罗伯特·安德鲁·密立根（美国实验物理学家，测定电子电荷量与光电效应）

罗伯特·安德鲁·密立根（Robert Andrews Millikan，1868年3月22日—1953年12月19日），美国实验物理学家、1923年诺贝尔物理学奖得主。

1896年-1921年间，密立根担任美国芝加哥大学物理学教授，并进行了一系列测定电子电荷以及光电效应的工作，包括著名的油滴实验，因而获得1923年诺贝尔物理学奖。 1921年起，密立根在美国加州理工学院任教，直至1945年退休。

人物经历

1868年3月22日罗伯特·安德鲁·密立根生于伊利诺斯州的莫里森，是其父母的第二个儿子。

1886年密立根进入俄亥俄州的奥柏森大学（Oberlin College）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。

1891年大学毕业后，仍继续在初级物理班讲课两年，由此写成了广泛流传的教材。在大学期间，密立根最喜欢的学科就是希腊语和数学。

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。

1895年密立根博士毕业，成为哥大物理系建系来毕业的第一位物理学博士。随后他留学德国的柏林和哥廷根大学。

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。

1910年，由于他出色的教学和科研工作，正式提升为正教授。

1921年，密立根离开芝加哥大学，转职到了加州理工学院担任物理系Normal Bridge Laboratory的主任。在那里，他主要研究由另外一名物理学家维克多-海斯（Victor Hess）发现的从外太空来的射线，密立根证明，这些射线确实来自于外太空，并且命名为“宇宙射线”（Cosmic Rays）。

1921年到1945年密立根退休之前，担任加州理工执行理事会的主席，并在此期间，让加州理工成为全美最优秀的研究型大学之一。

1953年12月19日，由于心脏病发作，密立根死于他在加州的家中，时年85岁。

研究成果

测定元电荷

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。

普朗克常量

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。

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δ、ρ分别表示油滴和空气的密度；a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+mg=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，他作了上百次测量，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。

人物评价

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。