密立根油滴实验:HSC 物理详解

了解密立根如何透过油滴实验测量基本电荷量、证明电荷具有量子化特性,以及如何结合汤姆森的研究结果计算电子质量。

20 世纪初,物理学家已经掌握强而有力的证据,显示原子内含有带负电的微小粒子。J. J. 汤姆森(J. J. Thomson)的阴极射线实验甚至已经测得电子的电荷质量比(荷质比)\(e/m\)。但仍有一个棘手的问题:知道两个量的比值,不代表知道其中任何一个量的实际数值。

想像有人告诉你,两个人的身高比是 \(2:1\)。你仍然不知道他们的身高究竟是 2 m 和 1 m,还是 1.6 m 和 0.8 m。汤姆森面对的正是同样的问题。要找出电子的质量,物理学家需要独立测量电子的电荷量。

罗伯特・密立根(Robert Millikan)的油滴实验提供了这项缺失的测量结果。更重要的是,这个实验显示电荷以离散的单位存在:油滴所带的电荷量,总是某个最小数值的整数倍。

这个最小数值称为基本电荷量(elementary charge):

\[ e \approx 1.60\times10^{-19}\ \text{C}. \]

将 \(e\) 与汤姆森先前测得的 \(e/m\) 结合,就能计算出电子的质量。

01究竟需要测量甚么?

假设一个微小物体以某种方式获得了额外的电子。它所带的电荷可能是

\[ -e,\quad -2e,\quad -3e,\quad \ldots \]

但在密立根的年代,这种规律是需要透过实验检验的,而不是可以直接假设的。

实验上的问题相当棘手。电子实在太小,根本无法放在天平上称重。电子的质量约为 \(9.11\times10^{-31}\) kg。即使是一粒微小的灰尘,也包含数量极其庞大的原子。

因此,密立根采取了间接的方法:让一个大到足以观察的物体带上少量电荷,再利用作用在它上面的力,反过来推算电荷量。

这个物体就是一颗微小的油滴。

为甚么选择油?因为微小的油滴可以保持足够长时间的稳定状态,方便观察。水滴则会逐渐蒸发,导致半径改变,质量也随之改变,而这些变化偏偏发生在你尝试测量的过程中。这正是那种看似不起眼、却可能悄悄破坏精巧实验方法的麻烦。

02想像实验装置的样子

实验装置的核心部分有两块水平金属板,一上一下排列,中间相隔一小段距离。

在两块金属板之间施加电压,就会在板间产生近似均匀的电场。

上方金属板的上面设有雾化器(atomiser),用来向装置内喷出极微小的油滴。部分油滴会穿过上方金属板上的小孔,进入两块金属板之间的空隙。

油滴会获得电荷,常见的原因是电离过程令电子转移到油滴上,或从油滴转移出去。

一盏灯从侧面照亮油滴。密立根则透过显微镜观察个别油滴。

密立根油滴实验装置的侧视示意图。雾化器位于两块平行金属板上方,一颗带负电的油滴悬浮在两板之间,两侧分别设有灯和显微镜。电场方向向下,电力方向向上,重力方向向下。
当向上的电力与油滴的重量互相平衡时,带负电的油滴便能保持悬浮;两块金属板之间的电场方向向下。

现在,在脑海中追踪其中一颗油滴。

它离开雾化器,穿过小孔,进入两块金属板之间的空间,并在重力作用下向下坠落。密立根透过显微镜观察它的运动。

接著,电场被接通。

如果电场的方向和强度适当,电力便可以抵抗重力。只要仔细调整电压,就能让油滴几乎静止不动。

这颗静止的油滴,就是关键的测量对象。

03预测受力平衡

假设一颗带负电的油滴静止悬浮在两块金属板之间。

这时,作用在油滴上的力必须满足甚么条件?

一个常见的初步想法是:重力不知怎的停止了作用。事实并非如此。油滴之所以静止,是因为各个力互相平衡。

重力向下拉动油滴,电力则向上作用。

在最简化的 HSC 模型中,

\[ F_g=mg \]

而

\[ F_E=qE, \]

其中:

  • \(m\) 是油滴的质量,单位为千克;
  • \(g\) 是重力场强度,单位为 \(\text{m s}^{-2}\);
  • \(q\) 是油滴电荷量的大小,单位为库仑;
  • \(E\) 是电场强度,单位为 \(\text{N C}^{-1}\)。

对于静止的油滴,

\[ F_E=F_g, \]

因此

\[ qE=mg. \]

所以,

\[ q=\frac{mg}{E}. \]

如果两块金属板近似平行,而且可以忽略边缘效应,

\[ E=\frac{V}{d}, \]

其中 \(V\) 是两块金属板之间的电位差,\(d\) 是两板之间的距离。

结合以上方程式,可得

\[ q=\frac{mgd}{V}. \]

这就是方法巧妙的地方。只要知道油滴的质量、金属板间距,以及使油滴保持平衡所需的电压,就能计算出油滴的电荷量。

不过,这句话里其实隐藏著一个明显的问题。

你要怎样知道一个微观物体的质量?

04下落的油滴揭示它的大小

密立根无法直接取出一颗油滴,再放到实验室天平上称重。

相反,他利用油滴在空气中的运动来取得有关其大小的资讯。

当一个微小球体在空气中下落时,重力起初会使它加速。随著速度增加,空气阻力也会增大。最终,向上的阻力变得足够大,使合力趋近于零。

这时,油滴会以固定速度下落,这个速度称为终端速度(terminal velocity)。

对于在流体中缓慢运动、尺寸足够小的球体,斯托克斯定律(Stokes’ law)给出的阻力为

\[ F_D=6\pi\eta rv, \]

其中:

  • \(\eta\) 是空气的动力黏度;
  • \(r\) 是油滴的半径;
  • \(v\) 是油滴的速率。

当油滴达到终端速度时,向下的重力作用会与向上的阻力及浮力达到平衡。

简化的课堂模型可能写成

\[ mg=6\pi\eta rv. \]

更准确的处理方法会考虑油滴排开空气所产生的浮力。此时,有效的向下作用力为

\[ F_{\text{effective}}= \frac{4}{3}\pi r^3(\rho_{\text{oil}}-\rho_{\text{air}})g. \]

当油滴以终端速度 \(v_t\) 下落时,

\[ 6\pi\eta rv_t= \frac{4}{3}\pi r^3(\rho_{\text{oil}}-\rho_{\text{air}})g. \]

解出 \(r\),可得

\[ r= \sqrt{ \frac{9\eta v_t} {2(\rho_{\text{oil}}-\rho_{\text{air}})g} }. \]

知道半径后,就能计算油滴的体积:

\[ V_{\text{drop}}=\frac{4}{3}\pi r^3, \]

而它的质量约为

\[ m=\rho_{\text{oil}}V_{\text{drop}}. \]

因此,这个实验把两项观察结果联系起来:

  1. 当油滴的运动受重力和空气阻力控制时,它下落得有多快;
  2. 需要多强的电场才能使油滴保持平衡。

根据这些测量结果,就能推算油滴的电荷量。

最初的概念模型 \(qE=mg\) 很有用,因为它掌握了实验的核心原理。不过,实际测量需要更加谨慎,因为空气阻力、浮力、油滴大小、黏度,以及极小尺度下的修正因素,都会影响结果。

05为甚么使用油,而不是水?

早期使用微小液滴的实验曾遇到一个难题:液滴可能蒸发。

想像你正在测量某人的质量,但那个人却在测量过程中不断消失。这显然有点麻烦。

如果水滴缩小,半径就会改变。由于体积随 \(r^3\) 改变,质量也会跟著改变。它的终端速度同样会改变。这样一来,就更难判断运动的变化究竟是由电荷改变引起,还是单纯因为蒸发所致。

使用挥发性低得多的油,可以让个别油滴在测量期间保持更稳定的状态。

这并不代表实验变得完美无缺。密立根仍须考虑微小球体在空气中运动的特性,而在极小尺度下,斯托克斯定律也需要作出修正。不过,油滴实验的设计大幅提高了持续追踪同一颗油滴的能力,让研究人员有足够时间进行重复测量。

06例题详解:求悬浮油滴的电荷量

一颗质量为 \(4.8\times10^{-15}\) kg 的油滴,静止在两块水平平行金属板之间。电场强度为 \(9.8\times10^4\ \text{N C}^{-1}\)。计算油滴所带电荷量的大小。

取 \(g=9.8\ \text{m s}^{-2}\)。

步骤 1

油滴的加速度为零,因此合力为零。在简化模型中,

\[ qE=mg. \]

步骤 2

\[ q=\frac{mg}{E}. \]

步骤 3

\[ q= \frac{(4.8\times10^{-15}\ \text{kg})(9.8\ \text{m s}^{-2})} {9.8\times10^4\ \text{N C}^{-1}}. \]

由于 \(1\ \text{N}=1\ \text{kg m s}^{-2}\),

\[ q=4.8\times10^{-19}\ \text{C}. \]

步骤 4

使用

\[ e=1.60\times10^{-19}\ \text{C}, \]

可得

\[ \frac{q}{e} = \frac{4.8\times10^{-19}}{1.60\times10^{-19}} =3. \]

油滴所带电荷量的大小为 \(3e\)。如果它带负电,就代表它有三个额外电子。

这种整数关系,正是实验中最重要的规律。

07只测量一颗油滴并不足够

假设密立根测量一颗油滴,得到

\[ q=4.8\times10^{-19}\ \text{C}. \]

他能立即断定基本电荷量是 \(1.6\times10^{-19}\ \text{C}\) 吗?

不能。

这颗油滴可能带有一个大小为 \(4.8\times10^{-19}\) C 的基本电荷单位,也可能带有两个大小为 \(2.4\times10^{-19}\) C 的单位,或三个大小为 \(1.6\times10^{-19}\) C 的单位。

单次测量无法揭示共同的基本单位。

真正的关键在于对大量油滴重复进行实验。

假设测得的电荷量大小包括接近以下数值的结果:

\[ 1.6\times10^{-19}\ \text{C}, \]

\[ 3.2\times10^{-19}\ \text{C}, \]

\[ 4.8\times10^{-19}\ \text{C}, \]

以及

\[ 8.0\times10^{-19}\ \text{C}. \]

这些数值可以写成

\[ e,\quad 2e,\quad 3e,\quad 5e. \]

虽然电荷量不同,但它们都具有一个共同的最小单位。

这就是电荷量子化(charge quantisation):

\[ q=ne, \]

其中 \(n\) 是整数,而 \(e\) 是基本电荷量的大小。

油滴并非全部带有相同的电荷。事实上,如果它们的电荷都相同,反而无法提供那么多资讯。正是不同的电荷量,揭示了背后重复出现的共同单位。

想像你找到几张购物收据,总额分别是 $12、$20、$28 和 $36,然后发现每件商品的价格都是 $4。虽然总额不同,但共同的增量揭示了基本单位。当然,这个比喻并不完全贴切,因为在实验中,电荷并不是透过逐一购买相同物件来组成的。这个比喻只是帮助你理解,为甚么多个不同的测量结果能揭示共同的增量。

08实验结果揭示了电子的甚么特性?

测得的基本电荷量约为

\[ e=1.602\times10^{-19}\ \text{C}. \]

一个电子所带的电荷为

\[ q_e=-e=-1.602\times10^{-19}\ \text{C}. \]

负号表示电荷的种类。按照惯例,\(e\) 本身代表基本电荷量的正值大小。

一个质子带有 \(+e\) 的电荷。

因此,如果一颗油滴的电荷为

\[ q=-6.41\times10^{-19}\ \text{C}, \]

那么

\[ \frac{|q|}{e} \approx \frac{6.41\times10^{-19}} {1.602\times10^{-19}} \approx4.00. \]

因此,在考虑测量不确定度的前提下,这颗油滴有四个额外电子。

留意这里的措辞:四个额外电子。油滴内的电子总数远远超过四个。它带负电,表示它比维持电中性所需的电子数目多出四个电子。

09例题详解:利用多次测量推算 \(e\)

测得四颗油滴的电荷量大小分别为

\[ 3.18\times10^{-19}\ \text{C},\quad 4.82\times10^{-19}\ \text{C},\quad 6.39\times10^{-19}\ \text{C},\quad 8.03\times10^{-19}\ \text{C}. \]

估算基本电荷量,并指出每颗油滴最可能带有多少个基本电荷单位。

步骤 1

这些测量结果接近 \(1.60\times10^{-19}\) C 的整数倍。

步骤 2

若 \(e\approx1.60\times10^{-19}\) C:

\[ 2e\approx3.20\times10^{-19}\ \text{C}, \]

\[ 3e\approx4.80\times10^{-19}\ \text{C}, \]

\[ 4e\approx6.40\times10^{-19}\ \text{C}, \]

以及

\[ 5e\approx8.00\times10^{-19}\ \text{C}. \]

观察结果与这些数值非常接近。

步骤 3

\[ \frac{3.18\times10^{-19}}{2} =1.59\times10^{-19}\ \text{C}, \]

\[ \frac{4.82\times10^{-19}}{3} =1.607\times10^{-19}\ \text{C}, \]

\[ \frac{6.39\times10^{-19}}{4} =1.598\times10^{-19}\ \text{C}, \]

\[ \frac{8.03\times10^{-19}}{5} =1.606\times10^{-19}\ \text{C}. \]

这些结果集中在

\[ e\approx1.60\times10^{-19}\ \text{C} \]

附近。

步骤 4

四颗油滴最可能分别带有 \(2e\)、\(3e\)、\(4e\) 和 \(5e\) 的电荷量大小。

在真实测量中,出现轻微偏差是正常的。电荷量子化并不代表在考虑不确定度之前,每个实验结果都必须完全等于某个整数倍。

10密立根并没有直接测量电子的质量

这个区别十分重要。

密立根的实验测量的是基本电荷量,而不是直接称量电子的质量。

之所以能计算电子质量,是因为汤姆森先前已测得电子的电荷质量比。

阴极射线偏转实验得到的结果约为

\[ \frac{e}{m_e}=1.76\times10^{11}\ \text{C kg}^{-1}, \]

其中 \(m_e\) 是电子的质量。

现在已知 \(e\),便可重整方程式:

\[ m_e=\frac{e}{e/m_e}. \]

代入数值:

\[ m_e= \frac{1.602\times10^{-19}\ \text{C}} {1.76\times10^{11}\ \text{C kg}^{-1}}. \]

因此,

\[ m_e\approx9.10\times10^{-31}\ \text{kg}. \]

库仑单位互相约去,最后剩下千克。

这是一个很好的例子,说明两项实验如何分别解决同一问题的不同部分:

实验确立了甚么
汤姆森的阴极射线研究电子的电荷质量比 \(e/m_e\)
密立根的油滴实验基本电荷量 \(e\)
结合两项结果电子质量 \(m_e\)

如果你对汤姆森的实验仍不太清楚,建议先复习阴极射线如何提供电子存在的证据,再记住这一连串推论。理解背后的逻辑,比死记两位科学家的姓氏更重要。

11例题详解:计算电子质量

某实验测得电子的电荷质量比为

\[ \frac{e}{m_e}=1.76\times10^{11}\ \text{C kg}^{-1}. \]

使用 \(e=1.60\times10^{-19}\) C,计算电子的质量。

步骤 1

我们已知 \(e\) 和 \(e/m_e\),要求的是 \(m_e\)。

步骤 2

\[ m_e=\frac{e}{e/m_e}. \]

步骤 3

\[ m_e= \frac{1.60\times10^{-19}\ \text{C}} {1.76\times10^{11}\ \text{C kg}^{-1}} =9.09\times10^{-31}\ \text{kg}. \]

步骤 4

电子的质量约为

\[ 9.1\times10^{-31}\ \text{kg}. \]

单靠汤姆森或密立根其中一人的测量,都无法得到这个结果。必须结合两项测量,才能计算出电子的质量。

12当油滴获得或失去一个电子时,会发生甚么变化?

这个实验有一个特别有用的特点:有时候,研究人员可以在持续观察同一颗油滴的过程中,看到它的电荷发生变化。

假设油滴的质量基本保持不变,但电荷量大小由 \(3e\) 变成 \(4e\)。

对于悬浮的油滴,

\[ qE=mg. \]

由于 \(m\) 和 \(g\) 没有改变,

\[ E=\frac{mg}{q}. \]

因此,当 \(q\) 的大小增加时,悬浮同一颗油滴所需的电场强度便会减小。

对于平行金属板,

\[ E=\frac{V}{d}. \]

如果 \(d\) 固定,保持平衡所需的电压也会降低。

有些学生可能会作出相反的预测:「电荷越多,电力就越强,所以我们需要更高的电压。」这句话的前半部分是正确的。在相同电场下,电荷量越大,电力确实越强。正因如此,要产生相同大小的向上作用力,所需的电场反而更弱。

对于同一颗没有其他变化的油滴,

\[ q_1E_1=q_2E_2. \]

因此,如果它的电荷量大小由 \(3e\) 变成 \(4e\),

\[ 3eE_1=4eE_2, \]

可得

\[ E_2=\frac34E_1. \]

这种推理能力,比把 \(qE=mg\) 当成一条只需机械式代入数字的公式更有用。

13为甚么布朗运动和微小油滴的物理特性很重要?

把油滴做得更小,表面上有一个优点:它的重量会变得非常小,因此控制它所需的电力也会很小。

但油滴并不是越小越好。

微小油滴会不断受到空气分子的碰撞。这些分子碰撞会造成不规则的布朗运动(Brownian motion)。物体越小,这种随机运动相对于平稳的重力下落运动就越明显。

因此,测量时需要作出取舍。

较大的油滴下落得更快,受布朗运动主导的程度较低,但需要更大的电力。非常小的油滴较容易受到电场影响,但其运动也更难准确测量。

还有另一个复杂因素。一般的斯托克斯定律把周围的空气视为连续流体。对于极微小的油滴,这个近似便不再完全准确,因为油滴的尺度相对于气体分子运动的尺度开始变得重要。因此,需要加入修正。

在 HSC Physics 中,你通常不需要完整重现这些修正的数学推导。但你需要理解实验原理:简单的受力方程式描述了核心模型,而精密测量则需要修正理想模型中忽略的效应。

14究竟有哪些证据支持电荷量子化?

我们很容易这样说:「密立根测得 \(1.6\times10^{-19}\) C,所以电荷是量子化的。」

但这种说法略过了整个推论中最有力的部分。

支持量子化的证据,来自大量测量结果所呈现的规律。

如果电荷可以完全连续地取值,那么原则上,测量结果可以出现任意数值,例如

\[ 2.37\times10^{-19}\ \text{C} \]

或

\[ 5.11\times10^{-19}\ \text{C} \]

而不需要符合任何共同单位的整数倍。

然而,实际测得的油滴电荷量,却集中在某个共同数值的整数倍附近。

因此,最重要的证据并不只是某个特定数字,而是不断重复出现的结构:

\[ q=ne. \]

实验不确定度会令测得的数值出现一些分散。要辨认整数倍的规律,就需要检查数据是否与某个共同电荷单位的整数倍一致。

垂直数线示意图,显示测得的油滴电荷量集中在 e、2e、3e、4e 和 5e 附近。各个整数倍附近的测量值略有分散,而整数倍之间没有出现数据群集。
测得的油滴电荷量在基本电荷量的整数倍位置形成重复的数据群集,而不是连续分布在各个整数倍之间。

15观察结果、科学解释与现代观点

把这个实验分成三个层次来理解,会更清楚。

观察结果是:不同油滴需要特定强度的电场来平衡自身重量,而由此推算出的电荷量呈现重复的数值规律。

科学解释是:电荷以离散单位存在,而不是可以任意取值。

从现代物理学的角度回看,这个单位直接对应于质子或电子所带电荷量的大小:

\[ e=1.602176634\times10^{-19}\ \text{C}. \]

现今的国际单位制(SI)利用基本电荷量的一个精确数值来定义库仑。当然,密立根当时并不是在验证一个现代的单位定义。他的实验属于物理学发展的较早阶段,当时基本电荷量的数值及其离散性,仍然是需要透过实验回答的问题。

16HSC 答案应该提出甚么主张,又应避免甚么说法?

如果题目问及密立根的贡献,一份出色的答案应清楚区分他实际测量了甚么,以及后来可以利用结果计算出甚么。

简洁的因果推论链如下:

\[ \text{油滴运动} \rightarrow \text{油滴大小与质量} \rightarrow \text{电力平衡} \rightarrow \text{油滴电荷量} \rightarrow \text{共同的基本电荷量}. \]

接著:

\[ e + \frac{e}{m_e} \rightarrow m_e. \]

避免以下常见错误:

容易令人误信的说法错在哪里?
「密立根测量了电子的质量。」他测量的是基本电荷量;电子质量是利用汤姆森测得的 \(e/m\) 计算出来的。
「电力使重力消失。」重力仍然存在,只是各个力达到平衡。
「每颗油滴的电荷量都是 \(e\)。」油滴可以带有 \(e\)、\(2e\)、\(3e\) 或其他整数倍的电荷量。
「一颗带有 \(-3e\) 电荷的油滴包含三个电子。」它有三个额外电子,而不是总共只有三个电子。
「测得一次电荷量就能证明量子化。」证据来自大量测量结果所呈现的规律。
「静止的油滴没有受到任何力。」它的合力为零,但个别作用力仍然存在。

17问题与解答

问题 1

一颗质量为 \(3.2\times10^{-15}\) kg 的油滴,在大小为 \(9.8\times10^4\ \text{N C}^{-1}\) 的垂直电场中保持静止。

取 \(g=9.8\ \text{m s}^{-2}\)。

计算:

a. 油滴所带电荷量的大小;以及
b. 如果油滴带负电,它有多少个额外电子。

使用 \(e=1.60\times10^{-19}\) C。

解答 1

油滴所带电荷量的大小为 \(3.2\times10^{-19}\) C,相当于两个额外电子。

由于油滴静止,其加速度为零,向上的电力与油滴的重量互相平衡:

\[ qE=mg. \]

重整方程式:

\[ q=\frac{mg}{E}. \]

代入数值:

\[ q= \frac{(3.2\times10^{-15}\ \text{kg})(9.8\ \text{m s}^{-2})} {9.8\times10^4\ \text{N C}^{-1}} =3.2\times10^{-19}\ \text{C}. \]

现在将结果与基本电荷量比较:

\[ n= \frac{q}{e} = \frac{3.2\times10^{-19}} {1.60\times10^{-19}} =2. \]

因此,一颗带负电的油滴有两个额外电子。

常见的陷阱是写成油滴「包含两个电子」。事实上,它包含数量极其庞大的电子。它的净负电荷只代表它比电中性状态多出两个电子。

问题 2

一颗带负电的油滴静止在两块水平平行金属板之间,板间距离为 \(5.0\times10^{-3}\) m。两板之间的电位差为 \(600\) V。

油滴的质量为 \(8.2\times10^{-15}\) kg。

a. 计算电场强度的大小。
b. 计算油滴所带电荷量的大小。
c. 估算额外电子的数目。

使用 \(g=9.8\ \text{m s}^{-2}\) 和 \(e=1.60\times10^{-19}\) C。

解答 2

电场强度为 \(1.2\times10^5\ \text{N C}^{-1}\),油滴所带电荷量的大小约为 \(6.7\times10^{-19}\) C。考虑实际测量的不确定度后,这个结果与约四个基本电荷单位相符。

对于平行金属板,

\[ E=\frac{V}{d}. \]

代入数值:

\[ E= \frac{600\ \text{V}} {5.0\times10^{-3}\ \text{m}} =1.2\times10^5\ \text{V m}^{-1}. \]

由于 \(1\ \text{V m}^{-1}=1\ \text{N C}^{-1}\),

\[ E=1.2\times10^5\ \text{N C}^{-1}. \]

对于悬浮的油滴,

\[ qE=mg, \]

因此

\[ q=\frac{mg}{E}. \]

代入数值:

\[ q= \frac{(8.2\times10^{-15})(9.8)} {1.2\times10^5} =6.70\times10^{-19}\ \text{C}. \]

计算得到的基本电荷单位数目为

\[ n= \frac{6.70\times10^{-19}} {1.60\times10^{-19}} \approx4.19. \]

如果电荷量恰好为 \(4e\),则

\[ 4e=6.40\times10^{-19}\ \text{C}. \]

计算结果没有恰好落在整数倍上,是因为题目提供的实验数值具有有限的精确度,而且简化的受力模型忽略了浮力等效应。

一个容易犯的错误,是把 \(4.19\) 解读成「4.19 个电子」。这并不是正确的物理解释。单一油滴应带有 \(e\) 的整数倍电荷;实验中出现非整数比值,反映的是不确定度、模型限制或测量误差,而不是油滴上存在分数个普通电子。

问题 3

某颗油滴最初在大小为 \(E_1=8.0\times10^4\ \text{N C}^{-1}\) 的电场中保持静止。在持续观察同一颗油滴的过程中,它获得了一个额外电子。

之后,油滴在 \(E_2=6.0\times10^4\ \text{N C}^{-1}\) 的电场中保持静止。

假设它的质量没有明显改变。

以 \(e\) 为单位,求油滴最初所带电荷量的大小。

解答 3

油滴最初的电荷量大小为 \(3e\),获得一个电子后,电荷量大小变成 \(4e\)。

对于同一颗静止的油滴,

\[ qE=mg. \]

质量和重力场强度都没有改变,因此,在获得额外电子之前和之后,平衡时的乘积 \(qE\) 相同。

设最初的电荷量大小为 \(ne\)。获得一个电子后,电荷量大小变成 \((n+1)e\)。

因此,

\[ neE_1=(n+1)eE_2. \]

约去 \(e\):

\[ nE_1=(n+1)E_2. \]

代入电场强度:

\[ n(8.0\times10^4) = (n+1)(6.0\times10^4). \]

约去 \(10^4\):

\[ 8n=6n+6. \]

因此,

\[ 2n=6, \]

所以

\[ n=3. \]

故油滴最初的电荷量大小为

\[ 3e. \]

获得额外电子后,电荷量大小变成 \(4e\)。

一个容易产生的错误预测是:获得更多电荷后,应该需要更强的电场才能维持平衡。事实刚好相反。由于 \(F_E=qE\),电荷量越大,产生相同向上作用力所需的电场就越弱。

这种测量方式特别有力,因为油滴未知的质量可以在计算中约去。观察同一颗油滴在电荷改变一个电子单位前后的状态,就能在不需要先知道其质量的情况下,揭示电荷量之间的整数关系。

问题 4

两个小组分析同一组油滴实验数据。

A 组表示:

「测得的电荷量分别是 \(3.21\)、\(4.78\)、\(6.42\) 和 \(8.01\),单位均为 \(10^{-19}\) C。这些数值接近 \(1.60\times10^{-19}\) C 的整数倍,因此 \(e\approx1.60\times10^{-19}\) C。」

B 组回应:

「这些数值也接近 \(0.80\times10^{-19}\) C 的整数倍,分别约为 \(4\)、\(6\)、\(8\) 和 \(10\) 个单位。因此,这个实验无法区分 \(e=1.60\times10^{-19}\) C 与 \(e=0.80\times10^{-19}\) C。」

单凭这四次测量结果,B 组的论点在逻辑上是否成立?请解释还需要甚么额外证据,才能判断 \(1.60\times10^{-19}\) C 是否真的是基本电荷单位。

解答 4

B 组指出了一个真正存在的逻辑限制:单凭这四次测量结果,并不能证明 \(1.60\times10^{-19}\) C 是最小的可能单位。

测得的数值约为

\[ 3.2,\ 4.8,\ 6.4,\ 8.0 \]

单位均为 \(10^{-19}\) C。

如果

\[ e=1.60\times10^{-19}\ \text{C}, \]

它们就符合

\[ 2e,\ 3e,\ 4e,\ 5e. \]

但如果

\[ e'=0.80\times10^{-19}\ \text{C}, \]

它们也可以近似写成

\[ 4e',\ 6e',\ 8e',\ 10e'. \]

因此,这四个数值确立了共同的间隔规律,但本身并不能证明较大的候选单位不可再分。

如果较小的数值才是真正的基本电荷量,关键的额外证据就是测量到带有 \(0.80\times10^{-19}\) C 奇数倍电荷量的油滴。

例如,即使可靠地测得接近

\[ 1.60\times10^{-19}\ \text{C} \]

的电荷量,仍然无法区分两个模型,因为它等于 \(2e'\)。

但如果观察到稳定的电荷量接近

\[ 0.80\times10^{-19}\ \text{C}, \]

\[ 2.40\times10^{-19}\ \text{C}, \]

或 \(0.80\times10^{-19}\) C 的其他奇数倍,就会支持较小的基本单位。

如果灵敏度足够高的测量反复显示,电荷量出现在

\[ 1.60,\ 3.20,\ 4.80,\ 6.40,\ldots \]

乘以 \(10^{-19}\) C 的位置,却从未出现在 \(0.80\times10^{-19}\) C 假说所容许的中间数值,那么较小单位的假说就会失去支持。

一个容易想到的方法是说:「找出这些数字的最大公因数。」但真实测量值并不是精确整数,而且在数学上,总可以选择更小的公因数。实验上要证明电荷量子化,不能只是找出某个能近似整除测量结果的数字。还需要证据显示电荷变化具有观察到的最小增量,而且在实验的解析度范围内,不存在其他容许的中间数值。

这就是为甚么大量测量结果,尤其是观察个别油滴的电荷以离散步幅改变,比一张只有少量整数倍数值的表格更具说服力。

问题 5

一颗质量未知的油滴带负电,其电荷量大小为 \(5e\)。当向上的电力使它保持静止时,所需的平衡电场强度大小为 \(E_1\)。

之后,油滴失去一个电子。在电场尚未调整之前,它开始向下移动。实验人员增加电场强度,直到油滴再次静止,此时的电场强度为 \(E_2\)。

一位学生认为:

「因为油滴向下移动,所以重力一定变强了。因此,除非我们已经知道油滴的质量,否则这项观察无法告诉我们任何关于电荷量子化的资讯。」

另一位学生认为:

「不需要知道质量。单靠两次平衡条件,就能检验电荷是否恰好改变了一个基本单位。」

假设失去一个电子对油滴总质量造成的变化可以忽略。

a. 求 \(E_2/E_1\)。
b. 解释为甚么油滴在失去电子后立即向下移动,是可以预期的现象。
c. 说明如何在不测定油滴质量的情况下,利用同一颗未知质量油滴的一连串平衡电场测量结果,提供支持电荷量子化的证据。
d. 指出概念上的限制:为甚么单靠平衡电场的比值,仍然无法确定 \(e\) 以库仑表示的数值?

解答 5

第二位学生是正确的:\(E_2/E_1=5/4\)。对同一颗油滴重复测量平衡电场的比值,可以在不知道其质量的情况下揭示整数单位的电荷变化。不过,单靠这些比值,无法确定 \(e\) 以库仑表示的大小。

最初的电荷量大小为

\[ q_1=5e. \]

由于油滴静止,

\[ 5eE_1=mg. \]

失去一个电子后,负电荷量的大小变成

\[ q_2=4e. \]

要让油滴再次保持静止,

\[ 4eE_2=mg. \]

由于两个式子都等于相同的 \(mg\),

\[ 5eE_1=4eE_2. \]

约去 \(e\):

\[ 5E_1=4E_2. \]

因此,

\[ \frac{E_2}{E_1}=\frac54=1.25. \]

所需的电场强度必须增加 25%。

然而,在刚失去电子的一刻,电场仍然是 \(E_1\)。因此,向上的电力会由

\[ F_{E,\text{before}}=5eE_1 \]

变成

\[ F_{E,\text{after}}=4eE_1. \]

但重力仍然是

\[ mg=5eE_1. \]

因此,

\[ F_{E,\text{after}}<mg. \]

合力向下,所以油滴开始向下加速。

重力并没有变强。向上的电力变弱,是因为电荷量的大小减少了。

现在来看看,为甚么对同一颗油滴进行重复测量如此有用。对于每一个静止平衡状态,

\[ q_iE_i=mg. \]

如果油滴的质量保持不变,

\[ q_i\propto\frac{1}{E_i}. \]

假设连续的电荷状态分别对应

\[ 5e,\quad4e,\quad3e,\quad2e. \]

它们的平衡电场必须满足

\[ 5eE_5=4eE_4=3eE_3=2eE_2=mg. \]

因此,电场强度的大小会与以下数值成正比:

\[ \frac15,\quad\frac14,\quad\frac13,\quad\frac12. \]

所以,测得的电场强度之间的比值,可以揭示不同电荷状态之间简单的整数关系,而不需要知道 \(m\)。

这就推翻了第一位学生的论点。在比较同一颗油滴的多个平衡状态时,未知的重力并不是障碍,因为每条方程式中都出现相同的 \(mg\),可以互相约去。

更深一层的限制出现在 d 小题。

假设实验令人信服地显示,油滴经历了电荷量相对大小为

\[ 2:3:4:5 \]

的不同状态。

这确立了离散的规律,但平衡电场的比值并不包含电荷量的绝对尺度。对于某个 \(e\) 值,方程式可以涉及

\[ 2e,\ 3e,\ 4e,\ 5e \]

也可以对另一个未知单位 \(k\) 写成

\[ 2k,\ 3k,\ 4k,\ 5k, \]

而电场强度的比值完全相同。

要确定基本电荷量以库仑表示的数值,就需要进行绝对力值的测量。这要求我们知道油滴的有效重量、电场强度大小等物理量,而不能只依靠不同电荷状态之间的比值。

这里的核心概念是:证明量子化与确定绝对数值,是两项不同的成就。

对同一颗油滴进行重复测量,可以揭示电荷以离散的步幅改变。但要确定每一步的大小具体约为

\[ 1.60\times10^{-19}\ \text{C} \]

就需要一个经过独立校准的测量尺度。

这个区别也把密立根的研究与汤姆森的工作联系起来。汤姆森确立了电荷质量比;密立根则提供了电荷量的绝对尺度。结合这两项测量,物理学家便能从阴极射线行为所呈现的规律,进一步确定电子本身的数值性质。