湯姆生與電子的發(fā)現(xiàn)

1、湯姆生與電子的發(fā)現(xiàn)1 了 h mil SO IILE馬6【941897年，電子的發(fā)現(xiàn)最先敲開了通向基本粒子物理學(xué)的大門，它宣告了原子是由更基本的粒子組成的，并預(yù)告著物理學(xué)新時(shí)期的即將到來.大家知道，電子是在它被發(fā)現(xiàn)之前命名的在19世紀(jì)中期已有人提出了電 子理論，但當(dāng)時(shí)并沒有引起人們的廣泛重視，直到1896年洛倫茲的電子理論解釋了塞曼效應(yīng)，尤其是 1897年湯姆生(J.J.Thomson ,1856 1940)在他那有名的實(shí)驗(yàn)中，測(cè)定了陰極射線的電荷與質(zhì)量的比值 e/m(后來稱做電子的“荷質(zhì)比”)，并通過在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的電磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)和威爾孫云室的軌跡觀察，最終確認(rèn)了電子，從而使電子理論在

2、物理學(xué)界引起了人們極大的重視，并為現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展起了重大的促進(jìn)作用.電子的發(fā)現(xiàn)與湯姆生的名字是緊緊 聯(lián)系在一起的今年是湯姆生發(fā)現(xiàn)電子100周年，僅以此文表示紀(jì)念、湯姆生的生平簡介 湯姆生 1856 年 12 月 18 日出生在英國的曼徹斯特市郊，他的父親是一 個(gè)圖書銷售和出版商 . 由于職業(yè)的關(guān)系，他父親結(jié)識(shí)了曼徹斯特大學(xué)的 一些教授，這使湯姆生從小就受到科學(xué)家的影響， 并養(yǎng)成了勤奮好學(xué)的 習(xí)慣. 經(jīng)過努力，湯姆生 14 歲時(shí)就進(jìn)入曼徹斯特的歐文斯學(xué)院學(xué)習(xí) . 不 幸的是，在他 16 歲的時(shí)候，他的父親去逝了，這給他家的經(jīng)濟(jì)生活帶 來了很大的困難，但他對(duì)學(xué)習(xí)仍不放松 . 在歐文斯學(xué)院教師雷諾

3、茲的指 導(dǎo)下，加上他自己的刻苦鉆研，學(xué)業(yè)有了很快提高 .湯姆生最初的志向是成為一名工程師，但這個(gè)愿望隨著他父親的去逝， 變得不再可能 . 因?yàn)槟菚r(shí)候，想成為一名工程師，必須先與某一個(gè)工程 公司建立一種關(guān)系，并要付出一筆豐厚的中介資金 . 由于湯姆生家里沒 有足夠的錢供給他，所以他不得不放棄當(dāng)工程師的愿望. 然而，湯姆生在歐文斯學(xué)院 3 年的學(xué)習(xí)期間，數(shù)學(xué)成績極為出色，在雷諾茲老師的教 導(dǎo)下，養(yǎng)成了“寧可獨(dú)立思考也不查閱文獻(xiàn)”的研究新問題的習(xí)慣 . 后 來，他又轉(zhuǎn)到劍橋大學(xué)的三一學(xué)院學(xué)習(xí)， 24 歲時(shí)獲得了學(xué)士學(xué)位 . 由于 他學(xué)業(yè)成績優(yōu)異， 特別是數(shù)學(xué)成績名列第二名，從而成為第二個(gè)獲得斯 密斯

4、獎(jiǎng)學(xué)金的人 . 在他拿到數(shù)學(xué)學(xué)位之后，進(jìn)入由瑞利教授領(lǐng)導(dǎo)的卡文 迪許實(shí)驗(yàn)室工作 . 從此便開始了他一生勤奮努力的科研生涯，并在后來 的科學(xué)研究中取得了很大的成就 . 他的第一篇重要論文是關(guān)于麥克斯韋 電磁理論在帶電球體的運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用 . 文中指出，帶電球可以具有電荷 產(chǎn)生的表現(xiàn)附加質(zhì)量，其大小與靜電能量成正比， 這是朝向愛因斯坦著 名的質(zhì)能等價(jià)定律邁出的第一步 .此后，他的研究成果不斷問世 .在 1883 年至 1936 年間，他發(fā)表了大量的科學(xué)論文、 著作，其中包括 1884 年發(fā) 表的論渦旋的運(yùn)動(dòng) （渦旋的理論文章不僅使他得到獎(jiǎng)金，而且導(dǎo)致 他開始進(jìn)行氣體放電的實(shí)驗(yàn)研究工作） 、1892

5、年發(fā)表的電學(xué)與磁學(xué)的 新近研究、 1897 年發(fā)表的氣體的放電、 1927 年發(fā)表的化學(xué)中 的電子、 1936年發(fā)表的重集合與反射等 .而 1897年的氣體的放 電是他最重要的著作之一，他在實(shí)驗(yàn)中，通過大量對(duì)陰極射線的實(shí)驗(yàn) 研究，測(cè)定了電子的荷質(zhì)比，從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了電子的存在。后來他又發(fā) 現(xiàn)了電子的許多性質(zhì)， 指出電子像氣體中的導(dǎo)電體， 又像原子中的組分 . 他同阿斯頓合作， 找到了有力的證據(jù)， 證明元素氣體氖至少有兩種不同 重量的原子 .1912 年，他通過對(duì)某些元素的相隧射線的研究，指出了同 位素的存在 . 由于他在氣體放電理論和實(shí)驗(yàn)研究方面所做出的巨大貢 獻(xiàn)，獲得了 1906 年度的諾貝爾

6、物理學(xué)獎(jiǎng)，并作了題為負(fù)電的載流子 的獲獎(jiǎng)演說 . 他被科學(xué)界譽(yù)為“一位最先打開通向基本粒子物理學(xué)大門 的偉人” . 此外，由于湯姆生的非凡能力和科學(xué)貢獻(xiàn)，他一生中擔(dān)任過 許多重要職務(wù)并獲得許多榮譽(yù) .早在 1884年他就接替瑞利擔(dān)任了卡文迪 許實(shí)驗(yàn)室教授（即實(shí)驗(yàn)室主任）； 1905 年至 1918 年，他在“大不列顛 皇家研究院”擔(dān)任自然哲學(xué)教授， 1908 年被封為勛爵， 1909 年被選 為大不列顛協(xié)會(huì)會(huì)長， 1912年獲得梅里特勛章， 1916年至 1920年被選 為皇家學(xué)會(huì)會(huì)長， 1918 年以后，成為劍橋大學(xué)三一學(xué)院院長并辭去卡文 迪許實(shí)驗(yàn)室教授職務(wù)，擔(dān)任榮譽(yù)教授，繼續(xù)在卡文迪許實(shí)驗(yàn)

7、室工作，并 指導(dǎo)青年研究生，直至 1940年 8月 30日逝世.湯姆生既是一位理論物理學(xué)家，又是一位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他一生所做過 的實(shí)驗(yàn)是無法計(jì)算的 . 他一生的科研成就與他的重實(shí)驗(yàn)、講理論、強(qiáng)調(diào) 理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合是分不開的 . 他不僅是位科學(xué)巨匠，還是一位優(yōu)秀的 導(dǎo)師. 他在擔(dān)任卡文迪許實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授及實(shí)驗(yàn)室主任的34 年間，培養(yǎng)出了眾多的青年科學(xué)家 . 他對(duì)學(xué)生要求非常嚴(yán)格， 要求他們?cè)谘芯恐埃?必須學(xué)習(xí)好所需要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和有關(guān)理論； 進(jìn)行研究所用的儀器必須自 己動(dòng)手制作，開動(dòng)腦筋 . 他認(rèn)為大學(xué)應(yīng)是培養(yǎng)會(huì)思考、有獨(dú)立工作能力 人才的場(chǎng)所，而不是用“現(xiàn)成的機(jī)器”制造出“死的成品”的工廠 .

8、 他 要求學(xué)生不僅是實(shí)驗(yàn)的觀察者，更是實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者 . 他的教育方法是成 功的，在他的學(xué)生中，有九位獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，更多的成了世界各地的 科學(xué)帶頭人 .湯姆生是一位同時(shí)在科學(xué)研究、科學(xué)教育領(lǐng)域里做出巨大貢獻(xiàn)的偉人 . 然而，他的成就來源于什么呢？他的兒子G- P 湯姆生（1937年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）在他父親百年誕辰紀(jì)念大會(huì)上作出了精辟的回答： 創(chuàng)造力和熱情 . 湯姆生在科學(xué)研究和科學(xué)教育中的極大創(chuàng)造力和極端熱 情，使他獲取了巨大的成功，并揚(yáng)名于世 . 由于他崇高的聲譽(yù)，在他逝 世后，骨灰被安葬在英國西敏寺的中央，與牛頓、達(dá)爾文、開爾文等偉 大科學(xué)家的骨灰安放在一起 .二、電子的發(fā)現(xiàn)1858

9、 年“陰極射線”被發(fā)現(xiàn)，它是由什么組成的，一直眾說紛紜，并引 起了一場(chǎng)英、法、德科學(xué)家的大爭論 . 由德國一些物理學(xué)家組成的論戰(zhàn)一方主張，陰極射線是以太的特殊振動(dòng)；由英國、法國一些物理學(xué)家組 成的論戰(zhàn)另一方認(rèn)為，陰極射線是帶負(fù)電的粒子流問題一直得不到公認(rèn).本來，克魯克斯在1879年的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)就足以證明粒子論者的觀點(diǎn)是 正確的，但由于當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為原子不可再分，因而不能解釋勒納德在 1893年將“陰極射線”引出陰極管外的現(xiàn)象，致使論戰(zhàn)截至倫琴射線發(fā) 現(xiàn)時(shí)還未結(jié)束.到1897年，湯姆生走上了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的舞臺(tái)，他用不同的方法測(cè)定了陰極射線粒子的荷質(zhì)比，證明它們是一種更基本的粒子，導(dǎo) 致了電子的發(fā)現(xiàn)，以致

10、真相大白.早在1881年，亥姆霍茲在倫敦發(fā)表“法拉第講演”時(shí)，“電原子”概 念就開始進(jìn)入了法拉第的電解定律.利用這個(gè)定律來測(cè)量離子的荷質(zhì)比 變得方便起來了 .人們特別感興趣的是法拉第常數(shù) F,因?yàn)樗硎玖擞枚?少電量來析出1克當(dāng)量元素.對(duì)于一價(jià)氫離子，這正好是它的荷質(zhì)比. 我們現(xiàn)在知道，F(xiàn)=9649.4庫/克當(dāng)量.對(duì)于氫元素，1克當(dāng)量等于1,而 它的質(zhì)量為NM它的正離子所帶電量為 Ne, N表示洛喜米德常數(shù).所以這就是氫離子的荷質(zhì)比而對(duì)于陰極射線中電粒子荷質(zhì)比的測(cè)定,就不可能再用電解定律，得尋找新的方法.英籍德國物理學(xué)家蘇斯特在1890年最先用磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)陰極射線的方法測(cè)得電子的荷質(zhì)比是氫離子的5

11、00倍，雖然不太精確，但卻指明了方向.直到1897年湯姆生才知道蘇斯特的工作， 從此開始了他一系列陰極射線實(shí)驗(yàn)中最重要的一步一一對(duì)陰極射線荷質(zhì)比的測(cè)量，并于 1897年4月30日在英國倫敦皇家學(xué)院的“星期五晚會(huì)”上以陰極射 線為題作了研究報(bào)告，宣布他測(cè)定了陰極射線的荷質(zhì)比，并作出重要 結(jié)論：陰極射線是由比氫原子小得多的帶電粒子所組成隨后在哲學(xué)雜志上發(fā)表了長篇論文，系統(tǒng)地闡述了他采用的兩種實(shí)驗(yàn)方法和得到 的結(jié)果湯姆生的實(shí)驗(yàn)是采用磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)法， 分幾步進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1所 示.左邊是一個(gè)陰極射線管，電子束由陽極的小孔穿出，向右運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入磁場(chǎng).磁場(chǎng)方向由紙內(nèi)指向紙外.電子束被偏轉(zhuǎn)向上，打在玻璃管

12、壁 上，激發(fā)出熒光.我們根據(jù)熒光點(diǎn)位置可以算出電子束的曲率半徑p.玻璃管右端裝有一對(duì)同心開孔圓筒，內(nèi)筒接靜電計(jì)，用以測(cè)量收集到的電量.實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到一定階段，將一接有電流表的熱電偶插入內(nèi)筒，由此測(cè) 量電子的能量.實(shí)驗(yàn)分三步進(jìn)行：第一步測(cè)量電量.此時(shí)不加磁場(chǎng)和熱電 偶，以便讓電子直接打在內(nèi)筒上.取一時(shí)間間隔（如兩秒），讀出靜電 計(jì)的指示數(shù)值，得到電量Q二ne（n表示這段時(shí)間內(nèi)到達(dá)內(nèi)筒的電子數(shù)）； 第二步將熱電偶插入內(nèi)筒，使之正好擋住它的窗口，經(jīng)同樣時(shí)間（兩秒） 后讀電流計(jì)，得到溫升值，進(jìn)而根據(jù)熱電偶比熱換算出它所獲得的熱量，再利用熱功當(dāng)量換算岀電子傳給熱電偶的動(dòng)Mw二卜m必第三步是測(cè)量電子在磁場(chǎng)中軌

13、跡的曲率半徑，為了直觀起見，作磁場(chǎng)部分的示意圖如圖2所示一由圖可知，電子軌跡曲徑2x）= - + r.此外r表示玻璃管半徑，d的長度為由電子出射口到它所激發(fā)的熒光點(diǎn) 的水平距離.這樣就能代入關(guān)系式P=mZeH （H表示磁場(chǎng)強(qiáng)度）.湯姆生根據(jù)上述幾種關(guān)系推出：/ _ 2W _ 2W石 QH廿，7 Q印根據(jù)所獲得的 W Q H和p的數(shù)據(jù)，可以算出電子的荷質(zhì)比 e /m在1 X 1073.1 X 107之間，電子速度在2.3 X 1044.4 X 104km/s.可見，湯 姆生的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電子的荷質(zhì)比近似等于氫離子的荷質(zhì)比的 10003000倍.鑒于這種情況，他猜測(cè)有兩種可能，一是電子的電荷是

14、 氫離子電荷的數(shù)千倍；二是電子的質(zhì)量只是氫離子質(zhì)量的幾千分之一.這時(shí)他無法肯定哪種猜測(cè)正確.然而，湯姆生覺得這次實(shí)驗(yàn)誤差太大， 他感到最困難的是這種方法牽涉測(cè)量的量太多，每一個(gè)量都會(huì)給結(jié)果造 成一定的誤差，有的還是很嚴(yán)重的，如電量的測(cè)量和電子束能量的測(cè)量 就是這樣為了提高精度，僅改變實(shí)驗(yàn)程序和提高技術(shù)是不夠的，還要 從根本上改變實(shí)驗(yàn)方法于是他就改用電場(chǎng)和磁場(chǎng)平衡的方法進(jìn)行第二 次實(shí)驗(yàn) 二湯姆生第二個(gè)實(shí)驗(yàn)的裝置如圖 3所示.在他的陰極射線管中有一對(duì)金屬 板，接電池產(chǎn)生靜電場(chǎng)；還有一對(duì)線圈，用來產(chǎn)生靜磁場(chǎng)，靜電場(chǎng)和靜 磁場(chǎng)覆蓋同樣長的距離L.調(diào)節(jié)電場(chǎng)和磁場(chǎng)大小，以保證從陽極孔筒射出 的電子束在通過

15、金屬板時(shí)不偏轉(zhuǎn) （實(shí)際是電場(chǎng)使電子束向下偏轉(zhuǎn)， 而磁 場(chǎng)使電子束向上偏轉(zhuǎn)，兩個(gè)偏轉(zhuǎn)力相等而相消）他推出兩個(gè)關(guān)系：這樣就可以根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度算出電子速度；再根據(jù)長度L和電子束只在電場(chǎng)作用下的偏轉(zhuǎn)方向的角度B就能算出電子荷質(zhì)比.B的測(cè)量和計(jì)算是這樣進(jìn)行的：撤消磁場(chǎng)，保持電場(chǎng)強(qiáng)度不變，通過電子束打 在熒光屏上的亮點(diǎn)的位置測(cè)量出橫向偏轉(zhuǎn)距離，再根據(jù)由金屬板有端到熒光屏的距離算出B值.湯姆生先后利用空氣、氫氣和二氧化碳作真空 管的剩余氣體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果與管中剩余氣體的種類無關(guān)他 所測(cè)得的電子束的速度達(dá)光速的 7.3 %12%，電子的質(zhì)荷比me是氫離子的質(zhì)荷比的1%。1.5 %。.可見，數(shù)量

16、級(jí)的關(guān)系基本正確，但結(jié)果 不夠精確更讓湯姆生不解的是，測(cè)量數(shù)據(jù)中當(dāng)電子速度大到3.6 X109cm/s的情況下，電子的質(zhì)荷比反而小.這一點(diǎn)直到愛因斯坦在1905 年提出狹義相對(duì)論后，他才得知質(zhì)量與速度的關(guān)系.然而，湯姆生在做完這個(gè)實(shí)驗(yàn)后仍然不能得知究竟是什么原因造成陰極射線電粒子的質(zhì) 荷比與氫離子的質(zhì)荷比相差1000倍的原因.他在論文中寫到：“陰極射 線的載荷子比起電解的氫離子，其牛值要小得多一斗值水的緣故可能是m小，也可能是e大，或兩者兼而有之.我想，陰極射線的載荷 子要比普通的分子小，這可從勒納德的結(jié)果看出.在一般大氣壓的空氣中，（陰極射線穿過的）距離約為半厘米，這必定與大氣壓力下載 荷子

17、的平均自由路程是可比較的.但是空氣分子的平均自由路程則是數(shù) 量級(jí)與之相差很大的一個(gè)量.由此可見，載荷子必定比普通分子小得多” 不過湯姆生很快通過實(shí)驗(yàn)和研究認(rèn)識(shí)到電子質(zhì)荷比小的原因不在于它 所帶電量大，而在于它的質(zhì)量小.他用不同的金屬材料做陰極，所測(cè)得 的質(zhì)荷比相差甚微.他由此判斷，不論什么樣的陰極材料所發(fā)射的帶電 粒子均與材料的元素性質(zhì)無關(guān)，它們很可能是組成各類元素原子的一種 更深層次的粒子.他在這里第一次突破了克魯克斯關(guān)于陰極射線是由陰 極材料發(fā)射出的同類帶電原子的思想局限在湯姆生從陰極射線的荷質(zhì)比發(fā)現(xiàn)電子以后，為了進(jìn)一步確證電子存在的普遍性，他廣泛研究了各種現(xiàn)象，其中包括光電效應(yīng)和愛迪生效

18、應(yīng)早在1887年光電效應(yīng)就被赫茲發(fā)現(xiàn)了 .1899年，湯姆生運(yùn)用了一個(gè)巧 妙的方法未測(cè)由光電效應(yīng)產(chǎn)生的帶電粒子的士他用一整m塊鋅板作光陰極，正極板與之平行，相距約1cm.紫外光照射在鋅板上，發(fā)射出光電子，經(jīng)電場(chǎng)加速，向正極板運(yùn)動(dòng).整個(gè)裝置處于磁場(chǎng)之中，在磁場(chǎng)的作用下光電子做圓弧運(yùn)動(dòng).只要磁場(chǎng)足夠強(qiáng)，光電子必將返回 陰極，而使極間電流降為零.湯姆生根據(jù)電壓、磁場(chǎng)和極間距離，計(jì)算 得出 0.76XW7CGSM/s也與陰極射線的纟相址 從而mm證明卩射線和光電流都是電子組成的.此后，湯姆生再用同樣的方法測(cè) 量熾熱金屬發(fā)出的帶電粒子，得到的荷質(zhì)比也是一樣的.1884年，愛迪生在研究白熾燈泡時(shí)，發(fā)現(xiàn)燈泡里的白熾碳絲會(huì)發(fā)出負(fù)電，這就是愛迪生效應(yīng).但這一負(fù)電的本質(zhì)一直沒有搞清楚，從荷質(zhì)比的一