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密立根油滴实验:一台雾化器把油喷成雾,1909年测出电子电荷,获1923年诺贝尔奖,也留下一篇”数据挑选”争议

2026-10-23

电子带的电荷到底是多少?这个数字,1909年由美国人罗伯特·密立根和哈维·福莱柴尔用一台油滴实验测了出来。抖音百科那篇写,油滴实验是1909年密立根与哈维·福莱柴尔进行的物理学实验,使密立根因此获得1923年的诺贝尔物理学奖。

装置说不上复杂。威斯康星大学史蒂文斯波因特分校那篇写,油滴从雾化器喷出,带上静电,少数穿过上板的小孔落下来。用电容板之间的电场,再用望远镜观察。从上升和下降时间的测量,就能算出油滴带的电荷。

牛津大学化学系那篇写了测量过程。密立根在芝加哥做了一系列实验,他先观察油滴在重力作用下以终端速度下落到两个固定高度之间所用的时间,据此推算出油滴的半径,从而得出作用在它上面的阻力。然后接通电位差,观察同一滴油在同样两个高度之间上升所需的时间。

上海交大物理实验中心那篇写了受力。带电油滴在水平的平行板均匀电场中,受到重力、电场力和空气浮力三个力,平衡时有mg=qE+f。因表面张力作用,油滴呈小球状,设半径为r,用油滴的密度就能一步步推下去。

电荷还能被改变。virtual-labs那篇写,用X射线照射底部腔室,空气被电离,油滴穿行时会捕获电子,带上负电荷。密立根就靠X射线一次次改变同一滴油的电荷量。

测量的关键是那个整数关系。诺贝尔奖颁奖演说那篇写,速度差与捕获的电荷成正比,结果显示速度差总是相同值或该值的整数倍——油滴捕获了一个或多个电荷单位,全部完全相等。这正好对应q=ne里的n是整数。

结果在1913年8月公布。美国物理学会那篇写,密立根著名的油滴实验于1913年8月报告,测量了电荷的基本单位,被称为物理学史上最美丽的实验之一。密立根生于1868年。

数值本身有故事。波士顿大学物理系那篇写,密立根收集了五年的数据,得出e为4.774×10⁻¹⁰静电单位,对比当时的接受值4.803×10⁻¹⁰静电单位,差异后来追溯到密立根用的空气粘度值稍偏低。中国物理学会那篇写,考虑各种因素后,最终e=(4.807±0.005)×10⁻¹⁰静电单位。

数据里还藏着一段修正。抖音百科罗伯特·密立根那篇写,最初由实验数据算出的e值随油滴减小而增大,密立根分析后认为,选用的油滴很小,对它来说空气已不能看作连续媒质,斯托克斯定律不适用,他通过分析和实验对斯托克斯定律作了修正,得到合理结果。

这场实验的争议在几十年后浮出水面。抖音百科油滴实验那篇写,1978年科学史学家霍尔顿在加州档案馆发现密立根遗留的文献,发现在油滴实验之后有”挑选数据”的情况——密立根共向外公布了58次观测数据,而他本人一共做过140次观测。这一发现轰动了物理学界,1982年《科学》杂志的两名记者也跟进报道。

从芝加哥实验室的一台雾化器,到1923年斯德哥尔摩的诺贝尔颁奖台,油滴实验把电子电荷这个常数钉在了物理课本里。漂亮的数据、修过的定律、事后被翻出来的原始记录,几层叠在一起,成了这段科学史最有味道的部分。

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