密立根油滴实验结果讨论密立根油滴实验数据10组

上节课，我们讲了相对原子质量，其实就是原子之间的质量比。有了这个东西，只要知道一个原子的质量，就可以计算出其他原子的质量。
如果我们知道氢原子的质量，我们可以通过将氢原子的质量乘以其他原子的相对原子质量来计算它们的真实质量。所以下一个问题是我们如何计算氢原子的质量，

文章插图
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有一个法，就在19世纪中叶，也就是汤姆逊发现电子的几十年前，法拉第在电解实验中测出了原子质量与单位电荷的比值，比如氢原子质量与单位电荷的比值是1.044×10-8g/库仑。
当时法拉第并不知道这个单位电荷是什么，只知道它是离子在电解过程中可以获得和失去的最小单位电荷。汤姆逊发现电子后，我们知道这是电子携带的电荷。每个电子的电荷值就是单位电荷。
所以现在的关键问题是，电子的电荷是多少？只要找到这个值，所有问题都可以解决，所以汤姆逊发现电子后，他领导的卡文迪许实验室最重要的工作就是测量电子的电荷。
好了，先说电子电荷的测量，再说法拉第的电解实验。
在讲电子电荷之前，我们先了解一件事，威尔逊云室。威尔逊是汤姆森的学生。在卡文迪许的实验室时，威尔逊发现不需要尘埃粒子，带电粒子也可以作为凝结核，将空气体中的水蒸气凝结成小水滴。这一现象的发现意味着我们可以借助无尘过饱和水蒸气的凝结来展示带电粒子的轨迹。
于是威尔逊发明了云室，可以让我们清楚地看到亚原子粒子的存在。这个装置对粒子物理学的早期发展做出了巨大贡献。后来我们也发明了很多类似的装置，比如乳胶摄影、气泡室、火花室、多丝正比室等等，都可以让粒子出现。
电子电荷的测量是在云室中进行的。第一个测量它的人是卡文迪许实验室的汤姆森，他是汤姆森的同事。测量的基本原理是这样的:带电离子经过云室时会凝结成小水滴，测量这些小水滴的荷质比，然后测量水滴的质量，从而计算出离子携带的电荷，再根据离子的电荷知道电子的电荷值。
虽然带电粒子在云室中形成水滴，但这些水滴仍然太小，无法直接测量，所以我们应该寻找其他方法来间接测量水滴的质量。
汤姆逊采用的方法是通过测量水滴在重力作用下的下落速度来计算水滴的质量。这个过程其实很简单。我们知道水滴在重力作用下会先加速。随着速度的增加空气体的粘滞阻力会增加，直至抵消重力，此时水滴会匀速下落。
根据牛顿第二定律，我们可以知道，水滴的重力=水滴的质量× 9.8m/s，气体的粘滞阻力空与水滴的半径和速度成正比。1851年，斯托克斯给出了粘性阻力公式:
作用在水滴上的粘滞阻力为6 π η×水滴半径×水滴速度，其中η为空气体的粘滞系数，实测值约为1.82× 10-5 N/m 。
水滴匀速下落时，水滴质量× 9.8m/s = 6 π η×水滴半径×水滴匀速下落的速度。这个速度是可以测量的，所以通过这个公式就可以知道水滴的质量和半径的关系。
水滴的质量和半径也有关系，即水滴质量=4π/3×水滴半径×水的密度。最后，汤姆森计算出了云室中水滴的平均质量。
我们现在需要知道的是云室中所有水滴的质量以及它们携带的电荷。汤姆逊采用的方法是，所有的水滴都被硫酸吸收，硫酸最终得到的电荷和质量就可以测得。因为每个水滴携带的电荷和质量是相同的，所以测得值的比值就是每个水滴的荷质比。

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