《人類科學技術史-349》電子的發現

電子的發現

早在19世紀初，就有人對原子不可分的千古定論提出過挑戰，但直到19世紀末，物理學的幾項重大發現才揭開原子內部之謎，并進一步引導人們去探索原子的內部結構，并揭開微觀物理學革命的序幕。

電子的發現是科學家們對"陰極射線"長期探究的結果。早在1836年，法拉第(1791-1867)就注意到低壓氣體中的放電現象，并預言這種放電現象將給以后的電學研究帶來很大影響。

1855年，德國的玻璃技工蓋斯勒(1815-1879)利用托里拆利真空原理制成了簡易的水銀真空泵——蓋斯勒泵，并制成了低壓氣體放電管——蓋斯勒管，為人們進一步研究低壓氣體中的放電現象及其本質創造了條件。1857年，普呂克爾(1801-1868)利用改進了的蓋斯勒管和蓋斯勒泵研究氣體放電效應時發現，當管中的氣壓足夠低并在封入管內的兩極間加上高電壓時，就有一束射線從管中的陰極發生，在對面的管壁上留下了綠色的熒光。之后的實驗證明，這種射線能被磁場偏轉，而且是直線傳播的。

德國物理學家戈爾茨坦(1850-1930)于1876年證實了普呂爾發現的現象，并把這種射線稱為"陰極射線"。德國的物理學家赫茲(1857-1894)等認為，陰極射線是一種電磁輻射現象。

1879年，英國物理學家克魯克斯(1832-1919)親自改進了真空泵，提高了放電管的真空度，制成"克魯克斯管"。實驗發現，陰極射線能推動放入管中的云母風車轉動，克魯克斯認為，陰極射線實際上是一種高速帶電的粒子流。

1892年，人們發現，陰級射線能夠穿透金屬片而發生漫射現象。德國物理學家勒納德(1862-1974)于1894年設計制作了一種帶有小窗的新型蓋斯勒管，小窗是用很薄的鋁箔做成的，陰極射線可以通過小窗漫射。他研究了從小窗飛出的射線(也稱勒納德射線）的性質，證明了陰極射線漫射的說法，還發現其能使照相底片感光的作用。勒納德的實驗被看作是以太振動說的證據。

"陰極射線"是"粒子流"還是"電磁輻射"。兩種觀點在一段時間里相持不下。英國物理學家、劍橋著名的卡文迪許實驗室的負責人J.J.湯姆遜(1856-1940）從1881年就開始研究陰極射線，他贊成"粒子流"的觀點。1894年，湯姆遜用實驗測得陰極射線速度要比光速小得多，進一步確信，陰極射線不是一種電磁輻射。1897年，他通過對勒納德實驗的分析認為，這個實驗恰恰證明了：陰極射線是粒子流，而且組成射線的粒子比原子小。之后，他用實驗證實了佩蘭(1870-1942)于1895年得出的關于"組成陰極射線的粒子是帶負電荷"的結論。

為了進一步搞清這種粒子的本質，湯姆遜于這一年對這種粒子的荷質比(e／m)即粒子所帶電荷e和質量m的比值，進行了一系列的測量。他分別利用了熱學的方法和電、磁場偏轉法。利用電、磁場偏轉法時，他重新設計了真空管，對管中由陰極發出的射線分別施加磁場和電場的作用，通過對粒子在電場、磁場中偏轉情況的測定，計算出粒子的荷質比。實驗中他還發現，粒子的荷質比并不因為電極材料和管內氣體的改變而有所變化，因此證明，不同物質發出的陰極射線粒子是相同的。和在電解過程中測定的氫離子的荷質比相比，陰極射線中粒子的荷質比要大得多，說明新粒子和氫原子比，要么電荷量很大，要么質量很小，或兩者兼是。但由電磁場可使陰極射線強烈致偏來分析，新粒子的質量應比氫離子小得多。湯姆遜最后采用了英國物理學家斯通尼(1826-1911)于1891年提出的說法，稱陰極射線粒子為"電子"。1883年，愛迪生(1847-1931)在研究白熾燈時發現，燈泡中與燈絲相對的金屬片的表面會發出淡藍色的亮光，即熾熱的燈絲有帶電粒子發出，這種現象稱為愛迪生效應。湯姆遜研究了愛迪生效應，測量了由熾熱燈絲發出的帶電粒子的荷質比，發現其數值與陰極射線粒子的數值相同。

1896年，塞曼(1865-1943)和洛倫茲(1853-1928)根據洛倫茲的電子論，對"塞曼效應"作了進一步的理論分析，并計算出電子的荷質比值，與湯姆遜的實驗測定是基本一致的。因此可以說，到1897年，電子的存在得到了確證，湯姆遜因此獲得1906年諾貝爾物理獎。

但是，電子的電荷和質量仍有待進一步確定。湯姆遜的學生湯森(1868-1957）、湯姆遜本人以及威爾遜(1869-1959)分別對電子的電荷進行了測定。1898年，湯姆遜測得電子的電荷值e為3.3×10↑－10靜電單位。

美國物理學家密立根(1868-1953)分析了前人測定電子電荷實驗存在的問題，提出克服誤差的若干措施，設計了著名的"密立根油滴實驗"。從1906年至1917年，他多次改進實驗，以提高精度，最后測得的電子電荷值為4.774(±0.005)×10J－10靜電單位。(目前的精確值是4.083×10J－10靜電單位。）

密立根的油滴實驗，是讓帶電小油滴在兩個水平放置相距一定距離的金屬平板間上下運動，板間有空氣。首先觀察測定小油滴在重力作用下，自上而下運動的速度。然后，在兩板間加上恒定電場，小油滴將在重力和電場力的合力的作用下徐徐上升，可再測得油滴上升的速度。利用測得的兩種速度、油滴與板間空氣的粘滯系數以及油滴荷電數、空氣密度和重力加速度等可以計算出電子電荷e的值。密立根還證明了，電子的電荷值e是電荷的最基本單位，其他所有帶電物質的電量都是e的正整數倍或負整數倍。因此，測得了電子電荷精確值的密立根精巧實驗，還有另一重要意義，即給出了物理學一個十分重要的物理常數。

電子是人類認識的第一個基本粒子，是原子的構成要素，電子的發現動搖了原子不可分的經典結論，引導人們進一步去探索原子內部結構的奧秘。