Роберт Милликен был не просто именем из учебника. Он был тем самым человеком, который точно определил заряд электрона. Родившись в Моррисоне, штат Иллинойс, в 1868 году, он вырос на фоне американского Среднего Запада, а затем переехал в академические центры Восточного побережья. Его путь начался в колледже Оберлин, где он получил диплом в 1891 году. Затем последовал Колумбийский университет, где в 1895 году, через четыре года, он получил степень доктора философии.
Нобелевская премия по физике 1923 года была присуждена не за спекуляции. Она была присуждена за доказательства.
В 1896 году он занял должность ассистента в Чикагском университете. Невдолго спустя он поднялся по карьерной лестнице, став полным профессором в 1910 году. Преподавая, он писал учебники по физике. Это были не сухие, запыленные тома. Они широко использовались учениками старших классов и студентами колледжей. Они сформировали то, как целое поколение узнавало о физическом мире.
Но его настоящее наследие было не в классе. Оно было в лаборатории. Милликен известен двумя крупными достижениями: изучением элементарного электронного заряда и исследованием фотоэлектрического эффекта. Фотоэлектрический эффект десятилетиями оставался загадкой. Свет, падающий на металл, мог выбивать электроны. Но сколько энергии для этого требовалось? И как быстро двигались электроны? Эйнштейн предложил объяснение, но ему нужны были доказательства.
Милликен предоставил эти доказательства. И он пошел дальше. Он хотел узнать точное значение заряда электрона. Это было крошечное число. Невозможно малое для инструментов того времени. Однако он нашел способ его измерить.
Эксперимент с масляными каплями
Как он это сделал? Он использовал масляные капли.
Милликен организовал эксперимент, который выглядел простым, но требовал высокой точности. Он распылял крошечные капли масла в камеру. Эти капли приобретали заряд за счет трения. Затем он приложил электрическое поле. Поле противостояло гравитации. Он наблюдал, как капли зависают в воздухе.
Балансируя силы, он мог вычислить заряд. Он повторял это тысячи раз. Результаты были согласованными. Заряд всегда представлял собой целое число, кратное базовому значению. Это базовое значение было зарядом одного электрона.
Это стало поворотным моментом. Это доказало, что заряд квантуется. Он не был непрерывным. Вы не могли иметь половину заряда электрона. Это было либо всё, либо ничего. Это подтвердило атомную теорию материи таким образом, который никогда ранее не был достигнут.
Почему это важно сегодня
Так почему вам должно быть интересно, кто такой Роберт Милликен?
Его работа не просто принесла ему Нобелевскую премию в 1923 году. Она заложила основу для современной электроники. Каждый раз, когда вы заряжаете телефон, каждый раз, когда солнечная панель преобразует свет в электричество, вы имеете дело с принципами, которые помог определить Милликен. Фотоэлектрический эффект лежит в основе работы солнечных элементов. Тщательные измерения Милликена позволили понять, сколько энергии несет каждый электрон.
Без его точных данных квантовая революция, возможно, заняла бы гораздо больше времени, чтобы набрать обороты. Он превратил теоретическую концепцию в измеримый факт.
Милликен умер в 1953 году в Сан-Марино, штат Калифорния. Он оставил после себя обширное наследие, которое изменило то, как мы видим строительные блоки вселенной. Мы до сих пор используем его числа. Мы до сих пор полагаемся на уверенность, которую он привнес в область, полную неопределенности.
В следующий раз, когда вы
Точное определение фундаментального заряда
Поиски Милликаном заряда отдельного электрона начались в 1909 году. Сначала он отслеживал движение заряженных капель воды в электрическом поле. Данные указывали на определённую закономерность: заряд этих капель, казалось, был кратен некой фундаментальной единице. Однако полученные числа были неточными. Эксперимент не обладал необходимой точностью, чтобы убедить физическое сообщество.
Проблемой была вода. Она испарялась слишком быстро. Слишком быстро для проведения точных измерений.
Поэтому в 1910 году он сменил тактику. Он заменил воду маслом. Эксперимент с масляными каплями стал легендарным. Он подвешивал капли масла между двумя металлическими пластинами. Он регулировал напряжение до тех пор, пока капля не зависала абсолютно неподвижно. Гравитация тянула вниз, электричество — вверх. Силы уравновешивали друг друга. В этот точный момент подвешивания он мог вычислить заряд. Результаты оказались чёткими. Убедительными.
Подтверждение радикальной теории Эйнштейна
К 1916 году Милликан обратил своё внимание на свет. А именно — на фотоэлектрический эффект. Это явление ставило в тупик физиков. Когда свет падал на металлическую пластину, он выбивал электроны. Но почему? Как это работало?
Эйнштейн предложил решение в 1905 году. Он рассматривал свет как квантовое явление. Его уравнение было простым, но революционным: E = hf — φ. Энергия выбитого электрона равнялась постоянной Планка, умноженной на частоту света, минус работа выхода металла.
Многие физики отвергали это. Это противоречило устоявшейся волновой теории. Милликан поставил себе цель опровергнуть её. Он применил ту же строгую экспериментальную технику, которую использовал для масляных капель. Он измерял фотоэлектрический эффект с экстремальной точностью.
«Измерения Милликана подтвердили теорию Эйнштейна и позволили получить точное значение постоянной Планка».
Ироничным образом он доказал, что Эйнштейн был прав. Он также точно определил постоянную Планка. Теория, которая ранее казалась ересью, была подтверждена его данными.
Участие в военных усилиях и космические лучи
Обстановка изменилась в 1917 году. Соединённые Штаты вступили в Первую мировую войну. Милликан отошёл от чистой физики. Он стал вице-председателем Национального исследовательского совета в Вашингтоне, округ Колумбия. Его роль была практической. Он помогал учёным применять свои исследования в интересах военных усилий.
Он вернулся в академию в 1919 году, базируясь в Чикаго. Но тяга к Западу была сильна. В 1921 году он покинул Чикагский университет. Он занял новую должность директора лаборатории физики Нормана Бриджа в Калифорнийском технологическом институте (Калтех) в Пасадене.
Там он исследовал странный сигнал. Физик Виктор Гесс обнаружил излучение, поступающее из космоса. Было ли оно земного происхождения? Или внеземного?
Милликан доказал, что оно внеземное. Он определил его происхождение. Он также дал ему название. Он назвал это космическими лучами. Термин прижился.
Создание исследовательской империи
Влияние Милликана выходило за пределы лаборатории. Он служил председателем исполнительного совета Калтеха. Он занимал эту должность с 1921 года до своего выхода на пенсию в 1945 году.
За эти двадцать четыре года он преобразил институт. Калтех вырос в один из ведущих исследовательских центров в Соединённых Штатах. Заложенный им фундамент остался прочным. Работа продолжалась. Вопросы всё ещё оставались без ответа.
