电子的发现(共4页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上实验探讨阴极射线是何物电子的发现 X射线和放射性的发现激起了科学界的热情，人们纷纷投入到这股发现的热潮之中。接踵而来的是第三大发现，这就是电子的发现。 比起前两件来，电子的发现具有更伟大的意义，因为这一事件使人们认识到自然界还有比原子更小的实物。原子不可分的传统观念终于被打破了。 如果说X射线和放射性的发现具有某种偶然性，那么，电子的发现却充分显示了科学发展的必由之路，它是许多人经过大量实验和理论研究，进行了长期的科学争论之后的产物。在这场争论中，英国物理学家JJ汤姆生（JJThonson）取得了胜利。 19世纪是电磁学大发展的时期，到七八十年代电气工业开始有了发展，发电机、变压器和高压输电线路逐步在生产中得到应用，空气漏电成了亟待解决的问题。同时，电气照明也吸引了许多科学家的注意。于是，人们竞相研究低压气体发电现象。1858年德国人普鲁克尔（JPlücker）在研究气体放电时，注意到在放电管正对阴极的管壁上发出绿色的荧光，证明其是一种从阴极发出的射线打到管壁所致。（图l）这一射线后来就叫做阴极射线。他和另一位德国物理学家哥尔茨坦（EGoldstein）都认为这种射线是一种以太波，因为这种射线按直线行进，对物质有化学作用，性质上类似于紫外光。英国物理学家也对阴极射线做了大量的研究。 图1 阴极射线遇到障碍产生阴影1871年瓦尔利（CFVarley）发现阴极射线在磁场中会发生偏转，与带电粒子的行为很相近。克鲁克斯（WCrookes）在实验中证实阴极射线不但按直线前进、能聚焦、在磁场中会偏转，而且还可以传递能量和动量。克鲁克斯认为阴极射线是由真空管中残余气体的分子组成，由于杂乱无章运动有些气体分子撞击到阴极，于是从阴极获得了负电荷，在电场的驱使下形成了带电的分子流。（图2） 图2 克鲁克斯的电风轮 舒斯特也认为阴极射线是带电粒子流。他在1890年根据阴极射线的磁偏转算出带电粒子的电荷与质量之比（简称荷质比）em，数值大约是5×1061×1010库千克，而电解所得氢离子的荷质比约为108库千克。他认为这两个数据接近，说明阴极射线的成分可能就是原子类型的带电粒子。这三位主张阴极射线是带电粒子的科学家都是英国人，于是很自然地形成了一个学派，人称英国学派。但是，当时威望更高的是持以太论的德国学派。除了哥尔茨坦以外，还有赫兹（HHertz）和勒纳德（PLenard）。以太论者的观点虽然是错的，但他们对微粒说的反驳却很有分量。例如：哥尔茨坦为了说明阴极射线不是分子流，特意做了一个光谱实验。如图3所示，他用一支L形放电管，A、B两电极可轮流当阴极。当A是阴极时，光谱仪看到的光来自趋向光谱仪的射线，射线如果是分子流组成，分子向光谱仪运动，由于多普勒效应，光的频率应有所增大；反之，当B是阴极时，光的频率应减小。可是，改换电极极性，哥尔茨坦丝毫未发现光的谱线有任何变化，于是这一事实成了他 图3 哥尔茨坦的光谱实验驳斥带电分子说的有力证据。赫兹也做过许多实验为自己的以太说辩护。他的实验并不都很成功。例如：他在阴极射线管中加静电场，却没有观察到阴极射线偏转，使他更确信阴极射线是不带电的一种波。赫兹的另一个实验却很有价值，他注意到阴极射线可以穿过金属隔板，使被挡住的玻璃壁发出微弱荧光，这个现象后来由他的学生勒纳德继续研究。勒纳德在阴极射线管末端嵌上一片铝箔作为窗口（图4），铝箔厚度仅为0.000 265厘米。实验结果证明，阴极射线可以穿过铝窗，在空气中继续穿行约1厘米。显然，这个实验事实是反驳带电分子说的有力论据，因为很难想象，气体的分子或原子竟能穿过成千个铝原子组成的铝壁。勒纳德认为，只有类似于光的某种波才有可能透过。 图4 勒纳德的铝窗实验两派之争，不相上下，谁也说服不了谁。英国学派的微粒说比较符合实际，但他们把话说过了头，当然会被对方抓住把柄。 就在这个时候，X射线的发现宣布了。英国剑桥大学卡文迪什实验室教授JJ汤姆生正在研究气体导电现象。他敏锐地抓住了X射线这一新生事物，立即用X射线轰击气体。他从X射线促使气体电离的现象更加深刻地认识到阴极射线的粒子性，下决心以更鲜明的实验来证实这一特性。为此，他做了如下实验：（1）测阴极射线电荷（图5）。他把接收电荷的金属筒安装在侧面，平常接收不到电荷，只有当磁场加到足够大时，静电计才有指示；再加大磁场，静电计的指示又减到零。说明这些电荷确是来自阴极射线。（2）使阴极射线在静电场中偏转。汤姆生设计了一支特殊的阴极射线管，如图6。沿阴极射线的通道平行地安了一对金属极板，外接电池组。开始他也和赫兹一样，看不到阴极射线有任何偏转。后来经过仔细观察，他注意到刚接通电池的瞬间，射束的荧光斑微微有一晃动。他想，这可能是由于残余气体分子在电场的作 图5 汤姆生测阴极射线电荷的装置用下电离形成了正负离子，正离子趋于负极板，负离子趋于正极板，但还来不及到达极板，就很快抵消了，所以光斑又回到原来的位置。怎样改善这一情况呢？汤姆生凭借他多年的实践经验，认为只要改善真空条件、减小极间电压，就有可能避免气体电离。果然，当他在实验技师的协助下，连续几天抽真空，把真空管里的剩余气体尽量抽掉以后，就得到了稳定的静电偏转。 图6 汤姆生管 （3）测阴极射线的荷质比。从以上两实验，汤姆生已可明确无误地证明阴极射线是由某种带负电的微粒组成。但是这种微粒是什么？是原子还是分子？或者是比原子、分子更小的物质微粒？汤姆生为了回答这个问题，对阴极射线的荷质比进行了大量的测量。 根据电磁理论，带电微粒在电场和磁场中的偏转，除了与电场和磁场的强度有关以外，还决定于微粒的电荷e和质量m。从比较电场和磁场的偏转可以间接计算出荷质比em或质荷比me。 汤姆生采用不同的管子，不同的电极，不同的气体，甚至不同的方法，经过多次测量，最后得到阴极射线微粒的质荷比为1011千克库，比氢离子的质荷比108千克库小千倍。 汤姆生还根据别的实验（包括勒纳德的铝窗实验）判定，阴极射线的微粒要比普通分子原子小得多，是原子的组成部分。后来他把这一微粒正式取名为“电子”。汤姆生肯定了电子的存在，但是他还没有确证电子的质量一定比原子小千倍。因为质荷比小，可能是质量小，也可能是电荷大，也可能兼而有之。测定电子的电荷值就成了关键。于是，在1897年以后，汤姆生开始把注意力转向电子电荷的测定。专心-专注-专业