|基本粒子6｜密立根油滴实验测量电子电荷，以及原子质量和体积？

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上节课我们说完了相对原子质量，其实就是原子之间的质量之比，那有了这个东西，我们只要知道其中一个原子的质量，就可以算出其他原子的质量了。
假如说我们知道了氢原子的质量，我们就能通过氢原子的质量乘以其他原子的相对原子质量，就能算出它们的真实质量了。所以接下来的问题就是我们要如何算出氢原子的质量，
有一个办法，就在19世纪的中期，这个时间比汤姆逊发现电子还早了几十年，法拉第就在电解实验中测量出来了原子的质量和单位电荷的比值，比如，氢原子的质量和单位电荷的比值就是1.044×10^-8千克/库仑。
当时法拉第并不知道这个单位电荷是啥东西，只知道这是一个在电解的过程中离子所能获得和失去的最小的单位电荷，那汤姆逊发现了电子以后，我们就知道了这就是电子所携带的电荷。每一个电子的电荷值就是单位电荷。
所以现在的关键问题又变成了电子的电荷是多少？只要求出这个值，所有的问题都可以解决，因此汤姆逊在发现电子以后，他所率领的卡文迪许实验室最重要的工作就是测量电子的电荷。
好，下面我们先说，对电子电荷的测量，后面再说法拉第的电解实验。
在说电子电荷之前，我们先了解一个东西，威尔逊云室，威尔逊是汤姆逊的学生，在卡文迪许实验室的时候，威尔逊就发现不需要尘埃颗粒，带电粒子也可以作为凝结核使得空气中的水蒸汽凝结成小水珠，这个现象的发现就意味着，我们可以借助无尘埃的过饱和水蒸汽的凝结，来显示出带电粒子的径迹。
所以威尔逊就据此发明了云室，可以让我们清楚地看到亚原子粒子的存在，这个装置为早期的粒子物理学发展做出了巨大的贡献，后来我们还发明出了很多类似的装备，比如乳胶摄影、气泡室、火花室、多丝正比室等等这些可以让粒子现身的设备。
那对电子电荷的测量，就是在云室中进行的，第一个测量的人是卡文迪许实验室的汤森，它是汤姆逊的同事，测量的基本原理是这样的，带电离子经过云室的时候会凝结成小水滴，测量这些小水滴的荷质比，然后在测量水滴的质量，就能算出离子所携带的电荷是多少了，然后根据离子的电荷就能知道电子的电荷值。
虽然带电粒子在云室中形成了水滴，但是这些水滴还是太小不能直接测量，所以要找其他的办法间接测量水滴的质量。
汤森使用的方法是测量水滴在重力的作用下下落的速度，来推算水滴的质量，这个过程其实很简单，我们知道水滴在重力的作用下会先做加速运动，随着速度的提高，空气的粘滞阻力会一直增大，直到把重力抵消掉，这个时候水滴会匀速下落。
那根据牛顿第二定律，我们就能知道水滴的重力=水滴的质量×9.8米/秒2 ，空气的粘滞阻力，跟水滴的半径和速度成正比，在1851年的时候，斯托克斯就已经给出了粘滞阻力公式：
那作用在水滴上的粘滞阻力=6πη×水滴的半径×水滴的速度，其中η就是空气的粘滞系数，测量的值大约为1.82×10^-5牛/米2 。
当水滴匀速下落的时候，水滴的质量×9.8米/秒2=6πη×水滴的半径×水滴匀速下落的速度。这个速度可以测量出来，所以通过这个公式就能知道水滴的质量和半径之间的关系。
水滴的质量和半径之间还有一个关系，就是水滴的质量=4π/3×水滴半径3×水的密度，最后汤森就算出了云室中水滴的平均质量。
现在我们需要知道的是，云室中所有水滴的质量以及所携带的电荷是多少，汤森使用的办法是，用硫酸吸收了所有的水滴，以及其中的电荷，硫酸最终所获得的电荷以及质量都可以测出来，由于每个水滴所携带的电荷以及质量都是一样的，所以测出来的数值之比就是每个水滴的荷质比。