August, 1913: Robert Millikan berichtet über seine Ölabfallergebnisse
Diagramm von Millikans Apparat, aus seinem Physical Review paper
Robert Millikans berühmtes Ölabfallexperiment, das im August 1913 berichtet wurde, hat elegant die Grundeinheit der elektrischen Ladung gemessen., Das Experiment, eine große Verbesserung gegenüber früheren Versuchen, die Ladung eines Elektrons zu messen, wurde als eines der schönsten in der Geschichte der Physik bezeichnet, ist aber auch die Quelle von Vorwürfen wissenschaftlichen Fehlverhaltens seitens Millikan.
Robert Millikan wurde 1868 geboren und wuchs als zweiter Sohn eines Ministers im ländlichen Iowa auf. Millikan besuchte das Oberlin College, promovierte an der Columbia University und verbrachte anschließend ein Jahr in Deutschland, bevor er eine Stelle an der University of Chicago annahm.,
Um 1906 war Millikan ein erfolgreicher Pädagoge und Lehrbuchautor geworden, aber er wusste, dass er keine Forschung von echter wissenschaftlicher Bedeutung betrieben hatte, und war bestrebt, sich als Forscher zu profilieren.
J. J. Thomson hatte das Elektron 1897 entdeckt und sein Verhältnis von Ladung zu Masse gemessen. Der nächste Schritt bestand darin, die Ladung des Elektrons separat zu bestimmen. Thomson und andere versuchten, die grundlegende elektrische Ladung mit Wolken geladener Wassertröpfchen zu messen, indem sie beobachteten, wie schnell sie unter dem Einfluss der Schwerkraft und eines elektrischen Feldes fielen., Die Methode ergab eine grobe Schätzung der Ladung des Elektrons.
Millikan sah diese Möglichkeit, durch die Verbesserung dieser Messungen einen wesentlichen Beitrag zu leisten. Er erkannte, dass der Versuch, die Ladung an einzelnen Tröpfchen zu bestimmen, besser funktionieren könnte, als die Ladung an ganzen Wasserwolken zu messen. 1909 begann er mit den Experimenten, stellte jedoch bald fest, dass Wassertröpfchen für eine genaue Messung zu schnell verdampft waren. Er bat seinen Doktoranden Harvey Fletcher, herauszufinden, wie man das Experiment mit einer Substanz durchführt, die langsamer verdunstet.,
Fletcher stellte schnell fest, dass er Öltröpfchen verwenden konnte, die mit einem einfachen Parfümzerstäuber hergestellt wurden. Die Öltröpfchen werden in eine luftgefüllte Kammer eingespritzt und nehmen Ladung aus der ionisierten Luft auf. Die Tropfen fallen oder steigen dann unter dem kombinierten Einfluss der Schwerkraft, der Viskosität der Luft und eines elektrischen Feldes, das der Experimentator einstellen kann. Der Experimentator konnte die Tropfen durch ein speziell entwickeltes Teleskop beobachten, und die Zeit, wie schnell ein Tropfen fällt oder steigt. Nach wiederholtem Timing des Anstiegs und Falles eines Tropfens konnte Millikan die Ladung für den Abfall berechnen.,
1910 veröffentlichte Millikan die ersten Ergebnisse dieser Experimente, die eindeutig zeigten, dass Ladungen auf den Tropfen alle ganzzahlige Vielfache einer fundamentalen Ladungseinheit waren. Aber nach der Veröffentlichung dieser Ergebnisse behauptete der Wiener Physiker Felix Ehrenhaft, ein ähnliches Experiment durchgeführt zu haben, bei dem ein viel kleinerer Wert für die Elementarladung gemessen wurde. Ehrenhaft behauptete, dies unterstütze die Idee der Existenz von „Subelektronen.“
Ehrenhafts Herausforderung veranlasste Millikan, sein Experiment zu verbessern und mehr Daten zu sammeln, um zu beweisen, dass er Recht hatte., Er veröffentlichte die neuen, genaueren Ergebnisse im August 1913 in the Physical Review. Er erklärte, dass die neuen Ergebnisse nur eine 0.2% – Unsicherheit aufwiesen, eine große Verbesserung gegenüber seinen vorherigen Ergebnissen. Millikan gemeldete Wert für die Elementarladung, 1.592 x 10-19 Coulomb, ist etwas niedriger als der derzeit akzeptierte Wert von 1.602 x 10-19 C, wahrscheinlich, weil Millikan verwendet einen falschen Wert für die Viskosität von Luft.,
Es schien ein schönes Experiment zu sein, das die Grundeinheit der elektrischen Ladung ziemlich genau bestimmt und klar und überzeugend festgestellt hatte, dass „Subelektronen“ nicht existierten. Millikan gewann 1923 den Nobelpreis für die Arbeit sowie für seine Bestimmung des Wertes von Planks Konstante im Jahr 1916.
Aber eine spätere Inspektion von Millikans Labornotizbüchern durch Historiker und Wissenschaftler hat ergeben, dass er zwischen Februar und April 1912 Daten über viel mehr Öltropfen aufnahm, als er in der Zeitung berichtete., Dies ist beunruhigend, da das Papier vom August 1913 an einer Stelle ausdrücklich feststellt: „Es ist auch zu bemerken, dass dies keine ausgewählte Gruppe von Tropfen ist, sondern alle Tropfen darstellt, mit denen an 60 aufeinanderfolgenden Tagen experimentiert wurde.“An einem anderen Punkt in der Zeitung schreibt er jedoch, dass die 58 gemeldeten Tropfen diejenigen sind, „auf denen eine vollständige Reihe von Beobachtungen gemacht wurden.“Darüber hinaus enthalten die Ränder seines Notizbuchs Notizen wie“ Beauty publish „oder“ something wrong.“
Hat Millikan absichtlich Daten ignoriert, die nicht zu den gewünschten Ergebnissen passten?, Vielleicht, weil er unter dem Druck eines Rivalen stand und sich als Wissenschaftler profilieren wollte, stellte Millikan seine Daten falsch dar. Einige haben dies als klaren Fall von wissenschaftlichem Betrug bezeichnet. Andere Wissenschaftler und Historiker haben sich jedoch seine Notizbücher genau angesehen und kamen zu dem Schluss, dass Millikan nach Genauigkeit strebte, indem er nur seine zuverlässigsten Daten meldete und nicht versuchte, andere absichtlich in die Irre zu führen., Zum Beispiel lehnte er zu große Tropfen ab und fiel daher zu schnell, um mit seiner Ausrüstung genau gemessen zu werden, oder zu klein, was bedeutete, dass sie übermäßig von Browns Bewegung beeinflusst worden wären. Einige Tropfen haben keine vollständigen Datensätze, die darauf hinweisen, dass sie während des Laufs abgebrochen wurden.
Es ist heute schwer zu wissen, ob Millikan beabsichtigt, seine Ergebnisse falsch darzustellen, obwohl einige Wissenschaftler Millikans Daten untersucht und berechnet haben, dass selbst wenn er alle Tropfen in seine Analyse einbezogen hätte, seine Messung für die Elementarladung hätte sich überhaupt nicht viel geändert.,
Dieser Artikel erschien in der August / September 2006 Ausgabe von APS News.