科学技术进化论 阴极射线发现过程的逻辑分析.docx

【1】阴极射线电子发现过程的逻辑分析 发现实例： 1834年，法拉第在研究液体导电时，发现了电解定律。1838年法拉第由研究气体导电开始转向对真空放电的研究。他用自己制作的真空度仅有千分之七个大气压的真空放电管法拉第管（将两根黄铜棒焊到一根玻璃管的两端作为电极并用空气泵抽去管里的空气。由于当时实验技术的限制，只能获得较低的真空度）通电后，发现两极之间有暗区法拉第暗区。 1851年，巴黎电学机械厂技师鲁姆柯夫发明了能把直流低电压（6伏）变成几千伏高电压的感应线圈。1857年，德国波恩的仪器技工盖斯勒（H.Geissler,18141879）用自己发明的水银真空泵和鲁姆柯夫发明的高压线圈制成了真空度达万分之一个大气压的真空放电管盖斯勒管（他利用托里拆利真空原理制成了水银真空泵,代替了以前的空气泵。在一根玻璃管的两端封上两根白金丝，再用水银真空泵把玻璃管中的空气抽调，然后接上高压线圈）。 1858年，德国物理学家盖吕克（J.Plcker,18011868）在用盖斯勒管研究真空放电时，发现管中除了低压气体发光以外,正对着阴极的玻璃管壁也发出了绿色的荧光，当磁铁在管外晃动时,荧光也会随之晃动。 为了进一步观察放电管中的现象，1869年普吕克的学生希托夫（J.W.Hittorf,18241914）制作了一个真空度达10万分之一大气压的圆球状真空放电管（在球中间装了一片障碍物，而两个电极是垂直安装的）希托夫管，他发现在两极之间放一片金属障碍物时，阴极对面的玻璃管壁上不仅发出荧光而且还出现了障碍物的影子；若改用透明的云母片作障碍物，同样会出现清晰的影子；在电场和磁场的作用下，障碍物的影子会发生移动。这一实验表明玻璃管中从阴极发出了一种带负电的不可见射线，而不是光线，对面玻璃管壁在它的撞击下会发出荧光。1876年，德国物理学家哥尔德斯坦（E.Goldstein,18501930）将这种由阴极发出的奇妙射线命名为“阴极射线”。 1878年，英国伦敦大学的化学教授克鲁克斯（W.Grookes,18321919）利用德国科学家本生的学生斯普伦发明的抽高真空的水银泵，设计制造了各种形状的真空度达到百万分之一个大气压的高真空放电管克鲁克斯管。发现通电后的放电管中处于一种闪烁的黑暗状态，阴极对面的玻璃管壁依然发出清晰的荧光。克鲁克斯还制作了一个长长的高真空放电管，管中平行地安放着两根玻璃轨道，在玻璃轨道上放着一个云母片作的小风车。当用阴极射线照射上侧风翼时，小风车就沿轨道滚动起来。这表明阴极射线是一种高速带负电的粒子流。 1897年4月30日，时任卡文迪许实验室主任的汤姆逊向皇家学院做了题为阴极射线的报告，系统地阐述了他利用阴极射线是带电粒子、又能被电场和磁场偏转的特性来测定阴极射线粒子的速度、质量和电荷的实验：他首先精心设计了一个阴极射线管在管子的一端装上阴极和阳极，在阳极上开了一条细缝，通电后，阴极射线就会穿过阳极成为细细的一束，折射到玻璃管的另一端。这一端的管壁上涂有莹光物质。这一实验装置实际上就是电视显像管的前身。 汤姆逊在射线管的中部装有两个电极板用以产生电场，在射线管外面加了一个磁场。调节电场和磁场的强度使它们对阴极射线的作用正好相互抵消，这样阴极射线就不会发生偏转。汤姆逊据此来测量电场和磁场的强度。他利用物理学有关定律计算出了阴极射线的速度为1.9107cm/秒，并测出阴极射线带电粒子的电荷和质量的比值，发现这种粒子的质量非常小，仅是氢原子的质量的1/2000。汤姆逊还用金、银、铜、镍等各种金属作阴极来测定不同阴极上射出来的带电粒子，发现它们的电荷和质量的比值都一样。他又把不同的气体如H2 、 O2 、 N2充到管内，阴极射出的带电粒子的电荷和质量的比值还是一样的。 这一系列实验表明不管阴极射线是由哪种物质产生的，是由电极产生的，还是管内的气体产生的，在各种物质中都有一种质量为氢原子质量的1/2000的带负电的粒子（后来人们更精密的测定其值为1/1837）。1891年，英国物理学家斯通尼（G.J.Stoney,18261911）把阴极射线粒子称为“电子” 英国物理学家汤姆逊所发现的电子是人类发现的第一个基本粒子，这是物理学发展史上一项具有划时代意义的重大发现,它标志着人类对物质结构的认识进入到一个新的阶段。 创新逻辑分析： 相似推理: 已知:固体 可导电 联想:固体液体（相似关系） 推论:液体 可导电 实验:液体 可导电 相似推理: 已知:液体 可导电 联想:液体气体（相似关系） 推论:气体 可导电 实验:气体 可导电 相反推理: 已知:物质 导电 联想:物质真空（相反关系） 推论:真空 不导电 实验:真空（7 大气压） 导电 （英国: 法拉第） 相反推理： 已知：法拉第管（7 大气压） 暗区 联想: 低真空高真空（相反关系） 推论：高真空管 新现象实验：盖斯勒管（万分之一个大气压） 荧光 （德国:普吕克） 相反推理： 已知：盖斯勒管（万分之一大气压） 荧光 联想：低真空高真空（相反关系） 推论：高真空管 新现象 实验：希托夫管（10万分之一大气压） 射线 （德国:希托夫:） 相反推理： 已知：希托夫管（10万分之一个大气压） 射线 联想：低真空高真空（相反关系） 推论：高真空管 新现象 实验：克鲁克斯管（100万分之一个大气压） 粒子（ 电子） （英国:克鲁克斯）（英国:汤姆逊） 人物简介: 汤姆逊（J.J.Thomson,18561940）是英国卡文迪许物理实验室主任，他一生从事物理学研究。他出生于英国曼彻斯特，其父以售书为业，因生活拮据，无钱学工程而学物理学。在剑桥大学读书期间，因父亲去世家境贫困，而只能靠助学金来维持学业，由于学习优秀先后于1876年、1880年多次获得数学奖金。大学毕业后，他留在卡文迪许实验室作研究工作,1884年担任了该实验室主任。在他的领导下，这个实验室曾培养了一批象卢瑟福、威尔逊、巴克拉、阿斯顿一样的优秀物理学家，。 1881年，汤姆逊（J.J.Thomson,18561940）通过对克鲁克斯实验中小风车转动作用力的数学计算，否定了克鲁克斯关于阴极射线是带负电的分子流的假说；同年，他在带电体运动产生的电磁效应的论文中，用麦克斯韦的电磁理论研究了带电体的运动，认为带电微粒的质量都源于电磁场；1894年汤姆逊用旋转镜法测量了阴极射线的速度为1.9107cm/秒，从而证明了阴极射线不是电磁辐射。1897年他发现了电子。1906年，由于他在“气体导电方面的理论和实验”而获得诺贝尔物理学奖。我很高兴以诺贝尔奖获得者的身份在这里履行义务，和大家谈一谈阴极射线。我想大家一定希望我谈一些别人没有谈过的内容。我将向大家描述这个课题的发展，包括有关电和物质的最新理论，在我看来，它们是以我的实验为基础的。这给了我一个很好的机会，一方面谈一下我的工作是如何依靠了别人的工作，“另一方面谈一下后来的、或多或少是同时代的其他研究工作者的工作是如何在若干方面和我的工作相联系。因此，用一个比喻，即你加我尊敬的瑞典科学院的同行们，在你们的院士证书的扉页上用过的比喻“，现在我不仅要讲得到的果实，而且要讲结出果实的果树和栽培它们的人。这个比喻对我来说尤其合适，因为我决不是属于收获果实的人，我只是一个植树的人，照料果树的人或者只是对这些有帮助的人。 由于时间关系，我只能较详细地介绍这里讨论的这个领域中我所做的工作的几个方面 这一工作的开始可追溯到二十六年前的克鲁克斯。我读过他的文章辐射物质，这是她对阴极射线的称呼.在求学期间，我没有直接表现出对这些问题的兴趣。气体放电对于初学者来说并不是一个合适的研究对象，事实的确是这样。但甚至是成熟的研究家在克鲁克斯以后的年月中也没有取得真正有意义的成就。他们没有取得开辟新前景的结果。就实验条件的纯净而论，他们都没有超过克鲁克斯的工作。只是在后来，当我在海德堡大学当昆克（Quincke）的助手时，我才有机会和便利制造了一个水银真空泵（它能产生非常高的真空），用来进行我自己的阴极射线实验。当时这不算是物理研究所的标准实验项目。我希望尽可能直接地取得进展，我想，如果能将这些射线从管中5！到空气中该有多好：那时就有可能用它们进行直接实验了。为此，需要在管壁装一个可以让射线穿过的密封层。 四年后，即1892年，我有了另一个机遇。当时我是赫兹的助手。截兹发现金属箔可以让阴极射线通过（儿）。他用的是很薄很软的有细孔的金箔。银箔和包装用铝箔。实验证明，阴极射线不仅能送过细孔。而且可以通过金属箔材料本身。一天他叫我去，遗憾的是当时这种机会不经常有，他给我看刚发现的现象：在放电管中放着一块用铝箔覆盖的铀玻璃，当射线从上面发射时，铀玻璃就发亮。他对我说。“我们应该用铝箔把放电管分成两个室、在一个室中象通常那样产生阴极射线，在另一个室中可观察空前纯净的这种射线。即使因为铝箔很软，两个室的气压差很小，也可数把观察室完全抽真空，看下这样做是否妨碍阴极射线传播，换句话说，看二下阴极射线是物质中的现象还是以太中的现象。”（这一点我做到了。）他显然认为最后这个问题是最重要的问题。我后来进行了实验，但我主要对我早年的问题，即在敞开的空气中的阴极射线感兴趣。我没有因为赫兹所用的金属箔太软而不用它，我在合适的放电管中把越来越多的这种金属箔一层层叠起来，发现10层到15层还能让阴极射线很好地通过。于是，我又找了几片较厚的薄铝片，看它们是否能经受得住空气压力。情况果然如此，条件是铝箔的面积应该足够小。然后，我重新用旧的管子，用金属板代替石英片，金属板上有一小孔，小孔用铝箔密封，将几颗碱土磷化物颗粒放在铝窗上，然后激发放电管，礁！颗粒发亮了。我又轻轻地拿起颗粒放在铝窗前，它们在这里同样也发亮。这证明阴极射线能从放电管中出来，而过去它们一直被限制在管内。此外，它们还通过了通常密度的空气，这是谁也没有预料到的。于是很清楚，在我面前展现了一个新的广阔的研究领域，不仅包括迄今尚未看到的现象，而且有希望向未知的领域突破。到目前为止一直难以解释的阴极射线的秘密终于被揭开了。更重要的是现在首次能以最大的纯度进行实验。让我们用另一种类型的辐射光来作类比。如同到现在为止，除了在产生光线的炉子内部和火焰中外（就象阴极射线在放电管中），不可能研究光线。那么伟大而详尽的光学就此止步了吗？现在可以在炉子上装一个密封窗，纯的光线能通过密封窗出来，离开形成它的复杂而难以解释的过程，这个过程仍限制在放电管里面。自从发现阴极射线以来，这个过程一直不能理解，除非对阴极射线本身进行充分的研究。正如我们在历史回顾部分将看到的，这个研究还提供了有关X射线和放射性的许多其他知识（其中有些现在已成为常识），同时也加深了对电和物质的了解。 现在首先需要扩大新的知识领域的这个突破口，重要的是增大从窗口出来的射线的强度，并改进产生射线的条件（与第一个放电管相比）。因此我制造了如图3所示的放电管，它曾在许多实验中使用过（18）。这里可以看到射线产生室，其中有阳极（A），阴极（C），有小窗的密封层（mm），窗后是观察室，射线就进人该室。尽管在这里最明显的或不太明显的现象都能观察到，但到目前为止，所有现象的结果都尚未充分地研究过。 必须指出，射线不能直接看见，用眼睛直接对着窗口是无用的，因为眼睛这个器官不能接收阴极射线。另一方面，不加热就能发光的荧光物质可以使射线变成可见的。最好是用几张涂有这种物质的纸对着射线作屏幕，例如某种酮、氰化铂或碱土磷化物。如果屏幕发光，就表明有阴极射线撞击它。还可以对射线直接摄影。这些方法和使紫外线成为可见的方法相同。紫外线是当时知道的不可见辐射的唯一例子。 当我们使用荧光屏时，发现靠近窗口处最亮，随着离窗距离的增加，射线的强度逐渐减弱，到离窗8厘米时屏幕就相当暗了。常压下敞开的空气对阴极射线的穿透性不十分好，比光的穿透性要差得多。我们有趣地发现，空气对这些射线来说是一种混浊媒质，就象牛奶对于光一样。如果我们在离窗口合适的距离处置一块带孔的不透光的板，然后把屏的边缘对着孔，就会得到图文所示的图象。图中虚线指示出细的射线束，这是直线传播时应有的情况。但是我们在空气中的屏幕上实际上看到了宽的弯曲球状光束，就象我们让光通过一个盛有稀牛奶的罐子的相同小孔时所看到的现象。是什么东西使空气变混浊呢？在牛奶中是无数悬浮的脂肪小颗粒造成混浊，使透光性变差。但纯净空气除了悬浮于以太中的气体分子外别无他物。这些分子异常微小，比脂肪分子小一万倍，它不能阻挡光的传播而使透光性变差。可见，阴极射线一定是非常精细，与之相比，物质的分子结构就显得粗糙了，尽管物质的分子结构和很精细的光波相比又显得极小。因此有可能用这些射线去获得有关分子和原子本质的信息。 因此，我对研究不同物质的与阴极射线有关的性质特别感兴趣。首先研究了穿透性。在密封窗和屏幕之间放一薄层待研究的物质，就可对此有所了解。十分清楚，一种物质的透光或不透光性与它对阴极射线的可穿透性没有任何关系。图5是一个例子，是在铝窗处直接拍摄的已洗印的照片，。照片上半部分是一个全透光的1z毫米厚矩形石英片的浓黑影，下半部分象一块很淡的纱巾，这是不透光的普通铝箔的象，铝箔边缘不甚规则。此图象占据了整个下半部。必须充分注意投射阴影的薄片的厚度。举例来说，此实验中使用的石英片，不穿透的简单厚因是它太厚。为什么发现的唯一可穿透的薄片是金属箔呢？原因是可以得到很薄的金属箔。我们马上就能看到，大多数其他物质如果厚度相同，穿透性甚至比金和银还好。不久我证明了任何物质对阴极射线的吸收象对光的吸收一样是一个逐渐变化的过程。我测定了大量的固体和气态物质的吸收本领。 结果是令人惊奇的。我们周围不同物质的所有复杂多样的性质全部消失了，唯一起决定作用的性质是物质的重量。重量相同的一切物质，吸收率均相同。物质越重，吸收就越多，物质越轻，吸收就越少；吸收总是正比于重量或质量。在第一级近似中，可以完全不考虑物质的化学成分、聚集状态和其他性质，、塑秒意外的是，当时知道的其他辐射都不是这样。在第2级近似中，十分细心地观察才能发现化学成分有轻微的影响。例如，氢或一切含氢化合物的吸收率比与重量成正比的情况略高一些。 我不准备在这里详细讨论这些偏差及其意义。现在让我们来看等厚的铝箔、银箔、金箔的阴影的直接照片（图7），这是阴极洛黝线的吸收正比于质量这一规律的一个图示。该定律在第一级近似下成立。从图中可以看到，银比铝重，银箔吸收阴极射线比铝多。金最重，吸收阴极射线最多。反之，如果用三种重量相同的金属箔，我们就得到吸收相同的同样浓的阴影。事实上，与阴极射线有关的不仅是吸收，还有混浊度。对此，我也用数种不同的物质作了对比研究，发现混浊度也只和被研究物质的重量或质量有关，正如牛顿所指出的那样，质量是物质的量，而不是材料的量。如果我们现在回过来想，阴极射线在物质中传播时只受到物质的单个分子的影响，我们就能得出结论说，大多数不同物质的分子以及不同化学元素的原子彼此没有质的区别，而只有量的区别，即它们都由相同的基本物质组成，但所含基本物质的数量不同。炼金术士的这个古老的因缺少正确的资料而几乎被遗忘的假设，现在重新明显地在我们心中出现。然而这一次不会再消失，而是被证明了的。我们可以引证拉姆赛（54）和卢瑟福（51）的最新研究成果作为证据，他们发现镭奇怪地转变成其他元素。但为了使质量和阴极射线的吸收成正比这一规律成为得出有关物质结构的更详细结论的一个基础，首先必须了解阴极射线的一些性质。我们现在就来讨论这个问题，这是我在整个研究过程中一直注意的问题。 当我们用抽气机将观察室完全抽成真空时，里面就不含任何物质，只有以太存在于空中。我们早已知道，声音是不能通过这种真空室的一个例子，而光、电力或磁力可以通过。因此毫无疑问，声音是物质中的现象，光、电力、磁力是以太中的现象。过去我们不能在普通的放电管中对阴极射线进行相应的实验，因为一旦抽去所有的空气，管子里就停止产生阴极射线。然而我们可以把铝窗另一侧的观察室完全抽成真空而丝毫不影响射线的产生，并观察阴极射线是否能在该真空室中传播。我们发现，它在超高真空中传播得特别好，由气体分子引起的吸收和混浊全部消失了，阴极射线穿过的路程可长达数米，而且射线束非常细直，通常只有光线才能达到这种细直程度（18）。所以阴极射线是以太中的现象。尤其是以我们前面提到的假设为基础时，我们可以说，阴极射线不象在英国特别流行的看法那样，它们不是辐射物质或发射的气体分子“。我们还不清楚它们是以太中的什么类型的现象。我的许多读者非常错误地认为我事先已断定阴极射线是“以太中的波动”。但我并没有想这样说。换句话说，事实上我什么也不想说，除非我的实验中证明是这样，并提供了一种解释。我的办法是进一步做实验，每天都从大自然本身发现新的东西，至少我希望这样或想这样做。因此我很遗憾，我刚进行到这一步时我的实验却中断了很长的时间，首先是由于H，赫兹的过早去世，我意外地承担了一项繁重的任务，即力学原理一书的出版工作。其次是当时我被任命为理论物理教授。在这次中断之前，我设计了一种更方便的新型放电管，虽然这不值一提，但对于我们这个课题的发展并非不重要。我尽可能对这种新型放电管进行了试验推广，使它可以普遍适用。图9给出了一个示意图。密封窗置于钻管的一端，铂管再馆接在玻璃管上，就是说可以不使用大量的油灰，因为油灰常常使放电管难以使用。这种放电管还有着当时不可能预见到的特殊优点。管内密集的阴极射线撞击着大面积的拍，正如我们现在所知，铂这种金属能最有效地把阴极射线转变为当时还未发现的x射线。因此这种管子能产生大量的x射线，它们或与阴极射线混在一起，或与阴极射线分开，通过密封窗进人观察室。在以前的放电管中这是不可能实现的，因为在射线途径中有很厚的金属盖（27）。此后不久，最早研究X射线的伦琴就用上面描述的这种放电管发现了X射线。这一发现通常被看作是一次幸运的发现。但是，既然有了管子，观察者的注意力已从管内转到了管外，并且有了管外的荧光屏，因为这也是设计新管子的目的。所以在我看来，到了这个发展阶段时发现X射线是必然的 当我重新开始实验时，赫兹和许斯特提出的思想占满了我的头脑。在我看来，关于阴极射线性质的问题从一开始就非常重要，在我的第一阶段实验中就开始研究了。从希托夫时代以来就知道阴极射线可被磁铁偏转（2）。同样，戈德斯坦发现的阴极射线偏转（4）可解释成电力对射线的作用。现在，射线的磁偏转和电偏转表明，阴极射线是由射出的带负电物质组成的。此外，根据实验测量的磁和电对射线作用的大小，甚至可以计算出假设中的这些物质的速度和单位质量的电荷（即荷质比）。这就是赫兹和许斯特所做的工作，但他们得到的结果却是相矛盾的赫兹发现他的观察不符合喷射气体分子的理论，而许斯特则发现自己的结果可纳人这个理论的范畴，并且认为这是对该理论的一个支持。这个矛盾并不使我感到惊奇。由于两位科学家都是观察放电管的内部，他们可能被射线产生过程和存在气体的复杂情况迷惑了，事实上他们都有保留地承认了这个事实。到了现在，应当在明确的实验条件下进行这些重要的实验，即应该在放电管外部的高真空中进行实验，才能得到一些激动人心的结果。如果我们已知射线是以太现象而不是物质现象，那么，它们的行为仍然与喷射的带负电气体分子相类似，这是令人不解的。以前还不知道如何才能解决分子流和以太现象这个进退两难的问题。这些实验或许能解决这个问题，无论如何它们将会揭示出一些全新的东西。 当我还在为实验作准备时，我听说其他科学家也注意到了这个问题的重要性。JJ汤姆逊第一个发表了关于这个课题的详尽的论著（25）。他的实验同赫兹和许斯特的实验一样，是在放电管内进行的。他想到了用防护装置来避免放电时的相互作用所造成的混乱，大大改变了实验条件，弥补了因存在气体而造成的不可靠的缺陷。我很清楚，此后出现的一切都将是我从赫兹和许斯特的矛盾中感到有疑问的中心问题。看来，在它正式成为科学的一个组成部分之前，应该尽我们的可能去直接和精确地进行验证。因此，我进行了实验，实验的结果如下8）。 上面假设的物质，其速度约为光速的三分之一，荷质比约为电解中氢原子荷质比的一千倍。氢原子是我们已知的最轻的带电物质。因此，假如阴极射线是流动的氢原子，它们所带的电荷就应是电解时的一千倍。这种可能性无论如何被我早年的实验排除了。那些实验已证明，阴极射线不是物质组成的物体。看来很明显，我发现了以太的迄今未知的部分，它代表电荷，象惯性质量那样运动测得它的惯性很小，在电荷相等的条件下是氢离子惯性的千分之加上以太的这些部分的其他性质（30），我们不难看出，它们正是早先所说的所谓“电流体”。我们现在对这个新内容已了解得很多，它在许多方面和早年提出的观念显然很不相同。 这里应该注意，我们的所有论述都只适用于负电，而不适用于正电。至于是否有正电，即使到今天也说不出什么。我们不能宣布认识了正电。我们只能承认有带正电的物质，它可以是原子、分子或是分子团D。因此我们只能用统一的表述方式说，当一块物质失去负电时，它就带正电。 现在让我们考虑在我们的实验中出现的负电。我们对它的自由运动感到惊奇，迄今我们相信它只能在金属导体的内部存在。我们在放电管内部的电极上加电压，使电在气体中加速运动，它的速度立刻变成光速的三分之一，即100，000公里秒。这就是阴极射线。现在它撞击到铝窗上。根据以往的知识人们会说；“它将附着在铝窗上，然后流人大地”。事实远非如此；射线穿过金属极。据我检测，它的速度丝毫没有减小。它能穿过铝窗进入几乎完全的真中，并在真空巾继续直线前进。这是在空的以太中的电流。这是我们早先认为不可能的观点。当它最后击中一块厚的金属板时，它穿进金属板并留在里面，在经过这样一个不寻常的程之后，它才最终作为普通的电荷出现在金属表面上。 电是否连续充满空间和它有没有结构的问题特别令人感兴趣。我曾观察过两束阴极射线从相反方向射进同一观察窒。对此现象的定量研究发现，两束射线彼此丝毫互不干扰，这表明射线的电是由分立的和极小的部分组成的，它们被体积很大的自由空间隔开。我们可以认为这些部分本身或多或少是互不穿透的，因为根据库仑定律，一旦两个这样的部分非常接近，彼此必然强烈地互相排斥。但是，从完全不同的事实能最好地说明电有结构，这在较早的时候就已明确了。 现在我们来建立我们的发现和以前的知识的联系。以前的认识非常少，而且是与单个原子中发生的现象有关，即那些不能直接观察的现象。但是建立这个关系是有帮助的和有成效的。此外，在光学领域巾得到了赫兹的著名实验有力支持的理论认为，每个发光原子可看作一个电振子。塞曼（人eman）的发现立即提出了一种具体的形式。塞曼和洛伦兹根据观察共同得出结论说，正是带负电的（而不是带正电的）”物质在钓或其他金属火焰的发光原子中振动，振动物质的电荷和质量之间存在着确定的比值。这个比值和不久以后用上述方法对阴极射线得到的比值相同。看来在一切场合，在电解的离子中，在发光的金属原子中，在阴极射线中，也许是在所有的有电在起作用的地方，我们都应承认相同的电的基本量子。法拉第首次指出了它的存在，阴极射线也许是进一步揭示了它。这个理论得到了充分的证明，以致形成了物理学的一个新的分支。它的成果是如此之丰富和巨大，在本文中由于主要是谈我的工作因而只能作一般的介绍。我想简要地讲三个问题。 第一。E维谢尔特（Wiechert）进行的实验是对我们的结论所作的一个重要的初步定量验证。他直接用实验测定了阴极射线的速度，得到的数据和用电和磁使射线偏转（见上文）所得的结果相同，大约是光速的三分之一（29） 第二，考夫曼（Kau（man）根据J.J.汤姆逊和支维赛（0Heaviside）的工作（10）进行的关于电的基本量子的实验结果是，它们的质量和惯性具有纯粹的电磁本性（55）。对此结果我们可作如下的简单解释：我们没有证据说负电是一种有惯性的特殊物质，它似乎单纯地是一种状态，即以太的一种状态。在法拉第（1）、麦克斯韦（8）和赫兹（9）以后，以太习惯上是指带电物体周围的电力场。根据赫兹（20）和皮叶克尼斯（Bjerknes）（33）的说法，这些状态可能是由以太的潜在运动组成。因此，即使是用纯的基本电量子，除了在它们的范围内的这种以太状态外，什么别的也不能发现。根据麦克斯韦的观点，出现在我们面前的这些基本量子本身可能是空的，纯粹是电力的几何中心。我们现在只能声明，我可以成功地、单独地观察这些中心，研究它们的进程、大小和形状的几何比率。根据这个发现，阴极射线，即状态的流动中心，越发显得从一开始就是纯粹的以太现。 第三，我们应当列举一下科学家们给电的这些部分或状态中心所起的名称。我把它称为基本电量子，或简称量子，以前JJ汤姆逊称它为粒子；开耳芬勋爵（LOrd Kelyill）称它为电离子。但洛伦兹和塞县把它们命名为电子，这个名称成为通用的 关于阴极射线我就讲这些。现在我们来讨论它们的形成或它们的产生形式最早的、也是长期以来唯一知道的产生阴极射线的方法是放电管，这是迄今我们一直使用的方法，没有用过其他方法。放电管，顾名思义，射线来源于阴极在强大的电力作用下，气体对电极的金属产生一种效应，我称之为“邻近效应”（53），它使量子从金属中被拉出来，立即变成自由的，并受到电极之间的电场力的加速，于是以不断增大的速度离开阴极而形成射线。我们让它通过小窗离开管于，它的最终速度由所用电压的大小决定。；是整个电压（而不是一部分电压）的作用决定最终速度。这个事实表明，阴极射线源一定是在阴极的表面，而不是在别处，比如在气体中，L。我们改变电压的大小可以产生较快或较慢的阴极射线。前面说到是光速的三分之一，此时所用的电压大约是3000伏特。在我的整个实验中一般都是用这个电压。 快的和慢的射线的性质如何呢？根据我的初发实验，可以对此作出一些推断。在这些实验中电压和速度的改变很小（。；;，1)。可以预料，速度很快的射线有极低的吸收率（高穿透本领）。另一方面，慢速射线显然最适合于了解原子力，了解物质的构成。然而在很长的时间里，由于放电管的玻璃不能承受产生高速射线所需的高电压，因此似乎不能在比较宽的速度范围内进行纯实验。虽然低速射线很容易在管中产生，但它不能通过密封窗，它们太易被吸收。其他方法也没有成功”。 我最后用完全新的方法解决了产生极慢和极快的射线的问题。赫兹早在年作出的、不久被哈耳瓦克（）完成的发（）表明，受紫外线照射的金属极在空气中放出负电。这个重要的事实现在通常称为光电效应，它立刻引起了我的兴趣，而且此后我一直很感兴趣。和天文学家沃尔夫（）合作进行的实验首先告诉我，紫外线使物质变粗糙，或使物质变成粒状 。然而后来的实验使我想到，不象是金属粒子从金属极中带走负电。当我对阴极射线进行初步实验期间，当我发现铝窗前面的空气导电时（），我产生了一个想法：紫外线可使阴极射线从金属板进人空气。当时以及后来，我多次想在荧光屏前的真空中寻找可能的射线没有成功，只是在我 ）在发现射线时这种预料似乎被证实了。射线的一般性质和我根据实验预言的快阴极射线的性质一致（）。正是赖依（）的令人信服的观察证明互射线不带负电（），这表明，认为射线是极高速的阴极射线的理论是错误的。现在认为射线是以太中的短的横向脉动，是一种超紫外线。后来亥维赛根据麦克斯韦理论发现，这种脉动事实上能在阴极射线被大量吸收的同时产生出来，例如在吸收率高的铂中。亥姆霍兹在他的色散理论中预言，超短波紫外线将无折射地遇过棱镜（低吸收率阴极射线的预言首先在平发射的射线中成为现实。 ）在别的实验中，我想在射线的产生室和完全真空的观察室之间插人铂管代替铝窗，但它们漏气太利害 根据赖依的工作（）决定用验电器代替荧光屏时，才发现了射线的存在。所用的仪器如图所示。是被照射的金属板，放在完全的真空中。在处的石英密封层可以透过紫外线。从发出的阴极射线被对阴极上的小孔分出一束很细的射线束。射线束撞击在小极板上。a 收集射线束所带的负电，并由静电计指示辐射的存在。我们用磁铁或线圈（图中的虚线）以恰当的方式靠近放电管，结果发现极板b带电，而上不带电，这表明不可见的射线实际上被磁铁偏转到与阴极射线相应的方向。定量的实验也表明，产生的偏转是完全一致的。测得的量子的荷质比与在放电管中产生的射线相同。 毫无疑问，这个方法立刻证实了阴极射线是紫外线产生的，它们的性质是我们充分熟悉的。不久我在荧光屏上发现了它们（），并进一步研究和利用了它们。在后面我将谈到这些问题。下面谈一下如何实际产生这种射线的问题。首先谈一个对于纯实验很重要的问题。这个问题在完全的真空中也存在。在完全的真空中用通常的方法是不成的在实验中没有必要使空气存在，因为空气与阴极射线的产生没有关系，只涉及光对极板的金属的直接作用。电量子离开金属板时的初速度很慢，在对阴极上只要有几伏的负电，就足以使射线在到达该电极前反向。这时它们转向受照射的电极，就象一块上抛的石子又落到地面一样（，）。这样，我们就得到了速度极慢的阴极射线。只要使对阴极带正电，就能产生快速射线。调节对阴极电压的大小，可随意调节射线的速度。其次，在考虑紫外线对极极的作用时，我们应当想象光波引起极板中的金属原子内部的振动。我们前面已谈到，塞曼的发现证明原子包含着能够振动的负电。如果原子内的负电量子与光波的共振太强，量子就会从原子中逸出，从而从极板中逸出，这时我们就获得阴极射线。我们已经提到，逸出速度非常慢。我还发现逸出速度和紫外线的强度无关（），由此可得出结论说，逸出的能量并不完全来自紫外线，而是来自特定原子的内部。紫外线只起激发作用，很象引信点燃装了子弹的枪一样。我发现这个结论很重要，因为由此我们可以懂得，不仅镭原子含有储存的能量（镭的性质当时刚开始进行详细的研究），其他元素的原子也贮存着能量，它们也能发出辐射，而且当发出辐射时原子可能完全碎裂。与此相应，在紫外线照射下，物质会分解并变得粗糙。最近在基尔研究所用专门的实验证实了这个观点。该实验还表明，甚至在液态空气的温度下也能以不变的初速产生光电效应。我们不能认为光的作用只限于凝聚的固态。气体的分子或原子在紫外线的作用下也会发生完全类似的效应（，）。完全有理由假设量子从气体原子中逸出（，），于是气体变成带电的，关于这一点我们在下面还要详细讨论。假如气体象空气那样含有氧气，那么，臭氧将作为一种副产物而产生。光的这种作用（即阴极射线的产生、原子振动和量子的释放）也存在于磷光（，），可能还存在于荧光现象中，或许也存在于一切的光化学效应中。如果还记得已验证过原子内部的能量转换伴随有光电效应，那么，当我们将来可能遇到不是从外界引人能量的同类现象时，就不致于感到惊奇。 还应该讲一下居里、塞格纳（）以及多恩（）（）所进行的研究作。他们的研究指出，射线也同紫外光一样有产生阴极射线的效应，这与它们能使气体导电引起磷光和光电效应的能力是一致的 我们解决了速度最快的射线是怎样产生的问题时，我们也不一定能证明紫外光适于产生速度最慢的射线。已经知道，镭和铀都发出射线。贝克勒尔和居里夫妇曾进一步研究他们的发现。由于应用这些新射线，上述用放电管产生阴极射线的方法有了发展，证明了新的射线有一部分是阴极射线（，）”，但令人惊奇的是，阴极射线几乎完全是具有光速的射线（）。放电管所达不到的，镭原子达到了，而且是天然的，尽管在放射过程中原子不是全部分裂（，）。既然速度从零到光速的整个范围都是可达到的，就有必要更详细地重新检验辐射的物质性质。 从一切物质（包括空气）都是处于混乱状态这一观点出发，对于阴极射线，我们可得出结论说，每个分子或原子对于射线都分别起着障碍物的作用每个障碍物都在射线的路径上，使射线发生不同程度的偏转。我们应该怎样描述这种偏转呢？我们首先来检验一下射线的量子是否被物质的分子所折射，就象气体的分子相碰时发生的那样。如果发生折射，则气体中的阴极射线局限于能够容易而准确地计算出的长度内，即分子运动论中的极小气体分子之间的自由程长度中。射线的这个路径的长度当然非常小，例如在毫米汞柱气压下的氢气中大约是百之二毫米。在这个短距离之外，射线在气体中完全不能扩展，就是说接着会有瞬间扩散。但是气体并不像我以前以图解形式所表明的观察结果（）那样混浊。正如我们看到的那样（图），即使当空气处在一个大气压下时也较清晰，而且当较轻的氢气抽空到毫米汞柱的特殊气压时也仍然很清晰。图是在荧光屏上观察到的射线在氢气中的路径。图中的虚线表示在相同条件下直射光的传播方向。从图中可见，在厘米范围内阴极射线几乎不偏离直线传播方向，只是在超过此长度后射线才明显变宽。但是，这个厘米的长度是自由程长度毫米的倍。由此可知，射线的量子在最初发生明显改向之前必须穿越个红分子。我们惊奇地看到，我们已超出了物质不可渗透性的古老的概念。在物质中每个原子都占据一个空间，这个空间对其他原子来说是不可渗透的“。但和电学的微小量子相比，所有类型的原子都是可渗透的结构，就像由极小的成分构成，当中有许多空隙。 原子的这些极小成分是什么？我们从质量与吸收成正比的定律已得出结论说，在所有的原子中这些成分都是相同的，只不过数量不同而已。我们现在可以进一步了解用阴极射线的电量子作为小的试验粒子，让它通过原子内部时向我们提供情况。在阴极射线穿过的过程中最明显的是偏离直射途径，这种现象我们已当作射线的扩散问题讨论过。就我们所知，只有电力和磁力才能使阴极射线发生偏转。假设原子内部有磁力，这意味着假设原子内有小电流，因而亦有电力。因此，我们应当把阴极射线在物质中的扩散看作是原子内部存在电力的一个证据。如果观察射线的偏转程度和射线通过的时间，我们可以估计这个力的大小。通过时间决定于量子的速度，当然也决定于原子的大小。如果我们用的是逐渐变慢的阴极射线，那么它的通过时间将变长，相应的扩散也会更厉害（。；，）。用这个方法我们发现原子内部的电场强度具有不寻常的数值，因为即使在最好的绝缘体中也没有足够大的电阻。与这个电场强度相比，即使在最强的电暴期间形成的电场也是微不足道的（）。镭原子的电力效应看来不是那么令人吃惊，使我们更吃惊的是我们周围的大多数原子表现得如此平静，只是在受到光电作用或其他类似的作用时才显示出它们内部贮存着某种力。 对阴极射线在各种物质中的扩散作进一步的定量研究，关于原子的电场的确切性质，有希望获得一些有价值的资料。目前我们必须转向在数值上比较容易确定的穿过原子期间发生的第二种现象。量子连续通过数以千计的原子后最后停在一个原子中，而且不立刻射出。这就是阴极射线的吸收。对这种效应在可以达到的全部速度范围内进行了定量测量，结果如（）。随着射线速度的减慢，吸收增大。这与扩散相同。可以预料，吸收也象扩散一样，是原子内部的电场力的效应，而且这种电场力集中在原子中的某些中心，在中心附近的场强比远处的要大，就象磁场的力线集中在两磁极附近那样。一个辐射量子通过中心是移动的场时，当它沿着自己的路径进入了场的足够强的范围内时，它就只能停止，否则它就要通过，而且在某种程度上发生偏转。原子的整个截面，即原子暴露在射线下的面积，由两部分组成：一个是吸收部分，另一个是穿透部分。根据我的测量，吸收部分（倾向于称为吸收截面）以平方厘米为单位。这就提供了一种量度比能使特定量子速度恰好停止的场强还大的那部分力场的大小的方法。量子的速度越小，起着吸收截面作用的那部分原子场越大。我发现，对于最慢的射线来说，吸收截面不但等于原子或分子的全部截面（由气体分子运动论可知），甚至还稍为大些。这直接证明了在原子和分子内部以及在它周围的一定范围内都存在着电场力。把分子外的这种电力等同于弹力、内聚力、粘滞力，简而言之，把它与早已知道的分子力等同起来的做法，可能是正确的，尽管人们没有立刻认识到这些力是具有电性质的。白则里（）关于原子的化学力是一种电性质的力的观点，现在有更多的根据了。进一步的继续研究有希望形成原子的电力场的概念，关于原子的化学性质将会有比原来以电荷表示的化学价的简单概念更为完整的图象。 与转到最低速度的情况同样有意思的是，转到最高速度的情况。随着射线速度的增加，吸收截面缩小，最后，是只有那些路径穿过接近力心的内场力强度的最高部分的量子，才停止运动。由于同样的原因，速度最快的射线也可解答下面的问题：力心是否有一个特殊的不可穿透的固有体积，或用通常的话来说，除力场外原子中是否还有其他某种东西使试验粒子弹回？用最快的射线作实验将会发生什么现象，可以用一个简单的例子来说明。让我们想象有一块一立方米的有重物质固体，譬如铂。在这块固体中，我们能找到的全部不可穿透的“真正的体积”最多只有一立方毫米。在这块物质中，除了这个针头大小的部分外，其余部分和天空一样是空的。但是，物质中的空间实际上竟被占满，这一点真是令人震惊！我们在被物质占有的空间中所发现的只是在以太中也能形成的力场。那么，从质量与阴极射线的吸收的关系来说，所有原子的基本成分究竟是什么呢？很清楚，所有的原子都一样，基本上是力场。因此，我把一切物质的这种基本成分称作“动力子”。因为原子是电中性的，所以基本成分“动力子”也应该认为是电中性的。因此，力场中心应该有相同数目的正电与负电。我们可以这样来表述：物质我们周围的一切有形的可称量的物质，是由相等数量的负电和正电组成。前面提到的由塞曼现象引起的发现，即光电效应和二次阴极辐射（我们现在就要讨论）表明，原子中的负电荷的确是与我们在阴极射线中发现的“量子”相同。研究工作者在各种不同情况下遇到过它们，把它们与物质分开。另一方面，原子中的正电荷是更特别的一些东西。正如前面已指出的，除了在原子中还未曾发现过它。从我们对于填得很满的空间的发现可知，对于负量子来说，不可穿透的。“真正体积”一定是超乎寻常的小。这和前面提到的考夫曼的实验是一致的。带正电的“真正体积”如果不是特别的小，应该也能被负量子完全穿透。 根据物质的这种结构，人们已注意到的在穿过原子过程中发生的第三个现象也可以毫无困难地被理解。由于作用在原子的其他负量子上的斥力，射线的量子将会造成原子内部的极大混乱，结果使本来属于原子的一个量子逸出）。这个过程称为“次阴极辐射”。我们让束初次阴极射线射进原子，由原子又射出两束：一束初次射线和一束次射线”。二次射线（包括光电效应产生的阴极射线）的速度非常低，即使初次射线速度很高也是如此。二次辐射的数量，即穿透期间原子发射的可能量子数目在初始速度等于给定的最佳值时最大；伦琴的意外发现对于赫兹和勒纳德发表的论阴极射线穿透力的论文，伦琴有自己的一些看法。他认为还有不少问题未得到解释。他决定对阴极射线进行进一步的研究。伦琴首先使用勒纳德管重新做了赫兹和勒纳德的实验。他用硬纸板和锡箔把放电管包起来，以排除放电管和外界的相互影响。发现当放电管的薄铝窗和涂有铂氰化钡的荧光屏很接近时，荧光屏上有荧光产生；当他改用克鲁克斯管重做这个实验时，也有荧光产生。这就证实了勒纳德的发现。1895年11月8日，当伦琴继续进行实验时，为了防止紫外线和可见光的影响，并不使管内的可见光线漏出管外，伦琴用黑硬纸板把放电管严密地套封起来，在接通电源后，他意外地发现不远处一块涂有钡铂氰化物的屏上发出了荧光。但伦琴的管子是被包在黑纸板内的，不可能有光或阴极射线从里面射出。房间是暗室，无一点亮光，屏上出现的荧光又来自何处呢？伦琴一切断电源，屏上的荧光就消失了，一接上电源，荧光就出现，这使伦琴大惑不解。伦琴把不远处的荧光板翻转，把没有涂上钡铂氰化物的一面朝向管子，管子接通电源后，屏上仍然有荧光，把屏移得稍远一些，屏上的荧光并不消失。这个新奇现象使伦琴确信，从放电管中发出的肯定不是阴极射线，因为勒纳德和他本人都已经通过实验证实，阴极射线只能在空气中行进几个厘米，绝不可能到达1米外的荧光屏处。还有，阴极射线也不具备穿透玻璃管的能力。伦琴继续进行他的观察。他在荧光屏与管子之间放上几样东西，竟然发现这几样东西好像是透明的物体。他又把自己的手伸到管子前面，屏上居然出现了他的手骨形象，这更令伦琴大吃一惊。他确信，他已经发现了一种新射线！但伦琴的性格稳重踏实，在没有对新发现进行最后确证之前，他是不会外泄消息的。此后的六个星期，伦琴把自己关在实验室里，仔细研究新射线的方方面面。比如他发现新射线可以穿透千页的书，二、三厘米的木板，15毫米厚的铝板，只有铅等少数物质对这种射线有较强的吸收能力。1895年12月22日，伦琴夫人来到实验室，伦琴就请他把手放在用黑纸包严的照相底片上，用这种新奇的射线拍下了伦琴夫人的手骨像，连手指上的结婚戒指都非常清晰。这就是科技史上十分有历史意义的一张照片。由于一时还搞不清楚这种新射线的本质，伦琴就把它称为“X射线”。X射线的发现轰动了世界1895年12月28日，伦琴将论一种新的射线为题的论文递交给了维尔茨堡物理学医学学会。论文一点也没有提及他最初的感觉和疑惑。伦琴在论文的开头这样平淡地写道：“如果我们用一具大型的鲁姆科夫（HDRuhmkorff）线圈通过希托夫射线管或任何有足够真空度的勒纳德管、克鲁克斯管或其它类似的管子来放电，再把管子用黑色薄硬纸板严密遮盖起来。在完