密立根经典实验总结

   摘要:重温密里根经典实验,深入理解大师所用的基本实验方法,借鉴学习密里根采用宏观力学模式揭示微观离子的量子本性的物理构想,精湛的实验设计和严谨的科学作风,从而更好地提高我们的素质和能力。

关键词:密里根 光电效应 普朗克常量 基本电荷  光电效应实验 油滴实验 实验设计构思方法 创新

引言:美国物理学家密里根首先设计并完成的光电效应实验和密里根油滴实验,在近代物理发展史上被认为是物理实验学上的一个光辉典范,密里根以

巧妙的实验精湛的技术,无可辩驳的实验证实了普朗克常量和任何带电体所带的电荷都是某一小电荷基本电荷的整数倍及基本电荷的数值

密立根,R.A.(Robert Andrews Millikan 1868~1953) 美国物理学家。1868年3月22日生于伊利诺伊州的莫里森。1887年入奥伯林大学,读完二年级时,被聘任为初等物理班的教员,从此便致力于物理学。 1891年他大学毕业后,继续担任初等物理班的讲课;A.A迈克耳孙在实验中的精湛技术,M.I.普平在讲课中强调熟练的教学手段,都对他的影响很大。1895年,他获得博士学位后留学欧洲,听过J.-H.庞加莱、M.普朗克等的讲课。1896年回国任教于芝加哥大学。由于教学成绩优异,第二年就升任副教授。 1896年至1921年曾先后在芝加哥大学担任物理学的助理教授、副教授和教授。1921年应聘到加利福尼亚理工学院担任物理实验室主任并主持学院的行政委员会,一直工作到40年代。1916年他还兼任国家研究委员会主席,1928年兼任美国科学进展协会会长。 1953年12月19日在加利福尼亚的帕萨迪纳逝世。

密立根的两个实验深深的影响了近代物理学的进程,下面就两个实验分别作出介绍。

一 对光电效应的实验研究

1905年,爱因斯坦在普朗克能量子的启发下,提出了光量子的概念,并成功解释了光电效应。接着,密立根对光电效应进行了10年左右的研究,于1916年发表论文证实了爱因斯坦的正确性,并精确测出了普朗克常量。从而为量子物理学的诞生奠定了坚实的理论和实验基础,爱因斯坦和密立根都因光电效应方面的杰出贡献,分别于1921年和1923年获得了诺贝尔物理学奖。

光电效应实验原理

光电效应是电磁波理论所无法解释的,1905年爱因斯坦依照普朗克常量的量子假设,提出了关于光的本性的光子假说:当光与物质相互作用时,其能流集中在一些叫光子的粒子上,每个光子都具有能量,其中是普朗克常数,是光的频率。当金属中的自由电子从入射光中吸收一个光子的能量时,一部分消耗于电子从金属表面溢出所需要的逸出功,其余转变为电子的动能。根据能量守恒有:      

上式称为爱因斯坦方程,其中是光电子质量,是光电子离开金属表面时的最大速度。如图是研究光电效应的一种简单实验装置,在光电管的阳极A和                             阴极K之间加上直流电压.当用单色光照射阴极K时,阴极上就会有光电子逸出,它们将在加速电场的作用下飞向阳极A而形成电流,称为光电流。光电效应具有下列几个规律(1)饱和光电流强度 与入射光强成正比

若用一定频率和强度的单色光照射阴极K,改变加在A和K两极的电压,测量光电流的变化,则可得到如图(2)所示。实验表明,光电流随着正向

电压的增大而增大,并逐渐趋于饱和值;而且,饱和电流的大小与入射光强成正比。
(2) 光电子的最大动能随入射光频率的增加而增加,与入射光强无关。

如图(3)所示,当A和K两极电压为零时,光电流不为零;只有当两极间加了反向电压时,光电流才为零,称为截止电压。当

               极间没有外加电场,有电子具有足够的动能从阴极飞到阳极,从而形成光电流;只有当加一个反向电压,并且足够大以至于等于-时,就是那些具有最大初动能的光电子,也必须将其初动能全部用于克服外电场力做功,从而在外电场的作用下刚刚到达阳极,就返回阴极,使其在回路中不形成光电流,因此有

                          

     (3)红限频率

     如图(4)所示,当入射光频率逐渐增大时,截止电压将随之线性地增加;而且当入射光频率小于某值,截止电压为零,这一频率称为截止频率或红限频率,

红限频率与阴极材料有关。

    爱因斯坦方程可以很好的解释这一现象,的关系可表示如下:

    阴极材料的逸出功越大,红限频率越高,即要求入射光子的能量越大。

入射光频率越高,光电子的动能越大,需要的反向截止电压越高,而且反向截止

电压与入射光频率成线性关系,直线的斜率是普朗克常量与电子电量之比。

   由于暗电流和本底电流均很小,数量级相差,与其光电流相比可忽略。

   产生误差的主要原因有:

(1)接触电位 爱因斯坦光电方程是在同种金属材料做阴极和阳极的情况下得出的,在两种金属接触的地方存在“接触电位差”。接触电位差的大小与这些金属的逸出功有关。光电管一般用逸出功大的金属做阳极,用逸出功小的金属做阴极。

(2)暗电流和本底电流 光电管在没有受到光照时,也产生电流,称为暗电流,它是由热电流、漏电流、两部分组成。

 (3)反向电压

   由于阳极的污染,实验时出现了反向电流。特性曲线与横轴交点的电流虽然等于“0”,但阴极光电流并不等于“0”,交点的电位差也不等于截止电位差,两者之差视阴极电流上升的快慢和阳极电流的大小所决定。

如果阴极电流上升越快,阳极电流越小,之差越小。

使周围的杂散光对实验的影响降到最低,而本底电流是周围杂散光射入光电管所致,它们都随外加电压的变化而变化。

    实验改进的设想

a、针对本底电流产生原因,可设计一个遮光罩,罩住从汞灯到光电管这段测量线路,来减少周围杂散光对实验的影响。

b、实验中电流数据会有微小跳动,可能是由于逸出的光电子朝各个方向运动的都有,而光电倍增管没有及时捕捉到所有的光电子,从而产生跳动,可对光电倍增管进行改进。再者,光子本来就是一份一份的,打在阴极板上,不可能每时每刻的光量子都相同,并且经过空气,加上电流传输的过程中电源电压的影响以及电子的飘逸,导致了电流数值的跳动。

c、在实验过程中,更换滤色片本身就比较麻烦,而且要记得盖住汞灯出光孔,这就给实验带来很多不确定的影响因素。更换过程中散光对实验可能会有更大的影响,可设计一个盘形的装置,滤色片可安在上面,通过旋转就可更换滤色片,这样可减少人为的失误。

d、在测截止电压时,会发现电流为零时电压的数值不是某个具体数值而是一个电压范围,这时我们去截止电压应该取平均值,这样处理的过程会更准确。 

根据实验原理所分析的所测数据,设计并制作实验仪器,在实验中不断改进实验仪器和方法,密立根终于1916年发表的实验结果全面地证实了爱因斯坦光量子理论对光电效应的分析,光量子理论才开始得到人们的承认。在诺贝尔奖领奖词中,密立根并不讳言,他在做光电效应实验时,对爱因斯坦的光电方程和光量子理论曾长期抱怀疑态度。他做这些实验的本来目的是希望证明经典电磁理论。但他在事实面前服从真理,反过来宣布爱因斯坦的光电方程完全得到了证实。对光电效应现象的研究,使人们进一步认识到光的波粒二象性的本质,促进了光量子理论的建立和近代物理学的发展。利用光电效应制成的光电器件如光电管、光电池、光电倍增管等,已成为生产和科研中不可或缺的传感和换能器。光电探测器和光电测量仪的应用也越来越广泛。另外,利用光电效应还可以制一些光控继电器,用于自动控制、自动设计数、自动报警、自动跟踪等

二 测量基本电荷

密立根油滴实验原理
用喷雾器将油滴喷入电容器两块水平的平行电极板之间时,油滴经喷射后,一般都是带电的。在不加电场的情况下,小油滴受重力作用而降落,当重力与空气的

浮力和粘滞阻力平衡时,它便作匀速下降,它们之间的关系是:
mg=F1+B(1)式中:mg——油滴受的重力,F1——空气的粘滞阻力,B——空气的浮力。令σ、ρ分别表示油滴和空气的密度;a为油滴的半径;η为空气的粘滞系数;vg为油滴匀速下降速度。因此油滴受的重力为 mg=4/3πa^3δg(注:a^3为a的3次方,一下均是),空气的浮力 mg=4/3πa^3ρg,空气的粘滞阻力f1=6πηaVg (流体力学的斯托克斯定律 ,Vg表示v下角标g)。于是(1)式变为:
4/3πa^3δg=6πηaVg+4/3πa^3ρg
可得出油滴的半径 a=3(ηVg/2g(δ-ρ))^1/2 (2)
当平行电极板间加上电场时,设油滴所带电量为q,它所受到的静电力为qE,E为平行极板间的电场强度,E=U/d,U为两极板间的电势差,d为两板间的距离。适当选择电势差U的大小和方向,使油滴受到电场的作用向上运动,以ve表示上升的速度。当油滴匀速上升时,可得到如下关系式:
F2+mg=qE+B(3)
上式中F2为油滴上升速度为Ve时空气的粘滞阻力:
F2=6πηaVe
由(1)、(3)式得到油滴所带电量q为
q=(F1+F2)/E=6πηad/(Vg+Ve)(4)
(4)式表明,按(2)式求出油滴的半径a后,由测定的油滴不加电场时下降速度vg和加上电场时油滴匀速上升的速度ve,就可以求出所带的电量q。
注意上述公式的推导过程中都是对同一个油滴而言的,因而对同一个油滴,要在实验中测出一组vg、ve的相应数据。
用上述方法对许多不同的油滴进行测量。

测出单个电子电荷值,前后历经十一年,实验方法作过三次改革,作了上千次数据,每一步实验都是在摸索着进行,最初只是重复H.A.威耳逊的实验,所得结果没有什么进步。后来改用镭作为电离剂,代替X射线,到加到电压到1万伏以让带点云雾的顶层在重力和电场力的作用下稳定不动,到用钟表油来做液粒,而后密里根油滴仪最早的设计。作了近两百颗的油滴的平衡实验综合所有数据,并对斯托克斯律进行修正。1913年宣布从油滴测定电子电荷为e=(4.774±0.009)×10-10esu。密立根的历史功绩就在于以巧妙的实验,确凿的数据肯定了电的原子性。密立根从1910年就着手于光电效应实验。他为了能在没有氧化物薄膜的电极表面上同时测量真空中的光电效应和接触电势差,设计了一个特殊的真空管在这个管子里安装了精致的实验设备。实验样品固定在小轮上,小轮可以用电磁铁控制,所有操作都是借助于装在外面的可动的电磁铁来完成。所有的真空管都要进行这样几步操作:先在真空中排除全部表面的氧化膜;然后测量消除了氧化膜的表面上的光电流和光电势并同时测量表面的接触电势差。三种待测的硷金属(Na、K、Li)做成的圆柱体电极装在小轮上,用电磁铁操纵小轮的转位。剃刀可沿管轴方向前后移动,真空管外面有另外一个电磁铁,可使管内的衔铁动作,从而带动剃刀旋转,在圆柱电极上进行切削,刮掉电极上极薄的一层表皮,让新刮出的表面处在真空中保持清洁,这时可将光电极转至对准电极以测量接触电势差;再转一个角度,对准窗口以接受单色紫外光的照射,同时测量其光电流从光电流与电压的关系曲线求出在某一波长的光照射下被测阴极的遏止电压V。然后将六组光电流曲线所得作图,密立根得到的正好是一根漂亮的直线。他还根据这根直线的斜率求出了普朗克常数h的值,与普朗克1900年从黑体辐射求得的h值:6.55×10-27erg·s,符合得极好。  

当初汤姆孙研究阴极射线,面对电子速度、电子电荷、电子质量3个未知量,手中只有电场力、洛仑兹力两个方程,求解条件不完备,只能求出荷质比而不是电子电荷;密立根手中具备了重力、粘滞力、电场力3个方程,他就站到了巨人肩上。斯托克斯公式尽人皆知,只有密立根首先想到用它补足自己的方程组,可见把物理模型由阴极射线换成带电液滴是高明的,也是幸运的。但这决不是偶然的侥幸,它源于密立根长期不懈的磨炼,厚积薄发。机遇只青睐有准备的人,否则撞个满怀也会失之交臂,科学史上此等例证屡见不鲜。密立根的创新特色就在于用足人类已有知识,巧妙解决未知问题。

物理学是在实验与理论紧密相互作用的基础上发展起来的,理论进展的基础在于理论能够解释现有的实验事实,并且还能够预言可以由实验证实的新现象。当物理学中一个实验结果与理论预言相矛盾时,就会发生物理学的革命,并且导致新理论的产生。密立根两大经典实验很好的证实了理论预言,量子论的建立,光电效应的广泛应用,极大的影响了人类的物理思维和现代人类生活。

物理实验课上我们操作着经过无数物理学者的改进的方法步骤和实验仪器,两三个小时就做完,但我们的每一步操作都凝结着密立根的几十年的心血,实验原理的分析很多物理学家都能做到,重要的是由分析出的问题提出解决的方案,密立根的过人之处就在于此,这突破前人的创新,正是大学生欠缺的。实验课上重复经典实验就是由提出问题到解决问题的过程,但重复的不仅仅是步骤,最重要的是——思维。

参考文献

物理学上的重大实验》作者:谭树杰, 王华编著                                            

西安交大物理研究所教学内容

广州大学物理实验示范中心网站

《普通物理实验》 主编:崔亚量 梁为民

《原子物理学》

《普通物理学简明教程》胡盘新 汤毓骏编

百度知道

维基百科  百度百科

大学物理实验网络教程

 

第二篇:中学化学实验现象总结 (73种经典现象)

中学化学实验现象总结 (73种经典现象)

  中学化学实验现象总结

  1、镁条在空气中燃烧 发出耀眼强光,放出大量热,生成白烟同时生成一种白色物质

  2、木条在氧气中燃烧 放出白光,放出热量

  3、硫在氧气中燃烧 发出明亮的蓝紫色火焰,放出热量,生成一种有刺激性气味的气体

  4、铁丝在氧气中燃烧 剧烈燃烧,火星四射,放出热量,生成黑色固体物质

  5、加热试管中碳酸氢铵 有刺激性气味气体生成,试管口有液滴生成

  6、氢气在氯气中燃烧 发出苍白色火焰,产生大量的热,有雾生成

  7、在试管中用氢气还原氧化铜 黑色氧化铜变为红色物质,试管口有液滴生成

  8、用木炭粉还原氧化铜粉末 黑色氧化铜变为有光泽的金属颗粒,石灰水变浑浊

  9、一氧化碳在空气中燃烧 发出蓝色的火焰,放出热量

  10、向盛有少量碳酸钾固体的试管中滴加盐酸 有气体生成

  11、加热试管中硫酸铜晶体 蓝色晶体逐渐变为白色粉末,试管口有液滴生成

  12、钠在氯气中燃烧 剧烈燃烧,生成白色固体

  13、点燃纯净的氢气,用干冷烧杯罩在火焰上 发出淡蓝色火焰,烧杯内壁有液滴生成

  14、向含有Cl-的溶液中滴加硝酸酸化的硝银溶液 有白色沉淀生成

  15、向含有SO42-的溶液中滴加用硝酸酸化的氯化钡溶液 有白色沉淀生成

  16、一带锈铁钉投入盛稀硫酸的试管中并加热 铁锈逐渐溶解,溶液呈浅黄色,并有气体生成

  17、在硫酸铜溶液中滴加氢氧化钠溶液 有蓝色絮状沉淀生成

  18、在三氯化铁溶液中滴加氢氧化钠溶液 有红褐色沉淀生成

  19、在生石灰上加少量水 反应剧烈,发出大量热

  20、将一洁净铁钉浸入硫酸铜溶液中 铁钉表面有红色物质附着,溶液颜色逐渐变浅

  21、将铜片插入硝酸汞溶液中 铜片表面有银白色物质附

  22、向盛有石灰的的试管里,注入浓的碳酸钠溶液 有白色沉淀生成

  23、细铜丝在氯气中燃烧后入水 有棕色的烟生成,加水后生成绿色的溶液

  24、强光照射氢气、氯气的混和氯和气体 迅速反就肆生爆炸,有雾生成

  25、红磷在氯气中燃烧 有白色烟雾生成

  26、氯气遇到湿的有色条 有色布条的颜色褪去

  27、加热浓盐酸与二氧化锰的混和物 有黄绿色刺激性气味气体生成

  28、给氯化钠定(固)与硫酸(浓)的和混合物加强热 有雾生成有刺少许性的气味

  29、在溴化钠溶液中滴加硝酸银溶液后再加硝酸 有浅黄色沉淀生成

  30、在碘化钾溶液中滴加硝酸银溶液后再加稀硝酸 有黄色沉淀生成

  31、.细铜丝在硫蒸气中燃烧 细铜丝发红后生成黑色物质

  32、铁粉与硫粉混和后加热到红热 反应继续进行,放出大量的热,生成黑色物质

  33、硫化氢气体不完全燃烧(在火焰上罩上蒸发皿) 火焰呈淡蓝色(蒸发四底部有黄色的粉末)

  34、硫化氢气体完全燃烧(在火焰上罩上干冷烧杯) 火焰呈淡蓝色,生成有刺激性气味的气体(烧杯内壁有液滴生成)

  35、在集气瓶中混和硫化氢和二氧化硫 瓶内壁有黄色粉末生成

36、二氧化硫气体通入品红溶液后再加热 红色褪去,加热后又恢复原来颜色

  37、过量的铜投入盛有浓硫酸的试管,并加热,反应毕,待浓液冷却后加水 有刺激性气味的气体生成,加水后溶液呈蓝色

  38、加热盛有浓硫酸和木炭的试管 有气体生成,且气体有刺激性的气味

  39、钠在空气中燃烧 火焰呈黄色

  40、钠投入水中 反应激烈,钠浮于水面,放出大量的热使钠溶成小球在水面上游动,有嗤嗤声

  41、把水滴入盛有过氧化钠固体的试管,将带火星木条伸入试管口 木条复燃

  42、加热碳酸氢钠固体,使生成气体通入澄清石灰水 澄清的石灰水变浑浊

  43、氨气与氯化氢相遇 有大量的白烟产生

  44、加热氯化铵与氢氧化钙的混和物 有刺激性气味的气体产生

  45、铜与浓硝酸反应 反应激烈,有红棕色气体产生

  48、铜与稀硝酸反应(反应在试管中进行) 试管下端产生无生气体,气体上升,逐渐变为红棕色

  49、在硅酸钠溶液中加入稀盐酸 有白色胶状沉淀产生

  50、在氢氧化铁胶体中加硫酸镁溶液 胶体变浑浊

  51、加热氢氧化铁胶体 胶体变浑浊

  52、将点燃的镁条伸入盛有二氧化碳的  气瓶中 剧烈燃烧,有黑色物质附着于集气瓶内壁

  53、向硫酸铝溶液中滴加氨水 生成蓬松的白色絮物质

  54、向硫酸亚铁溶液中滴加氢氧化钠溶液 有白色絮状沉淀产生,立即转变为灰绿色,一会儿又转为红褐色沉淀

  55、向含Fe3+的溶液中滴入KSCN溶液 溶液呈血红色

  56、向硫化钠水溶液中滴加氯水 溶液变浑浊    S2-+Cl2=S+2Cl-

  57、向天然水中加入少量皂液 泡沫逐渐减少,且有沉淀产生

  58、在空气中点燃甲烷,并在火焰上罩上干冷烧杯 火焰呈淡蓝色,烧杯内壁有液滴产生

  59、光照甲烷与氯气的混和气体 黄绿色逐渐变浅(时间较长,容器内壁有液滴生成)

  60、加热(170。C)乙醇与浓硫酸的混和物,并使产生的气全通入溴水

  通入酸性高锰酸钾溶液

  有气体产生

  溴水褪色

  紫色逐渐变浅

  61、在空气中点燃乙烯 火焰明亮,有黑烟产生,放出热量

  62、在空气中点燃乙炔 火焰明亮,有浓烟产生,放出热量

  63、笨在空气中燃烧 火焰明亮,并带有黑烟

  64、将乙炔通入溴水 溴水颜色褪去

  65、将乙炔通入酸性高锰酸钾溶液 紫色逐渐变浅,直至褪去

  66、苯与液溴、铁粉反应 有白雾产生,生成物油状且带有褐色

  67、将少量甲苯倒入少量酸性高锰酸钾溶液中,并振荡 紫色褪去

  68、将金属钠投入盛有乙醇的试管中 有气体放出

  69、在盛有少量苯酚的试管中滴入过量的浓溴水 有白色沉淀生成

  70、在盛有苯酚的试管中滴入几滴FeCl3溶液,并振荡 溶液显紫色

  71、乙醛与银氨溶液在试管中反应 洁净的试管内壁附着一层光亮如银的物质

  72、在加热至沸的情况下乙醛与新制氢氧化铜反应 有红色沉淀产生

  73、在适宜条件下乙醇和乙酸反应 有透明的带香味的油状液体生成

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