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：1.602176634×10^-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2019年定義為：1.602176634×10-19 庫侖
基元電荷的質量為：0.91×10^-30kg
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的比荷（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。
