Introducere în constantele pentru neexperți
| Introducere | 1900 – 1920 | 1920 – 1940 | 1940 – 1940 – 1960 | Current | (index) |
Domeniul constantelor fundamentale a avansat atât de rapid de la jumătatea secolului XX încât aproape toate măsurătorile efectuate înainte de cel de-al doilea război mondial pot fi considerate istorice (dacă nu cumva metoda, cel puțin rezultatul). Într-adevăr, puține măsurători ale constantelor au existat înainte de aproximativ începutul secolului XX, deoarece abia atunci a început era modernă a fizicii. Relativitatea, fizica atomică și teoria cuantică au apărut toate după 1900. Două dintre cele mai importante măsurători istorice făcute înainte de aproximativ 1920 sunt:
Carga elementară (e)
Unul dintre primele experimente de măsurare a unei constante fundamentale cu o precizie ridicată, precum și un exemplu al modului în care determinarea precisă a unei constante fundamentale folosind diferite metode poate duce la o mai bună înțelegere a unui anumit fenomen fizic, a fost măsurarea unității fundamentale de sarcină (e) de către Robert A. Millikan, un fizician din Statele Unite. Între aproximativ 1907 și 1917, el a efectuat celebrul său experiment al picăturii de ulei pentru a determina e. În cadrul acestei metode, deplasarea unor picături de ulei mici și încărcate (încărcătura picăturii este de obicei de doar câțiva e) care se deplasează în aer între două plăci metalice orizontale și paralele (cu și fără o tensiune cunoscută aplicată) este urmărită în funcție de timp. Valoarea constantei fundamentale e este apoi calculată pe baza mai multor observații asupra unor picături diferite și a cunoașterii altor mărimi relevante, în special a vâscozității (rezistența la curgere) aerului. Valoarea finală a lui Millikan, raportată în 1917, a fost: (4,774 ± 0,002) x 10-10 esu (esu fiind unitatea electrostatică, una dintre unitățile de sarcină din sistemul de unități centimetru-gram-secundă; acest sistem cgs-esu a fost utilizat pe scară largă înainte de adoptarea generală a sistemului SI).
Că această valoare era semnificativ eronată a devenit clar în anii 1930, odată cu dezvoltarea unei metode noi, dar indirecte, de obținere a valorii lui e. Tehnica consta în măsurarea separată a lui N, constanta Avogadro (numărul de atomi sau molecule conținute într-un mol, care se definește ca o masă în grame egală cu greutatea atomică sau moleculară a unei substanțe), și F, constanta Faraday (cantitatea de sarcină care trebuie să treacă printr-o soluție pentru a depune electrolitic un mol al unui element cu o singură sarcină sau monovalent conținut în soluție). Aceste două mărimi sunt legate prin ecuația simplă care afirmă că constanta Faraday este egală cu constanta Avogadro înmulțită cu unitatea de sarcină, sau F = Ne. Prin urmare, rezultă că e = F/N, astfel încât constanta e poate fi obținută cu ușurință dacă cele două constante, Faraday și Avogadro, sunt cunoscute.
Constanta Avogadro (N) a fost determinată prin măsurarea densității, a greutății moleculare și a distanței rețelei cristaline a unei anumite specii cristaline, cum ar fi sarea gemă, folosind tehnici cu raze X. Constanta Faraday (F) a fost determinată prin măsurarea masei de material (de exemplu, argint) depusă electrolitic pe un electrod atunci când un curent cunoscut, care circulă timp de un timp cunoscut, a fost lăsat să treacă printr-o soluție care conține materialul respectiv. Valoarea indirectă a sarcinii elementare (e) dedusă în acest mod a fost (4,8021 ± 0,0009) x 10-10 esu, semnificativ diferită de valoarea Millikan. Sursa principală a acestei discrepanțe deranjante a fost depistată în a doua parte a anilor 1930 ca urmare a utilizării de către Millikan a unei valori incorecte pentru vâscozitatea aerului. Millikan luase o valoare care se baza aproape în întregime pe o măsurătoare efectuată de unul dintre studenții săi; dar ulterior s-a demonstrat că studentul făcuse o eroare experimentală destul de subtilă. Când datele lui Millikan au fost reevaluate cu o valoare corect determinată pentru vâscozitatea aerului, valoarea lui e obținută a fost în concordanță cu valoarea indirectă calculată din constantele Faraday și Avogadro.
Deși acest caz este un exemplu al faptului general că valoarea determinată experimental a unei constante variază cu fiecare determinare, trebuie realizat că tocmai aceste variații de la o determinare la alta în valorile numerice măsurate ale constantelor sunt cele care furnizează adesea indicii importante despre erorile din experiment și teorie.
Raportul dintre constanta lui Planck (h) și sarcina elementară (e), h/e
Prima determinare de precizie a raportului h/e a folosit efectul fotoelectric: atunci când lumina cu o anumită lungime de undă este lăsată să lovească o suprafață metalică, electronii sunt emiși de pe suprafață. Dacă metalului i se aplică o tensiune sau un potențial de întârziere, astfel încât electronii să fie doar împiedicați să părăsească suprafața, atunci se poate demonstra că există o relație unică între lungimea de undă a luminii, tensiune și raportul h/e. Millikan, folosind sodiu și litiu, a raportat pentru prima dată un rezultat al acestei metode în 1916.
O a doua metodă de determinare a raportului h/e este așa-numita limită de lungime de undă scurtă a spectrului continuu de raze X. În această tehnică, un fascicul de electroni este accelerat printr-o tensiune cunoscută și i se permite să lovească o țintă metalică. Raza X de energie maximă (adică cea care are cea mai mare frecvență sau cea mai scurtă lungime de undă) este emisă atunci când toată energia potențială electrică a unui electron din fascicul este transformată într-un singur foton de raze X. Prin măsurarea tensiunii și a lungimii de undă a razelor X emise, se poate determina raportul h/e. Prima măsurătoare de precizie de acest tip a fost raportată în 1921.
.