Robert Millikan non era solo un nome in un libro di testo. Fu l’uomo che determinò l’esatta carica di un elettrone. Nato a Morrison, Illinois, nel 1868, crebbe all’ombra del Midwest americano prima di trasferirsi nei centri accademici dell’Oriente. Il suo viaggio iniziò all’Oberlin College, dove si laureò nel 1891. Poi arrivò la Columbia University, che gli conferì un dottorato quattro anni dopo, nel 1895.
Il Premio Nobel per la Fisica del 1923 non venne per speculazione. È venuto come prova.
Ottenne una posizione di assistente presso l’Università di Chicago nel 1896. Non passò molto tempo prima che salisse la scala, diventando professore ordinario nel 1910. Mentre insegnava, scriveva libri di testo di fisica. Non erano volumi secchi e polverosi. Erano ampiamente utilizzati dagli studenti delle scuole superiori e universitari. Hanno modellato il modo in cui una generazione ha imparato a conoscere il mondo fisico.
Ma la sua vera eredità non era in classe. Era nel laboratorio. Millikan è famoso per due grandi cose: lo studio della carica elettronica elementare e l’esplorazione dell’effetto fotoelettrico. L’effetto fotoelettrico è stato un enigma per decenni. La luce che colpisce il metallo potrebbe far perdere gli elettroni. Ma quanta energia è stata necessaria? E quanto velocemente si sono mossi gli elettroni? Einstein aveva proposto una spiegazione, ma aveva bisogno di prove.
Millikan ha fornito questa prova. Ed è andato oltre. Voleva conoscere il valore esatto della carica dell’elettrone. Questo era un numero minuscolo. Incredibilmente piccolo per gli strumenti dell’epoca. Eppure ha trovato un modo per misurarlo.
L’esperimento della goccia d’olio
Come ha fatto? Ha usato gocce d’olio.
Millikan organizzò un esperimento che sembrava semplice ma richiedeva precisione. Spruzzò minuscole gocce d’olio in una camera. Queste gocce hanno preso una carica dall’attrito. Ha poi applicato un campo elettrico. Il campo spingeva contro la gravità. Osservò le gocce librarsi.
Bilanciando le forze, poteva calcolare la carica. Lo ha ripetuto migliaia di volte. I risultati sono stati coerenti. L’addebito veniva sempre espresso in multipli interi del valore base. Quel valore base era la carica di un singolo elettrone.
Questo è stato un punto di svolta. Ha dimostrato che la carica era quantizzata. Non era continuo. Non potresti avere la metà della carica di un elettrone. Era tutto o niente. Ciò confermò la teoria atomica della materia in un modo mai fatto prima.
Perché è importante oggi
Allora perché dovresti preoccuparti di Robert Millikan?
Il suo lavoro non si limitò a vincere un premio Nobel nel 1923, ma gettò le basi per l’elettronica moderna. Ogni volta che carichi il tuo telefono, ogni volta che un pannello solare converte la luce in elettricità, hai a che fare con i principi che Millikan ha contribuito a definire. L’effetto fotoelettrico è il meccanismo alla base delle celle solari. Le accurate misurazioni di Millikan hanno permesso di capire quanta energia trasporta ciascun elettrone.
Senza i suoi dati precisi, la rivoluzione quantistica avrebbe potuto impiegare molto più tempo per prendere piede. Ha trasformato un concetto teorico in un fatto misurabile.
Millikan morì nel 1953 a San Marino, in California. Ha lasciato un corpus di lavori che hanno cambiato il modo in cui vediamo gli elementi costitutivi dell’universo. Usiamo ancora i suoi numeri. Contiamo ancora sulla certezza che ha portato in un campo pieno di incertezze.
La prossima volta che tu
Individuazione della carica fondamentale
La ricerca di Millikan per la carica del singolo elettrone iniziò nel 1909. Iniziò seguendo il tracciamento delle goccioline d’acqua cariche in un campo elettrico. I dati suggerivano uno schema. La carica su queste goccioline sembrava essere un multiplo di un’unità fondamentale. Ma i numeri erano sciatti. L’esperimento mancava della precisione necessaria per convincere la comunità dei fisici.
Il problema era l’acqua. È evaporato troppo velocemente. Troppo veloce per una misurazione accurata.
Quindi, nel 1910, cambiò tattica. Ha scambiato l’acqua con l’olio. L’esperimento della goccia d’olio divenne leggendario. Ha sospeso goccioline d’olio tra due piastre di metallo. Regolò il voltaggio finché una goccia rimase perfettamente immobile. La gravità ha abbattuto. L’elettricità è arrivata. Le forze si equilibrarono. In quell’esatto momento della sospensione avrebbe potuto calcolare l’addebito. I risultati furono netti. Convincente.
Dimostrazione della teoria radicale di Einstein
Nel 1916 Millikan rivolse la sua attenzione alla luce. Nello specifico, l’effetto fotoelettrico. Questo fenomeno aveva sconcertato i fisici. Quando la luce colpisce una piastra metallica, espelle elettroni. Ma perché? Come ha funzionato?
Einstein aveva proposto una soluzione nel 105. Trattava la luce come un fenomeno quantistico. La sua equazione era semplice ma rivoluzionaria: E = hf – φ. L’energia dell’elettrone espulso era uguale alla costante di Planck moltiplicata per la frequenza della luce, meno la funzione lavoro del metallo.
Molti fisici lo hanno respinto. Contraddiceva la teoria ondulatoria consolidata. Millikan ha deciso di smentirlo. Ha applicato la stessa rigorosa abilità sperimentale che ha usato per le gocce d’olio. Misurò l’effetto fotoelettrico con estrema precisione.
“Le misurazioni di Millikan hanno dimostrato la teoria di Einstein e hanno ottenuto un valore accurato della costante di Planck.”
Ironicamente, dimostrò che Einstein aveva ragione. Ha anche individuato la costante di Planck. La teoria che un tempo sembrava un’eresia è stata convalidata dai suoi dati.
Sforzo bellico e raggi cosmici
Il contesto cambiò nel 1917. Gli Stati Uniti entrarono nella prima guerra mondiale. Millikan si allontanò dalla fisica pura. Divenne vicepresidente del Consiglio nazionale delle ricerche a Washington, DC. Il suo ruolo era pratico. Ha aiutato gli scienziati ad applicare le loro ricerche allo sforzo bellico.
Tornò al mondo accademico nel 1919, con sede a Chicago. Ma l’attrazione dell’Occidente è stata forte. Nel 1921 lasciò l’Università di Chicago. Ha assunto un nuovo ruolo come direttore del Norman Bridge Laboratory of Physics al Caltech di Pasadena.
Lì, ha indagato su uno strano segnale. Il fisico Victor Hess aveva rilevato radiazioni provenienti dallo spazio. Era terrestre? O extraterrestre?
Millikan ha dimostrato che era quest’ultima. Ne ha individuato l’origine. Lo ha anche nominato. Lo chiamò raggi cosmici. Il termine è rimasto.
Costruire un impero della ricerca
L’influenza di Millikan si estese oltre il laboratorio. Ha servito come presidente del consiglio esecutivo del Caltech. Ha ricoperto questa carica dal 1921 fino al suo pensionamento nel 1945.
Durante quei ventiquattro anni trasformò l’istituzione. Caltech è diventato uno dei principali centri di ricerca negli Stati Uniti. Le fondamenta che pose rimasero solide. Il lavoro è continuato. Le domande erano ancora là fuori.
