Indledning til konstanterne for ikke-eksperter
| Indledning | 1900 – 1920 | 1920 – 1940 | 1940 – 1960 | Aktuel | (indeks) |
Feltet omkring fundamentale konstanter har udviklet sig så hurtigt siden midten af det 20. århundrede, at næsten alle de målinger, der blev foretaget før anden verdenskrig, kan betragtes som historiske (hvis ikke metoden, i det mindste resultatet). Faktisk fandtes der kun få målinger af konstanter før omkring århundredeskiftet, for først da begyndte fysikkens moderne æra. Relativitetsteori, atomfysik og kvanteteori opstod alle efter 1900. To af de vigtigere historiske målinger, der blev foretaget før omkring 1920, er:
Elementarladningen (e)
Et af de tidligere eksperimenter til måling af en fundamental konstant med høj nøjagtighed, samt et eksempel på, hvordan en nøjagtig bestemmelse af en fundamental konstant ved hjælp af forskellige metoder kan føre til en forbedret forståelse af et bestemt fysisk fænomen, var målingen af den fundamentale enhed for ladning (e) af Robert A. Millikan, en fysiker i USA. Fra ca. 1907 til 1917 udførte han sit nu berømte oliedråbeeksperiment for at bestemme e. Ved denne metode følges forskydningen af små, ladede oliedråber (dråbenes ladning er normalt kun nogle få e), der bevæger sig i luften mellem to vandrette og parallelle metalplader (med og uden en påført kendt spænding), som en funktion af tiden. Værdien af den grundlæggende konstant e beregnes derefter ud fra mange observationer af forskellige dråber og kendskab til andre relevante størrelser, især luftens viskositet (strømningsmodstand). Millikans endelige værdi, som blev rapporteret i 1917, var: (4,774 ± 0,002) x 10-10 esu (esu er den elektrostatiske enhed, en af enhederne for ladning i enhedssystemet centimeter-gram-sekund; dette cgs-esu-system var meget anvendt før den generelle indførelse af SI-systemet).
Det blev klart i 1930’erne, at denne værdi var væsentligt fejlagtig, da der blev udviklet en ny, men indirekte metode til at få frem til værdien af e. Teknikken bestod i separat måling af N, Avogadro-konstanten (antallet af atomer eller molekyler i et mol, der er defineret som en masse i gram svarende til et stofs atom- eller molekylvægt), og F, Faraday-konstanten (den ladningsmængde, der skal passere gennem en opløsning for elektrolytisk at deponere et mol af et enkeltladet eller monovalent grundstof, der er indeholdt i opløsningen). Disse to størrelser hænger sammen ved den simple ligning, der siger, at Faradaykonstanten er lig med Avogadrokonstanten gange ladningsenheden, eller F = Ne. Det følger derfor, at e = F/N, således at konstanten e let kan fås, hvis de to konstanter, Faraday og Avogadro, er kendt.
Avogadrokonstanten (N) blev bestemt ved at måle densiteten, molekylvægten og krystalgitterafstanden for en bestemt krystalart, f.eks. stensalt, ved hjælp af røntgenteknikker. Faradaykonstanten (F) blev bestemt ved at måle massen af materiale (f.eks. sølv), der elektrolytisk aflejres på en elektrode, når en kendt strøm, der løber i et kendt tidsrum, får lov til at passere gennem en opløsning indeholdende materialet. Den indirekte værdi af elementarladningen (e), der blev udledt på denne måde, var (4,8021 ± 0,0009) x 10-10 esu, hvilket var væsentligt forskelligt fra Millikan-værdien. Den vigtigste kilde til denne foruroligende uoverensstemmelse blev i den sidste del af 1930’erne henført til Millikans anvendelse af en forkert værdi for luftens viskositet. Millikan havde taget en værdi, der næsten udelukkende var baseret på en måling foretaget af en af hans studerende; men det blev senere vist, at den studerende havde begået en ret subtil eksperimentel fejl. Da Millikans data blev revurderet med en korrekt bestemt værdi for luftens viskositet, stemte den opnåede værdi af e overens med den indirekte værdi beregnet ud fra Faraday- og Avogadro-konstanten.
Men selv om dette tilfælde er et eksempel på den generelle kendsgerning, at den eksperimentelt bestemte værdi af en konstant varierer med hver bestemmelse, må man være klar over, at det netop er disse variationer fra bestemmelse til bestemmelse i de målte numeriske værdier af konstanterne, der ofte giver vigtige ledetråde til fejl i eksperiment og teori.
Forholdet mellem Plancks konstant (h) og elementarladningen (e), h/e
Den allerførste præcisionsbestemmelse af forholdet h/e benyttede den fotoelektriske effekt: Når lys af en bestemt bølgelængde får lov til at ramme en metaloverflade, udsendes der elektroner fra overfladen. Hvis der påføres en forsinkende spænding eller potentiale på metallet, således at elektronerne netop forhindres i at forlade overfladen, kan der påvises en entydig sammenhæng mellem lysets bølgelængde, spændingen og forholdet h/e. Millikan, der brugte natrium og lithium, rapporterede første gang et resultat fra denne metode i 1916.
En anden metode til bestemmelse af h/e-forholdet er den såkaldte kortbølgelængdegrænse i det kontinuerlige røntgenspektrum. Ved denne teknik accelereres en stråle af elektroner gennem en kendt spænding og får lov til at ramme et metalmål. Røntgenstrålen med maksimal energi (dvs. den med den højeste frekvens eller korteste bølgelængde) udsendes, når al den elektriske potentielle energi fra en elektron i strålen omdannes til en enkelt røntgenfoton. Ved at måle spændingen og bølgelængden af den udsendte røntgenstråle kan forholdet h/e bestemmes. Den første præcisionsmåling af denne type blev rapporteret i 1921.