Команда
Контакти
Про нас

    Головна сторінка


Життя і діяльність Роберта Міллікена





Скачати 36.82 Kb.
Дата конвертації06.07.2018
Розмір36.82 Kb.
Типреферат

вчений мимоволі

В кінці весни 1889 року професор Джон Ф. Пек, який читав лекції з грецької мови в невеликому коледжі Оберлін (штат Огайо), звернувся до одного зі студентів, які вивчали класичні мови і літературу, з проханням підучити фізику, щоб на майбутній рік викладати елементарний курс цієї науки.

-Але я не знаю фізики.

- Кожен, хто добре засвоює грецький, може викладати фізику.

- Добре, - сказав студент, - але за всі наслідки відповідаєте ви.

Наслідками виявилися два найбільш фундаментальних дослідження в галузі фізики XX століття. Міллікен відповів професору згодою, так як потребував грошей. До вивчення класики він не повернувся.

Роберт Міллікен народився 22 березня 1868 року в штаті Іллінойс в родині священика. Його дитинство пройшло в невеликому, що стояв на березі річки, містечку Маквокета (штат Айова). "Мій батько і мати виховали шістьох дітей - трьох дівчаток і трьох хлопчиків, живучи на платню священика невеликого містечка в тисячу триста доларів в рік, - розповідав він. - Ми носили костюми і сукні з синьої паперової тканини і ходили босоніж, починаючи з закінчення школи в травні і до початку занять у вересні. Взимку ми, хлопчики, розпилювали щодня десять чотирифутову колод. Так тривало до тих пір, поки ми не напілівать десять кордов (1 корд = 3,63 кубометра) дров. Під час канікул вранці ми повинні були працювати в саду, але після обіду у нас був вільний час для ігор ".

Діти плавали в річці, грали в бейсбол, два рази на день доїли корів, вставали о третій годині ночі, щоб зустріти мандрівну циркову трупу, вивчилися крутитися на саморобних паралельних брусах і ніколи не чули про те, що доросла людина може заробити собі на життя, проводячи час в лабораторії і працюючи над якоюсь фізикою. Для них слово "фізика" пов'язувалося з поняттям про проносне (розм. Physic - проносне).

Курс фізики в середній школі Маквокета вів сам директор, який в літні місяці займався головним чином пошуками підземних вод за допомогою роздвоєного горіхового прутика і вже у всякому разі не дуже-то вірив у всю цю нісенітницю, надруковану в підручнику: "Як це можна з хвиль зробити звук? Дурниця, хлопчики, це все дурниця? "Але зате вчителя алгебри Міллікен з повагою згадував все життя.

Коли йому виповнилося вісімнадцять, він вступив в Оберлінський коледж - брат його бабусі був одним із засновників цього навчального закладу. На другому курсі коледжу він знову прослухав курс лекцій з фізики, які були нітрохи не веселіше тих, що йому читали в середній школі. Навички в спортивних іграх і атлетики, набуті в дитинстві на задніх дворах, допомогли йому отримати місце викладача гімнастики, а дохід від викладання фізики в середній школі ще більше зміцнив його фінансове становище.

Міллікен, треба сказати, сумлінно ставився до своїх викладацьким обов'язків. Щоб йти попереду своїх учнів, онізучал всі підручники, які тільки міг дістати. У той час в американських коледжах було всього дві книги з фізики - перекладені з французької мови роботи Гано і Дешанель.

При таких обставинах Міллікен дійсно добре навчив предмет.

Після закінчення коледжу в 1891 році Міллікен продовжував викладати фізику в Оберлін, отримуючи невелику платню. Він був змушений займатися цим, бо, як казав він сам, "в той рік депресії ніякої вакансії не було". Однак викладачі Оберліна значно серйозніше ставилися до ролі Міллікена в науці, ніж він сам, і без його відома направили його документи в Колумбійський університет. Йому була запропонована стипендія, і Міллікен вступив до університету, бо іншої можливості отримувати регулярно 700 доларів у нього не було. У Колумбійському університеті він вперше зустрівся з людьми, глибоко цікавилися фізикою, Міллікен вирішив наслідувати їхній приклад і спробувати стати справжнім вченим, не дивлячись на те, що вже багато років карався сумнівами щодо своїх здібностей.

У 1893 році наука в Америці була відсталою. Тільки люди, які здобули освіту в Європі, добре уявляли собі, як саме слід вести науково-дослідну роботу. На фізичному факультеті Колумбійського університету був тільки один такий чоловік - професор Майкл Пьюпин, який здобув освіту в Кембриджі. Міллікен казав: "Слухаючи курс оптики, який читав доктор Пьюпин, я все більше дивувався. Вперше в житті я зустрів людину, яка настільки добре знав аналітичні процеси, що, чи не готуючись до занять, приходив щодня в аудиторію і викладав свої думки у вигляді рівнянь. Я вирішив спробувати навчитися робити те ж саме ". Коли термін стипендії, призначений Міллікену для вивчення фізики, минув, вона не була відновлена: Пьюпин вважав за краще Міллікену іншого кандидата.

Коли до Пьюпин дійшло, що Міллікен залишився без всяких засобів, онзаінтересовался їм всерйоз. На наступний рік саме за наполяганням Пьюпин Міллікен вирішив поїхати вчитися до Німеччини. Міллікену довелося зізнатися, що унего немає коштів, і Пьюпин дав йому в борг необхідну суму. Пьюпин хотів подарувати йому ці гроші, але Міллікен не погодився і вручив Пьюпин розписку в отриманні грошей.

Перед самим від'їздом Міллікен зустрівся ще з однією людиною, що зіграв значну роль в його житті. Під час літньої сесії Міллікен побував в недавно відкритому Чиказькому університеті, де познайомився з А. А. Майкельсона. Жодна людина ніколи не виробляв на молодого вченого настільки сильного враження. Тут же він в 1895 році отримав докторський ступінь.

Міллікен знаходився в Європі (працює в Берлінському і Геттінгенському університетах), коли за серією експериментальних робіт пішов грандіозний вибух всіх класичних теорій. У 1895 і 1896 роках прозвучали в науці імена Беккереля, Рентгена, Кюрі і Томсона.

Бродіння ще тривало, коли влітку 1896 року Міллікен отримав від А. А. Майкельсона телеграму з пропозицією зайняти місце асистента в Чиказькому університеті. Міллікену було тоді 28 років. "Я віддав мій одяг разом з валізою в заклад капітану одного із судів Американської транспортної лінії, запевнивши компанію, що я виплачу капітану вартість проїзду в Нью-Йорку і тільки після цього прийду за речами".

Наступні дванадцять років Міллікен провів в обстановці невтомною наукової активності, характерної для Чикаго на початку століття. Чиказький університет зібрав в своїх стінах молодих людей, яких незабаром чекала широка популярність: астронома Джорджа Гейл, історика Джеймса Брестед, економіста Стефена Ликона, Роберта Ловетта і багатьох, багатьох інших. В одному пансіоні з Міллікеном проживали двоє юнаків: Торстейн Веблен і Гарольд Ікс.

Перші роки, проведені в Чикаго, Міллікен присвятив написанню легкотравних американських підручників з фізики і турботам про свою молодій сім'ї. Майкельсон звалив на нього всю викладацьку роботу, яка не відповідала вподоби старого.

У роки першої світової війни (1914-1918) Міллікен був заступником голови національного дослідницького ради (розробляв метеорологічні прилади для виявлення підводних човнів).

Міллікен почав серйозно займатися науково-дослідною роботою, коли йому було майже сорок років. Проблеми для дослідження зазвичай вибиралися їм із числа тих, які так потряси вчений світ, коли він ще був в Європі. Міллікен. мимоволі став фізиком, поставив два експерименту, які і понині є класичним зразком витонченості задуму і виконання. Він заслужив отриману ним Нобелівську премію (в 1923 році).

Таємниче четвертий стан матерії

Згадуючи своє життя, Міллікен казав, що найбільше йому пощастило, коли Пьюпин не взяв його своїм асистентом. Якби це сталося, Міллікен ніколи не потрапив би за кордон і не опинився б у Європі, коли сучасна фізика тільки починалася по-справжньому.

4 січня 1896 Вільгельм Конрад фон Рентген виступив з доповіддю в Вюрцбурзі на засіданні Вюрцбургского фізико-математичного товариства, а потім повторив доповідь у Берліні на щорічній конференції Німецького фізичного товариства. Його повідомлення стало сенсацією для двох наук: Рентген розповів про відкриття абсолютно нової форми радіації, що дозволила йому фотографувати предмети крізь непрозорі тверді екрани. Він продемонстрував фотографію частин свого власного живого скелета - кісток руки.

Для медичного світу промені Рентгена були дивом, яке слід було негайно поставити на службу діагностиці. Для світу фізики в той момент набагато важливіше було пояснення явища, ніж його застосування. Пошуки цього пояснення і з'явилися згодом першим стрибком в атомний і субатомний світ.

Чудові промені, відкриті Рентгеном, мали вже принаймні сорокарічну історію в європейській науці. У 1863 році французький фізик Массон направив електричну іскру високої напруги на скляну посудину, з якого був викачаний майже все повітря. Посудина раптово наповнився яскравим неземним пурпурним світінням.

У 60-е і 70-е роки минулого століття Гитторф я Крукс продовжили вивчення цього незвичайного явища. Винахід досконалого вакуумного насоса, помогшего Едісону створити лампочку розжарювання, дало можливість Крукс спостерігати таємниче заграва в вакуумі при все уменьшающемся тиску. Характер світіння змінювався при зменшенні тиску в посудині спочатку до однієї сотої, а потім і до однієї тисячної атмосфери. Воно спочатку стало ще яскравіше, потім розсипалося на окремі згустки світла і, нарешті, потьмяніло і зовсім зникло. Коли в посудині створювався досить великий вакуум, світіння пропадало, але зате скляні стінки судини починали випромінювати примарний зелене світло.

Трубка Крукса за формою нагадувала велику грушу, на обох кінцях якої він впаяли металеві пластинки. Крукс встановив, що світіння в трубці пояснюється проходженням променів через вакуум між двома металевими дисками - електродами, коли металеві пластинки з'єднували з джерелом високої напруги. Промені назвали катодними променями, а посудину - катодного променевою трубкою.

Крукс також зауважив, що таємничі промені, очевидно, мають масу і швидкість.Однак природи цих променів він не розумів і вважав їх "четвертим станом матерії", на відміну від рідкого, газоподібного і твердого.

Надалі встановили, що катодні промені мають електричну природу, так як магніт, піднесений до трубки, відхиляв потік променів. Так само діяв на них і електричний струм. Інші дослідники довели, що катодні промені можна направити за межі трубки, якщо поставити на їхньому шляху тонку пластинку з алюмінієвої фольги. Однак в повітрі катодні промені поширювалися на дуже невелику відстань.

Деякі фізики вважали, що "четвертий стан материн" було не чим іншим, як таємничої ектоплазму, описаної спіриту. На час різко зріс попит на духів.

Восени 1895 Конрад фон Рентген проводив досліди з трубкою Крукса, щільно загорнутої в чорний папір, щоб випромінювання не вирвалося назовні. Зовсім випадково він зауважив, що в темній кімнаті "паперовий екран, промитий ціанідом платини і барію, яскраво загоряється і флуоресціює, незалежно від того, оброблена або ж зворотний бік екрану звернена до розрядної трубці".

Паперовий екран містився на відстані майже в шість футів від апарату. Рентген знав, що катодні промені змушують флуоресцировать оброблений цим розчином екран, але на таку відстань катодні промені ніколи не проникали! Він виявив незабаром, що всі речовини в тій чи іншій мірі проникні для цих таємничих нових променів. Тільки свинець виявився непрозорим для них.

Рентген зауважив також, що промені ці засвічували сухі фотопластинки і плівку, і це дозволяло застосовувати промінь і для фотозйомки. Він дістався і до джерела променів. Вони виникали в тому місці на поверхні скла, на яке падали катодні промені при високій напрузі. Рентген тоді заявив, що нові промені можна отримати, надіславши катодні промені на тверде тіло. Щоб підтвердити це, він сконструював трубку, випромінювала більш інтенсивний потік нових променів, яким через брак кращого він дав назву "ікс-промені" (X - невідоме).

Вже через кілька місяців після повідомлення Рентгена його трубка знайшла різноманітне застосування в медицині для обстеження переломів, глибоких поранень і внутрішньої будови людського тіла.

Наукові журнали провідних країн були заповнені статтями фізиків, повторювали досліди Рентгена і кожен раз по-новому пояснювали це явище. Сам Рентген все ще не розумів суті свого відкриття і говорив, що це "подовжні вібрації в ефірі".

Відкриття Рентгена змусило багатьох фізиків більш ретельно дослідити явище флуоресценції.

Радіоактивність і фотоелектричний ефект

Через місяць Анрі Беккерель поставив досвід, досліджуючи флуоресцирующие властивості подвійного сульфату урану і калію. Коли деякі речовини, після того, як їх потримали на світлі, починали світитися в темряві, про них говорили, що вони флуоресцируют. Було відомо безліч таких речовин, і одним з них був застосований Беккерелем уран.

В експерименті Беккереля уранова сіль спочатку піддавалася дії сонячного світла, а потім вимірювалися її флуоресцирующие властивості. Якось зіпсувалася погода, і Беккерель відклав препарат в сторону на кілька днів. Зовсім випадково сіль виявилася в одному ящику столу з гіркою фотографічних пластинок. Другий випадковістю було те, що Беккерель вирішив перевірити фотопластинки перед поновленням досвіду.

Він проявив першу платівку, що лежала зверху, і, на свій подив, виявив, що вона засвічена, причому засвічені пляма мало таку форму, ніби щось відкидало при засвічуванні тінь на платівку. Шукаючи пояснення, Беккерель виявив, що якщо розглядати пляму з деякою часткою уяви воно починає нагадувати за формою металевий диск, в якому зберігалася уранова сіль. Якщо це станеться раніше, Беккерель викинув би платівку і забув про неї. Але шум навколо ікс - променів змусив всіх фізиків насторожитися. Беккерель вирішив розібратися в тому, що відбувається до кінця.

Він знову виставив уранову сіль на сонячне світло. а потім помістив її в темний ящик столу поверх фотопластинки, загорнутої в чорний папір. І знову урановий сульфат засвітив пластинку.

Протягом декількох місяців Беккерелю здавалося, що для того, щоб засвітити платівку, сульфат урану потрібно попередньо потримати в сонячних променях.

Але незабаром він виявив, що препарат уранового сульфату, і не будучи підданий дії сонячного світла, засвічує платівку з меншою інтенсивністю. Явище здавалося таємничим, незбагненним. Потім Беккерель відкрив, що чистий уран, не був флуоресцирующим речовиною, виробляє ще більш сильне дію на фотопластинку, ніж уранове з'єднання, так що флуоресценцію можна було скинути з рахунків. Далі Беккерель виявив, що ці невидимі промені, що випускаються ураном, мали властивість розряджати тіла, що несуть електричний заряд. Те ж властивість відкрив Рентген і у ікс - променів. Беккерель назвав це невідоме до того часу явище "радіоактивністю".

Промені Беккереля (їх назвали саме так) були настільки ж дивні, як і рентгенівські промені, і викликали у фізиків рівний інтерес. Два асистента Беккереля - П'єр Кюрі і його дружина Марія стали розробляти цю проблему. Після деякого часу вони виявили, що існують два інших хімічних елемента з тими ж властивостями. Обидва вони не були раніше відомі науці. Один з них був названий полонієм - на честь батьківщини пані Кюрі, інший - радієм.

Здавалося, що великі класичні теорії фізики вражені до самої основи. Фізики вважали, що ікс - промені спростовують закони Максвелла, але потім Рентген довів, що вони не суперечать ефірної теорії, так як мають нормальними оптичними властивостями - відображенням, рефракцією і інтерференцією. Явище радіоактивності, помічене Беккерелем, здавалося, означало кінець красивій теорії збереження енергії. Яким чином речовина невтомно виробляє енергію, по всій очевидності, які не поповнюючи її запасів?

Цікаве відкриття було зроблено в 1887 році. Генріх Герц виявив, що ультрафіолетове світло, падаючи на електрод, який приєднаний до ланцюга з високою напругою, змушує іскру відскакувати значно далі. Дж. Дж. Томсон довів, що це відбувається через те, що ультрафіолетове світло створює на поверхні металу негативний заряд. Явище отримало назву "фотоелектричний ефект".

Відкриття ікс - променів змусило фізиків не тільки пильніше придивитися до явища флуоресценції, а й спонукало їх повернутися до природи катодних променів. Існували дві точки зору. Німецькі вчені вважали, що катодні промені в трубці є вібрації в ефірі. Англійські фізики схильні були вважати ці промені зарядженими електрикою частинками, як це передбачав Бенджамен Франклін. Видатним виразником англійської школи був Дж. Дж. Томсон.

У 1897 році Томсон опублікував класичну статтю під назвою "Катодні промені", в якій він зробив огляд всіх дослідів з катодними променями. Стаття включала також опис деяких з його власних дослідів. Він прийшов до висновку, що катодний промінь - це насправді потік рухомих при високій напрузі негативно заряджених частинок набагато меншого розміру, ніж самий малий атом. Використовуючи запропоноване Стоні назва, Томсон дав цієї частинки ім'я "електрон". Він стверджував, що фотоелектричний ефект є не що інше, як вибивання цих електронів з металевої поверхні променем ультрафіолетового світла. Томсон наполягав і на тому, що електрон був також складовою частиною променів Беккереля.

Затвердження Томсона здавалося фантастичним цілому поколінню вчених, які не хотіли визнавати гіпотезу, що матерія складається з атомів. Припущення, що існує частка ще менша, ніж атом, викликало бурю. Деякі вчені були готові погодитися з тим, що електрику - це потік дуже маленьких частинок, що мають електричний заряд, але ще треба було довести, що кожна така частинка мала певної масою і певним електричним зарядом. Потрібно було провести досвід, щоб раз і назавжди довести, що електрони існують насправді.

У 90-х роках минулого століття був все ж один німецький вчений, який не поділяв ефірну теорію ікс - променів. Його звали Альберт Ейнштейн. На цього вченого справив глибоке враження досвід Майкельсона з інтерферометром. І ще один німець заперечував проти ефірної теорії - Макс Планк. Він зробив в рівній мірі радикальне припущення: променеву енергію, т. Е. Світло, слід представляти у вигляді "квантів", або найдрібніших частинок. Ейнштейн використовував квантову теорію Планка для пояснення фотоефекту і склав дивовижне по красі підсумовує рівняння. Але в той час думки Ейнштейна про фотоелектричні ефекті не зустріли довіри.

Міллікен - один з небагатьох американських аспірантів, які працювали тоді в Європі, - був тією людиною, якому судилося після довгих років праць і роздумів поставити два найважливіших експерименту епохи: один досвід підтвердив правильність електронної теорії Томсона; другий дав доказ теорії фотоелектричного ефекту Ейнштейна і того, що квантова теорія - щось більше, ніж "маячня" математика.

Електрон на краплі олії

"До кінця першого десятиліття, проведеного в університеті Чикаго (1906 рік), я все ще був викладачем-асистентом, - писав Роберт Міллікен. - У мене росло двоє синів. Я почав будувати будинок, розраховуючи оплатити витрати за рахунок моїх гонорарів, але я знав, що до сих пір не займав скільки-небудь помітного місця серед фізиків-дослідників ".

Підручник, над яким він працював, був уже у видавництві. Нарешті він зміг приступити кінтенсівной дослідницькій роботі. У його наукового кар'єрі розпочався новий етап.

"Все фізики цікавилися величиною електричного заряду електрона, і, тим не менш, до цих пір не вдалося її виміряти ..."

Багато спроб провести це вирішальне вимір вже зробив Дж. Дж. Томсон, але пройшло десять років роботи, і асистент Томсона Г. Вільсон повідомив, що після одинадцяти різних вимірів вони отримали одинадцять різних результатів.

Перш ніж почати дослідження за своїм власним методом, Міллікен ставив досліди за методом, що застосовувався в Кембриджському університеті. Теоретична частина експерименту полягала в наступному. Маса тіла визначалася шляхом вимірювання тиску, виробленого тілом під впливом сили тяжіння на чашу ваг. Якщо повідомити нескінченно малій частці речовини електричний заряд і якщо прикласти спрямовану вгору електричну силу, рівну силі тяжіння, спрямованої вниз, то ця частка буде перебувати в стані рівноваги, і фізик може розрахувати величину електричного заряду. Якщо в даному випадку частці буде повідомлений електричний заряд одного електрона, можна буде вирахувати величину цього заряду.

Кембриджська теорія була цілком логічною, але фізики ніяк не могли створити прилад, за допомогою якого можна було б займатися дослідженнями окремих частинок речовин.Їм доводилося задовольнятися наглядом за поведінкою хмари з водяних крапель, заряджених електрикою. У камері, повітря з якої був частково знищений, створювалося хмару пари. До верхньої частини камери підводився струм. Через певний час крапельки туману в хмарі заспокоювалися. Потім крізь туман пропускали ікс - промені, і водяні краплі отримували електричний заряд.

При цьому дослідники вважали, що електрична сила, спрямована вгору, до що знаходиться під високою напругою кришці камери, повинна нібито утримувати краплі від падіння. Однак на ділі не виконувалося жодне зі складних умов, при яких, і тільки при яких, частки могли б перебувати в стані рівноваги.

Міллікен почав шукати новий шлях вирішення проблеми. Справа була не в апараті, а в тому, як ним користуватися. Він вніс в його конструкцію ряд невеликих змін, які "вперше дозволили провести всі виміри на одній і тій же окремої крапельці".

"Як перший крок в області удосконалення в 1906 році сконструював невелику за габаритами батарею на 10 тисяч вольт (що само по собі було в той час чималим досягненням), яка створювала поле, досить сильне для того, щоб утримувати верхню поверхню хмари Вільсона в підвішеному , як "труну Магомета", стані. Коли у мене все було готово і коли утворилася хмара, я повернув вимикач і хмару виявилося в електричному полі. В ту ж мить воно на моїх очах розтануло, іншими словами - від цілого хмари не залишилося і маленького шматочка, який можна було б спостерігати за допомогою контрольного оптичного приладу, як це робив Вільсон і збирався зробити я. Як мені спочатку здалося, безслідне зникнення хмари в електричному полі між верхньою і нижньою пластинами означало, що експеримент закінчився безрезультатно ... Однак, повторивши досвід, я вирішив, що це явище набагато більш важливе, ніж я припускав. Повторні досліди показали, що після розсіювання хмари в потужному електричному полі на його місці можна було розрізнити кілька окремих водяних крапель ".

Створюючи потужне електричне поле, Міллікен незмінно розсіював хмара. Від нього залишалося дуже невелике число частинок, маса і електричний заряд яких перебували в ідеальному рівновазі. Насправді, саме ті краплі, які були тепер видалені з камери, порушували усі попередні вимірювання.

"Я спостерігав за допомогою мого короткофокусного телескопа за поведінкою цих що у рівновазі крапельок в електричному полі. Деякі з них починали повільно рухатися вниз, а потім, поступово втрачали вагу в результаті випаровуванні, зупинялися, поверталися ... і повільно починали рухатися вгору, так як сила тяжіння все зменшувалася внаслідок випаровування ... Якщо електричне поле раптово зникало, все що знаходяться в рівновазі крапельки, схожі на зірочки на темному полі, починали падати - одні повільно, інші набагато швидше. Ці останні крапельки опинилися в підвішеному стані тому, що вони несли на собі два, три, чотири, п'ять і більше електронів замість одного ... Це було, нарешті, перше виразне, ясне і недвозначне доказ того, що електрику об'єднані по структурі ".

Це останнє спостереження було в той час фактично значно більше важливим, ніж вимір заряду електрона.

Міллікен закінчив перші вимірювання заряду електрона у вересні 1909 року і негайно виступив з повідомленням на нараді Британської асоціації сприяння науці у Вінніпезі. Хоча його імені не було в списку доповідачів, йому дали можливість виступити. Правда, він не мав жодних ілюзій. Він добре розумів, що результати його дослідів є лише попередніми і що за допомогою досконаліших в технічному відношенні приладів можуть бути отримані більш точні дані.

"Повертаючись в Чикаго з цієї наради, я дивився з вікна моєї поштової карети на рівнини Манітоби і раптово сказав собі:" Який дурень! Намагатися таким грубим способом припинити випаровування води в водяних крапельках в той час, як людство витратило останні триста років на удосконалення масла для змащення годин, прагнучи отримати мастильне речовина, яке взагалі не випаровується! "

Коли я повернувся в Чикаго, біля входу в лабораторію я зустрів Майкельсона. Ми сіли на порозі і почали базікати. Я запитав його, наскільки, на його думку, точно виміряв він швидкість світла. Він відповів, що вимір вироблено з точністю приблизно до однієї десятитисячної. "Так ось, - сказав я, - я придумаю метод, за допомогою якого я зможу визначити величину заряду електрона з точністю до однієї тисячної, або гріш мені ціна".

Я негайно попрямував до майстерні і попросив механіка виготовити повітряний конденсатор, що складається з двох круглих латунних пластин близько 10 дюймів в діаметрі, які були б закріплені на відстані приблизно шести десятих дюйма одна від одної. У центрі верхньої пластини був просвердлений кілька полумілліметрового отворів, крізь які крапельки мастила, що надходять з розпилювача, могли б потрапити в простір між пластинами. До пластин були підключені висновки моєї батареї на 10 тисяч вольт "... Міллікен мав намір зарядити крапельки олії за допомогою потоку ікс-променів, як він робив це раніше з водою.

Протягом трьох років, з 1909 по 1912 рік, він присвячував весь свій час дослідів над крапельками мастила.

"Мене зачаровувала та абсолютна впевненість, з якою можна було точно перерахувати кількість електронів, що сиділи на даній краплі, будь це один електрон або будь-яке їх число, до сотні включно. Для цього потрібно лише змусити досліджувану краплю проробити велику серію переміщенні вгору і вниз, точно вимірявши час, витрачений нею на кожне переміщення, а потім вирахувати найменше спільне кратне досить великої серії швидкостей.

Для того щоб отримати необхідні дані по одній окремій краплі, іноді потрібно кілька годин. Одного разу пані Міллікен і я запросили до обіду гостей. Коли пробило шість годин, у мене була всього лише половина необхідних мені даних. Тому я змушений був зателефонувати пані Міллікен по телефону і сказати, що вже протягом півтора годин спостерігаю за іоном і повинен закінчити роботу. Я просив її обідати без мене. Пізніше гості обсипали мене компліментами з приводу моєї пристрасті до домашнього господарства, тому що, як вони пояснювали, пані Міллікен повідомила їм, що я протягом півтори години стирав і гладив і повинен був закінчити роботу "(англ." Watch an ion " - спостерігати за іоном; "washed and ironed" - стирав і гладив).

Міллікен опублікував результати своїх дослідів восени 1910 року і виявився в центрі уваги фізиків усього світу. Німецька школа, в тому числі і Рентген, який відкрив за 15 років до цього ікс - промені, повністю змінила свою точку зору. Представник цієї школи, великий вчений в галузі фізичної хімії Оствальд в 1912 році писав: "Тепер я переконаний ... Отримані досвідченим шляхом докази ... які люди безуспішно шукали протягом сотень і тисяч років ... тепер ... дають можливість навіть моїм обережним вченому говорити про те, що теорія атомної будови речовини експериментально доведено ".

Революція в області світла

У період з 1921 по 1945 рр. Міллікен - директор Лабораторії Нормана Бріджа Каліфорнійського технологічного інституту.

У 1921 році Альберт Ейнштейн був удостоєний Нобелівської премії за розробку теорії, що пояснила фотоелектричний ефект. Через два роки Роберт Міллікен отримав Нобелівську премію за проведення досвіду, який підтвердив теорію Ейнштейна. Теорія Ейнштейна була висунута в 1905 році. Великий експеримент Міллікена був проведений майже десять років по тому. Подвійне присудження премії означало успіх однієї з найбільших революцій в галузі фізики.

Ісаак Ньютон збагатив фізику двома теоріями: перша стосувалася законів руху тіл; згідно з другою світло представляв собою скопище крихітних частинок матерії, що світиться. Перша теорія Ньютона принесла йому репутацію геніального вченого. І тільки завдяки його престижу була прийнята друга теорія - про корпускулярної структурі світла, хоча вона була значно слабшою першої і пояснювала всього два з усіх відомих властивостей світла.

За Ньютону, відбиток - це просто отскаківаніе пружних частинок світла від поверхні, що відбиває. Рефракція ж, заломлення світлових променів при переході з менш щільного середовища, такий, наприклад, як повітря, в більш щільну, як, наприклад, вода, мало місце в результаті зміни швидкості частинки світла в момент проходження її крізь поверхню більш щільною середовища. Ньютоновская теорія світла не могла пояснити інтерференції, дифракції і поляризації.

До початку XVIII століття стала привертати увагу хвильова теорія світла, висунута сучасником Ньютона - Гюйгенсом. За цією теорією світло складається з вібрації в ефірі. Великий французький фізик Френель математично довів, що якщо світло дійсно хвильове явище, то всі його спостерігаються прояви легко можна пояснити. Через півстоліття Джемс Максвелл підкріпив хвильову теорію світла, теоретично довівши, що світло є вібрацією електричних і магнітних хвиль. До останнього десятиліття XIX століття в теорії Максвелла не було, здавалося, ніяких протиріч.

У 1887 році Герц помітив, що світло, особливо ультрафіолетові промені, заряджали металеві поверхні електрикою. Томсон довів, що позитивний заряд на поверхні металу був наслідком миттєвого випускання їм негативно заряджених електронів.

Альберт Ейнштейн був єдиним фізиком, зрозумівши, що в цьому таїлося протиріччя, яке хвильова теорія світла не може дозволити. У 1905 році він висловив припущення, що фотоелектричний ефект можна пояснити, тільки повернувшись до нової теорії світла, в яку слід внести деякі важливі зміни.

На думку Ейнштейна, протиріччя полягало в наступному: чим більше світла падає на металеву поверхню, тим більше виділяється електронів; проте енергія кожного окремого електрона зі зміною інтенсивності світла не змінюється, хоча, по теорії Максвелла, інтенсивність світла служить мірилом його енергії.

Ейнштейн запропонував наступне пояснення: промінь світла складається з потоку крихітних корпускул, кожна з яких несе певну енергію. Енергія корпускули пропорційна кольору, або, висловлюючись класичним мовою, частоті світла, а не його амплітуді, як заявляв Максвелл. Коли світло падає на тверду речовину, деякі з ейнштейнівської корпускул енергії поглинаються. Кількість енергії, що поглинається в деяких випадках виявляється настільки великим, що електрони отримують можливість покинути атоми, в яких вони перебували. Енергія цих звільнених "фотоелектронів" повинна тому бути абсолютно рівною енергії спійманих корпускул світла, званих "квантами", мінус кількість енергії, потрібної для того, щоб вирвати електрони з атомів.

Ця остання кількість, "робота виходу", може бути безпосередньо виміряно.

Ейнштейн повідомить про це в формі рівняння, в якому був встановлений зв'язок між швидкістю вилетів електрона, енергією спійманого кванта світла і з роботою виходу ".

"Така корпускулярна теорія, говорив Міллікен, - не була підтверджена експериментально, за винятком спостережень, проведених Ленард в 1900 році і зводилися до того, що енергія, з якою електрони вилітають з цинкової платівки, здається, не залежить від інтенсивності світла. Я думаю, правильно буде сказати, що думка Ейнштейна про кванти світла, що мчать в просторі у формі імпульсів, або, як ми називаємо їх тепер, "фотонів", приблизно до 1915 року не мала практично жодного переконаного прихильника.

Тоді, на тих ранніх етапах, навіть сам Ейнштейн не відстоював цю думку з достатньою рішучістю і визначеністю ".

Міллікен теж далеко не був переконаний в правоті Ейнштейна, але, оскільки лабораторія в Чикаго, керована Майкельсоном, проводила дуже багато експериментів, заснованих на хвильової теорії світла, Міллікен вирішив раз і назавжди перевірити гіпотезу Ейнштейна.

"Як тільки я повернувся в свою лабораторію восени 1912 року, - писав Міллікен, - я приступив до конструювання нового апарату, за допомогою якого можна було б отримати переконливе рішення проблеми цього фотоелектричного рівняння Ейнштейна. Я майже не сподівався, що рішення, якщо тільки я його отримаю, буде позитивним. Але питання було надзвичайно важливим, і знайти якесь рішення було необхідно. Я почав фотоелектричні дослідження в жовтні 1912 року, і вони зайняли практично весь мій час, який я присвячував дослідженням протягом наступних трьох років ".

Усі труднощі зводилася до того, щоб визначити, в яку залежність знаходиться енергія від кольору, або частоти. Ейнштейн говорив, що ця залежність була прямою: енергія дорівнює частоті, помноженої на певне число. Це "певне число" було постійним для будь-якого паста. Воно повинно було бути природного константою. Ейнштейн застосовуючи для цього числа позначення h з поваги до свого колеги Максу Планку.

За кілька років до цього Макс Планк перший зумів вирішити теоретичну проблему в області радіації, довільно замінивши у формулі член, що позначає енергію, іншим членом, в який входили позначення частоти і цієї самої постійної величини. Планк позначив цю величину через h і розглядав всю операцію лише як зручний математичний прийом, який допоміг йому вирішити задачу. Ейнштейн ж побачив, що Планк мимоволі зробив значно більше. За допомогою "математичного прийому" Планка проблема вирішувалася - значить, він точно відображав дійсний стан речей.

Ейнштейн надав цьому прийому буквальне значення, і його фотоелектричне рівняння стало першим безпосереднім застосуванням нової квантової теорії. Міллікен вирішив перевірити теорію Ейнштейна, спробувавши отримати відповіді на наступні три питання:

1. Чи дійсно енергія кванта світла дорівнює частоті світла, взятій h раз?

2. Чи є число h справді постійної величиною для всіх кольорів?

3. Чи відповідає фотоелектричне рівняння Ейнштейна того, що має місце в природі?

Для дослідів Міллікен сконструював оригінальний апарат, який він пізніше назвав "вакуумної перукарні". У скляну вакуумну камеру він помістив поворотний диск. Цей диск можна було повертати за допомогою магніту, розташованого за межами камери. З трьох сторін на диску знаходилися невеликі кількості трьох металів, що відрізняються високою активністю, - натрію, калію і літію, кожен реагував на світло тільки однієї певної частоти.

Внаслідок того, що успіх експерименту величезною мірою залежав від характеру поверхні кожного з металевих зразків, у камеру було також вміщено невелике пристосування для шліфування поверхні зразків. Воно наводилося в дію за допомогою магнітів, розташованих поза камерою.

Проходячи крізь лінзи і призму, білий світ заломлюється. Крізь вузьку щілину промінь того чи іншого основного кольору отримують спектра прямував на поверхню металевого зразка, і Міллікен міг спостерігати дію променя одного кольору на метал. У той час як металева поверхня висвітлювалася послідовно променем кожного основного кольору, Міллікен вимірював кількості вилітали електронів і їх енергію, визначаючи кількість електричної енергії, необхідної, щоб зупинити їх. Якщо, наприклад, для того, щоб утримати в повітрі тіло невідомого ваги, необхідна сила, яка дорівнює п'яти фунтам, то можна сказати, що це тіло важать п'ять фунтів. Міркуючи таким чином. Міллікен визначав швидкість електронів шляхом вимірювання сили, необхідної для повної зупинки їх. Знаючи швидкість, він міг вирахувати енергію електронів, що виділяються при висвітленні металевої поверхні променем кожного кольору.

Коли цей досвід і розрахунки були виконані для всіх частин спектра, Міллікен зміг викреслити криву, що показує залежність енергії електрона від кольору променя, ілічастоти. Отримані ним результати дали абсолютно позитивні відповіді на поставлені їм три питання і підтвердили вірність теорії Ейнштейна. Після прямих вимірювань виявилося, що постійна величина Планка дорівнює Дж * секунд ( ерг * секунд).

Міллікен також розробив методику атомної спектороскопіі в крайній ультрафіолетової області і досліджував космічні промені за допомогою іонізаційної камери.

Він помер 19 грудня 1953 року в Сан-Марино.

Америка довго чекала таку людину, як Міллікен. Він був видатним дослідником. Працюючи викладачем в Чикаго, він віддавав багато часу підготовці та заохочення молодих людей, на роботу з якими у Майкельсона не вистачало терпіння. Виконуючи адміністративні функції в Каліфорнійському технологічному інституті, він підготував кілька поколінь молодих вчених. Рівень їх підготовки був настільки високий, що відпала необхідність направляти молодих американців за кордон для отримання наукового освіти. Завдяки Роберту Ендрюс Міллікену американська наука вступила в пору зрілості.


  • Таємниче четвертий стан матерії
  • Радіоактивність і фотоелектричний ефект
  • Електрон на краплі олії
  • Революція в області світла