Esittely ei-asiantuntijoille tarkoitettuihin vakioihin
| Esittely | 1900 – 1920 | 1920 – 1940 | 1940 – – 1960 | Nykyaika | (indeksi) |
Fundamentaalikonstanssien tutkimusala on kehittynyt 1900-luvun puolivälin jälkeen niin nopeasti, että lähes kaikkia ennen toista maailmansotaa tehtyjä mittauksia voidaan pitää historiallisina (ellei menetelmää, ainakin tulosta). Itse asiassa vain vähän vakioiden mittauksia oli olemassa ennen noin 1900-luvun vaihteen tienoilla, koska vasta silloin alkoi fysiikan moderni aikakausi. Suhteellisuusteoria, atomifysiikka ja kvanttiteoria syntyivät kaikki vuoden 1900 jälkeen. Kaksi tärkeintä historiallista mittausta, jotka on tehty ennen vuotta 1920, ovat seuraavat:
Alkeisvaraus (e)
Yksi varhaisimmista kokeista, joilla mitattiin perustavanlaatuinen vakio suurella tarkkuudella, sekä esimerkki siitä, miten perustavanlaatuisen vakion tarkka määrittäminen eri menetelmillä voi johtaa tietyn fysikaalisen ilmiön parempaan ymmärtämiseen, oli yhdysvaltalaisen fyysikon Robert A. Millikanin tekemä perustavanlaatuisen varauksen yksikön (e) mittaus. Menetelmässä seurataan kahden vaakasuoran ja samansuuntaisen metallilevyn välissä ilmassa liikkuvien pienten, varattujen öljypisaroiden (pisaran varaus on yleensä vain muutaman e) siirtymistä (tunnetun jännitteen kanssa ja ilman jännitettä) ajan funktiona. Perusvakion e arvo lasketaan sitten monien eri pisaroista tehtyjen havaintojen ja muiden asiaankuuluvien suureiden, erityisesti ilman viskositeetin (virtausvastuksen) tuntemuksen perusteella. Millikanin vuonna 1917 ilmoittama lopullinen arvo oli: (4,774 ± 0,002) x 10-10 esu (esu on sähköstaattinen yksikkö, joka on yksi senttimetri-gramma-sekunti-yksikköjärjestelmän varauksen yksiköistä; tämä cgs-esu-järjestelmä oli laajalti käytössä ennen SI-järjestelmän yleistä käyttöönottoa).
Että tämä arvo oli huomattavan virheellinen, kävi selväksi 1930-luvulla, kun kehitettiin uusi, mutta epäsuora menetelmä e:n arvon saamiseksi. Menetelmässä mitattiin erikseen N, Avogadron vakio (mooliin sisältyvien atomien tai molekyylien lukumäärä, joka määritellään massana grammoina, joka on yhtä suuri kuin aineen atomi- tai molekyylipaino), ja F, Faradayn vakio (varauksen määrä, jonka on kuljettava liuoksen läpi, jotta mooli liuoksen sisältämää yksivaraista tai monovalenttista alkuaineita voi laskeutua elektrolyyttisesti). Nämä kaksi suuretta liittyvät toisiinsa yksinkertaisella yhtälöllä, jonka mukaan Faradayn vakio on yhtä suuri kuin Avogadron vakio kertaa varausyksikkö eli F = Ne. Tästä seuraa, että e = F/N, joten vakio e saadaan helposti, jos nämä kaksi vakiota, Faradayn ja Avogadron, tunnetaan.
Avogadron vakio (N) määritettiin mittaamalla röntgensäteilytekniikalla tietyn kidelajin, kuten vuorisuolan, tiheys, molekyylipaino ja kideristikkoväli. Faradayn vakio (F) määritettiin mittaamalla elektrodille elektrolyyttisesti laskeutuvan aineen (esim. hopean) massa, kun tunnetun ajan kulkevan tunnetun virran annettiin kulkea ainetta sisältävän liuoksen läpi. Tällä tavoin johdettu alkeisvarauksen (e) epäsuora arvo oli (4,8021 ± 0,0009) x 10-10 esu, mikä poikkeaa merkittävästi Millikanin arvosta. Tämän huolestuttavan ristiriidan pääasiallisena syynä pidettiin 1930-luvun loppupuolella sitä, että Millikan käytti virheellistä arvoa ilman viskositeetille. Millikan oli ottanut arvon, joka perustui lähes kokonaan erään oppilaansa mittaukseen, mutta myöhemmin kävi ilmi, että oppilas oli tehnyt varsin hienovaraisen kokeellisen virheen. Kun Millikanin tiedot arvioitiin uudelleen oikein määritetyllä ilman viskositeetin arvolla, saatu e:n arvo vastasi Faradayn ja Avogadron vakiosta laskettua epäsuoraa arvoa.
Vaikka tämä tapaus on esimerkki siitä yleisestä seikasta, että kokeellisesti määritetty vakion arvo vaihtelee jokaisen määrityksen yhteydessä, on ymmärrettävä, että juuri nämä vakioiden mitattujen numeeristen arvojen vaihtelut määrityksestä toiseen antavat usein tärkeitä vihjeitä kokeessa ja teoriassa esiintyvistä virheistä.
Planckin vakion (h) suhde alkeisvaraukseen (e), h/e
Hyvin ensimmäisessä tarkkuusmäärityksessä, jossa suhde h/e määritettiin, käytettiin valosähköistä efektiä: kun tietyn aallonpituuden omaavan valon annetaan osua metallipinnalle, pinnalta emittoituu elektroneja. Jos metalliin kohdistetaan hidastava jännite tai potentiaali siten, että elektronien poistuminen pinnalta juuri ja juuri estyy, voidaan osoittaa, että valon aallonpituuden, jännitteen ja suhdeluvun h/e välillä on ainutlaatuinen suhde. Millikan, joka käytti natriumia ja litiumia, raportoi ensimmäisen kerran tämän menetelmän tuloksen vuonna 1916.
Toinen menetelmä h/e-suhteen määrittämiseksi on jatkuvan röntgensäteilyn spektrin niin sanottu lyhyen aallonpituuden raja. Tässä tekniikassa elektronisuihku kiihdytetään tunnetulla jännitteellä ja sen annetaan osua metallikohteeseen. Suurinerginen röntgensäde (eli se, jolla on korkein taajuus tai lyhin aallonpituus) emittoituu, kun säteen elektronin koko sähköinen potentiaalienergia muunnetaan yhdeksi röntgenfotoniksi. Mittaamalla jännite ja emittoituneen röntgensäteilyn aallonpituus voidaan määrittää suhde h/e. Ensimmäinen tämäntyyppinen tarkkuusmittaus raportoitiin vuonna 1921.