1、湯姆生與電子的發現 1 w.w.w.k.s.5.u.c.o.m897年，電子的發現最先敲開了通向基本粒子物理學的大門，它宣告了原子是由更基本的粒子組成的，并預告著物理學新時期的即將到來.大家知道，電子是在它被發現之前命名的.在19世紀中期已有人提出了電子理論，但當時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，尤其是1897年湯姆生（J.J.Thomson，18561940）在他那有名的實驗中，測定了陰極射線的電荷與質量的比值em（后來稱做電子的“荷質比”），并通過在卡文迪許實驗室進行的電磁場偏轉實驗和威爾孫云室的軌跡觀察，最終確認了電子，從而使電子理論在物理學界引起

2、了人們極大的重視，并為現代物理學的發展起了重大的促進作用.電子的發現與湯姆生的名字是緊緊聯系在一起的.今年是湯姆生發現電子100周年，僅以此文表示紀念.一、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，他的父親是一個圖書銷售和出版商.由于職業的關系，他父親結識了曼徹斯特大學的一些教授，這使湯姆生從小就受到科學家的影響，并養成了勤奮好學的習慣.經過努力，湯姆生14歲時就進入曼徹斯特的歐文斯學院學習.不幸的是，在他16歲的時候，他的父親去逝了，這給他家的經濟生活帶來了很大的困難，但他對學習仍不放松.在歐文斯學院教師雷諾茲的指導下，加上他自己的刻苦鉆研，學業有了很快提高.湯姆

3、生最初的志向是成為一名工程師，但這個愿望隨著他父親的去逝，變得不再可能.因為那時候，想成為一名工程師，必須先與某一個工程公司建立一種關系，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工程師的愿望.然而，湯姆生在歐文斯學院3年的學習期間，數學成績極為出色，在雷諾茲老師的教導下，養成了“寧可獨立思考也不查閱文獻”的研究新問題的習慣.后來，他又轉到劍橋大學的三一學院學習，24歲時獲得了學w.w.w.k.s.5.u.c.o.m士學位。由于他學業成績優異，特別是數學成績名列第二名，從而成為第二個獲得斯密斯獎學金的人。在他拿到數學學位之后，進入由瑞利教授領導的卡文迪許實

4、驗室工作.從此便開始了他一生勤奮努力的科研生涯，并在后來的科學研究中取得了很大的成就.他的第一篇重要論文是關于麥克斯韋電磁理論在帶電球體的運動中的應用.文中指出，帶電球可以具有電荷產生的表現附加質量，其大小與靜電能量成正比，這是朝向愛因斯坦著名的質能等價定律邁出的第一步.此后，他的研究成果不斷問世.在1883年至1936年間，他發表了大量的科學論文、著作，其中包括 1884年發表的論渦旋的運動（渦旋的理論文章不僅使他得到獎金，而且導致他開始進行氣體放電的實驗研究工作）、1892年發表的電學與磁學的新近研究、1897年發表的氣體的放電、1927年發表的化學中的電子、1936年發表的重集合與反射等

5、.而1897年的氣體的放電是他最重要的著作之一，他在實驗中，通過大量對陰極射線的實驗研究，測定了電子的荷質比，從實驗上發現了電子的存在。后來他又發現了電子的許多性質，指出電子像氣體中的導電體，又像原子中的組分.他同阿斯頓合作，找到了有力的證據，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驗研究方面所做出的巨大貢獻，獲得了1906年度的諾貝爾物理學獎，并作了題為負電的載流子的獲獎演說.他被科學界譽為“一位最先打開通向基本粒子物理學大門的偉人”。此外，由于湯姆生的非凡能力和科學貢獻，他一生中擔任過許多重要職務并獲

6、得許多榮譽.早在1884年他就接替瑞利擔任了卡文迪許實驗室教授（即實驗室主任）；1905年至1918年，他在“大不列顛皇家研究院”擔任自然哲學教授， 1908年被封為勛爵， 1909年被選為大不列顛協會會長，1912年獲得梅里特勛章，1916年至1920年被選為皇家學會會長，1918年以后，成為劍橋大學三一學院院長并辭去卡文迪許實驗室教授職務，擔任榮譽教授，繼續在卡文迪許實驗室工作，并指導青年研究生，直至1940年8月30日逝世.湯姆生既是一位理論物理學家，又是一位實驗物理學家，他一生所做過的實驗是無法計算的.他一生的科研成就與他的重實驗、講理論、強調理論與實驗相結合是分不開的.他不僅是位科學

7、巨匠，還是一位優秀的導師.他在擔任卡文迪許實驗物理學教授及實驗室主任的34年間，培養出了眾多的青年科學家.他對學生要求非常嚴格，要求他們在研究之前，必須學習好所需要的實驗技術和有關理論；進行研究所用的儀器必須自己動手制作，開動腦筋.他認為大學應是培養會思考、有獨立工作能力人才的場所，而不是用“現成的機器”制造出“死的成品”的工廠.他要求學生不僅是實驗的觀察者，更是實驗的設計者.他的教育方法是成功的，在他的學生中，有九位獲得了諾貝爾獎，更多的成了世界各地的科學帶頭人.湯姆生是一位同時在科學研究、科學教育領域里做出巨大貢獻的偉人.然而，他的成就來源于什么呢？他的兒子G·P·湯姆

8、生（1937年諾貝爾物理學獎獲得者）在他父親百年誕辰紀念大會上作出了精辟的回答：創造力和熱情.湯姆生在科學研究和科學教育中的極大創造力和極端熱情，使他獲取了巨大的成功，并揚名于世.由于他崇高的聲譽，在他逝世后，骨灰被安葬在英國西敏寺的中央，與牛頓、達爾文、開爾文等偉大科學家的骨灰安放在一起.二、電子的發現w.w.w.k.s.5.u.c.o.m 1858年“陰極射線”被發現，它是由什么組成的，一直眾說紛紜，并引起了一場英、法、德科學家的大爭論.由德國一些物理學家組成的論戰一方主張，陰極射線是以太的特殊振動；由英國、法國一些物理學家組成的論戰另一方認為，陰極射線是帶負電的粒子流.問題一直得不到公認

9、.本來，克魯克斯在1879年的幾個實驗就足以證明粒子論者的觀點是正確的，但由于當時普遍認為原子不可再分，因而不能解釋勒納德在1893年將“陰極射線”引出陰極管外的現象，致使論戰截至倫琴射線發現時還未結束.到1897年，湯姆生走上了科學實驗的舞臺，他用不同的方法測定了陰極射線粒子的荷質比，證明它們是一種更基本的粒子，導致了電子的發現，以致真相大白.早在1881年，亥姆霍茲在倫敦發表“法拉第講演”時，“電原子”概念就開始進入了法拉第的電解定律.利用這個定律來測量離子的荷質比變得方便起來了.人們特別感興趣的是法拉第常數F，因為它表示了用多少電量來析出1克當量元素. 對于一價氫離子，這正好是它的荷質比

10、.我們現在知道，F=9649.4庫克當量.對于氫元素，1克當量等于1，而它的質量為NM，它的正離子所帶電量為Ne，N表示洛喜米德常數。所以這就是氫離子的荷質比。而對于陰極射線中電粒子荷質比的測定，就不可能再用電解定律，得尋找新的方法.英籍德國物理學家蘇斯特在1890年最先用磁場偏轉陰極射線的方法測得電子的荷質比是氫離子的500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驗中最重要的一步對陰極射線荷質比的測量，并于1897年4月30日在英國倫敦皇家學院的“星期五晚會”上以陰極射線為題作了研究報告，宣布他測定了陰極射線的荷質比，并作出重要結

11、論：陰極射線是由比氫原子小得多的帶電粒子所組成.隨后在哲學雜志上發表了長篇論文，系統地闡述了他采用的兩種實驗方法和得到的結果。湯姆生的實驗是采用磁場偏轉法，分幾步進行的，實驗原理圖如圖1所示.左邊是一個陰極射線管，電子束由陽極的小孔穿出，向右運動，進入磁場.磁場方向由紙內指向紙外.電子束被偏轉向上，打在玻璃管壁上，激發出熒光.我們根據熒光點位置可以算出電子束的曲率半徑p.玻璃管右端裝有一對同心開孔圓筒，內筒接靜電計，用以測量收集到的電量.實驗進行到一定階段，w.w.w.k.s.5.u.c.o.m將一接有電流表的熱電偶插入內筒，由此測量電子的能量.實驗分三步進行：第一步測量電量.此時不加磁場和熱

12、電偶，以便讓電子直接打在內筒上.取一時間間隔（如兩秒），讀出靜電計的指示數值，得到電量Q=ne（n表示這段時間內到達內筒的電子數）；第二步將熱電偶插入內筒，使之正好擋住它的窗口，經同樣時間（兩秒）后讀電流計，得到溫升值，進而根據熱電偶比熱換算出它所獲得的熱量，第三步是測量電子在磁場中軌跡的曲率半徑，為了直觀起見，作磁場部此外r表示玻璃管半徑，d的長度為由電子出射口到它所激發的熒光點的水平距離.這樣就能代入關系式P=mveH（H表示磁場強度）.湯姆生根據上述幾種關系推出：根據所獲得的W、Q、H和p的數據，可以算出電子的荷質比 em在1×1073.1×107之間，電子速度在2.

13、3×1044.4×104kms.可見，湯姆生的第一個實驗測得的電子的荷質比近似等于氫離子的荷質比的10003000倍.鑒于這種情況，他猜測有兩種可能，一是電子的電荷是氫離子電荷的數千倍；二是電子的質量只是氫離子質量的幾千分之一.這時他無法肯定哪種猜測正確.然而，湯姆生覺得這次實驗誤差太大，他感到最困難的是這種方法牽涉測量的量太多，每一個量都會給結果造成一定的誤差，有的還是很嚴重的，如電量的測量和電子束能量的測量就是這樣.為了提高精度，僅改變實驗程序和提高技術是不夠的，還要從根本上改變實驗方法.于是他就改用電場和磁場平衡的方法進行第二次實驗.w.w.w.k.s.5.u.c.o

14、.m湯姆生第二個實驗的裝置如圖3所示.在他的陰極射線管中有一對金屬板，接電池產生靜電場；還有一對線圈，用來產生靜磁場，靜電場和靜磁場覆蓋同樣長的距離L.調節電場和磁場大小，以保證從陽極孔筒射出的電子束在通過金屬板時不偏轉（實際是電場使電子束向下偏轉，而磁場使電子束向上偏轉，兩個偏轉力相等而相消）.他推出兩個關系：這樣就可以根據電場強度和磁場強度算出電子速度；再根據長度L和電子束只在電場作用下的偏轉方向的角度就能算出電子荷質比.的測量和計算是這樣進行的：撤消磁場，保持電場強度不變，通過電子束打在熒光屏上的亮點的位置測量出橫向偏轉距離，再根據由金屬板有端到熒光屏的距離算出值.湯姆生先后利用空氣、氫

15、氣和二氧化碳作真空管的剩余氣體進行實驗，發現測量結果與管中剩余氣體的種類無關. 他所測得的電子束的速度達光速的7.3 12，電子的質荷比me是氫離子的質荷比的11.5.可見，數量級的關系基本正確，但結果不夠精確.更讓湯姆生不解的是，測量數據中當電子速度大到3.6×109cms的情況下，電子的質荷比反而小.這一點直到愛因斯坦在1905年提出狹義相對論后，他才得知質量與速度的關系.然而，湯姆生在做完這個實驗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荷比與氫離子的質荷比相差 1000倍的原因.他在論文中寫到：“陰極射線的載可能是m小，也可能是e大，或兩者兼而有之.我想，陰極射線的載

16、荷子要比普通的分子小，這可從勒納德的結果看出.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量級與之相差很大的一個量.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驗和研究認識到電子質荷比小的原因不在于它所帶電量大，而在于它的質量小.他用不同的金屬材料做陰極，所測得的質荷比相差甚微.他由此判斷，不論什么樣的陰極材料所發射的帶電粒子均與材料的元素性質無關，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于陰極射線是由陰極材料發射出的同類帶電原子的思想局限.w.

17、w.w.k.s.5.u.c.o.m在湯姆生從陰極射線的荷質比發現電子以后，為了進一步確證電子存在的普遍性，他廣泛研究了各種現象，其中包括光電效應和愛迪生效應.早在1887年光電效應就被赫茲發現了.1899年，湯姆生運用了一個巧塊鋅板作光陰極，正極板與之平行，相距約1cm.紫外光照射在鋅板上，發射出光電子，經電場加速，向正極板運動.整個裝置處于磁場之中，在磁場的作用下光電子做圓弧運動.只要磁場足夠強，光電子必將返回陰極，而使極間電流降為零.湯姆生根據電壓、磁場和極間距離，計算得出證明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量熾熱金屬發出的帶電粒子，得到的荷質比也是一樣的.1884年，愛迪生在研究白熾燈泡時，發現燈泡里的白熾碳絲會發出負電，這就是愛迪生效應.但這一負電的本質一直沒有搞清