Опыт Милликена сыграл ключевую роль в изучении свойств электрона и стал основой для развития квантовой теории. Данная статья подробно рассмотрит этот эксперимент и его влияние на физику XX века.
Предпосылки опыта Милликена
В 1897 году британский физик Джозеф Джон Томсон провел серию экспериментов, которые показали, что катодные лучи на самом деле являются отдельными частицами - электронами. Он также сделал оценки отношения заряда электрона к его массе и показал, что это отношение не зависит от материала катода.
Первая попытка непосредственно измерить заряд электрона принадлежит Джону Сили Таунсенду, ученику Дж. Дж. Томсона. Его метод заключался в измерении полного заряда облака конденсированного пара и числа капель в облаке. Значение, полученное Таунсендом, в два раза отличалось от современного.
Этот метод был усовершенствован Дж. Дж. Томсоном и другим британским физиком Гарольдом Уилсоном. Уилсон добавил металлические пластины, создававшие вертикальное электрическое поле, и смог рассчитать величину заряда, измеряя скорость падения капель.
Американский физик Роберт Э. Милликен заинтересовался проблемой определения заряда электрона после обучения в Европе. Вернувшись в США в 1896 году, он работал в Чикагском университете. В 1906 году Милликен решил усовершенствовать метод Уилсона с использованием более мощного электрического поля.
Описание экспериментальной установки
В 1909 году к работе подключился Харви Флетчер, предложивший вместо водяных капель использовать масло. Установка Милликена состояла из трех камер. В масляной ванне поддерживалась постоянная температура. Внутри располагались две горизонтальные металлические пластины, между которыми создавалось электрическое поле. В верхней пластине было отверстие для подачи капель.
Мелко распыленные капли масла падали под действием силы тяжести. Некоторые из них, будучи электрически заряженными за счет ионизации воздуха, оставались в подвешенном состоянии между пластинами. Управляя величиной электрического поля, можно было поднимать и опускать одну и ту же каплю, проводя серию измерений.
Измеряя напряженность поля E, при которой капля находится в равновесии, а также скорость свободного падения v, Милликен рассчитывал элементарный заряд e. В 1911 году установка была модернизирована для повышения точности измерений.
Проведение измерений и их результаты
Проводя эксперимент в течение девяти недель, Милликен получил следующие значения элементарного заряда:
- В 1911 году: 1,631·10^−19} Кл
- В 1913 году: 1,592·10^−19} Кл
Это всего на 0,6% ниже современного значения 1,602·10^−19} Кл. При этом ученый проанализировал данные почти по 100 каплям, часть из которых была исключена из окончательных расчетов.
Результаты Милликена вызвали дискуссию с Феликсом Эренхафтом, получившим заряды меньшие элементарного и предположившим существование «субэлектронов». Однако новые измерения 1913 года подтвердили элементарность электронного заряда. За эту работу Милликен был удостоен Нобелевской премии по физике в 1923 году.
Опыт Милликена в исторической перспективе
Экспериментальная установка для изучения заряженных аэрозольных частиц, разработанная Милликеном, не утратила актуальности и в XX веке. Ее модификации использовались для поисков предсказанных кварков – гипотетических составных частей адронов.
Опыт Милликена породил дискуссии об интерпретации первичных данных. Анализ его записей показал, что часть результатов не вошла в окончательную публикацию. Однако более поздние исследования опровергли обвинения Милликена в манипуляциях.
Измеренное Милликеном значение элементарного заряда сыграло важную роль для развития квантовой физики. Этот фундаментальный эксперимент навсегда вошел в историю.
Влияние Милликена на развитие науки
Помимо собственно научной деятельности, Милликен внес большой вклад в развитие образования и популяризацию физики.
Его учебник по физике многие годы использовался в американских школах. Милликен уделял большое внимание педагогической деятельности, будучи авторитетным преподавателем в Чикагском университете.
Общественная деятельность Милликена
В годы Первой мировой войны ученый активно сотрудничал с армией США, возглавляя войска связи в звании полковника. Это повысило авторитет физических наук и ученых в глазах общественности.
Создание Калифорнийского технологического института
В 1921 году Милликен фактически возглавил только что созданный Калифорнийский технологический институт. Это научно-образовательное учреждение и по сей день остается одним из ведущих центров физики в США.
Исследования космических лучей
Несмотря на административную деятельность, Милликен продолжал заниматься физикой. Одно из главных направлений его работ в 1920-30-е годы – физические исследования космических лучей.
Популяризация науки
Активная жизненная позиция Милликена, его образ «солдата науки» способствовали росту престижа профессии ученого. Широко известный после опыта по измерению электростатического заряда, он во многом определил новый облик ученого-экспериментатора.
Поиски кварков с помощью модифицированной установки Милликена
Экспериментальная установка Милликена для изучения свойств заряженных аэрозольных частиц активно использовалась и в дальнейшем. В 1960-1970-х годах на ее основе были созданы приборы для поисков гипотетических кварков.
Согласно представлениям о строении адронов, кварки должны иметь дробные электрические заряды. Ожидалось обнаружить свободные кварки в космических лучах или при столкновениях частиц в ускорителях.
Однако найти свободные кварки не удалось. Это послужило косвенным доказательством концепции о конфайнменте кварков внутри адронов. Так опыт Милликена помог проверить современные кварковые модели.
Критика методики обработки данных Милликеном
Результаты Милликена подверглись критике со стороны историков науки. Было отмечено, что в окончательную публикацию не вошла часть первичных данных.
Однако более поздний анализ показал отсутствие целенаправленного искажения. Часть результатов была исключена из-за явных экспериментальных ошибок или неполноты наблюдений.
Точность измерения элементарного заряда Милликеном
Несмотря на критику методики, точность определения элементарного заряда в опыте Милликена поистине удивительна.
Полученное им значение всего на 0,6% отличается от современного. При этом Милликен работал в начале XX века в условиях куда менее совершенного экспериментального оборудования.
Это свидетельствует о выдающихся экспериментальных навыках ученого и продуманности методики измерений.
