1、电子发现的启示与思考第 22 卷第 3 期2002 年 6 月孝感学院JOURNALOFXIAOGANUNIVERSnYV0L.22N0.3JUN.20o2电子发现的启示与思考孙春峰,张雪云(孝感学院物理系,湖北孝感 432100)摘要:文章追溯了人类发现电子不懈探索的历史,讨论了电子发现的启示与思考 .关键词:阴极射线;电子;启示与思考中图分类号:0462 文献标识码:A 文章编号:16712544(2002)03-0026 一 o5100 多年前,英国物理学家汤姆孙(J.J.Thomson)发现了电子,在物理学史上写下了极其光辉的一页.1997 年 lO 月(PhysicsToday) 为
2、纪念电子发现 100 周年发表了纪念文章】,回顾了人类 100 年来对电子认识的历史.我们追寻这段始终贯穿着思考假设实验解释一争论再实验,不断改进,不断提高的探索历史,仍能从中得到有益的启示.l9 世纪末,物理学正处于变革时期,这场变革一方面来自经典物理学内部的困难 J,与迈克耳孙一莫雷(MichelsonMorley)“以太漂移实验“失败相联系的以太理论的困难以及与维恩(W.Wien),瑞利(L.Rayleigh) 黑体辐射定律的偏离相联系的能量均分定理的困难;另一方面则来自原子可分,元素可变以及微观世界不连续性等方面的实验发现.这些困难引起了许多物理学家更深入的思考和探索.1895 年伦琴
3、(W.C.Rsntgen) 发现了 x 射线,1896 年贝克勒尔(H.A.Becquere1)发现了放射线,1897 年汤姆孙通过测量荷值比证明了电子的存在,这三项发现并称为 19 世纪末物理实验的“三大发现“.电子的发现不仅打开了原子世界的大门,而且开创了近代粒子物理实验的先河.1 电子的发现电子的发现是和阴极射线的实验研究联系在一起的,而阴极射线的发现和研究是从真空管中的放电现象开始的.1858 年德国物理学家普吕克尔(J.Pliicker)利用放电管研究了气体放电现象.1876 年德国物理学家戈尔德斯坦(E.Goldstein)继续了这方面的实验,他在实验中发现放电管的阴极发射出一种射
4、线,他把这种射线称为“阴极射线“.阴极射线的发现,引起了科学家们的普遍关注,为了弄清这种射线的性质,许多物理学家投入了对“阴极射线究竟是什么?“的研究,他们不断地改进和设计新的实验,得到了越来越多的实验结果,对阴极射线的性质争论不休.1.1 以太振动说1858 年,普吕克尔在低压气体放电实验方面取得进展.实验发现,在对着阴极的玻璃管壁上出现了绿色的荧光.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从阴极发射的某种物质所致,应该说这就是阴极射线的最早发现.1869 年,普吕克尔的学生希托夫(J.W.Hittorf)将放电管的真空度提高到十万分之一个大气压.他把物
5、体放在放电管内阴极和产生荧光的管壁之间,发现物体投射出阴影.他又用弯成直角的放电管做实验,荧光则出现在拐角处.由这两个现收稿日期:2o020204作者简介:孙春蜂(1956 一),男,湖北孝感人,孝感学院物理系副教授.一26 一,电子发现的启示与思考象,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,戈尔德斯坦用各种不同材料制作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,他还发现这种射线从阴极垂直发出,与阴极材料的性质无关,他根据放电管内残留气体分子的平均自由程比暗区长度小一个数量级推断,气体分子不可能从阴极跑到远离它另一端的管壁上投下阴影.于是,
6、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“的萌芽 .1883 年至 1891 年,赫兹(H.Hertz)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.赫兹还进一步发现阴极射线能透过一些金属箔,这正好说明阴极射线不是粒子组成,加上在实验中没有观察到电场对阴极射线的偏转作用,从而加深了阴极射线是跟光线一样的电磁波的观念,因而赫兹在 1892 年宣称阴极射线不可能是粒子而只能是一种以太振动.赫兹的学生勒纳德(P.Lenard)于 1894 年在放电管末端的玻璃壁上开了一个小窗 1:3,用 2.65N.m厚的铝箔箱盖在上面,发现阴
7、极射线很容易穿过铝箔并且能在空气中行进 2cm 左右.根据当时人们的认识,任何物质微粒都不可能穿过铝箔而继续行进于空气中,很难设想这种射线是由粒子组成.他把这一现象和阳光透过玻璃相比较,坚信阴极射线是一种以太波.于是,这些德国的物理学家循着以上的实验轨迹形成了“以态振动说 “.1.2 负电微粒说1871 年,瓦莱(G.F.Varley) 分析了阴极射线被磁场偏转的情况,首先提出阴极射线是由带负电荷的微粒流组成,这可以认为是“负电微粒说“ 的始原.1879 年,克鲁克斯(W.Crookes)更进一步改善了真空泵,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地实验.除了研究阴极射线的磁
8、力偏转外,还研究了阴极射线的热效应,并成功地完成了阴极射线传递动量的实验.他根据阴极射线的直线传播引起机械作用,特别是磁偏转等这些性质推断,阴极射线是带负电的“分子流“. 他进一步认为,管内作无规则运动的残留气体分子撞在阴极上而取得负电荷,然后被推斥开,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.1895 年,法国物理学家佩兰(J.B.Pertin)将圆桶电极安装在阴极射线管中,用静电计测圆桶接受到的电荷,结果测到的是负电荷.他的实验支持了“负电微粒说“.1.3 电子说汤姆孙在 1894 年运用旋转镜实验,测定阴极射线的速度比光速小三个数量级,这使他相信阴极射线不是某种电磁波.如果阴
9、极射线是一种带电的微粒(分子或原子), 那么它不仅可以在磁场中偏转,也应该在电场中偏转.他还认为更重要的是应该设法测出阴极射线中那些微粒的质量,为此他进行了以下几个方面的实验.首先,他用实验证明阴极射线是由阴极发射出来的,并作了测量阴极射线携带电荷的实验.他将佩兰实验装置作了改进,将连到静电计的电荷接收器(法拉第圆桶) 安装在真空管的一侧,不加磁场时,没有电荷进入接受器;加上磁场使阴极射线发生偏转,当磁场达到某一值时,接受器接受到的电荷骤增,说明电荷确实来自阴极射线.其次,用静电场偏转阴极射线.汤姆孙重复了赫兹的静电场偏转实验.起初,汤姆孙和赫兹一样没有看到电场使阴极射线偏转的现象,好胜心和怀
10、疑精神驱使细心的汤姆孙没有放过实验中出现的哪怕是非常细微的异常现象.他发现在金属板上外加电压的瞬间,阴极射线出现了短暂的偏转,然后很快地回到管壁标尺的中点,汤姆孙抓住这瞬间的异常,分析这种现象的可能原因.他认为现在装置中没有观察到持续而稳定的偏转很可能是由于放电管内残留气体的存在,当阴极射线穿过气体时会使气体电离而影响了对阴极射线的观察.为此,他利用当时最先进的真空技术,提高了放电管的真空度,终于排除了电离气体的屏蔽作用,最终实现了使阴极射线在电场中的稳定电偏转.“偏转的方向表明,形成阴极射线的那些粒子是带负电的“,他写道:“ 我不得不得出这样的结论,即阴极射线就是带有负电的物质粒子.“从而结
11、束了两种长期而又激烈的争论.接着他用两个独立的方法测量阴极射线的荷质比.方法一:首先将一束均匀的阴极射线注入与静电计相联的容器,由静电计读数测出在一定时间内到达容器的电量,再将同样的阴极射线在相一27孙春峰,张雪云同的时间内撞击热电偶,利用阴极射线的热效应,由热功当量换算出阴极射线粒子的动能W:Nm,v2(1)然后,加均匀磁场 B,使阴极射线偏转,测出粒子在磁场中的偏转半径 RR=(2)由(1),(2)式有=淼(3)和 e=丽 2W/71,/:t(4)一由(3),(4)式可得和 e/m.方法二:在如图 1 所示的阴极射线管中,外加均匀电场竖直向下和均匀磁场垂直纸面向里,二者覆盖相同区域,使带电
12、粒子的速度方向垂直 E和 B,则电场力和磁场力平衡时满足Ee=evB(5)SO图 1如果撤去电场,保留磁场 B,粒子的偏转半径为R=(6)由(5),(6)式得e=志/:t(7)m.测出,R,B,就可得出 e/m.结果是 e/m=0.70.910esu/g【引.汤姆孙将放电管内充人不同气体进行实验,用以上两种方法测出的荷质比数量级均为 10.他还用不同的金属材料制作电极,结果对 e/m 值没有影响,这就表明各种条件下得到的都是同种带电粒子流,与阴极的材料无关,为阴极射线的负电粒子流学说奠定了坚实的实验基础.实验得出的阴极射线粒子的荷质比要比氢离子的荷质比大干余倍,可能是 m.小,也可能是 m.大
13、,或两者兼而有之.他通过比较别人的实验,推断阴极射线粒子的质量小于氢离子质量的一千多倍.1897 年 4 月 30 日,一28 一汤姆孙在英国皇家学院星期五晚会上作了题为阴极射线的报告,首次阐述了阴极射线是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).也许材料过于新奇,没有得到与会者的肯定.汤姆孙转而测量“微粒“ 的电荷,但立即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,凭着物理直觉,猜想光电效应中放出的光电粒子跟阴极射线是同一种粒子.1899 年,汤姆孙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很接近
14、,从而证明了自已的猜想是正确的.紧接着他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“.与此同时,汤姆孙又用同样的方法测量了热电子发射过程中带负电粒子的 e/m 值,得到与“微粒“ 相同的荷质比,即可断言这些带电粒子也是“微粒 “,这种“微粒“存在的普遍性已确定 ,汤姆孙就把它改称为“电子“.在 1899 年的英国科学促进协会上的讲演中,汤姆孙报告了他的研究成果,又一次明确提出了“电子的发现“. 他被后人誉为 “最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人“
15、6J,这不仅仅因为他解决了“ 阴极射线“ 本质的争论问题 ,而且在于敢于同旧的传统观念决裂,第一个大胆地承认了电子的存在,肯定了原子不再是不可分的,使人们可以窥视物质的微观结构,为原子结构的进一步研究打下了基础.2 启示与思考汤姆孙发现电子的业绩蕴含着与众不同的物理思维和探索方法,给人们如下启示与思考.2.1 怀疑精神和创新意识是走向成功的基石在那个时代,原子被视为“终极粒子 “.受这种观念的束缚,克鲁克斯从未想过还有比原子更小的粒子;戈尔德斯坦和勒纳德因分子和原子观点无法解释实验现象,把观点转向了电磁波;赫兹是电磁波的发现者,对阴极射线研究的思维惯性使他自然以电磁波的观点去思考,从而强化了“
16、以太振动说“.,.番电子发现的启示与思考汤姆孙没有被已有的观念所束缚,也没有受别人已做过但无成果的影响,他具有怀疑精神和创新意识:“ 这种粒子是什么 ?是原子?还是可再分成更小层次上的物质?“一连串问号体现了他锲而不舍的探索精神和惊人的科学胆识,一旦抓住了有希望的线索,就追根究底,积极尝试,进而导致了观念上的更新,科学上的重要发现.在科学的征途上,这种精神是绝对需要的.2.2 正确的认识方法是通向成功彼岸的桥梁克鲁克斯通过大量的实验认识了阴极射线的许多重要性质,是“负电微粒说 “的主要代表人物,贡献很大.但由于“方法“ 上的问题 ,未能阐明阴极射线的实质.究其原因,克鲁克斯是用事物的共性“ 说
17、明 “阴极射线的性质而提出“负电微粒说“.因为,任何带电粒子都会表现出能量,动量和电磁偏转等性质,关键问题是没有证实这种粒子的“身份是什么“.汤姆孙则不同,虽然在当时的情况下,或许并没有多少出色的理论推演和综合概括,但他通过自己的大量实验加深对阴极射线的认识,在纷繁的实验现象中进行着挖掘本质的思索.同时,对克鲁克斯的见解在分析的基础上有所扬弃.为探明射线粒子的“身份 “,他采用的方法是通过多种实验途径“ 证实 “而不是 “说明“,只要不达到目标就从不停止实验,这就使得他的见解富有生机与活力,在激烈的争论中表现出很强的说服力.2.3 机遇只偏爱有准备的头脑赫兹由于受“电磁波“ 思维定势的影响而没有深入研究.汤姆孙能成功实现阴极射线的电场偏转,一方面得益于一年前他对 x 射线使气体电离机制的研究,另一方面他能吸收别人的最新成果,塞曼效应的结果刚一发表,他立刻发出共鸣且拿来作为有力的旁证.用旋转镜法测量阴极射线的速
