广告

重现经典密立根油滴实验,用毫米级标尺测量电子电荷量化

时间:2021-06-23 作者:综合报道 阅读:
宇宙中的物质是由电子、质子和中子等基本粒子组成的,电子也是这些基本粒子中的一种,很早以前,科学家就在研究电。1909 年,美国科学家罗伯特·密立根与其学生哈维·福莱柴尔通过让数百个带电的液滴在电场中下落,然后对其运动进行统计分析,证明了电子的电荷是量化的。如今哥德堡大学的科学家用更先进的手段复现了这一经典实验……
广告
EETC https://www.eet-china.com

来自哥德堡大学的科学家近日成功将悬浮液滴对单个电子的吸收过程放大数倍,是其肉眼可见并可以通过普通的毫米级别标尺进行测量。

宇宙中的物质是由电子、质子和中子等基本粒子组成的。它们无处不在,但它们是如此之小,以至于人眼无法辨别它们。在上个世纪,物理学家通过不同的实验证明了这些粒子的存在,但在大多数情况下,对这些粒子的观察都是间接的。

电子也是这些基本粒子中的一种,很早以前,科学家就在研究电。人们知道这种无形的物质可以从天上的闪电中得到,也可以通过摩擦头发得到。

1909年的经典油滴实验

1897 年,英国物理学家托马斯已经得知如何获取负电荷电流。1909 年,美国科学家罗伯特·密立根(Robert Millikan,1868—1953)认为,存在着一个最小的、不可分割的电荷量。他与其学生哈维·福莱柴尔(Harvey Fletcher)在美国芝加哥大学瑞尔森物理实验室(Ryerson Physical Laboratory),通过让数百个带电的液滴在电场中下落,然后对其运动进行统计分析,证明了电子的电荷是量化的。

这就是著名的密立根油滴实验(Oil-drop experiment),密立根本人也因而获得1923年的诺贝尔物理学奖。。

他用一个香水瓶的喷头向一个透明的小盒子里喷油滴。小盒子的顶部和底部分别放有一个通正电的电极和一个通负电的电极。当小油滴通过空气时,就带了一些静电,它们下落的速度可以通过改变电极的电压来控制。当去掉电场时,测量油滴在重力作用下的速度可以得出油滴半径;加上电场后,可测出油滴在重力和电场力共同作用下的速度,并由此测出油滴得到或失去电荷后的速度变化。这样,他可以一次连续几个小时测量油滴的速度变化,即使工作因故被打断,被电场平衡住的油滴经过一个多小时也不会跑多远。

经过反复试验,密立根得出结论:电荷的值是某个固定的常量,最小单位就是单个电子的带电量。他认为电子本身既不是一个假想的也不是不确定的,而是一个“我们这一代人第一次看到的事实”。他在诺贝尔奖获奖演讲中强调了他的工作的两条基本结论,即“电子电荷总是元电荷的确定的整数倍而不是分数倍”和“这一实验的观察者几乎可以认为是看到了电子”。

“科学是用理论和实验这两只脚前进的”,密立根在他的获奖演说中讲道,“有时这只脚先迈出一步,有时是另一只脚先迈出一步,但是前进要靠两只脚:先建立理论然后做实验,或者是先在实验中得出了新的关系,然后再迈出理论这只脚并推动实验前进,如此不断交替进行”。他用非常形象的比喻说明了理论和实验在科学发展中的作用。作为一名实验物理学家,他不但重视实验,也极为重视理论的指导作用。

2021年的单个悬浮液滴实验

时间来到2021年,哥德堡大学物理系博士哈维尔·马尔莫莱霍(Javier Marmolejo)表示:“现在我们通过使用激光使空气中的单个液滴悬浮起来,创造了这个经典实验的现代版本”。在这个实验中,电荷的量化首次直接可见,无需先进的设备或复杂的统计分析。

他表示:“我们用激光在一个强电场内困住一个水滴,并通过将其暴露在阿尔法辐射中来增加单个电子。这颗水滴每次吸收一个或几个电子都会进行量化的跳跃。通过使用一个单透镜放大液滴的图像,我们能够看到单个电子吸收的效果,并用一把尺子测量跳跃的幅度。每吸收一个电子,亮点就移动大约一毫米(见上面的动图)”。

这颗水滴的直径为29微米,大致相当于一根细的人类头发的厚度。尽管如此,它包含大约3.7 x1015个带负电的电子。他表示:“如果考虑到在已经有370万个电子的液滴上增加一个电子的效果是可以用肉眼看到的,那么这一壮举是不可思议的”。

研究人员评论说,现在有可能 "看到单个电子的效果",一个新的机会出现了,可以更好地向公众传播有关基本粒子的科学。

关于实验的事实

一个激光陷阱被用来使空气中的硅油液滴悬浮起来。该陷阱包括一个波长为532纳米的绿色激光,它被向上引导并被一个焦距为100毫米的透镜聚焦。焦点被放置在实验室中心的两个电极之间。这两个电极是平行的,相隔1毫米。一个29微米的液滴被丢入激光束中,在那里它被捕获。在两块板之间,施加了666V的电位差,产生了一个强电场。阿尔法辐射被引向几乎不带电的液滴,使其周围的空气电离。

当液滴获得或失去电荷时,电场施加的力发生变化,这反过来又改变了它的位置。这些效果被一个镜头放大了73倍,并投射到墙上。在这种放大倍数下,肉眼可以观察到液滴的微米级运动。一个普通的毫米尺被放在墙上,研究人员可以直接观察到水滴获得的电子数量,因为它每增加一个电子就会跳动大约1毫米。

责编:Luffy Liu

本文内容参考cnBeta、Scitech Daily、Javier 特略 Marmolejo 、 Mitzi Urquiza - Gonz á lez 、 Oscar Isaksson 、 Andreas Johansson 、 里卡多 M é ndez - Fragoso和Dag Hanstorp , 《科学报告》 , 2021年5月25日, "用统治者可视化电子的量化"

EETC https://www.eet-china.com
本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 摩尔定律死了,AI芯片算力提升靠谁? 我们说电子科技革命的即将终结,一般认为即是指摩尔定律的终结——摩尔定律一旦无法延续,也就意味着信息技术的整栋大楼建造都将出现停滞,那么第三次科技革命也就正式结束了。这种声音似乎是从十多年前就有的,但这波革命始终也没有结束。AI技术本质上仍然是第三次科技革命的延续……
  • 《三体》作者刘慈欣加入商汤科技,担任科幻星球研究中心 世界人工智能大会(WAIC)企业论坛上,《三体》作者、著名科幻作家、“雨果奖”得主刘慈欣通过线上方式公布了新身份——商汤科技(SenseTime)科幻星球研究中心主任。在视频发言中,刘慈欣透露,很高兴能携手商汤,参与“三体宇宙”开发工作。
  • 全新材料制造FE-FET,让一颗芯片既是RAM又是ROM 宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的一个研究小组展示了在单个芯片上实际集成 RAM 和 ROM的方法,采用铁电场效应晶体管(FE-FET)器件将使芯片的空间效率更高,功能更强。
  • 做好准备:智能处方眼镜将成为中国的新热点市场 来自 ReportLinker 的独立市场分析表明,“智能”眼镜市场的增长不仅仅局限于中国,而是一种全球现象。“智能”指的是其增强现实 (AR) 功能,可为眼镜增加新信息和更多价值。例如,当通过地图导航时,启用 AR 眼镜可能会在用户视野上叠加地形图。例如,对于徒步旅行者而言,如果佩戴有AR智能眼镜,地图可靠地保持在用户的视野中,就不会再有纸质地图被强风吹走的噩梦。
  • 中国科学家将光存储时间提升至1小时,向量子U盘迈出重要 光每秒钟可运动约30万公里,这也是目前人类已知自然界中的最快速度。近期,中国科学技术大学郭光灿院士团队成功地把光 “封印”在特殊晶体中1小时,这对于实现量子U盘具有重要意义。国际学术期刊《自然·通讯》近期发表了该成果,审稿人认为“这是一个巨大成就”。
  • 燕山大学李子丰教授称已推翻爱因斯坦相对论,被推荐入省 近日,河北燕山大学教授李子丰研究项目宣称已“推翻”爱因斯坦相对论,该项目日前被推荐入选2021年度河北省科学技术奖,该研究项目名称为 “坚持唯物主义时空质能观发展牛顿物理学”。该项目中宣称已推翻误导物理学界和人类认识世界基本方法的爱因斯坦的相对论,为科学的健康发展扫清了一个巨大障碍……
  • 新款iPad Pro 2021成最受欢迎的 由于采用性能相对强大的M1处理器和mini-LED屏幕以及更多的创新,新款iPad Pro 2021已经成为消费者心目中最受欢迎。然而,iPad 2却已经在全球范围内被列入“复古和过时”的名单中。
  • 三星折叠屏手机Galaxy Z Fold 3 目前来看,折叠屏新机作为一种新的生产力工具,逐渐成为高端/平板的一种趋势,有报料称三星的Galaxy Z Fold 3发布时间或为7月,并且会引入新手势操控。

  • 埃瓦科技宣布完成亿元级A轮融资,发 3D AI芯片系统公司埃瓦科技宣布已完成亿元级A轮融资,由中国首个专注于硬科技创业投资中科创星领投,拓金资本、瀚漾投资跟投,老股东鼎青投资继续追投。本轮融资将主要用于加速基于埃瓦自研3D AI 视觉芯片追萤®系列视觉模组研发和商业化进程。
  • 安森美图像感知和LiDAR技术赋能Aut AutoX RoboTaxi配备了最先进的摄像头传感器和LiDAR探测器,达到最高等级的安全水平。安森美半导体提供28个高分辨率的800万像素图像传感器AR0820AT和4个LiDAR传感器SiPM阵列,提供零盲点的全景倒车影像。
广告
热门推荐
广告
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了