湯姆生與電子的發(fā)現(xiàn)

湯姆生與電子的發(fā)現(xiàn)湯姆生與電子的發(fā)現(xiàn)1897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.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(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，但他對學(xué)習(xí)仍不放松.在歐文斯學(xué)院教師雷諾茲的指導(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——對陰極射線荷質(zhì)比的測量，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.磁場方向由紙內(nèi)指向紙外.電子束被偏轉(zhuǎn)向上，打在玻璃管壁上，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同心開孔圓筒，內(nèi)筒接靜電計(jì)，用以測量收集到的電量.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，由此測量電子的能量.實(shí)驗(yàn)分三步進(jìn)行：第一步測量電量.此時(shí)不加磁場和熱電偶，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=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，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(fā)的熒光點(diǎn)的水平距離.這樣就能代入關(guān)系式P=mv／eH（H表示磁場強(qiáng)度）.湯姆生根據(jù)上述幾種關(guān)系推出：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1×107～3.1×107之間，電子速度在2.3×104～4.4×104km／s.可見，湯姆生的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)測得的電子的荷質(zhì)比近似等于氫離子的荷質(zhì)比的1000～3000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(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，如電量的測量和電子束能量的測量就是這樣.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.于是他就改用電場和磁場平衡的方法進(jìn)行第二次實(shí)驗(yàn).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金屬板，接電池產(chǎn)生靜電場；還有一對線圈，用來產(chǎn)生靜磁場，靜電場和靜磁場覆蓋同樣長的距離L.調(diào)節(jié)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(shí)不偏轉(zhuǎn)（實(shí)際是電場使電子束向下偏轉(zhuǎn)，而磁場使電子束向上偏轉(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)電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度算出電子速度；再根據(jù)長度L和電子束只在電場作用下的偏轉(zhuǎn)方向的角度θ就能算出電子荷質(zhì)比.θ的測量和計(jì)算是這樣進(jìn)行的：撤消磁場，保持電場強(qiáng)度不變，通過電子束打在熒光屏上的亮點(diǎn)的位置測量出橫向偏轉(zhuǎn)距離，再根據(jù)由金屬板有端到熒光屏的距離算出θ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)測量結(jié)果與管中剩余氣體的種類無關(guān).他所測得的電子束的速度達(dá)光速的7.3％～12％，電子的質(zhì)荷比m／e是氫離子的質(zhì)荷比的1‰～1.5‰.可見，數(shù)量級的關(guān)系基本正確，但結(jié)果不夠精確.更讓湯姆生不解的是，測量數(shù)據(jù)中當(dāng)電子速度大到3.6×109cm／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)電場加速，向正極板運(yùn)動(dòng).整個(gè)裝置處于磁場之中，在磁場的作用下光電子做圓弧運(yùn)動(dòng).只要磁場足夠強(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、磁場和極間距離，計(jì)算得出證明β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(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)比的一致性可以判斷，它也是電子組成的.湯姆生在1906年出版的《氣體導(dǎo)電》一著中，專題討論和回顧了這些工作.他以大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)和數(shù)據(jù)證明不論是陰極射線、β射線還是光電流都是電子組成的；不論是由于強(qiáng)電場或正離子轟擊