歷史 物理

1923年諾貝爾物理獎:羅拔.密立根

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撰文者:余海峯 博士
發文日期:2017-07-31
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  • 「科學是由理論和實驗雙腳前進的學問⋯⋯有時候一隻腳會踏前,有時候是另一隻腳,但只有雙腳並用才能不斷進步。」這是羅拔.密立根(Robert Millikan)在1923年諾貝爾講座上說的話。密立根因為準確測量出電子的電荷以及他對光電效應的研究獲頒1923年諾貝爾物理獎。
     
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    [羅拔.密立根的諾貝爾獎官方照片。]
     
    電子的電荷是物理學的一個基本常數。在20世紀初,原子存在的事實尚未被所有人接受,若證實電荷有一個最小的量,就支持了物質的基本粒子理論,所以測量電子電荷就變得非常重要。

    其實在密立根之前,已有物理學家嘗試測量電子電荷,不過其誤差仍然很大。這就導致一個問題:究竟是真的有一個基本的電荷單位,還是只有一個統計上的平均值?因此,電子是基本粒子的假說仍懸而未決。

    密立根進行的實驗有個著名的名字,叫做油滴實驗(oil-drop experiment)。首先在一個密封的容器中水平地放兩塊金屬版,相距16毫米,各接駁著電源的正負極,製造出由上而下的電場,能夠把帶負電的東西向上加速。旁邊放了一個放射源,把金屬版之間的空氣離子化。

     
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    [密立根的油滴實驗圖解,來自他的諾貝爾講座。]

    在金屬版上方有一個噴霧器,會噴出一種不易揮發的油滴。上面那塊金屬版中間有個小洞,能夠讓油滴穿過來到金屬版之間。油滴在噴出時會因摩擦而帶電,因此進入金屬版之間後就會被電場向上加速。

    除了靜電力之外,作用於油滴上的還有另外三種力:重力、浮力和空氣阻力。當油滴被電場加速向上升,我們就可以解開以下運動方程求得作用在油滴上的靜電力:

    靜電力- 重力+ 浮力- 空氣阻力= 零,

    右邊等於零的原因是油滴已達終端速度(terminal velocity)。

    由於油滴的密度已知,我們可以透過顯微鏡測量油滴直徑,算出油滴質量,得到重力;浮力也依賴油滴大小,亦知;空氣阻力跟據油滴速度而定;靜電力則看油滴上的淨電荷。所以無論油滴是靜止不動還是徐徐上升,我們都可測量其速度而計算出靜電力,亦即電荷的大小。

    密立根做了很多次油滴實驗,從統計結果中發現,油滴的速度永遠是一個最低速度的整數倍。這樣不單止證明了電荷並非連續,而是有個基本單位,亦使他能夠算出一個基本電荷的電量,即電子電荷

    除了測量電子電荷,密立根更用實測證實了愛因斯坦的光電效應理論(1921年諾貝爾物理獎),並測量出普朗克常數的準確數值。
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