第二章學生物理發明啟迪3
13.油滴儀的發明
電子電荷的測定，實際上從1896年就開始了。湯姆生有一位研究生，名叫湯森德(J.S.E.Townsend)，創造了電解法。氧氣從電解池E中產生後，經過A濾去臭氧，經B瓶的水發泡產生雲霧，穿越絕緣的石蠟塊P進入濃硫酸容器c、d、e，氣體中的水分及所帶電量全部被硫酸吸收，幹燥氣體進入D瓶，用象限靜電計Q分別測容器G和D的電量。他讓電解產生的帶有電荷的氧氣，從水中發泡產生雲霧，測量雲霧下降的速度，借速度與霧滴半徑的關係求出霧滴的平均重量，再根據水分的總重量求出霧滴的個數。另一方麵，他收集這些氧氣所帶電量，用靜電計進行測量，所得電量被霧滴個數除，即得每顆霧滴的電荷。他認為這就是電子的電荷。1897年發表的結果是e≈10-19庫，這個結果雖然很粗略，對確定電子的存在還是很有意義的。不過，湯森德的方法非常煩瑣，得到的結果僅僅是平均值。
第二年，湯姆生改進了利用雲霧的實驗方法。密閉容器A中充有水氣和空氣，容器上方是一隻X射線管，X射線照射容器，使裏麵的空氣電離。下方有一活塞P，當它突然下降時，會使容器中的氣體迅速膨脹而產生過飽和蒸氣，然後以離子為核心形成雲霧。這個方法比湯森德的電解法略有改善，得到的平均結果是e=11×10-19庫。
過了幾年，湯姆生的另一名研究生H.A.威爾遜又將湯姆生的方法做了改進。他在密閉容器中加了兩塊水平極板n、p，並加上電壓，使極板中產生電場，然後用顯微鏡T(短焦距望遠鏡，當顯微鏡用)觀察帶電雲霧在電場作用下的運動情況。他先觀測不加電壓時，雲層頂端在重力單獨作用下下降的速度；再觀測加電壓後，雲層頂端在重力和電場力共同作用下加快了的下降速度。比較這兩種速度，經過計算，他得到的平均電子電荷值e=1×10-19庫。
湯姆生的學生花了很大力氣，希望從實驗直接測定電子的電荷值，但是始終隻能得到平均結果，沒有能夠證明電的分立性，這就給反對者留下了借口，繼續挑起論戰。他們否認電的分立性，不承認有基本電荷，實際上也就是否認電子的存在。
關鍵是要能精確地測定單個電子的電荷值。這項任務落到了美國物理學家密立根(RAMillikan)的肩上。密立根是芝加哥大學教授。他和以測量光速著稱的邁克耳遜是同事。1906年，這時密立根已38歲，有一天在學校的討論會上他給師生們做了關於湯姆生發現電子的介紹性報告，為了準備這篇報告，他仔細讀了湯姆生1897年的論文，深深地被這項工作所吸引。報告會後他就和研究生一起重複HA威爾遜的平板電極法實驗，由於密立根采用鐳作為電離劑，代替了X射線，電離的效果比較好，得到e＝134×10－19庫。這個結果受到物理學家盧瑟福的讚許，盧瑟福向他指出，如果能防止水的蒸發，也許e值還可增大。
為了研究雲層蒸發的情況，密立根打算把雲層穩定在某一高度，以便連續進行觀察。這件事很容易辦到，隻要改換電場方向，使雲層所受電力和重力方向相反，並適當加大電壓即可達到目的。
1909年夏，密立根將電壓加到1萬伏，當他合上電閘時，奇跡出現了。雲層哪裏穩定得住，竟立即消散離析，帶電霧粒以不同速度散開，偶而有幾滴水珠留在視場中閃閃發光，好像天上的星星一樣。
他立刻領悟到這幾滴水珠之所以停在空中不動，是因為它們所受的電場力正好與重力平衡。既然如此，為什麼不可以從平衡的帶電水珠求電子的電量呢?
於是，密立根就創造了水珠平衡法。
密立根用水珠平衡法測得了大量數據，證明重量不同的水珠所帶的電量，幾乎都是某一常數的整數倍，這個常數就是基本電荷值。他的結果是e＝155×10－19庫，跟當時其他方法所得結果符合得很好。
1909年8月，密立根到加拿大參加科學會議，他報告了自己的工作，受到與會代表的稱讚，他也從會議上了解到測量電子電荷的重大意義。就在他乘火車從加拿大返回美國的途中，他正向窗外眺望，突然靈感上心，鍾表油是幾乎一點也不蒸發的，何不用鍾表油來試試呢?於是，當他回到芝加哥後，就立即安排研究生用鍾表油做試驗。
由於使用不易蒸發的鍾表油，液滴用噴霧器由開口噴入即可，實驗裝置大大簡化，操作也方便多了。密立根請技師做兩塊22厘米直徑的圓銅盤，邊上墊三塊小小的石英片作為絕緣，這就組成了平板電容器。上極板中心鑽半毫米的小孔，讓噴霧器由此噴進油滴，少數油滴在噴嘴上摩擦，即可帶上電荷。平板間加上萬伏的電壓，用顯微鏡對準油滴，確定使油滴處於平衡所需電壓，由此即可計算油滴所帶電量。
1910年以後，密立根又進一步改進實驗方法。他讓油滴在電場力和重力的共同作用下，上上下下地運動。從上下運動的時間求出速度，然後用X射線或鐳照射油滴，使油滴所帶電量增多或減小。這時，實驗者從顯微鏡中會觀察到油滴運動的速度突然發生了改變，從速度改變的差值就可求出電荷量改變的差值。
實驗結果表明，油滴上電荷量的變化總是基本電荷值的倍數。密立根用這個方法得到了精確的基本電荷值為e＝(1591±0003)×10－19庫。就這樣，密立根以大量實驗無可辯駁地證實了電的分立性，為近代物理學的發展奠定了重要基礎。
密立根是一位作風嚴謹、技藝精巧的實驗物理學家。他鑽研電子電荷的測量工作曆經十幾年，積累了上千次實驗數據。他不斷地改進實驗方法，結果越做越精。據說，當年好奇的新聞記者登門采訪，要求密立根展示他做出驚人成果的儀器設備，密立根再三推托，無奈記者百般懇求，隻好照辦。他叫實驗員用托盤端上一個用圓銅盤做的平板電容器，詼諧地指著電容器對記者說：“秘密全在這裏。”裝置如此簡單，使記者驚訝不已。
密立根在1923年榮獲諾貝爾物理學獎，獎勵他發明了油滴儀，從而精確地測定了電子電荷，確定了基本電荷的存在，並且還對他另一項工作予以獎勵，這項工作是他在光電效應方麵的研究。
14.質譜儀的發明
阿斯頓(FWAston)是卡文迪什實驗室的一名工作人員，曾經協助JJ湯姆生研究正射線，經過長期實踐，發明了質譜儀，從而獲得1922年諾貝爾化學獎。
1877年9月1日阿斯頓出生在英國產業革命的發源地——伯明翰，他的外祖父是槍支製造者，因此他從小就有機會接觸金工和手工藝，培養了技藝方麵的才能。小時候他就愛做機械玩具，他在自己家裏設有金工間，搞過不少工具革新，甚至還自己做成了摩托車。他也很喜愛做化學和真空實驗。倫琴發現X射線的消息，激勵他自己嚐試做X射線管。為了抽取真空，他發明了一種新型的斯普倫格真空泵，並用以研究放電管中的克魯克斯暗區。在1903年他發現了一個特殊的暗區，人稱為阿斯頓暗區。1909年阿斯頓任伯明翰大學物理講師。
正當這時，JJ湯姆生在卡文迪什實驗室的正射線研究取得一定成果。這個實驗技術相當複雜，極需有經驗的技師協助工作。於是JJ湯姆生向好友坡印廷(JHPointing)要人，坡印廷把自己的學生阿斯頓推薦給他。1910年，阿斯頓來到卡文迪什實驗室，當了JJ湯姆生的一名助手。
JJ湯姆生的正射線研究已經進行了好幾年，並且前後發表了8篇論文，這項工作原來是維恩(WWien)在1898年做過的極隧射線研究的繼續，但JJ湯姆生又做了相當多的改進。實驗的基本方法是用磁場和電場使正射線偏轉，在屏上或照片上顯示出拋物線軌跡，從而粗略地計算其荷質比與速度。然而圖像很差，有時甚至無法辨認不同成分的軌跡。
阿斯頓參加正射線的工作後，對實驗裝置做了多項改進。他用大玻璃球殼做低壓放電管，設計並製備了一種適於拍攝拋物線徑跡的專用照相機，還做了一台非常靈敏的石英微量秤以測量氣體分離後的密度。1912年夏他製成了一台改進的正射線測量儀，把球殼中的空氣抽走後，可以從照片上看到一係列的拋物線，這些拋物線分別為C、O、CO、CO2、H、H2和Hg離子的徑跡。雖然儀器的分辨率不高，但質量數相差10%的拋物線可以分開。
這時，湯姆生從他的皇家研究所同事杜瓦(JDewar)那裏要到了做氖管的氖氣。當他將氖氣充入放電球殼時，出乎意料，原子量為202的氖氣竟出現了兩條拋物線，一條粗的相當於20個原子質量單位，另外一條相當於22個原子質量單位，非常暗淡。
實驗者沒有放過這個異常情況，後來知道，這實際上是氖的同位素20Ne與22Ne，可是1913年索迪(FSoddy)還沒有完成同位素的工作，甚至連同位素這個名詞還沒有出現，JJ湯姆生做了一個初步估計，認為可能是一種特殊的分子NeH2，它的分子量正好是22。
但是，阿斯頓不肯接受這個判斷，他希望通過事實作出結論。於是他找來最純的氖氣進行試驗，結果仍然是兩條拋物線，和先前完全一樣，這使阿斯頓增強了信心，相信是兩種不同的氖。
阿斯頓想從各種不同的途徑來證明兩種氖的存在，一是分離出這兩種不同質量的物質，二是進一步改進正射線偏轉法。他先用液態空氣冷卻的活性炭對氖氣進行分餾，沒有成功。後又用多孔陶管擴散方法進行分餾，也不見顯著效果。1914年開始，他改用自動連續擴散的方法，可惜沒有采用低溫冷卻，效果仍然不大。
不久，戰爭爆發了，阿斯頓進入伐波魯(Farnborough)的皇家飛機工廠當化學技術員。他雖然離開了實驗室，可是腦子裏還經常想分離氖氣的問題。他對物理學懂得不多，平常難得有機會跟大科學家們討論問題。這時正值戰爭期間，飛機工廠集中了一批物理學家，他利用茶餘飯後，和這些物理學家討論正射線的問題，從他們那裏學到了不少的理論知識，甚至包括量子理論。
由於科學家們的鼓勵，加上他自己不斷地思考，1919年當他回到卡文迪什實驗室後，就馬上著手用電磁聚焦的方法來分離兩種不同的氖，後來果然獲得了成功。阿斯頓把他的儀器稱為質譜儀。