Úvod do konstant pro neodborníky
| Úvod | 1900 – 1920 | 1920 – 1940 | 1940 -. 1960 | Současnost | (index) |
Oblast základních konstant pokročila od poloviny 20. století tak rychle, že téměř všechna měření provedená před druhou světovou válkou lze považovat za historická (pokud nejde o metodu, alespoň výsledek). Ve skutečnosti existovalo jen málo měření konstant přibližně do přelomu 19. a 20. století, protože teprve tehdy začala moderní éra fyziky. Relativita, atomová fyzika a kvantová teorie vznikly až po roce 1900. Dvě z nejvýznamnějších historických měření provedených přibližně před rokem 1920 jsou:
Elementární náboj (e)
Jedním z dřívějších experimentů, při nichž byla s vysokou přesností změřena základní konstanta, a zároveň příkladem toho, jak může přesné určení základní konstanty pomocí různých metod vést k lepšímu pochopení určitého fyzikálního jevu, bylo měření základní jednotky náboje (e), které provedl Robert A. Millikan, fyzik ve Spojených státech. Přibližně v letech 1907 až 1917 prováděl svůj dnes již proslulý experiment s kapkami oleje, aby určil e. Při této metodě se sleduje posun malých nabitých kapek oleje (náboj na kapce je obvykle jen několik e) pohybujících se ve vzduchu mezi dvěma vodorovnými a rovnoběžnými kovovými deskami (s přiloženým známým napětím a bez něj) v závislosti na čase. Hodnota základní konstanty e se pak vypočítá na základě mnoha pozorování různých kapek a znalosti dalších relevantních veličin, zejména viskozity (odporu proti proudění) vzduchu. Millikanova konečná hodnota uvedená v roce 1917 byla: (4,774 ± 0,002) x 10-10 esu (esu je elektrostatická jednotka, jedna z jednotek náboje v soustavě jednotek centimetr-gram-sekunda; tato soustava cgs-esu byla široce používána před všeobecným přijetím soustavy SI).
To, že tato hodnota byla značně chybná, se ukázalo ve 30. letech 20. století s vývojem nové, ale nepřímé metody pro získání hodnoty e. Tato technika spočívala v odděleném měření N, Avogadrovy konstanty (počet atomů nebo molekul obsažených v jednom molu, který je definován jako hmotnost v gramech rovnající se atomové nebo molekulové hmotnosti látky), a F, Faradayovy konstanty (množství náboje, které musí projít roztokem, aby se elektrolyticky uložil jeden mol jednomocně nabitého neboli monovalentního prvku obsaženého v roztoku). Tyto dvě veličiny jsou spojeny jednoduchou rovnicí, která říká, že Faradayova konstanta se rovná Avogadrově konstantě vynásobené jednotkou náboje, neboli F = Ne. Z toho vyplývá, že e = F/N, takže konstantu e lze snadno získat, jsou-li známy obě konstanty, Faradayova a Avogadrova.
Avogadrova konstanta (N) byla určena měřením hustoty, molekulové hmotnosti a rozteče krystalové mřížky určitého druhu krystalu, například kamenné soli, pomocí rentgenových technik. Faradayova konstanta (F) byla stanovena měřením hmotnosti materiálu (např. stříbra) elektrolyticky usazeného na elektrodě, když roztokem obsahujícím tento materiál procházel známý proud po známou dobu. Nepřímá hodnota elementárního náboje (e) odvozená tímto způsobem byla (4,8021 ± 0,0009) x 10-10 esu, což se výrazně liší od Millikanovy hodnoty. Hlavní zdroj tohoto znepokojivého rozporu byl v druhé polovině 30. let 20. století vysledován v souvislosti s Millikanovým použitím nesprávné hodnoty viskozity vzduchu. Millikan převzal hodnotu, která byla téměř zcela založena na měření jednoho z jeho studentů; později se však ukázalo, že student se dopustil poměrně jemné experimentální chyby. Když byly Millikanovy údaje znovu vyhodnoceny se správně určenou hodnotou viskozity vzduchu, souhlasila získaná hodnota e s nepřímou hodnotou vypočtenou z Faradayovy a Avogadrovy konstanty.
Přestože je tento případ příkladem obecného faktu, že experimentálně určená hodnota konstanty se s každým stanovením mění, je třeba si uvědomit, že právě tyto změny od stanovení ke stanovení v naměřených číselných hodnotách konstant často poskytují důležité vodítko k chybám v experimentu a teorii.
Poměr Planckovy konstanty (h) k elementárnímu náboji (e), h/e
Vůbec první přesné určení poměru h/e využívalo fotoelektrický jev: když na kovový povrch dopadá světlo určité vlnové délky, jsou z povrchu emitovány elektrony. Pokud se na kov přiloží zpomalovací napětí nebo potenciál tak, aby se elektronům právě zabránilo opustit povrch, pak lze prokázat, že mezi vlnovou délkou světla, napětím a poměrem h/e existuje jednoznačný vztah. Millikan za použití sodíku a lithia poprvé oznámil výsledek této metody v roce 1916.
Druhou metodou určení poměru h/e je tzv. krátkovlnná mez spojitého rentgenového spektra. Při této technice se svazek elektronů urychlí známým napětím a nechá se dopadnout na kovový terčík. Rentgenové záření s maximální energií (tj. s nejvyšší frekvencí nebo nejkratší vlnovou délkou) je emitováno, když se veškerá elektrická potenciální energie elektronu ve svazku přemění na jediný rentgenový foton. Měřením napětí a vlnové délky emitovaného rentgenového záření lze určit poměr h/e. První přesné měření tohoto typu bylo zaznamenáno v roce 1921
.