宇宙中的物质是由电子、质子和中子等基本粒子组成的，电子也是这些基本粒子中的一种，很早以前，科学家就在研究电。1909 年，美国科学家罗伯特·密立根与其学生哈维·福莱柴尔通过让数百个带电的液滴在电场中下落，然后对其运动进行统计分析，证明了电子的电荷是量化的。如今哥德堡大学的科学家用更先进的手段复现了这一经典实验……
来自哥德堡大学的科学家近日成功将悬浮液滴对单个电子的吸收过程放大数倍，是其肉眼可见并可以通过普通的毫米级别标尺进行测量。
宇宙中的物质是由电子、质子和中子等基本粒子组成的。它们无处不在，但它们是如此之小，以至于人眼无法辨别它们。在上个世纪，物理学家通过不同的实验证明了这些粒子的存在，但在大多数情况下，对这些粒子的观察都是间接的。
电子也是这些基本粒子中的一种，很早以前，科学家就在研究电。人们知道这种无形的物质可以从天上的闪电中得到，也可以通过摩擦头发得到。
1909年的经典油滴实验
1897 年，英国物理学家托马斯已经得知如何获取负电荷电流。1909 年，美国科学家罗伯特·密立根（Robert Millikan，1868—1953）认为，存在着一个最小的、不可分割的电荷量。他与其学生哈维·福莱柴尔（Harvey Fletcher）在美国芝加哥大学瑞尔森物理实验室（Ryerson Physical Laboratory），通过让数百个带电的液滴在电场中下落，然后对其运动进行统计分析，证明了电子的电荷是量化的。
这就是著名的密立根油滴实验（Oil-drop experiment），密立根本人也因而获得1923年的诺贝尔物理学奖。。
他用一个香水瓶的喷头向一个透明的小盒子里喷油滴。小盒子的顶部和底部分别放有一个通正电的电极和一个通负电的电极。当小油滴通过空气时，就带了一些静电，它们下落的速度可以通过改变电极的电压来控制。当去掉电场时，测量油滴在重力作用下的速度可以得出油滴半径；加上电场后，可测出油滴在重力和电场力共同作用下的速度，并由此测出油滴得到或失去电荷后的速度变化。这样，他可以一次连续几个小时测量油滴的速度变化，即使工作因故被打断，被电场平衡住的油滴经过一个多小时也不会跑多远。
经过反复试验，密立根得出结论：电荷的值是某个固定的常量，最小单位就是单个电子的带电量。他认为电子本身既不是一个假想的也不是不确定的，而是一个“我们这一代人第一次看到的事实”。他在诺贝尔奖获奖演讲中强调了他的工作的两条基本结论，即“电子电荷总是元电荷的确定的整数倍而不是分数倍”和“这一实验的观察者几乎可以认为是看到了电子”。
“科学是用理论和实验这两只脚前进的”，密立根在他的获奖演说中讲道，“有时这只脚先迈出一步，有时是另一只脚先迈出一步，但是前进要靠两只脚：先建立理论然后做实验，或者是先在实验中得出了新的关系，然后再迈出理论这只脚并推动实验前进，如此不断交替进行”。他用非常形象的比喻说明了理论和实验在科学发展中的作用。作为一名实验物理学家，他不但重视实验，也极为重视理论的指导作用。
2021年的单个悬浮液滴实验
时间来到2021年，哥德堡大学物理系博士哈维尔·马尔莫莱霍（Javier Marmolejo）表示：“现在我们通过使用激光使空气中的单个液滴悬浮起来，创造了这个经典实验的现代版本”。在这个实验中，电荷的量化首次直接可见，无需先进的设备或复杂的统计分析。
他表示：“我们用激光在一个强电场内困住一个水滴，并通过将其暴露在阿尔法辐射中来增加单个电子。这颗水滴每次吸收一个或几个电子都会进行量化的跳跃。通过使用一个单透镜放大液滴的图像，我们能够看到单个电子吸收的效果，并用一把尺子测量跳跃的幅度。每吸收一个电子，亮点就移动大约一毫米（见上面的动图）”。
这颗水滴的直径为29微米，大致相当于一根细的人类头发的厚度。尽管如此，它包含大约3.7 x1015个带负电的电子。他表示：“如果考虑到在已经有370万个电子的液滴上增加一个电子的效果是可以用肉眼看到的，那么这一壮举是不可思议的”。
研究人员评论说，现在有可能 "看到单个电子的效果"，一个新的机会出现了，可以更好地向公众传播有关基本粒子的科学。
关于实验的事实
一个激光陷阱被用来使空气中的硅油液滴悬浮起来。该陷阱包括一个波长为532纳米的绿色激光，它被向上引导并被一个焦距为100毫米的透镜聚焦。焦点被放置在实验室中心的两个电极之间。这两个电极是平行的，相隔1毫米。一个29微米的液滴被丢入激光束中，在那里它被捕获。在两块板之间，施加了666V的电位差，产生了一个强电场。阿尔法辐射被引向几乎不带电的液滴，使其周围的空气电离。
当液滴获得或失去电荷时，电场施加的力发生变化，这反过来又改变了它的位置。这些效果被一个镜头放大了73倍，并投射到墙上。在这种放大倍数下，肉眼可以观察到液滴的微米级运动。一个普通的毫米尺被放在墙上，研究人员可以直接观察到水滴获得的电子数量，因为它每增加一个电子就会跳动大约1毫米。
责编：Luffy Liu
本文内容参考cnBeta、Scitech Daily、Javier 特略 Marmolejo 、 Mitzi Urquiza - Gonz á lez 、 Oscar Isaksson 、 Andreas Johansson 、 里卡多 M é ndez - Fragoso和Dag Hanstorp ， 《科学报告》 ， 2021年5月25日， "用统治者可视化电子的量化"
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