Wollte beweisen, dass Einsteins Theorie falsch war, bekam dafür aber den Nobelpreis

Es heißt, das Nobelpreiskomitee der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften habe eine Ausnahme gemacht und Ende November 1922 gleich zwei Preisverleihungsnachrichten verkündet: Zum einen werde der Nobelpreis für Physik 1921 dem Physiker Einstein verliehen, in Anerkennung seiner Erklärung des photoelektrischen Effekts.

Zweitens wurde der diesjährige Nobelpreis für Physik dem Physiker Bohr verliehen, in Anerkennung seiner Forschungen zur Atomstruktur der mikroskopischen Welt und seines Vorschlags der Atommodelltheorie.

Nachdem das Nobelpreiskomitee ihnen den Preis verliehen hatte, stand er sofort auf der Kandidatenliste für den Physikpreis 1923: Robert Andrew Millikan, ein Amerikaner, dem große Durchbrüche bei der Erforschung von Elektronen in der mikroskopischen Welt und bei der Erklärung des photoelektrischen Effekts gelungen waren.

Millikan gewann den Nobelpreis. Bildquelle: Physics Bimonthly Network

eins

Reiche Kinder haben viele Talente

Millikans Vorfahren lebten in Neuseeland und seine Eltern zogen nach Illinois, USA. Als zweiter Sohn der Familie erhielt Millikan eine gute Ausbildung. In der Grundschule zeigte er sehr gute Leistungen in Chinesisch und Mathematik und galt als „Kind einer fremden Familie“. Damit wurde in vielerlei Hinsicht eine gute Grundlage für seine weitere Entwicklung gelegt.

Nach seinem Eintritt in das Oberson College in Ohio entschied er sich zunächst für ein Studium der Griechischen und Mathematik und wechselte später zur Physik. In seinem zweiten Studienjahr wurde er als Lehrer für die Physik-Vorbereitungsklasse angestellt und unterrichtete nebenbei im Selbststudium. Ähnlich wie die Schüler der Normalschule in meinem Land in den 1980er und 1990er Jahren mussten die Absolventen der Mittelschule die Besten der Besten sein, um Mittelschüler unterrichten zu dürfen.

Da es an der Oberson University keine Physiklehrbücher gab, erklärte sich Millikan bereit, eine Reihe grundlegender Physiklehrbücher zu schreiben. Dieses Lehrbuch war leicht verständlich und gut geschrieben und wurde von vielen Schulen verwendet. Millikan begann aufzutauchen.

Nach seinem College-Abschluss brauchte eine Zeitung aus Illinois einen Reporter mit juristischen Kenntnissen und Millikan wurde gebeten, zu helfen. Er lässt juristisches Wissen in seine Artikel einfließen und seine Berichte sind humorvoll, interessant und auf den Punkt.

Während seiner Tätigkeit als Reporter wurde er gebeten, als Geschworener oder Verteidiger zu fungieren, und er zeigte vor Gericht sehr gute Leistungen. Seitdem ist Millikan in seiner Heimatstadt berühmt geworden.

Wäre es so weitergegangen, wäre Millikan ein herausragender Professor, Schriftsteller oder Anwalt geworden, hätte aber höchstwahrscheinlich nicht den Nobelpreis für Physik gewonnen. Doch seit er Physik unterrichtete, wusste er, was ihm gefiel und worauf er seine Bemühungen konzentrieren sollte. Dies nennt man Selbsterkenntnis.

zwei

Öltropfenexperiment zur Ladungsmessung

Nach einem kurzen Aufenthalt in seiner Heimatstadt ging der 27-jährige Millikan 1895 auf eigene Kosten nach Europa, um dort Physik zu studieren. Nach seiner Rückkehr in die Vereinigten Staaten im folgenden Jahr meldete er sich an der Universität von Chicago, um Physik zu lehren, und wurde aufgrund seiner hervorragenden Lehrtätigkeit bald zum außerordentlichen Professor befördert. Im Jahr 1921 wechselte er als Vorsitzender der Physikabteilung an das California Institute of Technology, wo er bis zu seiner Pensionierung im Jahr 1946 tätig war.

Während seiner Lehrtätigkeit an der Universität von Chicago entwickelte Millikan ein großes Interesse an der mikroskopischen Welt der Materie und kam auf die Idee, die Ladung des Elektrons zu messen.

Millikan macht ein Experiment. Quelle: Physics Bimonthly Network

Die menschliche Erforschung der mikroskopischen Welt erlebte Ende des 19. Jahrhunderts einen großen Durchbruch: Der britische Wissenschaftler J.J. Thomson bewies erstmals experimentell die Existenz von Elektronen und maß das Verhältnis zwischen ihrer Ladung und Masse. Dieser Schritt widerlegte die jahrhundertelang vorherrschende Schlussfolgerung, dass „Atome unteilbar“ seien.

Seitdem hat J.J. Thomson hat mit seinen Kollegen wie Townsend und Wilson zusammengearbeitet, um die Ladung des Elektrons zu messen. Denn nur durch die Messung der Ladung eines Elektrons können wir seine Masse, Flugbahn usw. berechnen. Leider wurden bisher nur geringe Fortschritte erzielt.

Im Jahr 1906 nutzte Millikan Wilsons Nebelkammer erstmals zur Messung der Elektronenladung in Wasser. Die drastischen Änderungen der Versuchsergebnisse bereiteten ihm jedoch Kopfschmerzen.

Einige Jahre später entdeckte er, dass die Ursache für die großen Schwankungen der Messergebnisse die schnelle Verdunstung der Wassertropfen war und erfand so die Methode der ausgeglichenen Wassertropfen. Bei dieser Methode werden die Wassertröpfchen in der Nebelkammer elektrisiert, um eine umgekehrte elektrische Feldkraft zu erzeugen, die die Wassertröpfchen in der Schwebe hält und die Verdunstungsrate verlangsamt. Nach wiederholten Experimenten stellte Millikan fest, dass die Unterschiede zwischen den Versuchsdaten lediglich verringert wurden, das eigentliche Problem jedoch nicht gelöst war.

was zu tun? Als er mit seinem Latein am Ende war, schlug Harvey Fletcher, ein Doktorand, der das Experiment mit ihm durchführte, vor, ob man statt Wassertropfen auch andere Flüssigkeiten verwenden könnte. Diese Aussage weckte Millikan und nach reiflicher Überlegung beschloss er, die Wassertropfen durch Öltropfen zu ersetzen und das Experiment neu zu gestalten.

Er verwendete zunächst zwei horizontal angeordnete Metallplatten (oder Batteriepacks) als positive und negative Elektroden. In die Metallplatten wurden zwei kleine Löcher eingearbeitet. Eine davon war mit dem Zerstäuber verbunden, der für das Einsprühen von Öltröpfchen in das Innengerät zuständig war, und die andere war die Beobachtungsöffnung für das Mikroskop. Die auf die flache Platte gesprühten Öltröpfchen laden sich durch Reibung elektrisch auf, überwinden die Schwerkraft, steigen unter der Wirkung der elektrischen Feldkraft auf und schweben in der Luft.

Der Assistent passte die Spannung so an, dass der Öltropfen gleichmäßig durch das kleine Loch in den Beobachtungsbereich fiel, und ließ die Spannung dann unverändert, während Millikan durch ein Mikroskop beobachtete.

Diagramm des Öltropfenexperiments

Nach Hunderten von Beobachtungen stellte Millikan fest, dass die Gesamtladungswerte aller Öltröpfchen, die in den Beobachtungsbereich schwebten, ganzzahlige Vielfache derselben Zahl waren. „Dieser minimale Ladungswert ist die Ladung eines Elektrons!“ Er hatte das Gefühl, die Richtung für einen Durchbruch gefunden zu haben.

Um genaue Daten zu erhalten, beobachteten und zeichneten er und Fletcher abwechselnd sorgfältig die Bewegung einzelner geladener Öltröpfchen auf. Oft starrten sie die Öltröpfchen mehrere Stunden lang an, was sehr harte Arbeit war.

Harte Arbeit zahlt sich immer aus. Im April 1912 berechnete Millikan die Grundladung e=(1,5924± 0,0017)×10-19 Coulomb auf der Grundlage schlüssiger experimenteller Daten. Diese Daten unterscheiden sich nur um 1 % vom heutigen Messergebnis e=1,602176634×10-19 Coulomb.

Im folgenden Jahr veröffentlichte Millikan eine Abhandlung, in der er offiziell die Ansicht vertrat, dass „jede elektrische Ladung ein ganzzahliges Vielfaches der Grundladung ist“.

Detailliertes Diagramm von Millikans Öltropfenexperiment. Quelle: Physics Bimonthly Network

Die Grundladung ist die kleinste elektrische Ladung, die in der Natur vorkommt und experimentell gemessen wurde. Sein Auftreten ermöglicht die Berechnung vieler physikalischer Konstanten mit höherer Präzision. Auch Millikan erlangte dadurch Berühmtheit.

Unglücklicherweise unterliefen Millikan in seiner Arbeit zwei Fehler, die dazu führten, dass er und sein Öltropfenexperiment von späteren Generationen kritisiert wurden. Erstens war das Papier nicht von Fletcher unterzeichnet; zweitens listete das Dokument lediglich 91 Sätze von Beobachtungsergebnissen auf und erwähnte die 49 Sätze mit größeren Unterschieden nicht, was in ernsthaftem Widerspruch zu der Aussage im Dokument steht, dass es „alle Öltropfenexperimente darstellt“ (siehe „Millikan Experiment Notebook“).

III

Eine Überraschung für die photoelektrische Forschung

Millikan war in seinen mittleren Jahren ziemlich energisch. Als Fletcher sich auf das Öltropfenexperiment konzentrierte, kam ihm eine weitere Idee: Er wollte durch Experimente beweisen, dass Einsteins Lichtquantentheorie und die Gleichung des photoelektrischen Effekts falsch waren.

Nachdem Einstein im Jahr 1905 die Lichtquantentheorie vorgeschlagen und die Gleichung des photoelektrischen Effekts aufgestellt hatte, war es nach damaliger Auffassung ziemlich schwierig, den Photostrom direkt durch Experimente genau zu messen und so die Gleichung des photoelektrischen Effekts zu überprüfen. Allerdings kann die neue Theorie nur durch die Kombination von Theorie und Experiment aufgestellt werden.

Gerade weil Einsteins Lichtquantentheorie so streng war und die Gleichung des photoelektrischen Effekts fehlerfrei berechnet wurde, akzeptierten die meisten Wissenschaftler damals seine Theorie, und nur wenige Menschen, darunter Millikan, waren skeptisch.

Das Experiment zum Beweis der Lichtquantentheorie ist schwieriger als das Öltropfenexperiment. Schließlich haben Öltröpfchen eine Form, Licht hingegen kann man nicht anfassen oder greifen. Millikan begann seine Forschungen im Jahr 1908 und entwarf die grundlegende Versuchsausrüstung erst im Jahr 1912.

Im Verlauf des Experiments akzeptierte er jedoch nach und nach Einsteins Lichtquantentheorie. Im Jahr 1915 entwarf er schließlich ein hochentwickeltes Gerät, bestätigte die Gleichung des photoelektrischen Effekts und berechnete den Wert der Planck-Konstante h.

Millikans Photonenexperiment. Quelle: Physics Bimonthly Network

Im Jahr 1916 veröffentlichte Millikan seine Forschungsergebnisse öffentlich. Seitdem wurde Einsteins Lichtquantentheorie bestätigt und Millikan erhielt 1923 für seine herausragende Forschung den Nobelpreis für Physik.

ENDE

Tadpole Musical Notation Originalartikel, bitte geben Sie beim Nachdruck die Quelle an

Herausgeber/Xiao Xitushuo