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罗伯特·安德鲁·密立根

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罗伯特·安德鲁·密立根(英语:Robert Andrews Millikan,1868年3月22日~1953年12月19日),美国物理学家,1923年诺贝尔物理学奖获得者。1910-1917年曾以油滴实验精确地测得出基本电荷的电荷量e的值,从而确定了电荷的不连续性,1916年曾验证了爱因斯坦的光电效应公式是正确的,并测定了普朗克常数;另外他在宇宙射线方面也做了一些工作。

 

生平简介

 

履历

 

罗伯特·安德鲁·密立根(Robert Andrews Millikan,1868~1953),美国实验物理学家。1868年3月22日生于伊利诺斯州的莫里森。1887年入奥柏森大学后,从二年级起被聘在初等物理班担任教员,他很喜爱这个工作,这使他更深入地钻研物理学,甚至在1891年大学毕业后,仍继续在初等物理班讲课,由此写成了广泛流传的教材。1893年取得硕士学位,同年得到哥伦比亚大学物理系攻读博士学位的奖金。成为该校造就来的第一位物理学博士。1895年获得博士学位后留学欧洲。1896年回国任教于芝加哥大学。由于教学成绩优异,第二年就升任副教授。

 

生平

 

罗伯特• 安德鲁•密立根在西元1868年3月22日美国的马里逊(Morrison)出生,是Reverend Silas Franklin Millikan和Mary Jane Andrews的第二个儿子,他的祖父母本来是旧新西兰人,在西元1750年之前来到美国并在中西部先锋定居。罗伯特• 安德鲁•密立根在童年时领导著一个乡村的存在,高中时进入了马科基高中(艾奥瓦州)。密立根曾经短暂做过法庭记者,在这之后,西元1886年他进入奥伯林学院(俄亥俄州)就读。在密立根的求学期间最喜欢的科目是希腊学和数学,但在密立根西元1891年毕业后的两年中,密立根在小学的物理中教职。在教职期间,密立根才发现物理学才是他所感兴趣且擅长的。在西元1893年,在他获得物理主控权后,他被任命为哥伦比亚大学的物理研究员。密立根在西元1895年获得了博士学位,是有关于发射光的偏振借由白炽灯表面使用的研究,其目的在于在美国造币厂融化黄金和白银。 在教授的煽动下,密立根花了一年(西元1895-1896)于德国柏林的哥廷根大学。密立根被邀请回到麦克逊(Michelson)在芝加哥新成立的瑞尔森大学的实验室担任一位助理(西元1896年)。密立根是位杰出的老师,在西元1910年他成为大学内的教授,此职位保留到西元1921年。在芝加哥的前几年中,密立根花了很多时间在准备物理的教科书和简化物理的教学。密立根是以下书籍的作者(共同作者): 与S.W. Stratton 共同编写了A College Course in Physics (1898); Mechanics, Molecular Physics, and Heat (1902);与C.R. Mann编写 The Theory of Optics(1903), 由德国人翻译; 与H.G. Gale编写 A First Course in Physics (1906)以及A Laboratory Course in Physics for Secondary Schools(1907); 与J. Mills 编写Electricity, Sound 及 Light,with (1908); Practical Physics - revision of A First Course(1920); The Electron(1917;牧师 ,主编 1924, 1935)。身为一位科学家,密立根提出许多重大的发现,主要是在电力领域,光学,原子与分子物理,他最早的主要成就是准确测定电子电荷进行,采用典雅的"falling-drop method"方式; 他还证明,这个数量具有恒定的所有电子(1910),因而显示了原子结构的电力。接下来,密立根实验验证爱因斯坦的所有重要的光电方程并提出了第一个直接光电测定普朗克常数 h(1912至1915年)。

 

教育

 

密立根读的高中位于马科基塔,艾奥瓦州。密立根获得了学士学位,是在经典的欧柏林学院所取得的学士学位。在西元1891年他的物理博士学位是在哥伦比亚大学于西元1895年所取得-他是第一个获得物理博士学位来自于该部门。 “截至密立根语录,我大二……我的希腊教授问我要不要教在明年的课程-基础物理的筹备部门,我所给他的答复是,我不知道我是否可以教所有的物理学,教授给我的回答是:“任何人谁都可以做好教物理这项任务。” “好吧,”我回答他说,'你将不得不承担后果,但我会尝试,试看看我是否可以用它做。“ 我一下子就去购买了Ave时ry的元素物理,花更大的一部分时间在这项研究里,西元1889年暑假我在家里-试图掌握与解决这个问题。西元18889年我怀疑我在物理学上跟我的生活比较起来教物理学当然更是第一,我是如此强烈的对物理学感到兴趣,因为它让我的知识变得很丰富,而且它们可能已经引起了一些我自己的兴趣和热情。 密立根的热情继续教育在整个职业生涯,他与合作者的普及和影响力编辑了系列入门教材,在编辑教材花费了许多时间。相对于其他书籍的时候,他们对待这个系列的教材的问题用很多的方式去解决,密立根他是很善于思考的物理学家。其中教材还包含了许多家庭作业的问题,提出概念性的问题,而不是简单地要求学生把数字插入一个公式。 西元1902年他与葛丽泰欧文布兰查德完成婚姻。他们有三个儿子-克拉克布兰查德,格伦-阿伦和Max富兰克林。

 

死亡和遗产

 

密立根死于心脏病发作,在他的家在圣马力诺,加州,西元1953年享年85岁,被安葬在“法院的荣誉”在森林草坪纪念公园公墓在格伦代尔,加利福尼亚州 。 密立根中学(原密立根初级中学)在洛杉矶郊区居民区被命名谢尔曼奥克斯在他的荣誉,因为是罗伯特密立根高中在长滩,加利福尼亚。在密立根图书馆,最高的建筑在加州理工学院的校园也被命名对于他。 此外,主要街道通过泰克校园波特兰,俄勒冈州 ,是以他的名字命名,与密立根之路。其中四套房在雅典娜酒店在加州理工学院的校园是他的名字命名,密立根套房。 西元1982年1月26日,他荣获由美国邮政服务了37美分伟大的美国人系列 (1980-2000年) 邮票 。 在西元1917年,太阳能天文学家乔治埃勒里海尔相信密立根开始每一年花费数几个月在Throop技术学院,学术机构,在一个小的帕萨迪纳,加利福尼亚州的海尔希望转变为一个主要中心的科学研究和教育。几年后Throop学院成为加州理工学院,和密立根离开了芝加哥大学,才能成为加州理工学院的“主席的行政会议”(实际上这个职位就是总统)。密立根将担任这一个职位从西元1921年至西元1945年。他在加州理工学院的研究主要集中于研究“ 宇宙射线 “(他自己创造的一个术语)。在20世纪30年代,他进入了辩论阿瑟顿在是否由宇宙射线是高能量光子(密立根的观点),或带电粒子(康普顿的看法)。密立根认为他的宇宙射线光子的“ 出生呼喊 “新原子不断被创造的神来抵消熵和防止热死的宇宙。康普顿最终会被证明是正确的观察,宇宙射线的偏转由地球磁场(所以必须带电粒子)。 罗伯特密立根是副委员长,全国研究委员会在第一次世界大战期间,他帮助制定反潜和气象设备。他接受了中国订购的玉器。在他的私人生活,密立根是一个热情的网球选手。他已婚,有三个儿子,长子人,克拉克B.密立根,成了突出的空气动力工程师。另一个儿子,格伦,也是物理学家,已婚的女儿(克莱尔)的乔治LEIGH马洛里的“因为它的存在” 珠穆朗玛峰成名。格伦是登山事故中丧生的坎伯兰山脉于西元1947年。

密立根他死于心脏病发作在他的家-圣马力诺,加州,在西元1953年(总共活了85岁),被安葬在“法院的荣誉”在森林草坪纪念公园公墓在格伦代尔,加利福尼亚州。

Robert_Andrews_Millikan.

 

科学研究

 

油滴实验测元电荷

 

密立根以其实验的精确著名。从1907年一开始,他致力于改进威耳逊云雾室中对α粒子电荷的测量甚有成效,得到卢瑟福的肯定。卢瑟福建议他努力防止水滴蒸发。1909年,当他准备好条件使带电云雾在重力与电场力平衡下把电压加到10000伏时,他发现的是云层消散后“有几颗水滴留在机场中”,从而创造出测量电子电荷的平衡水珠法、平衡油滑法,但有人攻击他得到的只是平均值而不是元电荷。1910年,他第三次作了改进,使油滴可以在电场力与重力平衡时上上下下地运动,而且在受到照射时还可看到因电量改变而致的油滴突然变化,从而求出电荷量改变的差值;1913年,他得到电子电荷的数值:e=(4.774±0.009)×10-10esu,这样,就从实验上确证了元电荷的存在。他测的精确值最终结束了关于对电子离散性的争论,并使许多物理常数的计算获得较高的精度。

 

精确测定普朗克常量

 

他的求实、严谨细致,富有创造性的实验作风也成为物理界的楷模,与此同时,他还致力于光电效应的研究经过细心认真的观测,1916年,他的实验结果完全肯定了爱因斯坦光电效应方程,并且测出了当时最精确的普朗克常量h的值。由于上述工作,密立根赢得1923年度诺贝尔物理学奖。

 

元素火花光谱学

 

他还对电子在强电场作用下逸出金属表面进行了实验研究。他还从事元素火花光谱学的研究工作,测量了紫外线与X射线之间的光谱区,发现了近1000条谱线,波长直到13.66nm)使紫外光谱远超出了当时已知的范围。他对x射线谱的分析工作,导致了乌伦贝克(G.E.Uhlenbeek1900~1974)等人在1925年提出电子自旋理论。

 

宇宙射线

 

他在宇宙线方面也做过大量的研究。他提出了“宇宙线”这个名称。研究了宇宙粒子的轨道及其曲率,发现了宇宙线中的“α粒子、高速电子、质子、中子、正电子和V量子。改变了过去“宇宙线是光子”的观念。尤其是他用强磁场中的云室对宇宙线进行实验研究,导致他的学生安德森在1932年发现正电子。

1921年起,密立根任教于加利福尼亚理工学院,他的努力有助于使该校成为世界上最著名的科学中心之一。1953年12月19在加利福尼亚的帕萨迪纳逝世。

罗伯特·安德鲁·密立根

 

密立根油滴实验

 

实验步骤

 

密立根油滴实验,美国物理学家密立根所做的测定电子电荷的实验。1907-1913年密立根用在电场和重力场中运动的带电油滴进行实验,发现所有油滴所带的电量均是某一最小电荷的整数倍,该最小电荷值就是电子电荷。用喷雾器将油滴喷入电容器两块水平的平行电极板之间时,油滴经喷射后,一般都是带电的。在不加电场的情况下,小油滴受重力作用而降落,当重力与空气的浮力和粘滞阻力平衡时,它便作匀速下降,它们之间的关系是:mg=F1+B(1),式中:mg──油滴受的重力,F1──空气的粘滞阻力,B──空气的浮力。

令σ、ρ分别表示油滴和空气的密度;δ为油滴的半径;η为空气的粘滞系数;vg为油滴匀速下降速度。因此油滴受的重力为 mg=4/3πa^3δg(注:a^3为a的3次方,一下均是),空气的浮力 mg=4/3πa^3ρg,空气的粘滞阻力f1=6πηaVg (流体力学的斯托克斯定律 ,Vg表示v下角标g)。于是(1)式变为:4/3πa^3δg=6πηaVg+4/3πa^3ρg,可得出油滴的半径a=3(ηVg/2g(δ-ρ))^1/2(2),当平行电极板间加上电场时,设油滴所带电量为q,它所受到的静电力为qE,E为平行极板间的电场强度,E=U/d,U为两极板间的电势差,d为两板间的距离。适当选择电势差U的大小和方向,使油滴受到电场的作用向上运动,以vE表示上升的速度。当油滴匀速上升时,可得到如下关系式:F2+m=qE+B(3),式中F2为油滴上升速度为Ve时空气的粘滞阻力:F2=6πηaVe,由(1)、(3)式得到油滴所带电量q为q=(F1+F2)/E=6πηad/(Vg+Ve)(4)。(4)式表明,按(2)式求出油滴的半径a后,由测定的油滴不加电场时下降速度vg和加上电场时油滴匀速上升的速度vE,就可以求出所带的电量q。注意上述公式的推导过程中都是对同一个油滴而言的,因而对同一个油滴,要在实验中测出一组vg、vE的相应数据。用上述方法对许多不同的油滴进行测量。结果表明,油滴所带的电量总是某一个最小固定值的整数倍,这个最小电荷就是电子所带的电量e。将仪器接入220伏交流电源。高压电源调节置于0位置,旋开油滴室盖子,把水准器放置在上极板面上,利用调平螺钉将油滴室内的平行板电容器板面调节水平。调节显微镜目镜,使分划板刻线明显清晰。再把大头针插入上板小孔中,调节光源角度,直到从显微镜中观察大头针周围光场最明亮、范围最大和光强均匀为止,然后拨出大头针拧上盖子准备喷油。由于本步骤要调节电容器极板,谨防极板带电,应由教师调节。用喷雾器将油滴喷入油滴室内,从显微镜中观察油滴运动情况。实验时先找一个合适的油滴(较小的油滴,运动较缓慢,所带电量小于5个基本电量),使它自由落下,然后再加上电场使它向上运动(上升太快或太慢就适当调节电压)。

这样在重力和电场力交替作用下,让油滴反复上升、下落若干次,在整个视场内都可以看得很清楚,否则需要重新选择。用停表作记录:记录油滴n次下落一定的距离L(显微镜分划板刻线的距离),所经历的总时间tg总,记录油滴n次上升同一距离L,所经历的总时间tE总(两次记录必须是对同一油滴),用油滴所通过的总距离nL分别除以总时间tg总及tE总就得出vg和vE利用公式(4)算出油滴所带的电量q。按照上述方法选取6-10个不同的油滴进行测量,计算它们各自所带的电量。数据处理:本实验只要求学生进行简单的数字处理和分析。按书后的表格记录数据和计算,该表是用国产油滴仪进行实验所得到的一组数据。

 

实验背景

 

1897年汤姆生发现了电子的存在后,人们进行了多次尝试,以精确确定它的性质。汤姆生又测量了这种基本粒子的比荷(荷质比),证实了这个比值是唯一的。许多科学家为测量电子的电荷量进行了大量的实验探索工作。电子电荷的精确数值最早是美国科学家密立根于1917年用实验测得的。密立根在前人工作的基础上,进行基本电荷量e的测量,他作了几千次测量,一个油滴要盯住几个小时,可见其艰苦的程度。密立根通过油滴实验,精确地测定基本电荷量e的过程,

 

实验意义

 

是一个不断发现问题并解决问题的过程。为了实现精确测量,他创造了实验所必须的环境条件,例如油滴室的气压和温度的测量和控制。开始他是用水滴作为电量的载体的,由于水滴的蒸发,不能得到满意的结果,后来改用了挥发性小的油滴。最初,由实验数据通过公式计算出的e值随油滴的减小而增大,面对这一情况,密立根经过分析后认为导致这个谬误的原因在于,实验中选用的油滴很小,对它来说,空气已不能看作连续媒质,斯托克斯定律已不适用,因此他通过分析和实验对斯托克斯定律作了修正,得到了合理的结果。密立根的实验装置随着技术的进步而得到了不断的改进,但其实验原理至今仍在当代物理科学研究的前沿发挥着作用,例如,科学家用类似的方法确定出基本粒子──夸克的电量。油滴实验中将微观量测量转化为宏观量测量的巧妙设想和精确构思,以及用比较简单的仪器,测得比较精确而稳定的结果等都是富有启发性的。

 

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