Электронный заряд из эксперимента Милликена с каплей масла

Эксперимент Милликена с каплей масла в первую очередь служит для установления того, что заряд электрона квантуется. Однако, как вы говорите, само по себе это не указывает исключительно на обвинение$e$, как это может быть$e/2$как вы упоминаете. Однако самая простая интерпретация данных состоит в том, чтобы сказать, что заряды квантуются с зарядом$e$; если бы$e/2$вместо этого вы должны были бы сказать мне, почему я должен ожидать, что каждая капля будет иметь четное число электронов. По сути, вам нужен какой-то заговор, какая-то дополнительная физика, чтобы наблюдать такие явления.

Однако есть и другие способы измерения$e$например , измерение дробового шума в проводе с током . Такие эксперименты дают нам еще больше уверенности в том, что заряд электрона$e$. Фактически, в дробном квантовом эффекте Холла, если попытаться провести такое же измерение дробового шума, чтобы экспериментально проверить$e$, можно получить рациональную дробь, такую ​​как$e/3$вместо. Это явление фактически привело к Нобелевской премии в 1998 году из-за нетривиальной физики, которая была открыта. В целом, из-за этого и многого другого ценность$e$является более или менее установленным фактом (доказательств больше, чем эксперимент с каплей масла).

Имейте в виду, что при выполнении этого эксперимента наблюдатели наблюдают капли с множеством разных зарядов, потому что трибоэлектрический эффект , который в первую очередь заставляет капли заряжаться, является стохастическим.

То есть вы видите значения, которые в конечном итоге будут идентифицированы как$1e$,$2e$,$3e$, и так до такого высокого значения, которое вы можете измерить с помощью прибора.

Более того, в реальном эксперименте Милликена (а не в упрощенной версии, представленной во многих основных методах лечения) вы наблюдаете за каплей в течение достаточно долгого времени, чтобы записать один или несколько случаев уменьшения заряда капли (эффект космического излучения), так что вы можете наблюдать шаги вниз к нейтральной.

В любом случае, когда у вас достаточно данных, становится ясно, что у вас есть дискретные уровни, и что интервал такой же, как и у самого нижнего уровня. В этот момент малейшая гипотеза практически неизбежна.

Это будет мой первый ответ на этом сайте, так как у меня был этот вопрос со школы до колледжа, пока я не прочитал настоящую статью Милликена из архива моей библиотеки.

Вы абсолютно правы. Насколько нам известно, 1,6 может быть неправильным числом, и вместо этого фактическое значение e равно 1,6/n, где n — некоторое целое число. В конце концов, вывод из того, что заключил Милликен, требует дополнительного предположения, что существует по крайней мере одна капля, потерявшая ровно один электрон. Однако выслушайте меня —

1. Версия, представленная в книгах, очень сокращена. Милликен наблюдал за каплями в течение длительного периода времени, когда он фиксировал капли рентгеновским излучением и продолжал экспериментировать с ними, пока они не потеряли весь заряд, а затем снова случайным образом фиксировал их. И таких капель он наблюдал МНОГО.

2. Капли всегда теряли заряды в простых целых числах. Прежде всего, это доказывало, что заряд квантуется.

3. Вот интересная часть: общий знаменатель, в котором капли теряли заряд, также оказался самым низким измеренным зарядом во всех испытаниях.

4. Предположим, что e на самом деле равно e/2. Это потребует от вас объяснения, почему в случайном процессе всегда теряются четные числа электронов. Теперь предположим, что e равно e/3. Здесь электроны могут быть потеряны как в четных, так и в нечетных числах (3, 6, 9 и т. д.), но тогда вам потребуется объяснить, почему они теряются в тройках, и так далее.

5. Приведенный выше аргумент не работает, скажем, для e = e/миллион. Потому что тогда ошибки в измерении намного превысили бы наше разрешение, позволяющее отличить 1 миллион электронов от 1 миллиона и 1. Это правдоподобный сценарий.

6. Но в науке есть такая вещь, как бритва Оккама. Если две теории прекрасно объясняют одно и то же, вы выбираете менее сложную. Насколько нам известно, нейтрон на самом деле состоит из двух нейтронов с половиной принятой массы нейтрона. Но дело в том, что это не имеет значения. Если все наблюдаемые эксперименты могут обойтись рассмотрением простейшей гипотезы, эта гипотеза остается в силе до тех пор, пока не опровергнется в каком-нибудь другом эксперименте.

7. Отношение e/m и массу электронов можно измерить независимо. Они, как и любой другой эксперимент, согласуются с зарядом, найденным Милликеном (за исключением некоторой ошибки). Тем не менее, мы должны быть очень осторожны, чтобы не включать эксперименты, в которых уже есть тайно заложенный заряд электрона (например, с использованием осциллографа). «Первый принцип: вы не должны обманывать себя».