密立根经典实验总结.doc

摘要：重温密里根经典实验，深入理解大师所用的基本实验方法，借鉴学习密里根采用宏观力学模式揭示微观离子的量子本性的物理构想,精湛的实验设计和严谨的科学作风，从而更好地提高我们的素质和能力。 关键词：密里根 光电效应 普朗克常量 基本电荷 光电效应实验 油滴实验 实验设计构思方法 创新 引言：美国物理学家密里根首先设计并完成的光电效应实验和密里根油滴实验，在近代物理发展史上被认为是物理实验学上的一个光辉典范，密里根以 巧妙的实验精湛的技术，无可辩驳的实验证实了普朗克常量和任何带电体所带的电荷都是某一小电荷基本电荷的整数倍及基本电荷的数值 密立根，R．A．(Robert Andrews Millikan 1868～1953) 美国物理学家。1868年3月22日生于伊利诺伊州的莫里森。1887年入奥伯林大学，读完二年级时，被聘任为初等物理班的教员，从此便致力于物理学。?1891年他大学毕业后，继续担任初等物理班的讲课；A．A迈克耳孙在实验中的精湛技术，M．I．普平在讲课中强调熟练的教学手段，都对他的影响很大。1895年，他获得博士学位后留学欧洲，听过J．-H．庞加莱、M．普朗克等的讲课。1896年回国任教于芝加哥大学。由于教学成绩优异，第二年就升任副教授。 1896年至1921年曾先后在芝加哥大学担任物理学的助理教授、副教授和教授。1921年应聘到加利福尼亚理工学院担任物理实验室主任并主持学院的行政委员会，一直工作到40年代。1916年他还兼任国家研究委员会主席，1928年兼任美国科学进展协会会长。?1953年12月19日在加利福尼亚的帕萨迪纳逝世。 密立根的两个实验深深的影响了近代物理学的进程，下面就两个实验分别作出介绍。 一 对光电效应的实验研究 1905年，爱因斯坦在普朗克能量子的启发下，提出了光量子的概念，并成功解释了光电效应。接着，密立根对光电效应进行了10年左右的研究，于1916年发表论文证实了爱因斯坦的正确性，并精确测出了普朗克常量。从而为量子物理学的诞生奠定了坚实的理论和实验基础，爱因斯坦和密立根都因光电效应方面的杰出贡献，分别于1921年和1923年获得了诺贝尔物理学奖。 光电效应实验原理 光电效应是电磁波理论所无法解释的，1905年爱因斯坦依照普朗克常量的量子假设，提出了关于光的本性的光子假说：当光与物质相互作用时，其能流集中在一些叫光子的粒子上，每个光子都具有能量，其中是普朗克常数，是光的频率。当金属中的自由电子从入射光中吸收一个光子的能量时，一部分消耗于电子从金属表面溢出所需要的逸出功，其余转变为电子的动能。根据能量守恒有： 上式称为爱因斯坦方程，其中是光电子质量，是光电子离开金属表面时的最大速度。如图是研究光电效应的一种简单实验装置，在光电管的阳极A和 阴极K之间加上直流电压.当用单色光照射阴极K时，阴极上就会有光电子逸出，它们将在加速电场的作用下飞向阳极A而形成电流，称为光电流。光电效应具有下列几个规律(1)饱和光电流强度 与入射光强成正比 若用一定频率和强度的单色光照射阴极K，改变加在A和K两极的电压，测量光电流的变化，则可得到如图(2)所示。实验表明，光电流随着正向 电压的增大而增大，并逐渐趋于饱和值；而且，饱和电流的大小与入射光强成正比。(2) 光电子的最大动能随入射光频率的增加而增加，与入射光强无关。 如图(3)所示，当A和K两极电压为零时，光电流不为零；只有当两极间加了反向电压时，光电流才为零，称为截止电压。当 极间没有外加电场，有电子具有足够的动能从阴极飞到阳极，从而形成光电流；只有当加一个反向电压，并且足够大以至于等于-时，就是那些具有最大初动能的光电子，也必须将其初动能全部用于克服外电场力做功，从而在外电场的作用下刚刚到达阳极，就返回阴极，使其在回路中不形成光电流，因此有 (3)红限频率 如图(4)所示，当入射光频率逐渐增大时，截止电压将随之线性地增加；而且当入射光频率小于某值，截止电压为零，这一频率称为截止频率或红限频率， 红限频率与阴极材料有关。 爱因斯坦方程可以很好的解释这一现象，的关系可表示如下： 阴极材料的逸出功越大，红限频率越高，即要求入射光子的能量越大。 入射光频率越高，光电子的动能越大，需要的反向截止电压越高，而且反向截止 电压与入射光频率成线性关系，直线的斜率是普朗克常量与电子电量之比。 由于暗电流和本底电流均很小，数量级相差，与其光电流相比可忽略。 产生误差的主要原因有： (1)接触电位 爱因斯坦光电方程是在同种金属材料做阴极和阳极的情况下得出的，在两种金属