升為正教授。
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。在那裡,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,這些射線確實來自於外太空,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,由於心臟病發作,密立根死於他在加州的家中,時年85歲。

測定元電荷

密立根以其實驗的精確著名。從1907年一開始,他致力於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只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)× 10-10 esu ,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於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。

普朗克常量

他的求實、嚴謹細緻,富有創造性的實驗作風也成為物理界的楷模,與此同時,他還致力於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。由於上述工作,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地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平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,它們之間的關係是: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。
“油桶實驗”的實驗儀器“油桶實驗”的實驗儀器
令δ、ρ分別表示油滴和空氣的密度;a為油滴的半徑;η為空氣的粘滯係數;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)。於是(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,可得到如下關係式: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。注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的相應數據。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。高壓電源調節置於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平。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。由於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,所帶電量小於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,讓油滴反覆上升、下落若干次,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。數據處理:本實驗只要求學生進行簡單的數字處理和分析。按書後的表格記錄數據和計算,該表是用國產油滴儀進行實驗所得到的一組數據。
密立根油桶實驗密立根油桶實驗

實驗背景

1897年湯姆生髮現了電子的存在後,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於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制。開始他是用水滴作為電量的載體的,由於水滴的蒸發,不能得到滿意的結果,後來改用了揮發性小的油滴。最初,由實驗數據通過公式計算出的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於,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──夸克的電量。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啟發性的。

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