Physiknobelpreis 1923: Robert Andrews Millikan

Physiknobelpreis 1923: Robert Andrews Millikan

 

Der amerikanische Physiker erhielt den Nobelpreis für seine Arbeiten über die elektrische Elementarladung und den photoelektrischen Effekt.

 

 Biografie

 

Robert Andrews Millikan, * Morrison (Illinois) 22. 3. 1868, ✝ Pasadena (Kalifornien) 19. 12. 1953; 1895 Promotion an der Columbia University in New York, 1896-1921 Lehrtätigkeit an der University of Chicago, ab 1910 als ordentlicher Professor; seit 1921 Leiter des California Institute of Technology; Leiter des Norman Bridge Laboratory in Pasadena.

 

 Würdigung der preisgekrönten Leistung

 

Im Alter von 27 Jahren bereiste Robert Millikan Europa, das damalige Zentrum der physikalischen Forschung. Er hörte Vorlesungen des französischen Mathematikers und Physikers Henri Poincaré in Paris und von Max Planck (Nobelpreis 1918) in Berlin und arbeitete in Göttingen mit dem Physikochemiker Walther Nernst (Nobelpreis für Chemie 1920) zusammen.

 

Nach seiner Rückkehr aus Europa ging Robert Millikan nach Chicago und wurde Assistent von Albert Michelson (Nobelpreis 1907), der durch sein Ätherexperiment berühmt geworden war. Millikans Ausbildung stand noch ganz im Zeichen der klassischen Physik. Von Michelson lernte er, dass es die vordringliche Aufgabe der Physik sei, bekannte Größen mit zunehmender Präzision zu messen.

 

 Die Elementarladung

 

Im Jahr 1909 begann Millikan ein Forschungsprogramm zur Bestimmung der elektrischen Ladung des erst wenige Jahre zuvor vom britischen Physiker Joseph Thomson (Nobelpreis 1906) entdeckten Elektrons. Für die Ladung dieses ersten nachgewiesenen Elementarteilchens gab es damals erst sehr grobe Schätzungen.

 

Thomson und Charles Wilson (Nobelpreis 1927) hatten 1899 die so genannte Tröpfchenmethode entwickelt, um die Ladung des Elektrons zu bestimmen. Wilson hatte beobachtet, dass elektrische Ladungen unter bestimmten Bedingungen in übersättigten Dämpfen wie Kondensationskerne wirken, an denen Wasser kondensiert. Das Volumen der Nebeltröpfchen lässt sich aus ihrer Sinkgeschwindigkeit und ihre Anzahl aus der Gesamtmenge an ausgefälltem Wasser bestimmen. Zusammen mit der unmittelbar messbaren, vom Nebel transportierten Gesamtladung kann man so die Ladung eines mittleren Tröpfchens errechnen, die identisch ist mit der Ladung eines Elektrons.

 

Millikan entwickelte dieses Verfahren weiter, indem er nicht den gesamten Nebel, sondern einzelne Tröpfchen beobachtete. Später kam er dann auf die Idee, statt Wasserdampf einen Nebel aus winzigen Öltröpfchen zu benutzen.

 

Mithilfe eines Zerstäubers blies Millikan winzige Öltröpfchen in den feldfreien, aber lufterfüllten Raum zwischen zwei exakt parallele horizontale Kondensatorplatten. Bei der Zerstäubung hatten sich die Tröpfchen elektrisch aufgeladen. Sie besaßen einen Durchmesser von etwa 10^-4 bis 10^-5 Zentimeter und waren bei starker seitlicher Beleuchtung im Mikroskop gerade noch sichtbar. Millikan konnte die Luft zwischen den Kondensatorplatten durch Röntgenstrahlen ionisieren und so eine Änderung der Tröpfchenladung bewirken. Besteht zwischen den Kondensatorplatten kein Feld, so bewegen sich die Tröpfchen wegen ihrer geringen Größe durch den Luftwiderstand langsam mit konstanter Geschwindigkeit nach unten.

 

Nach Anlegung einer geeigneten Spannung an den Kondensator unterliegen die Öltröpfchen nicht nur der Schwerkraft, sondern auch einer entgegengesetzt gerichteten elektrischen Kraft, die die Fallgeschwindigkeit verringern und sogar in eine Steiggeschwindigkeit umkehren kann. Hieraus konnte Millikan den Betrag der elektrischen Kraft und damit die Größe der von den Tröpfchen mitgeführten Ladung bestimmen. Es stellte sich heraus, dass ein Öltröpfchen verschiedene Ladungen tragen konnte, die jedoch alle ganzzahlige Vielfache der Ladung des Elektrons waren. Diese von Millikan mit großer Präzision gemessene so genannte Elementarladung ist heute eine der Fundamentalkonstanten der Physik. Millikans Versuch ist auch von prinzipieller Bedeutung, da er sehr anschaulich die atomistische Natur der elektrischen Ladung zeigt.

 

Millikans Erfolg wurde jedoch durch eine fragwürdige Art der Datenanalyse erreicht. Intuitiv erkannte er, welche Messdaten dem gewünschten Ergebnis am nächsten kamen und ignorierte alle anderen Werte. Diese Datenauswahl trug mit dazu bei, dass er das Rennen um die exakte Bestimmung der Elektronenladung vor seinem Konkurrenten, dem Wiener Physiker Felix Ehrenhaft, gewann.

 

 Bestätigung des Fotoeffekts

 

Im Jahr 1912 begann Millikan, sich intensiv experimentell mit dem fotoelektrischen Effekt zu beschäftigen. Er wollte unter anderem Albert Einsteins Theorie des Fotoeffekts widerlegen, die er für »gänzlich unhaltbar« und »unvernünftig« hielt, »denn sie schien alles zu verletzen, was wir über die Interferenz des Lichts wussten«. Einstein hatte den fotoelektrischen Effekt als Eindringen eines Lichtquants in Metall erklärt, wobei es dort auf ein Elektron trifft, an das es seine ganze Energie abgibt. Beim Verlassen des Metalls hat das Elektron an der Oberfläche eine Austrittsarbeit zu leisten. Die Energie der frei werdenden Elektronen hängt von der Frequenz des eingestrahlten Lichts und der materialspezifischen Austrittsarbeit ab.

 

Entgegen Millikans Erwartungen zeigten seine Experimente jedoch, dass Einsteins Gleichung die Energie der Elektronenemission beim Fotoeffekt exakt wiedergab, und so sah er sich 1916 genötigt, »ihre unzweifelhafte Verifikation zu bestätigen«.

 

Millikans fotoelektrische Messungen waren nicht nur eine experimentelle Bestätigung der Einstein'schen Theorie, sondern gaben auch den Wert des Planck'schen Wirkungsquantums wieder.

 

 Die kosmische Strahlung

 

Im Jahr 1921 ging Millikan an das neu gegründete California Institute of Technology in Pasadena, das sich unter seiner Leitung zu einem der führenden physikalischen Großlabors der Vereinigten Staaten entwickelte. Er beschäftigte sich unter anderem mit der Identifizierung von Spektrallinien im kurzwelligen Teil des elektromagnetischen Spektrums und mit der Erforschung der Höhenstrahlung. Im Jahr 1925 gelang ihm der Nachweis, dass diese 1912 vom österreichischen Physiker Victor Hess (Nobelpreis 1936) enteckte Strahlung ihren Ursprung in der Tat im Weltall hatte. Millikan bezeichnete sie daher als kosmische Strahlung. Dieser »Geburtsschrei der Atome« war energiereicher als die härteste bekannte Gammastrahlung.

 

Millikan, der in den 1920er-Jahren als der bedeutendste Physiker der Vereinigten Staaten galt, war nach Michelson der zweite Amerikaner, der mit dem Physiknobelpreis ausgezeichnet wurde. In der Laudatio anlässlich der Preisverleihung 1923 hieß es zur Bedeutung seiner Experimente, dass sie dem Gesetz von Einstein und der Theorie von Niels Bohr (Nobelpreis 1922) zur nötigen Bestätigung verhalfen.

 

Millikan besaß einige weitere wichtige Talente. So verstand er es auch in schwierigen Zeiten, große Geldmittel für die Forschung aufzutreiben. Er scheute sich nicht, lautstark für sich zu werben. Als eine religiöse Gruppe auf dem Universitätsgelände einmal ein Plakat mit den Worten »Jesus saves« anbrachte, schrieben Studenten in bewusster Zweideutigkeit darunter: »And Millikan takes the credit.« Sein politischer Konservativismus und seine gelegentlich naiven Ansichten über Religion und Philosophie sowie sein wissenschaftlicher Stil, der mehr auf technische und instrumentelle Geschicklichkeit gestützt war als auf theoretische Vorstellungen, waren typisch für das Amerika seiner Zeit.

 

M. Schaaf