3. 电子的发现
电子是人类认识的第一个微观粒子。它的发现和X 射线的发现类似的地方是都同研究阴极射线有关。在19 世纪后期， 阴极射线到底是什么？ 引起了相当多的物理学家的兴趣。对这个问题出现了不同的见解， 产生了争论。有趣的是， 争论双方的队伍几乎是以国界划分的。当时， 是德国物理学家戈尔茨坦把阴极发出的某种射线， 命名为阴极射线， 并判断它是类似于紫外线的以太波。这个观点受到了赫兹等物理学家的支持。赫兹曾于1887 年发现了电磁波， 他就把阴极射线看成是电磁波。这是德国物理学家的共同看法。而英国和法国的物理学家都认为阴极射线是一种带电的粒子流。以克鲁克斯为代表， 他认为阴极射线是气体放电管中残余气体分子了撞到阴极， 因而带上负电， 这不但能传递能量还能传递动量， 是一种分子流。这一争论持续了20 年， 没有统一的结果。X 射线虽然是研究阴极射线取得的成果， 但是X 射线是由阴极射线而发现的另一种射线， 它并没有解决阴极射线的本性。所以， 阴极射线究竟是什么东西？ 人们还没有搞清楚。
持不同观点的科学家都在积极寻找有利于自己观点的证据。对阴极射线的本性作出正确答案的是英国剑桥大学卡文迪许实验室的汤姆逊。他认为阴极射线是带电微粒说可能更符合实际， 决心设计实验进行周密考察， 以找出确凿证据。
汤姆逊对法国物理学家佩兰的实验装置进行了改进， 利用阴极射线管使阴极射线在电场和磁场的作用下分别发生了偏转。实验结果证明了阴极射线确是由带负电的粒子组成的。但汤姆逊对此并没有满足， 他要通过实验去测出这种带负电的粒子的其他性质， 比如测它的飞行速度( v) 、电荷( e) 、质量( m) 等。
汤姆逊的实验装置见示意图。他的实验是这样设计的， 由于已经知道阴极射线在受到电场和磁场的作用时会发生弯图2 汤姆逊测阴极射线荷质比的装置曲， 所以汤姆逊在放电管内加上一定强度的电场和磁场。阴极射线的弯曲情况可以从与阴极相对的荧光屏上亮点位置的移动表现出来。实验时， 先给放电管加上外电场。这时， 阴极射线由于电场的作用， 它的飞行轨道发生了弯曲。荧光屏上的亮点就从中间位置向下移动。根据所加电场的情况， 可以判断出亮点的这种移动表明阴极射线是带负电的。然后， 再加上适当强度的外磁场。磁场强度的大小恰好使阴极射线产生相反方向的弯曲， 与电场作用下的弯曲程度相等。这样， 从荧光屏上观察到的情况就是， 亮点又从荧光屏下部移回到荧光屏的中间位置。显然， 电场和磁场作用在阴极射线上的力是大小相等而方向相反的。即： evH =eE 式中：e 表示微粒所带电荷； v 表示微粒的飞行速度； H 表示磁场强度； E 表示电场强度由上式推得： v= HE测量出此时的电场强度与磁场强度， 并把数值代入上面的公式， 就可以得到微粒的飞行速度。汤姆逊实验得到的微粒飞行速度是2. 7 ×109 厘米/ 秒。
汤姆逊通过实验得到的关于微粒的第二个量是它的荷质比， 即微粒所带的电荷与质量之比。求得荷质比的方法是这样的， 汤姆逊让放电管中的阴极射线仅在磁场作用下发生弯曲。这说明， 阴极射线粒子做曲线运动的向心力就是磁场的作用力。根据向心力公式：2mvF 向心=R式中F 向心是微粒所受的向心力；m 是微粒的质量； R 是微粒轨道的曲率半径。在实验中，F 向心就是evH， 所以公式变为：2evH = mvR 把可直接测量的量移到等式的右边， 就可以得到微粒的电荷e 与质量m 之比，e= vm HR将测量得到的数值代入上式， 得到：e ≈0. 8 ×107 电磁单m 位/ 克这个数值与当时知道的氢原子的荷质比相比是很大的， 约为氢原子荷质比的2000 倍。1897 年4 月， 汤姆逊公布了自己的研究成果。对于阴极射线粒子的荷质比， 他的分析是， me 的值比氢原子的大，可能是e 大， 也可能是m 小， 或者两者兼而有之。他认为比较可能的是m 小， 但是， 这需要实验来证实。
接着， 汤姆逊和他的学生用几种方法测到了阴极射线粒子所带的电荷。实验结果证明， 阴极射线粒子所带电荷跟氢原子的基本相同。由此可以推知， 阴极射线粒子的质量比较小， 大约是氢原子质量的1/ 200 。
汤姆逊把不同的气体， 氢气、氧气、氮气。。等等分别充到放电管中， 实验结果， 阴极射线上射出的带电粒子的电荷和质量的比值都是一样的。他又用各种金属， 金、银铜、镍等作阴极， 测量的结果发现阴极射线粒子的电荷和质量的比值仍是一样的。这些实验结果表明了一个非常重要的问题， 不管阴极射线是从哪里产生的， 是由电极产生的， 还是由放电管内气体产生的， 反正它的荷质比都是一样的。而且它与氢原子相比是更微小的粒子， 应是各种电极材料原子、各种气体原子的组成部分。
从18 世纪以来， 许多科学家都在研究电的本性， 他们认为电也有一种最基本的单位。1874 年， 英国物理学家斯通尼主张把电解中一个氢离子所带的电荷作为一个“基本电荷”。他还认为任何电荷都是由一些“基本电荷”组成的。1890 年， 斯通尼引入“电子”来表示负的基本电荷的负荷体。
这样看来， 汤姆逊发现的这种可能比氢原子还小的粒子就是电子。为了证实基本电荷的存在， 在测出荷质比( e/m) 之后， 还要测出e 值。对测e 值， 贡献最大的是美国物理学家密立根。他通过“油滴实验”测得电子电荷值为：e10= ( 4. 774 ±0 。 009) ×10 -静电单位。他的一个更重要的成果是， 所观察到的任何给定油滴的电荷总是这个最小值的整数倍。这一结果是对电子是具有相同电荷和质量的一个基本粒子这一观点的有力支持。有了e 值， 由荷质比e/ m， 可以更精确地求得电子质量与氢原子质量的比值： Me= M1830这一结果表明， 电子的质量是氢原子质量的1/ 1830 。
现在大家都公认， 是汤姆逊在1897 年发现的电子。这是一个重大的发现。一个重大的发现， 看起来容易做起来难， 汤姆逊发现电子也不例外。在汤姆逊之前， 也曾有科学家根据阴极射线的弯曲测出了阴极射线粒子的荷质比。但是， 他们由于坚持认为电是连续性的， 不存在最小单位， 所以未能深入下去。也还有的物理学家未能观察到阴极射线的弯曲， 其实在汤姆逊本人的早期实验中也遇到了同样的情况。对此， 汤姆逊曾作过回答， 他指出要使这个实验获得成功， 必须克服放电管内真空度不高的困难。可见， 汤姆逊的成功， 高超的真空技术是一个保证。这就说明， 技术的进步对物理学的发展有着重要的影响。
电子、X 射线与天然放射性的发现并称为19 世纪末物理学三大发现。这三大发现打开了人们认识原子的大门。
持不同观点的科学家都在积极寻找有利于自己观点的证据。对阴极射线的本性作出正确答案的是英国剑桥大学卡文迪许实验室的汤姆逊。他认为阴极射线是带电微粒说可能更符合实际， 决心设计实验进行周密考察， 以找出确凿证据。
汤姆逊对法国物理学家佩兰的实验装置进行了改进， 利用阴极射线管使阴极射线在电场和磁场的作用下分别发生了偏转。实验结果证明了阴极射线确是由带负电的粒子组成的。但汤姆逊对此并没有满足， 他要通过实验去测出这种带负电的粒子的其他性质， 比如测它的飞行速度( v) 、电荷( e) 、质量( m) 等。
汤姆逊的实验装置见示意图。他的实验是这样设计的， 由于已经知道阴极射线在受到电场和磁场的作用时会发生弯图2 汤姆逊测阴极射线荷质比的装置曲， 所以汤姆逊在放电管内加上一定强度的电场和磁场。阴极射线的弯曲情况可以从与阴极相对的荧光屏上亮点位置的移动表现出来。实验时， 先给放电管加上外电场。这时， 阴极射线由于电场的作用， 它的飞行轨道发生了弯曲。荧光屏上的亮点就从中间位置向下移动。根据所加电场的情况， 可以判断出亮点的这种移动表明阴极射线是带负电的。然后， 再加上适当强度的外磁场。磁场强度的大小恰好使阴极射线产生相反方向的弯曲， 与电场作用下的弯曲程度相等。这样， 从荧光屏上观察到的情况就是， 亮点又从荧光屏下部移回到荧光屏的中间位置。显然， 电场和磁场作用在阴极射线上的力是大小相等而方向相反的。即： evH =eE 式中：e 表示微粒所带电荷； v 表示微粒的飞行速度； H 表示磁场强度； E 表示电场强度由上式推得： v= HE测量出此时的电场强度与磁场强度， 并把数值代入上面的公式， 就可以得到微粒的飞行速度。汤姆逊实验得到的微粒飞行速度是2. 7 ×109 厘米/ 秒。
汤姆逊通过实验得到的关于微粒的第二个量是它的荷质比， 即微粒所带的电荷与质量之比。求得荷质比的方法是这样的， 汤姆逊让放电管中的阴极射线仅在磁场作用下发生弯曲。这说明， 阴极射线粒子做曲线运动的向心力就是磁场的作用力。根据向心力公式：2mvF 向心=R式中F 向心是微粒所受的向心力；m 是微粒的质量； R 是微粒轨道的曲率半径。在实验中，F 向心就是evH， 所以公式变为：2evH = mvR 把可直接测量的量移到等式的右边， 就可以得到微粒的电荷e 与质量m 之比，e= vm HR将测量得到的数值代入上式， 得到：e ≈0. 8 ×107 电磁单m 位/ 克这个数值与当时知道的氢原子的荷质比相比是很大的， 约为氢原子荷质比的2000 倍。1897 年4 月， 汤姆逊公布了自己的研究成果。对于阴极射线粒子的荷质比， 他的分析是， me 的值比氢原子的大，可能是e 大， 也可能是m 小， 或者两者兼而有之。他认为比较可能的是m 小， 但是， 这需要实验来证实。
接着， 汤姆逊和他的学生用几种方法测到了阴极射线粒子所带的电荷。实验结果证明， 阴极射线粒子所带电荷跟氢原子的基本相同。由此可以推知， 阴极射线粒子的质量比较小， 大约是氢原子质量的1/ 200 。
汤姆逊把不同的气体， 氢气、氧气、氮气。。等等分别充到放电管中， 实验结果， 阴极射线上射出的带电粒子的电荷和质量的比值都是一样的。他又用各种金属， 金、银铜、镍等作阴极， 测量的结果发现阴极射线粒子的电荷和质量的比值仍是一样的。这些实验结果表明了一个非常重要的问题， 不管阴极射线是从哪里产生的， 是由电极产生的， 还是由放电管内气体产生的， 反正它的荷质比都是一样的。而且它与氢原子相比是更微小的粒子， 应是各种电极材料原子、各种气体原子的组成部分。
从18 世纪以来， 许多科学家都在研究电的本性， 他们认为电也有一种最基本的单位。1874 年， 英国物理学家斯通尼主张把电解中一个氢离子所带的电荷作为一个“基本电荷”。他还认为任何电荷都是由一些“基本电荷”组成的。1890 年， 斯通尼引入“电子”来表示负的基本电荷的负荷体。
这样看来， 汤姆逊发现的这种可能比氢原子还小的粒子就是电子。为了证实基本电荷的存在， 在测出荷质比( e/m) 之后， 还要测出e 值。对测e 值， 贡献最大的是美国物理学家密立根。他通过“油滴实验”测得电子电荷值为：e10= ( 4. 774 ±0 。 009) ×10 -静电单位。他的一个更重要的成果是， 所观察到的任何给定油滴的电荷总是这个最小值的整数倍。这一结果是对电子是具有相同电荷和质量的一个基本粒子这一观点的有力支持。有了e 值， 由荷质比e/ m， 可以更精确地求得电子质量与氢原子质量的比值： Me= M1830这一结果表明， 电子的质量是氢原子质量的1/ 1830 。
现在大家都公认， 是汤姆逊在1897 年发现的电子。这是一个重大的发现。一个重大的发现， 看起来容易做起来难， 汤姆逊发现电子也不例外。在汤姆逊之前， 也曾有科学家根据阴极射线的弯曲测出了阴极射线粒子的荷质比。但是， 他们由于坚持认为电是连续性的， 不存在最小单位， 所以未能深入下去。也还有的物理学家未能观察到阴极射线的弯曲， 其实在汤姆逊本人的早期实验中也遇到了同样的情况。对此， 汤姆逊曾作过回答， 他指出要使这个实验获得成功， 必须克服放电管内真空度不高的困难。可见， 汤姆逊的成功， 高超的真空技术是一个保证。这就说明， 技术的进步对物理学的发展有着重要的影响。
电子、X 射线与天然放射性的发现并称为19 世纪末物理学三大发现。这三大发现打开了人们认识原子的大门。
