Millikan_s_oil_drop_experiment.doc

密立根油滴實(shí)驗(yàn)原理用噴霧器將油滴噴入電容器兩塊水平的平行電極板之間時(shí)，油滴經(jīng)噴射后，一般都是帶電的。在不加電場(chǎng)的情況下，小油滴受重力作用而降落，當(dāng)重力與空氣的浮力和粘滯阻力平衡時(shí)，它便作勻速下降，它們之間的關(guān)系是：（1）式中：mg油滴受的重力，F(xiàn)1空氣的粘滯阻力，B空氣的浮力。令、P分別表示油滴和空氣的密度；a為油滴的半徑；為空氣的粘滯系數(shù)；vg為油滴勻速下降速度。因此油滴受的重力為，空氣的浮力，空氣的粘滯阻力（流體力學(xué)的斯托克斯定律）。于是（1）式變?yōu)椋嚎傻贸鲇偷蔚陌霃剑?）當(dāng)平行電極板間加上電場(chǎng)時(shí)，設(shè)油滴所帶電量為q，它所受到的靜電力為qE，E為平行極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度，EUd，U為兩極板間的電勢(shì)差，d為兩板間的距離。適當(dāng)選擇電勢(shì)差U的大小和方向，使油滴受到電場(chǎng)的作用向上運(yùn)動(dòng)，以vE表示上升的速度。當(dāng)油滴勻速上升時(shí)，可得到如下關(guān)系式：（3）上式中F2為油滴上升速度為vE時(shí)空氣的粘滯阻力：由（1）、（3）式得到油滴所帶電量q為（4）（4）式表明，按（2）式求出油滴的半徑a后，由測(cè)定的油滴不加電場(chǎng)時(shí)下降速度vg和加上電場(chǎng)時(shí)油滴勻速上升的速度vE，就可以求出所帶的電量q。注意上述公式的推導(dǎo)過程中都是對(duì)同一個(gè)油滴而言的，因而對(duì)同一個(gè)油滴，要在實(shí)驗(yàn)中測(cè)出一組vg、vE的相應(yīng)數(shù)據(jù)。用上述方法對(duì)許多不同的油滴進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明，油滴所帶的電量總是某一個(gè)最小固定值的整數(shù)倍，這個(gè)最小電荷就是電子所帶的電量e湯姆生陰極射線實(shí)驗(yàn)在陰極射線的爭(zhēng)論中，J.J.湯姆生認(rèn)為帶電微粒說更符合實(shí)際。X射線的發(fā)現(xiàn)宣布后，他立即用X射線轟擊氣體。從X射線能使氣體電離的現(xiàn)象中他更加深刻地認(rèn)識(shí)到陰極射線的粒子性，下決心以更鮮明的實(shí)驗(yàn)來證實(shí)這一特性。為此，他做了如下實(shí)驗(yàn)：1. 測(cè)陰極射線的電荷2. 使陰極射線在靜電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)。3. 測(cè)陰極射線的荷質(zhì)比。從以上兩實(shí)驗(yàn), 湯姆生已可明確無誤地證明陰極射線是由某種帶負(fù)電的微粒組成。這種微粒是什么，湯姆生進(jìn)一步對(duì)陰極射線的荷質(zhì)比進(jìn)行了大量的測(cè)量。最后得到陰極射線微粒的質(zhì)荷比為10-11千克庫侖, 比氫離子的質(zhì)荷比10-8千克庫侖小千倍。就這樣電子被發(fā)現(xiàn)了。湯姆生進(jìn)一步又研究了許多新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，以證明電子存在的普遍性。他根據(jù)別的許多實(shí)驗(yàn)（包括勒納的鋁窗實(shí)驗(yàn)）判定, 陰極射線的微粒要比普通分子原子小得多, 是原子的組成部分。光電效應(yīng)是1887年赫茲發(fā)現(xiàn)的，但時(shí)隔十幾年，光電流的本質(zhì)仍未搞清。1899年，J.J.湯姆生用磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)法測(cè)光電流的荷質(zhì)比。得到的結(jié)果與陰極射線相近，證明光電流也是由電子組成的。熱電發(fā)射效應(yīng)是1884年愛迪生（T. Edison）發(fā)現(xiàn)的，所以也稱愛迪生效應(yīng)。愛迪生當(dāng)時(shí)正在研究白熾燈泡，發(fā)現(xiàn)燈泡里的白熾碳絲加熱后有負(fù)電逸出。1899年，J.J.湯姆生同樣用磁場(chǎng)截止法測(cè)其荷質(zhì)比，證明這一負(fù)電荷也是電子。射線是盧瑟福（E. Rutherford）在1898年發(fā)現(xiàn)的，不久，貝克勒爾用磁場(chǎng)和電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)法測(cè)得射線的荷質(zhì)比和速度，證明射線是高速電子流。J.J.湯姆生掌握了大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，果斷地作出判斷：不論是陰極射線、射線還是光電流，都是電子組成的；不論是由于強(qiáng)電場(chǎng)的電離、正離子的轟擊、紫外光的照射、金屬受灼熱還是放射性物質(zhì)的自發(fā)輻射，都發(fā)射出同樣的帶電粒子-電子。這種帶電粒子比原子小千倍，可見，電子是原子的組成部分，是物質(zhì)的更基本的單元。這是一個(gè)非常重要的結(jié)論。原子不可分的傳統(tǒng)觀念徹底破滅了。質(zhì)譜法用電場(chǎng)和磁場(chǎng)將運(yùn)動(dòng)的離子（帶電荷的原子、分子或分子碎片）按它們的質(zhì)荷比分離后進(jìn)行檢測(cè)的方法。測(cè)出了離子的準(zhǔn)確質(zhì)量，就可以確定離子的化合物組成。這是由于核素的準(zhǔn)確質(zhì)量是一多位小數(shù)，決不會(huì)有兩個(gè)核素的質(zhì)量是一樣的，而且決不會(huì)有一種核素的質(zhì)量恰好是另一核素質(zhì)量的整數(shù)倍。簡(jiǎn)史1898年W.維恩用電場(chǎng)和磁場(chǎng)使正離子束發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn),電荷相同時(shí)，質(zhì)量小的離子偏轉(zhuǎn)得多,質(zhì)量大的離子偏轉(zhuǎn)得少。1913年J.J.湯姆孫和F.W.阿斯頓用磁偏轉(zhuǎn)儀證實(shí)氖有兩種同位素kg1Ne和kg1Ne阿斯頓于1919年制成一臺(tái)能分辨一百分之一質(zhì)量單位的質(zhì)譜計(jì)，用來測(cè)定同位素的相對(duì)豐度，鑒定了許多同位素。但到1940年以前質(zhì)譜計(jì)還只用于氣體分析和測(cè)定化學(xué)元素的穩(wěn)定同位素。后來質(zhì)譜法用來對(duì)石油餾分中的復(fù)雜烴類混合物進(jìn)行分析，并證實(shí)了復(fù)雜分子能產(chǎn)生確定的能夠重復(fù)的質(zhì)譜之后,才將質(zhì)譜法用于測(cè)定有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu),開拓了有機(jī)質(zhì)譜的新領(lǐng)域。原理待測(cè)化合物分子吸收能量（在離子源的電離室中）后產(chǎn)生電離，生成分子離子，分子離子由于具有較高的能量，會(huì)進(jìn)一步按化合物自身特有的碎裂規(guī)律分裂，生成一系列確定組成的碎片離子，將所有不同質(zhì)量的離子和各離子的多少按質(zhì)荷比記錄下來，就得到一張質(zhì)譜圖。由于在相同實(shí)驗(yàn)條件下每種化合物都有其確定的質(zhì)譜圖，因此將所得譜圖與已知譜圖對(duì)照，就可確定待測(cè)化合