Вопрос о субэлектроне

Вместе с Милликеном и независимо от него метод капель разработал венский физик Феликс Эренгафт. Но опыты Эренгафта привели его к выводу, отличному от вывода Милликена. Он пришел к заключению, что существует частица, обладающая зарядом, меньшим заряда электрона. Отсюда возникла знаменитая дискуссия о субэлектронах. Сначала Милликен подверг выводы Эренгафта критике, указав, что у Эренгафта "частицы золота, серебра и ртути менее плотны, чем он предполагал, благодаря поверхностному загрязнению, окислению и тому подобному".

Опыты Милликена 1913 г. и явились своеобразным ответом на выводы Эренгафта. В том же, 1913 г. измерения заряда электрона проводил А. Ф. Иоффе. На эти опыты ссылался и Милликен в своей книге "Электрон", говоря о методах ионизации капель.

А. Ф. Иоффе изучал элементарный фотоэлектрический эффект на пылинках металла (цинка). Пылинки металла получались распылением электродов и всасывались в милликеновский конденсатор. Пылинка освещалась ультрафиолетовым светом от ртутной лампы. Она может удерживаться в равновесии, если

где m - масса пылинки, e - ее заряд, V - разность потенциалов на обкладках конденсатора, d - расстояние между ними. Пылинка могла оставаться в равновесии часами. При освещении ультрафиолетовым светом она перезаряжалась и для ее равновесия было необходимо изменить разность потенциалов, так что

Отсюда e:e₁ = ¹/_V:¹/_V1. Иоффе, как и Милликен, установил факт дискретности заряда и для наименьшей величины заряда нашел значение e = 4,8*10^-10.

Однако Эренгафт в 1914 и 1915 гг. вместе со своими учениками Цернером и Константиновским опубликовал новые результаты.

Они утверждали, что Милликен не нашел субэлектрона из-за большого размера своих капель. По их мнению, величины зарядов являются функцией радиуса капли, заряд тем меньше, чем меньше радиус. Так, в опытах Константиновского для частиц радиуса а = 0,2*10^-5 см заряд получался в 200 раз меньше заряда электрона.

Милликен в 1917 г. опубликовал результаты новых опытов. В 1916 г. Гаррингтон провел новые определения коэффициента вязкости. В результате этих исследований Милликен принял в новых измерениях значение коэффициента вязкости η = 0,000182226. Измерения продолжались в течение двух лет и закончены в августе 1916 г. Публикация о новых опытах последовала в июне 1917 г. Пластины конденсатора, отполированные оптическим способом, имели диаметр 22 см. Они отделялись друг от друга пластинами, взятыми из ступенчатого интерферометра толщиной 14,9174 мм, которые были также оптически отполированы. Таким образом, неточность в размерах конденсатора не превышала 10^-4. Напряжение на обкладках измерялось после каждого отсчета с помощью нормального элемента Вестона с точностью до ¹/₃₀₀₀. Самопишущий хронометр отсчитывал время в сотых долях секунды. "Все другие условия поставленной проблемы регулировались с тщательностью, которая была результатом пятилетнего опыта с измерениями этого рода". Новое значение e совпадает с точностью до четырех знаков с значением 1913 г.:

Взяв число Фарадея равным 96 500 абс. эл.-магн. ед. (в соответствии с тогдашним международным соглашением), Милликен получил для числа Авогадро значение

Погрешность измерения составляла около 0,01. Таким образом,

Милликен подчеркивает, что закон движения капли совпадает с законом Стокса только в случае непрерывной среды, т. е. малых значений.

Несмотря на этот результат и обстоятельную критику опытов Эренгафта и его сотрудников, дискуссия о существовании субэлектрона продолжалась, и еще в 1925 г. в своем дополненном томе курса физики проф. О. Д. Хвольсон писал, что "до сих пор нельзя утверждать, чтобы этот спор был окончательна решен в ту или другую сторону". Милликен в своей книге "Электрон", вышедший в 1917 г., заканчивал главу "Существует ли субэлектрон" утверждением: "Вплоть до настоящего времени не найдено никаких указаний на существование субэлектрона".

В 1922 г. Бэр подробно рассмотрел дискуссию об субэлектроне и подтвердил этот результат. В новом издании своей книги, вышедшей в 1939 г., Милликен вновь приводит свое утверждение, но добавляет абзац об историческом значении дискуссии, которая, с одной стороны, иллюстрирует основательность "тех данных, на которых покоится атомная теория электричества", с другой стороны, "той критики, через которую должны пройти новые результаты, прежде чем они получат права на жизнь в качестве установленных физических истин".

В этих строках чувствуется спокойная удовлетворенность исследователя, сознающего свою победу. В 1923 г. Милликену была присуждена Нобелевская премия "За era труды по элементарному электрическому заряду и по фотоэлектрическому эффекту".

Основной вывод Милликена об атомности электрического заряда был принят современной наукой, однако полученное им численное значение "атома электричества" подверглось ревизии.

В настоящее время наиболее точным значением коэффициента вязкости в методе Милликена считается величина η = 1832*10^-7.

По этому методу значение e = 4,805*10^-10 абс. эл.-ст. ед.

Наиболее точные значения элементарного заряда и числа Авогадро получаются по методу рентгеновских лучей:

Самые различные методы приводили к согласующимся результатам, и это являлось лучшим доказательством объективного существования атомов и электронов.