Wprowadzenie do stałych dla nie-ekspertów
| Wprowadzenie | 1900 – 1920 | 1920 – 1940 | 1940 -… 1960 | Czas | (indeks) |
Od połowy XX wieku dziedzina fundamentalnych stałych posunęła się tak szybko do przodu, że niemal wszystkie pomiary przeprowadzone przed II wojną światową można uznać za historyczne (jeśli nie metodę, przynajmniej wynik). W rzeczywistości niewiele pomiarów stałych istniało przed przełomem XIX i XX wieku, ponieważ dopiero wtedy rozpoczęła się nowoczesna era fizyki. Względność, fizyka atomowa i teoria kwantowa pojawiły się po 1900 roku. Dwa z ważniejszych historycznych pomiarów dokonanych przed około 1920 rokiem to:
Ładunek elementarny (e)
Jednym z wcześniejszych eksperymentów polegających na pomiarze stałej fundamentalnej z dużą dokładnością, a także przykładem tego, jak dokładne wyznaczenie stałej fundamentalnej za pomocą różnych metod może prowadzić do lepszego zrozumienia danego zjawiska fizycznego, był pomiar fundamentalnej jednostki ładunku (e) przez Roberta A. Millikana, fizyka ze Stanów Zjednoczonych. W latach 1907-1917 przeprowadził on słynny już eksperyment z kroplami oleju w celu wyznaczenia e. W metodzie tej przemieszczanie się małych, naładowanych kropel oleju (ładunek na kropli wynosi zwykle zaledwie kilka e) poruszających się w powietrzu pomiędzy dwiema poziomymi i równoległymi płytkami metalowymi (z przyłożonym znanym napięciem i bez niego) jest śledzone w funkcji czasu. Wartość stałej fundamentalnej e jest następnie obliczana na podstawie wielu obserwacji różnych kropel i znajomości innych istotnych wielkości, w szczególności lepkości (oporu przepływu) powietrza. Ostateczna wartość Millikana, podana w 1917 roku, wynosiła: (4,774 ± 0,002) x 10-10 esu (esu to jednostka elektrostatyczna, jedna z jednostek ładunku w układzie jednostek centymetr-gram-sekunda; ten układ cgs-esu był w szerokim użyciu przed powszechnym przyjęciem układu SI).
To, że wartość ta była obarczona znacznym błędem, stało się jasne w latach trzydziestych XX wieku wraz z opracowaniem nowej, ale pośredniej metody otrzymywania wartości e. Technika ta polegała na oddzielnym pomiarze N, stałej Avogadro (liczba atomów lub cząsteczek zawartych w molu, który jest zdefiniowany jako masa w gramach równa masie atomowej lub cząsteczkowej substancji), oraz F, stałej Faradaya (ilość ładunku, który musi przejść przez roztwór, aby elektrolitycznie zdeponować mol pojedynczo naładowanego lub monowalentnego pierwiastka zawartego w roztworze). Te dwie wielkości są powiązane prostym równaniem, które mówi, że stała Faradaya jest równa stałej Avogadro razy jednostka ładunku, czyli F = Ne. Wynika z tego, że e = F/N, tak że stała e może być łatwo uzyskana, jeśli dwie stałe, Faradaya i Avogadro, są znane.
Stała Avogadro (N) została określona przez pomiar gęstości, masy cząsteczkowej i odstępu między sieciami krystalicznymi poszczególnych gatunków kryształów, takich jak sól kamienna, przy użyciu technik rentgenowskich. Stała Faradaya (F) została wyznaczona przez pomiar masy materiału (np. srebra) osadzonego elektrolitycznie na elektrodzie, gdy znany prąd płynący przez znany czas został przepuszczony przez roztwór zawierający ten materiał. Wydedukowana w ten sposób pośrednia wartość ładunku elementarnego (e) wynosiła (4,8021 ± 0,0009) x 10-10 esu, znacznie różniąc się od wartości Millikana. Głównego źródła tej niepokojącej rozbieżności doszukiwano się w drugiej połowie lat trzydziestych XX wieku w użyciu przez Millikana nieprawidłowej wartości lepkości powietrza. Millikan przyjął wartość, która prawie w całości opierała się na pomiarze dokonanym przez jednego z jego studentów; później okazało się jednak, że student ten popełnił dość subtelny błąd eksperymentalny. Kiedy dane Millikana zostały ponownie ocenione z prawidłowo wyznaczoną wartością lepkości powietrza, otrzymana wartość e zgadzała się z wartością pośrednią obliczoną na podstawie stałej Faradaya i Avogadro.
Chociaż przypadek ten jest przykładem ogólnego faktu, że doświadczalnie wyznaczona wartość stałej zmienia się przy każdym oznaczeniu, należy zdać sobie sprawę, że to właśnie te zmiany od oznaczenia do oznaczenia w zmierzonych wartościach liczbowych stałych często dostarczają ważnych wskazówek na temat błędów w eksperymencie i teorii.
Stosunek stałej Plancka (h) do ładunku elementarnego (e), h/e
Pierwsze precyzyjne wyznaczenie stosunku h/e wykorzystało efekt fotoelektryczny: kiedy światło o określonej długości fali pada na powierzchnię metalu, z powierzchni tej emitowane są elektrony. Jeśli do metalu zostanie przyłożone napięcie opóźniające lub potencjał, który uniemożliwi elektronom opuszczenie powierzchni, można wykazać, że istnieje unikalna zależność pomiędzy długością fali światła, napięciem i stosunkiem h/e. Millikan, używając sodu i litu, po raz pierwszy podał wynik z tej metody w 1916 roku.
Drugą metodą wyznaczania stosunku h/e jest tak zwana granica krótkiej długości fali ciągłego widma promieniowania rentgenowskiego. W tej technice, wiązka elektronów jest przyspieszana przez znane napięcie i pozwala się jej uderzyć w metalowy cel. Promieniowanie rentgenowskie o maksymalnej energii (czyli o najwyższej częstotliwości lub najkrótszej długości fali) jest emitowane, gdy cała elektryczna energia potencjalna elektronu w wiązce jest przekształcana w pojedynczy foton rentgenowski. Mierząc napięcie i długość fali emitowanego promieniowania rentgenowskiego, można wyznaczyć stosunek h/e. Pierwszy precyzyjny pomiar tego typu został zgłoszony w 1921 roku.
.