电子的发现.doc

电子的发现19世纪末，物理学处于革命的前夜，新的实验现象和成就不断出现。继德国物理学家伦琴发现X射线和法国物理学家贝克勒耳发现放射性后，英国物理学家汤姆逊（JJThomson，18561940）又于1897年发现了电子。电子的发现在物理学史上写下了极其光辉的一页，它被誉为二十世纪之交物理学的三大发现之一。1、汤姆逊的科学经历 JJ汤姆逊1856年12月18日出生于英国曼彻斯特郊区的契特海姆山村，14岁就进入曼彻斯特大学学习。当时的欧文斯学院开设了一些实验物理学方面的课程，就在这里汤姆逊开始接触到了物理学。1876年，汤姆逊获得剑桥大学三一学院的奖学金，进入三一学院学习数学。1880年，汤姆逊分获数学优等生学位考试第二名。取得数学学土学位后，由于进行实验研究，使他有机会到卡文迪什实验室去。1881年，三一学院给予汤姆逊研究员职位，1884年，汤姆逊当选为伦敦皇家学会会员。同年，汤姆逊当选为第三任卡文迪什教授。他的这一职务直到1919年由他的学生卢瑟福继承。1905年，汤姆逊被任命为英国皇家研究所的自然哲学教授，1906年获得诺贝尔物理学奖，1908年被封为爵士。1909年，汤姆逊任英国科学促进协会主席，1916年至1920年间任英国皇家学会主席。1918年国王任命汤姆逊为三一学院院长，直到1940年去世。汤姆逊的科学研究领域广泛，早年对原子结构发生兴趣，同时研究麦克斯韦的理论，以后又对气体放电现象进行实验研究，这一研究导致了电子的发现。电子的存在被证实之后，汤姆逊又一次研究原子的结构。2、关于阴极射线的争论 19世纪 70年代，人们对阴极射线的认识已经有很大的进步；但对阴极射线的认识并不一致，它们大致分为两种。1871年，英国物理学家瓦莱（GFVarley，18281883）依据射线在磁场中发生偏转的事实，他认为，射线由带负电的粒子构成。而哥尔德斯坦（LGoldstein，18501930）则认为，阴极射线与紫外线没什么区别，并把阴极射线看作是以太的某种作用。英国物理学家克鲁克斯（WCrookss，18321919）不同意哥尔德斯坦的观点，他倾向于瓦莱的观点。普吕克尔（JPlhcker，18011868）利用他制造的水银真空泵和真空度为万分之一个大气压的盖斯勒（Geissler）管，首先在低压气体放电实验方面取得进展。1858年，普吕克尔在实验中发现，在对着阴极的玻璃管壁上出现了绿色荧光。如果把磁铁放在放电管附近，荧光斑就随着磁铁的移动而改变位置。他认为荧光的出现是由于从阴极发出的电流所致。普吕克尔虽未对此现象命名，但应该说，这就是阴极射线的发现。 1869年，普吕克尔的学生希托夫（JHittorf，18241914）使用了斯普伦格式真空泵，将放电管的真空度提高到十万分之一个大气压。他把物体置于管内，且放在阴极和产生荧光的管壁之间，发现物体投射出阴影；又用弯成直角的放电管做实验，则荧光在拐角处发生。根据这两个现象，希托夫推测，从阴极发射出一种直线传播的射线，荧光是射线撞击管壁产生的。 1876年，哥尔茨坦（EGoldstein，18501930）用各种不同材料制成的、大小和形状各异的阴极进行实验。除了以上别人的结论外，他还证明了这种射线不依赖于阴极材料的性质，并且是从阴极垂直发出的。他把这种射线命名为“阴极射线”。1880年，他由放电管的气压推测管内残留气体分子的平均自由程为6mm。但暗区的长度为6cm，两相对比后可见，残留气体的分子不可能从阴极跑到远离它的另一端管壁上投下阴影。于是，他认为阴极射线与紫外线类似，也是电磁波，是以太的振动。应该说，这就是“以太振动说”的萌生。 1883年至 1891年，赫兹（HHertz，18571894）进行了若干实验。在用稳定高压进行的放电实验中，阴极射线不是脉动而是连续发生的。他认为，这正好说明阴极射线不是由粒子组成；他做了阴极射线能否被静电场偏转的实验，结果未观察到偏转现象，据此他认为阴极射线不带电；赫兹还进一步发现阴极射线能透过一些金属箔。以上性质跟光相类似，因此赫兹在1892年宣称阴极射线不可能是微粒而只可能是一种以太振动。 图8-6勒纳德的“铝窗”赫兹的学生勒纳德（PLenard，18621947）于1894年在放电管的玻璃壁上开了一个小窗口（如图1所示），用2.65m厚的铝箔盖在上面，这便是勒纳德窗（图中F），因而制成了勒纳德管。他发现阴极射线很容易穿过铝窗并且能在空气中行进几厘米。这简直可以和阳光透过玻璃相比拟。因为当时人们所熟知的任何物质微粒都不可能穿过铝箔而继续行进于空气中，所以勒纳德就更坚信阴极射线是电磁波了。就这样，这些德国的物理学家循着以上的实验轨迹形成了“以太振动说”。英国的一些物理学家对阴极射线的研究起步稍晚一些。1871年，瓦利（CFVarley，18281883）分析了阴极射线被磁场偏转的情况。首先提出阴极射线是带负电荷的微粒流的见解。这可认为是“负电微粒说”的始原。1879年，克鲁克斯（WCrookes 18321919）进一步改良了真空泵，把真空度提高到百万分之一个大气压，对阴极射线进行了更全面的实验。他除了注意到阴极射线的磁力偏转外，还研究了它的热效应，他发现阴极射线能把它行进中遇到的金属片打成白炽状态。另外，他还做了风轮实验，以证明射线可以传递动量。在特制的射线管里设置一水平的玻璃轨道，其上放有一个装有翼片的风轮，让射线照射在上方的翼片上，则风轮就滚动起来，就如同风吹转风车一样。克鲁克斯进一步认为阴极射线是带负电的分子流。他认为管内作无规则运动的残留气体的分子碰撞在阴极上，并取得负电荷，然后又被推斥开，沿着与阴极表面垂直的方向迅速飞离，这就形成了阴极射线。 汤姆逊在1894年用旋转镜实验测量阴极射线的速度，其结果为 1.9107ms，远小于光速。于是，他反对以太振动说，认为阴极射线不可能是电磁波而只能是微粒。但是，汤姆逊又认为这微粒不应该是分子。因为他估算过，如果按克鲁克斯的观点，则那些分子流作用在风轮上的力是极其微小的，它不可能引起风轮的快速滚动。汤姆逊把风轮快速滚动的原因解释为阴极的发射效应，到底这些发射出来的微粒是什么，有待于进一步研究。 图8-7佩兰测量阴极射线电荷的装置 1895年，法国物理学家佩兰（JBPerrin，18701942）做了测量阴极射线电荷的实验（如图2），以支持“负电微粒说”。他把电荷接收器（法拉第桶）放在放电管内正对着阴极的阳极区域，在管外联接电荷接收器的静电计上显示出实验结果阴极射线带负电。尽管这个实验支持了“负电微粒说”，然而持反对观点的人仍然会反驳，认为静电计所带的电荷并不一定是阴极射线本身，也许只是伴随着阴极射线而生的产物。汤姆逊也觉得这个实验有改进的必要，他说：“以太理论的支持者并不否认从阴极有带电粒子射出，但他们认为这些带电粒子与阴极射线之间的关系充其量就象从枪口飞出的子弹与开枪时的闪光一样。因此我以另一种方式重复了佩兰的实验，不给这种反对意见留下余地。” 汤姆逊把放电管和电荷接收器单独分开放置，用一个玻璃泡作为二者的联接区。阴极射线经阳极上的缝隙进入玻璃泡，在无磁场偏转的情况下，它是不能进入电荷接收器的。当用磁场来偏转阴极射线时，明显可见玻璃泡壁上的荧光斑有相应的移动。一旦磁场达到某一合适数值时，接收器接收到的负电荷猛增，“此电荷量之大令我惊异，竟会使1.5F电容器的电势差在一秒钟内改变了20V， 图8-8 JJ汤姆逊经改进重新设计的装置此实验表明，不管我们怎样用磁力扭曲和偏转阴极射线，负电荷总是和射线走同一条路，因此，这种负电性与阴极射线是牢不可分的”。反对“负电微粒说”的一个主要论据是一直没有观察到阴极射线会在电场作用下偏转。因此，汤姆逊特别重视做好这个实验。汤姆逊在重做这一实验时（如图3），起先也得到与赫兹同样的结果，但后来的实验表明，没有发生偏转是由于射线使管内的残留气体具有导电性所致。这个突破得益于他和他的学生卢瑟福对X射线电离作用机制的出色研究。汤姆逊确认，和X射线照射气体时所发生的情况一样，现在阴极射线是电离剂，它使管内残留气体的分子电离，在放入管中的两金属极板间形成电流，结果是在两金属极板上形成相反电荷的覆盖层，破坏了原来两极板间的电场，阴极射线当然就不会偏转了。事实果真如此，汤姆逊在实验中提高了管子的真空度，发现只加2V的电势差就可以使阴极射线弯曲。汤姆逊通过上述成功的实验，以无可辩驳的事实结束了这场关于阴极射线实质的旷日持久的争论。 3、电子的发现 汤姆逊首先使用的是“磁场偏转和热效应法”。这个方法的大体思路如下：设想一束均匀的阴极射线，在一定时间内穿过某一截面的粒子数为N，而每个射线粒子的质量为m，所带的电量为e，运动速度为V。这些粒子运载的总电量为： ，它们的动能为： 如果观察射线在均匀磁场B中的偏转，其轨迹的半径为，则有 由以上三个方程即可得：，其中Q是利用与电荷收集器相联接的静电计测出的。W的测量根据是射线的热效应。让这些粒子撞击行进中遇到的固体，则固体变热。根据已知的固体的热容量，再测出其温度升高，就可算出热量。可以十分合理地设想这些热量完全是由动能W转变而来的测出射线的磁偏转半径，就可算出射线粒子的m/e值。 汤姆逊把各种不同的气体充入管内，并以多种不同的金属材料作阴极，所得的m/e大致相同。由此，他悟出一个非常重要的结论：听有这些情况下的阴极射线都是由同样的带电粒子组成的他还说：“从以上的测量可以看出，m/e值与气体的性质无关，数值大约为107，比过去我们所知的最小的m/e值104小得多，这是从电解中得到的氢离子的m/e值。m/e值小的缘故可能是m小，也可能是e大，或两者兼而有之”。图8-9为JJ汤姆逊在卡文迪许实验室 汤姆逊敏锐而果断地选择了第一种可能，即m小。这是基于以下三点考虑：第一，在勒纳德的实验中，阴极射线能轻易透出薄铝窗并在空气中行进一段距离。既然已确认分子和原子不可能这样，而汤姆逊又主张射线的粒子性，那么阴极射线粒子必定比分子和原子小得多。另外，他还仔细推断了射线粒子的平均自由程，与射线在空气中行进的距离差不多，但它却远远大于气体分子的平均自由程。足见射线粒子比普通分子小得多。第二，汤姆逊在测量m/e的实验中，已明显得知m/e的值与气体的种类、阴极金属的种类都无关，这就充分说明射线粒子是所有物质共有的组成部分，这就意味着它比分子和原子都要小。第三，当初，荷兰物理学家洛仑兹作为理论上的假设，引入了分子或原子内具有带电粒子的见解，哲学杂志（Philomphical Migazine）于 1897年3月译载了报道塞曼效应发现的论文，该文中所讲的分子或原子内带电粒子的m/e值和汤姆逊针对阴极射线所求得的值大体一致，这引起了汤姆逊的注意，因为这是一个极有说服力的旁证。1897年4月 30日，汤姆逊在英国皇家学会所作的演讲中，首次阐述了阴极射线是由比原子小得多的带电粒子构成的观点。他把这种带电粒子称为“微粒”（corpuscle）。1897年8月初，汤姆逊把这些结论汇总在以“阴极射线”为题的论文中，这篇论文在同年10月公开发表。到此，只能在某种意义上说，发现了这种“微粒”。因为实验只测得m/e，而不是单独的e和m，所以这种发现仅是个推论。要做到真正的发现，还需要有更直接的证据，即测出单独的e和m。汤姆逊转而测量“微粒”的电荷，但立刻就意识到直接测量是很困难的。于是，他把注意力移向光电效应，以期取得进展。他的实验分两步走。首先，他凭借物理的直觉，猜想光电效应中放出的光电粒子跟阴极射线粒子是同一种粒子。1899年，汤姆逊为此做了判别性实验。他用磁场偏转法测出光电粒子的荷质比，结果跟阴极射线粒子的e/m很相近，从而证明了自己的猜想是正确的。 实验的第二步是利用测量气体离子电荷的方法测出光电粒子电荷的大小，其结果是与氢离子电荷有相同数量级。至此，问题已非常明朗了。因为氢原子是最小的原子，“这显然证明了微粒的质量比原子小得多，也可以说它是原子的碎片”。紧接着，