Bevezetés a nem szakértőknek szóló állandókba
| Bevezetés | 1900 – 1920 | 1920 – 1940 | 1940. 1960 | Napjaink | (index) |
A 20. század közepe óta olyan gyorsan fejlődött az alapkonstanciák területe, hogy a második világháború előtt végzett mérések szinte mindegyike történelminek tekinthető (ha nem is a módszer, legalábbis az eredményt). Valóban, körülbelül a 20. századforduló előtt kevés konstansmérés létezett, mert csak ekkor kezdődött a fizika modern korszaka. A relativitáselmélet, az atomfizika és a kvantumelmélet mind 1900 után alakult ki. A két fontosabb történelmi mérés, amelyet körülbelül 1920 előtt végeztek, a következő:
Az elemi töltés (e)
Az egyik legkorábbi kísérlet egy alapállandó nagy pontosságú mérésére, valamint annak példája, hogy egy alapállandó pontos meghatározása különböző módszerekkel hogyan vezethet egy adott fizikai jelenség jobb megértéséhez, Robert A. Millikan, az Egyesült Államok fizikusának a töltés (e) alapegységének mérése volt. Körülbelül 1907 és 1917 között végezte a ma már híres olajcsepp-kísérletét az e meghatározására. Ebben a módszerben két vízszintes és párhuzamos fémlemez között (ismert feszültséggel és anélkül) a levegőben mozgó kis, töltött olajcseppek (a csepp töltése általában csak néhány e) elmozdulását követik az idő függvényében. Az e alapállandó értékét ezután a különböző cseppeken végzett számos megfigyelés és más releváns mennyiségek, különösen a levegő viszkozitása (áramlási ellenállása) ismeretében számítják ki. Millikan 1917-ben közölt végső értéke a következő volt: (4,774 ± 0,002) x 10-10 esu (az esu az elektrosztatikus egység, a centiméter-gramm-másodperc mértékegységrendszerben a töltés egyik egysége; ez a cgs-esu rendszer az SI-rendszer általános elfogadása előtt széles körben használatos volt).
Az, hogy ez az érték jelentősen hibás, az 1930-as években vált világossá az e értékének meghatározására szolgáló új, de közvetett módszer kifejlesztésével. A technika abból állt, hogy külön-külön mérték az N-t, az Avogadro-állandót (az egy mólban található atomok vagy molekulák száma, amelyet az anyag atom- vagy molekulatömegével megegyező tömegként definiáltak grammban) és az F-et, a Faraday-állandót (az a töltésmennyiség, amelynek át kell haladnia egy oldaton ahhoz, hogy az oldatban található egy egyszeresen töltött vagy egyértékű elem egy mólja elektrolitikusan lerakódjon). E két mennyiséget az az egyszerű egyenlet kapcsolja össze, amely szerint a Faraday-állandó egyenlő az Avogadro-állandó és a töltés egységének szorzatával, vagy F = Ne. Ebből következik, hogy e = F/N, így az e állandót könnyen megkaphatjuk, ha a két állandó, a Faraday- és az Avogadro-állandó ismert.
Az Avogadro-állandó (N) meghatározása egy adott kristályfaj, például a kősó sűrűségének, molekulatömegének és kristályrács-távolságának röntgensugaras mérésével történt. A Faraday-állandót (F) egy elektródra elektrolitikusan lerakódott anyag (pl. ezüst) tömegének mérésével határozták meg, amikor ismert ideig folyó ismert áramot engedtek át az anyagot tartalmazó oldaton. Az így levezetett elemi töltés (e) közvetett értéke (4,8021 ± 0,0009) x 10-10 esu volt, ami jelentősen különbözik a Millikan-értéktől. Ennek a zavaró eltérésnek a fő forrását az 1930-as évek második felében arra vezették vissza, hogy Millikan helytelen értéket használt a levegő viszkozitására. Millikan olyan értéket vett, amely szinte teljes egészében az egyik tanítványa mérésén alapult; később azonban kiderült, hogy a tanítvány meglehetősen finom kísérleti hibát vétett. Amikor Millikan adatait a levegő viszkozitásának helyesen meghatározott értékével újraértékelték, a kapott e érték megegyezett a Faraday- és az Avogadro-állandóból számított közvetett értékkel.
Bár ez az eset példa arra az általános tényre, hogy egy állandó kísérletileg meghatározott értéke minden egyes meghatározásnál változik, azt is észre kell venni, hogy éppen az állandók mért számértékének meghatározásról meghatározásra történő változása az, ami gyakran fontos támpontokat ad a kísérlet és az elmélet hibáira.
A Planck-állandó (h) és az elemi töltés (e) viszonya, h/e
A h/e arány legelső precíziós meghatározása a fotoelektromos hatást használta: amikor egy bizonyos hullámhosszúságú fény egy fémfelületre esik, a felületről elektronok bocsátódnak ki. Ha a fémre egy lassító feszültséget vagy potenciált kapcsolunk, hogy az elektronok éppen ne hagyják el a felületet, akkor kimutatható, hogy a fény hullámhossza, a feszültség és a h/e arány között egyedi összefüggés áll fenn. Millikan nátriumot és lítiumot használva először 1916-ban számolt be ennek a módszernek az eredményéről.
A h/e arány meghatározásának másik módszere a folyamatos röntgensugárzás spektrumának ún. rövid hullámhosszú határértéke. Ennél a technikánál egy elektronnyalábot ismert feszültségen keresztül gyorsítanak fel, és hagyják, hogy egy fémtárgyba csapódjon. A maximális energiájú röntgensugár (azaz a legnagyobb frekvenciájú vagy legrövidebb hullámhosszú) akkor bocsátódik ki, amikor a sugárban lévő elektron teljes elektromos potenciális energiája egyetlen röntgenfotonná alakul át. A feszültség és a kibocsátott röntgensugár hullámhosszának mérésével meghatározható a h/e arány. Az első ilyen típusú precíziós mérésről 1921-ben számoltak be.