发布时间 : 星期日 文章实验在物理学发展中的作用 - 图文更新完毕开始阅读
。伦琴意识到这可能是某种特殊的射线，它具有特别强的穿透力，从来没有观察到过。为了证实这一事实，伦琴用了六个星期，做了很多的实验，对此进行了深入的研究。他把密封在木盒中的砝码放在这一射线的照射下拍照，得到了模糊的砝码照片；他把指南针拿来拍照，得到金属边框的深迹；他把金属片拿来拍照，拍出了金属片内部不均匀的情况[2]。
。1895年12月22日，他邀请夫人来到实验室，用他夫人的手拍下了第一张人手X射线照片（图1—2）。
图1-2
1895年年底，他以通信方式将这一发现公之于众。题为《一
种新射线(初步通信)》。伦琴在通信中把这一新射线成为X射线[3] 1.1.2. 产生的影响
由于X射线有强大的穿透力，能够透过人体显示骨骼和薄金属中的缺陷，在医疗上和金属检测上有重大的应用价值，在伦琴宣布这一发现的极短时间内，全世界的医院都把X射线诊断作为常规手段，成为透视人体、检查伤病的有力工具。后来又发展到用于金属探伤，对工业技术也有一定的促进作用。
X射线的发现对自然科学的发展更有极为重要的意义，它像一根导火线，引起了一连串的反应。由于科学家探索X射线的本质，发现了X射线的衍射现象，并由此打开了研究晶体结构的大门；根据晶体衍射的数据，可以精确地求出阿伏加德罗常量。在研究X射线的性质时，还发现X射线具有标识谱线，其波长有特定值，和X射线管阳极元素的原子内层电子的状态有关，由此可以确定原子序数，并了解原子内层电子的分布情况。此外，X射线的性质也为波粒二象性提供了重要证据。[4]
2. 验证物理理论
物理学的主体是理论。而理论是否正确，必须经过物理实践的检验。即使最权威的理论也必须通过实验的检验才能得到公认，实践是检验真理的唯一标准。例如，麦克斯韦的电磁场理论，只是当电磁波被赫兹的实验证实后才成为举世公认的电磁理论的基础；又如，直到密立根在1916年用严密的光电效应实验证实后，爱因斯坦的光量子论，才被人们接受；同样，赫兹的电磁波证实了麦克斯韦的电磁场理论。就是理论的适用范围，也是由实验在检验理论的过程中来确定。
理论和实验是物理学的两大部分。没有物理实验，物理理论就没有了基础的；没有了
物理理论，物理实验也就失去了方向。两者相辅相成，缺一不可。
2.2. 光电效应的研究
1905年爱因斯坦(图2-1)在题为《关于光的产生和转化的一个试探性观点》的论文里，认为，指出只要把光的能量看成是不连续分布的，就可以解释黑体辐射的规律，以及光电效应，电离现象等一些些
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图2-1
事实。并且提出了爱因斯坦光电效应方程：
eV?hv?p
在光电方程里，遏止电压U应与频率v成正比，在爱因斯坦发表这篇论文时，当时并没有充分的实验依据。在20世纪初，要精确测量在不同频率的光（包括紫外光）照射下产生的光电流，并不是一件容易的事。而且由于经典理论的传统观念的束缚，因此爱因斯坦的理论并没有得到人们的普遍承认，甚至一些著名的物理学家也持否定态度。
知道1914年密立根作出了关键性的实验，才改变了这一情况的。 2.2.1. 光电效应的发现
1887年，Ｈ·赫兹(Heinrich Hertz，1857—1894)（图2-2）在进行电磁波实验时，注意到电极之间的放电，会受光辐射的影响。赫兹的发现以论文《紫外线对放电的影响》发表于1887年随即引起了广泛的反响
2.2.2. 勒纳德的新发现
勒纳德用不同材料做阴极，用不同的光源照射，发现都对遏制电压有影响，唯独改变光的强度对遏制电压没有影响，电子逸出金属表面的最大速度与光强无关，这就是勒纳德根据实验结果做出的重要结论。[5] 2.2.3. 密立根的光电效应实验
密立根从1910年开始光电效应实验，他设计和制作了一套极其精致的实验装置(图2-3)。在一个真空管内，安装了精密的实验装置。因为是在真空中工作，密立根称之为“真
空机械车间”。 使用这种装置可以使密立根在排除了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。
实验样品是三种碱金属Li、Na、K，都做成圆柱形，分别固定在小轮W上，用电磁铁从k控制小轮的转动。剃刀K可沿管轴方向前后移动也由真空管外的电磁铁带动旋转，使剃刀在圆柱电极表面不断切削，
刮掉电极表面上极薄的一层氧化了的表皮。然后将光
图3-2
图2-2
电极对准电极的位置测量接触电势差；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。密立根总共选择了六种不同频率的单色光进
行了实验。
1916年密立根发表了两张实验曲线图。
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2.2.4. 研究光电效应的意义
密立根的实验结果，为爱因斯坦的光量子理论提供了第一个直接而求安眠的实验证据，后来又有许多的物理学家为光量子理论进行了实验验证。光量子理论成功了解释了光电效应，而光电效应的事实也有力的支持了光量子理论。
而光量子理论以及光电效应实验不仅证明了量子现象在一般物理过程中都有表现以及解释了“光的波粒二象性”而且光电效应在科学技术中也得到了广泛的应用，譬如制造了光电管等光电器件。
3. 测定物理常量
在物理学中，大量的实验是围绕常量的测量和研究进行的，特别是基本常数的测量和研究，在物理学发展史上占有更重要的地位。例如，万有引力常数G，从牛顿发现万有引力定律以来一直是人们试图准确测量的对象。
基本物理常数之间的协凋是检验物理理论的重要途径，而每次协调都是在大量实验、在取得了众多新的研究成果的基础上做出的。 3.3. 基本电荷的测定
J．J．汤姆生通过阴极射线的荷质比实验肯定了电子的存在，为近代物理学的发展奠定了实验基础。然而，仅仅从比荷质比的数据还不足以确定电子的性质，因为由此无法直接获得出电子电荷比的数据还不足以确定电子的性质。 3.3.1. 汤森德电解法
J．J．汤姆生有一位研究生，名叫汤森德(J．S．E．Townsend)，他创造了电解法。他让氧气从水中发泡产生云雾，雾滴带有电荷，测量云雾下降的速度，借速度与雾滴半径的关系求出雾滴的平均重量，再根据水分的总重量求出雾滴的个数。另一方面，他收集这些氧气所带电量，用静电计进行测量，所得电量被雾滴个数除，即得每颗雾滴的电荷。由此求得电子的电荷e。1897年当森德宣布了他的结果是e+=2.8×10-19esu，从带负电的氧得e-=3.1×10-10esu这个结果虽然粗略，单却是第一次直接测定带电粒子的电量。
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3.3.2. 汤姆逊的膨胀云室法
大约与此同时，J．J．汤姆逊的另一名研究而生C.T.R.威尔逊正在进行云雾形成的研究。这项工作后来导致彭云室的发明。大致步骤如下：
在一密闭容器A中混有水蒸气和空气，其温度气压可以直接测出，从而求出其饱和度。用X射线作为电离剂，使里面的空气电离。一辅助圆筒C中的活塞P可是密室的气压和温度在突然膨胀的过程中迅速下降，得到过饱和蒸汽，并立即以粒子为核心形成云雾。雾滴总数沿用汤森德方法，电量用静电计得出，然后算出单个离子的电量。
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这个方法比汤森德略有改善，得到的结果大约是6.5×10esu。 3.3.3. 威尔逊的平板电极法
1903年，J．J．汤姆生的另一名研究生H．A．威尔逊又将J．J．汤姆生的方法做了改进。改进的主要地方是在密闭容器中加了两块水平极板，通上电压，使极板中产生电场，观察云层顶端在重力作用下得下降速度V1以及在重力和电力共同作用下得下降速度v2
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1其中，η为空气的粘滞系数，E为电场强度，ρ水蒸气的密度
威尔逊测得的电子电荷e值在2.0×10-10esu至4.4×10-10esu之间，平均为3.1×10-10esu。[6]
3.3.4. 密立根的水珠平衡法
密立根是芝加哥大学教授（图3-1），1906年开始，和他得学生济曼一起使用镭作为电离剂重复H.A威尔逊的实验，并在1908年2月宣读于美国物理学会了。
这一结果得到卢瑟福的肯定，并指出，这一实验还可以改进，减小水滴蒸发，因为水滴蒸发会使得离子数偏大，从而造成e偏小。于是密立根改进了自己的实验，设法让法让带电云雾的顶层稳定在某一高度，以便连续进行观察。这件事很容易办到，只要改变电场力的方向使其和重力方向相反，并适当加大电压就可以了。
图3-1
1909年夏，密立根将电压加到10000V，当他合上电闸时，奇迹
出现了。云层哪里稳定得住，在电场的作用下，带电雾粒以不同速度散开，他得到这一启发，想到对单个液滴进行测量，于是他发明了水珠平衡法。1909年，密立根利用水珠平衡法测得电子电荷结果为e=4.65×10-10esu 3.3.5. 密立根油滴平衡法
1909年12月至1910年5月，密立根用油做了近两百颗液滴粒电子电荷实验。他宣称，在所有情况下液滴从空气中不活的电荷都是最小电荷的整数倍。
1910年以后密立根在平衡油滴法的基础上，进
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图3-2