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密立根油滴实验是二十世纪初最重要的物理实验之一。这个实验巧妙地利用带电油滴在电场和重力场中的平衡,成功测定了基本电荷量,并证明了电荷的量子化性质。实验装置主要包括平行金属板、喷雾器、显微镜、光源和可调电源。
实验开始时,喷雾器将油喷成极其微小的油滴。这些油滴在喷射过程中由于摩擦而带上电荷,通常是负电荷。带电的油滴通过上金属板的小孔进入两板之间的观察区域。在显微镜下,我们可以清楚地观察到这些微小油滴的运动轨迹。
当我们给平行金属板加上电压时,板间产生均匀的电场。带负电的油滴受到向上的电场力和向下的重力作用。通过精确调节电压,我们可以让电场力恰好等于重力,使油滴悬浮在空中静止不动。此时电场力等于重力,即q乘以E等于m乘以g。
密立根对数百个油滴进行了精确测量,发现了一个惊人的规律:所有油滴的电荷量都不是任意值,而是某个最小电荷量的整数倍。这个最小电荷量就是基本电荷e,约等于1.602乘以10的负19次方库仑。这一发现证明了电荷是量子化的,即电荷不能无限分割,而是以基本电荷为单位存在的。
密立根油滴实验具有重大的科学意义。它首次精确测定了基本电荷量的数值,证明了电荷的量子化性质,为原子结构理论提供了重要的实验依据,奠定了现代物理学的基础。密立根也因为这一杰出贡献获得了1923年的诺贝尔物理学奖。这个实验至今仍被认为是物理学史上最精妙的实验之一。