Опыт Милликена, или эксперимент с каплей масла, — важный эксперимент по определению электрического заряда электрона. Он назван в честь американского физика Роберта Эндрюса Милликена, который провёл этот опыт совместно со свим коллегой и соотечествеником Харви Флетчером в 1909 году[2][3]. Милликен усовершенствовал его в 1913 году[4] и в 1923 году получил Нобелевскую премию по физике за работы по определению элементарного электрического заряда и по фотоэлектрическому эффекту.
Опыт, по сути, состоял в создании капель масла с помощью распылителя и в наблюдении за их поведением в электрическом поле. Некоторые из капель были электрически заряжены в результате захвата ионов после облучения воздуха рентгеновским излучением, и их вертикальным движением можно было управлять, изменяя значение электрического поля. Измеряя напряженность электрического поля, необходимого для противодействия силе тяжести, и зная массу капель (которую можно вычислить, измерив скорость их свободного падения в воздухе), можно было определить их электрический заряд. Милликен заметил, что эти значения всегда были целыми числами, кратными фиксированной величине, которая стала считаться элементарным зарядом. Полученное значение составило e = −1,5924(17) × 10−19 Кл, что всего на 0,62 % ниже принятого в настоящее время значения e = −1,602… × 10−19 Кл[5].
В 1896 году британский физик Джозеф Джон Томсон провёл серию экспериментов, которые показали, что катодные лучи на самом деле являются отдельными частицами, а не волнами, атомами или молекулами, как считалось ранее. Томсон сделал оценки отношения заряда электрона к его массе и показал, что оно не зависело от материала катода[6][7].
Как только отношение заряда и массы было определено, проблема, которую требовалось решить, стала очевидной: определить массу и заряд электрона отдельно. Первая попытка определения заряда электрона принадлежит английскому физику Джону Сили Таунсенду, ученику Дж. Дж. Томсона, который опубликовал свой результат в 1897 году. Его эксперимент состоял в измерении двух величин: полного заряда облака водяного пара, образовавшегося при расширении ионизированного газа, и количества капель в облаке. Основная гипотеза состояла в том, что каждая капля конденсируется на одном ионе. Таким образом, деление общего заряда на количество капель (равное количеству ионов) должно было дать значение заряда одной из них. Значение, полученное Таунсендом, в два раза отличается от принятого в настоящее время значения[8].
Этот метод был модифицирован самим Дж. Дж. Томсоном и английским физиком Гарольдом Уилсоном (1874—1964). Уилсон добавил металлические пластины ниже и выше облака капель, чтобы их можно было заряжать электрически и создавать однородное вертикальное электрическое поле в пространстве, занимаемом облаком. Скорость падения облака измерялась в зависимости от электрического поля, и он смог вычислить величину заряда из уравнения для силы, предполагая справедливость закона Стокса[9].