Université de Chicago
Le 30 novembre 2006, dans le cadre de son initiative sur les Sites historiques, L’American Physical Society a remis une plaque à L’Université de Chicago, en l’honneur de Robert A. Millikan., Millikan a reçu le prix Nobel en 1923 en reconnaissance de deux réalisations majeures: mesurer la charge de l’électron dans sa célèbre expérience oil-drop (voir « This Month in Physics History”, APS News, Août/Septembre 2006), et vérifier la prédiction D’Einstein de la relation entre la fréquence de la lumière et l’énergie des électrons dans l’effet photoélectrique, un phénomène dans lequel les électrons sont émis par la matière après l’absorption de l’énergie d’un rayonnement électromagnétique tel que les rayons x ou la lumière visible.,
La théorie dominante à la fin du 19ème siècle sur la façon dont la charge a été produite, a estimé que la charge était un type de « pression sur l’éther”, quelque chose qui pouvait croître ou diminuer sans restrictions. Les lois de Faraday sur l’électrolyse, qui ont été découvertes vers 1840, ont fourni des preuves solides de la quantification de la charge, mais Faraday n’a jamais soutenu l’idée. Lui et la plupart des physiciens de l’époque croyaient que la charge, comme la masse, était une quantité infiniment divisible.
mais en 1897, on s’est rendu compte que les rayons cathodiques étaient en fait de minuscules particules chargées, surnommées « corpuscules” par leur découvreur, J. J., Thomson de L’Université de Cambridge, et maintenant appelé électrons. En pliant les électrons dans les champs électriques et magnétiques, les chercheurs ont pu dire qu’ils étaient chargés négativement, et que le rapport de la charge à la masse, e/m, était le même pour tous les électrons, et environ 1700 fois plus grand que celui de l’atome d’hydrogène ionisé. Thomson croyait que c’était parce que la charge était la même, mais la masse était environ 1700 fois plus petite., En mesurant la charge sur les nuages de gouttelettes d’eau dans une chambre nuageuse, lui et ses collaborateurs ont pu déterminer que la charge sur l’électron, ou du moins la charge moyenne sur les électrons dans un nuage, était d’environ 10-19 Coulombs (le Coulomb est l’Unité de charge dans le système métrique). Cela était cohérent avec son hypothèse selon laquelle la charge sur l’électron était la même que celle trouvée dans l’hydrogène.,
en 1906, Millikan a commencé des expériences à L’Université de Chicago pour tenter de mesurer les charges d’électrons individuelles, et avec beaucoup plus de précision que Thomson et ses collègues avaient pu atteindre. L’une des grandes améliorations a été l’utilisation de gouttes d’huile au lieu du nuage de gouttes d’eau utilisé par Thomson. Dans L’appareil de Millikan, les gouttes d’eau se seraient rapidement évaporées, alors que les gouttes d’huile individuelles pourraient être étudiées pendant longtemps. Harvey Fletcher, étudiant de Millikan, a joué un rôle important dans la mise en œuvre de cette amélioration.,
Millikan a mis en place une paire de plaques conductrices parallèles horizontalement, l’une au-dessus de l’autre, avec un grand champ électrique entre elles qui pourrait être ajusté. Une fine brume d’huile a été pulvérisée dans une chambre au-dessus des plaques. Beaucoup de gouttelettes se chargeraient négativement lorsqu’elles captaient un petit nombre inconnu d’électrons lorsqu’elles traversaient la buse. Certains des gouttes puis est tombé dans un trou dans la plaque supérieure et dérivé dans la région entre les deux plaques parallèles. Éclairées de côté par une lumière intense, ces gouttes brillaient lorsque la région était vue au microscope.,
avec le champ électrique éteint, Millikan pouvait observer une chute et mesurer sa vitesse terminale. Cette mesure lui donnait le rayon de la goutte, et comme il connaissait la densité, il pouvait déterminer la masse. Il pourrait alors allumer le champ électrique et l’ajuster de sorte que la force électrique équilibre précisément la force de gravité sur la goutte. Connaissant la force du champ et la masse de la goutte, il pouvait calculer la seule inconnue, la charge sur la goutte., Cette mesure a été répétée plusieurs fois, et souvent la même goutte serait autorisée à monter et à descendre dans l’appareil encore et encore, car elle ramassait et perdait des électrons.
en travaillant avec Fletcher, Millikan a montré que la charge des gouttelettes était toujours un nombre entier multiple de 1,592 x10-19c, l’Unité de charge de base. Aujourd’hui, la valeur acceptée est 1.602×10-19c. il a publié ses résultats en 1913.
en 1915, Millikan a vérifié expérimentalement l »équation photoélectrique très importante d »Einstein, et a fait la première détermination photoélectrique directe de la constante h de Planck., L’article d’Einstein de 1905 proposait la description simple des » quanta de lumière », ou photons, et montrait comment ils expliquaient l’effet photoélectrique. En supposant que la lumière était en fait constituée de paquets d’énergie discrets, Einstein a proposé une relation linéaire entre l’énergie maximale des électrons éjectés d’une surface et la fréquence de la lumière incidente. La pente de la ligne était la constante de Planck, introduite 5 ans plus tôt par Planck. Millikan était convaincu que l’équation devait être fausse, à cause du vaste ensemble de preuves qui avaient déjà montré que la lumière était une onde., Si Einstein avait raison, son équation pour l »effet photoélectrique a suggéré une façon complètement différente de mesurer la constante de Planck.
Millikan a entrepris un programme expérimental de dix ans pour tester la théorie d »Einstein en mesurant soigneusement l » effet photoélectrique, et même mis au point des techniques pour gratter nettoyer les surfaces métalliques à l » intérieur du tube à vide nécessaires à une expérience non contaminée.
malgré tous ses efforts, Millikan a trouvé des résultats décevants: il a confirmé les prédictions d »Einstein dans les moindres détails, mesurant la constante de Planck à moins de 0,5% par sa méthode., Mais Millikan n »a pas été convaincu de l « interprétation radicale d »Einstein, et aussi tard que 1916, il a écrit, » équation photoélectrique d » Einstein… Je ne peux pas, à mon avis, être considéré à l’heure actuelle comme reposant sur une sorte de fondement théorique satisfaisant », même si « cela représente en fait très précisément le comportement » de l’effet photoélectrique. Il a néanmoins reçu le prix Nobel en partie pour cette découverte.
Millikan est encore connu aujourd’hui pour ses célèbres expériences de chute d’huile, et les étudiants en physique de premier cycle continuent de reproduire cette mesure rigoureuse.