3. 電子的發現
電子是人類認識的第一個微觀粒子。它的發現和X 射線的發現類似的地方是都同研究陰極射線有關。在19 世紀後期， 陰極射線到底是什麽？ 引起了相當多的物理學家的興趣。對這個問題出現了不同的見解， 產生了爭論。有趣的是， 爭論雙方的隊伍幾乎是以國界劃分的。當時， 是德國物理學家戈爾茨坦把陰極發出的某種射線， 命名為陰極射線， 並判斷它是類似於紫外線的以太波。這個觀點受到了赫茲等物理學家的支持。赫茲曾於1887 年發現了電磁波， 他就把陰極射線看成是電磁波。這是德國物理學家的共同看法。而英國和法國的物理學家都認為陰極射線是一種帶電的粒子流。以克魯克斯為代表， 他認為陰極射線是氣體放電管中殘餘氣體分子了撞到陰極， 因而帶上負電， 這不但能傳遞能量還能傳遞動量， 是一種分子流。這一爭論持續了20 年， 沒有統一的結果。X 射線雖然是研究陰極射線取得的成果， 但是X 射線是由陰極射線而發現的另一種射線， 它並沒有解決陰極射線的本性。所以， 陰極射線究竟是什麽東西？ 人們還沒有搞清楚。
持不同觀點的科學家都在積極尋找有利於自己觀點的證據。對陰極射線的本性作出正確答案的是英國劍橋大學卡文迪許實驗室的湯姆遜。他認為陰極射線是帶電微粒說可能更符合實際， 決心設計實驗進行周密考察， 以找出確鑿證據。
湯姆遜對法國物理學家佩蘭的實驗裝置進行了改進， 利用陰極射線管使陰極射線在電場和磁場的作用下分別發生了偏轉。實驗結果證明了陰極射線確是由帶負電的粒子組成的。但湯姆遜對此並沒有滿足， 他要通過實驗去測出這種帶負電的粒子的其他性質， 比如測它的飛行速度( v) 、電荷( e) 、質量( m) 等。
湯姆遜的實驗裝置見示意圖。他的實驗是這樣設計的， 由於已經知道陰極射線在受到電場和磁場的作用時會發生彎圖2 湯姆遜測陰極射線荷質比的裝置曲， 所以湯姆遜在放電管內加上一定強度的電場和磁場。陰極射線的彎曲情況可以從與陰極相對的熒光屏上亮點位置的移動表現出來。實驗時， 先給放電管加上外電場。這時， 陰極射線由於電場的作用， 它的飛行軌道發生了彎曲。熒光屏上的亮點就從中間位置向下移動。根據所加電場的情況， 可以判斷出亮點的這種移動表明陰極射線是帶負電的。然後， 再加上適當強度的外磁場。磁場強度的大小恰好使陰極射線產生相反方向的彎曲， 與電場作用下的彎曲程度相等。這樣， 從熒光屏上觀察到的情況就是， 亮點又從熒光屏下部移回到熒光屏的中間位置。顯然， 電場和磁場作用在陰極射線上的力是大小相等而方向相反的。即： evH =eE 式中：e 表示微粒所帶電荷； v 表示微粒的飛行速度； H 表示磁場強度； E 表示電場強度由上式推得： v= HE測量出此時的電場強度與磁場強度， 並把數值代入上麵的公式， 就可以得到微粒的飛行速度。湯姆遜實驗得到的微粒飛行速度是2. 7 ×109 厘米/ 秒。
湯姆遜通過實驗得到的關於微粒的第二個量是它的荷質比， 即微粒所帶的電荷與質量之比。求得荷質比的方法是這樣的， 湯姆遜讓放電管中的陰極射線僅在磁場作用下發生彎曲。這說明， 陰極射線粒子做曲線運動的向心力就是磁場的作用力。根據向心力公式：2mvF 向心=R式中F 向心是微粒所受的向心力；m 是微粒的質量； R 是微粒軌道的曲率半徑。在實驗中，F 向心就是evH， 所以公式變為：2evH = mvR 把可直接測量的量移到等式的右邊， 就可以得到微粒的電荷e 與質量m 之比，e= vm HR將測量得到的數值代入上式， 得到：e ≈0. 8 ×107 電磁單m 位/ 克這個數值與當時知道的氫原子的荷質比相比是很大的， 約為氫原子荷質比的2000 倍。1897 年4 月， 湯姆遜公布了自己的研究成果。對於陰極射線粒子的荷質比， 他的分析是， me 的值比氫原子的大，可能是e 大， 也可能是m 小， 或者兩者兼而有之。他認為比較可能的是m 小， 但是， 這需要實驗來證實。
接著， 湯姆遜和他的學生用幾種方法測到了陰極射線粒子所帶的電荷。實驗結果證明， 陰極射線粒子所帶電荷跟氫原子的基本相同。由此可以推知， 陰極射線粒子的質量比較小， 大約是氫原子質量的1/ 200 。
湯姆遜把不同的氣體， 氫氣、氧氣、氮氣。。等等分別充到放電管中， 實驗結果， 陰極射線上射出的帶電粒子的電荷和質量的比值都是一樣的。他又用各種金屬， 金、銀銅、鎳等作陰極， 測量的結果發現陰極射線粒子的電荷和質量的比值仍是一樣的。這些實驗結果表明了一個非常重要的問題， 不管陰極射線是從哪裏產生的， 是由電極產生的， 還是由放電管內氣體產生的， 反正它的荷質比都是一樣的。而且它與氫原子相比是更微小的粒子， 應是各種電極材料原子、各種氣體原子的組成部分。
從18 世紀以來， 許多科學家都在研究電的本性， 他們認為電也有一種最基本的單位。1874 年， 英國物理學家斯通尼主張把電解中一個氫離子所帶的電荷作為一個“基本電荷”。他還認為任何電荷都是由一些“基本電荷”組成的。1890 年， 斯通尼引入“電子”來表示負的基本電荷的負荷體。
這樣看來， 湯姆遜發現的這種可能比氫原子還小的粒子就是電子。為了證實基本電荷的存在， 在測出荷質比( e/m) 之後， 還要測出e 值。對測e 值， 貢獻最大的是美國物理學家密立根。他通過“油滴實驗”測得電子電荷值為：e10= ( 4. 774 ±0 。 009) ×10 -靜電單位。他的一個更重要的成果是， 所觀察到的任何給定油滴的電荷總是這個最小值的整數倍。這一結果是對電子是具有相同電荷和質量的一個基本粒子這一觀點的有力支持。有了e 值， 由荷質比e/ m， 可以更精確地求得電子質量與氫原子質量的比值： Me= M1830這一結果表明， 電子的質量是氫原子質量的1/ 1830 。
現在大家都公認， 是湯姆遜在1897 年發現的電子。這是一個重大的發現。一個重大的發現， 看起來容易做起來難， 湯姆遜發現電子也不例外。在湯姆遜之前， 也曾有科學家根據陰極射線的彎曲測出了陰極射線粒子的荷質比。但是， 他們由於堅持認為電是連續性的， 不存在最小單位， 所以未能深入下去。也還有的物理學家未能觀察到陰極射線的彎曲， 其實在湯姆遜本人的早期實驗中也遇到了同樣的情況。對此， 湯姆遜曾作過回答， 他指出要使這個實驗獲得成功， 必須克服放電管內真空度不高的困難。可見， 湯姆遜的成功， 高超的真空技術是一個保證。這就說明， 技術的進步對物理學的發展有著重要的影響。
電子、X 射線與天然放射性的發現並稱為19 世紀末物理學三大發現。這三大發現打開了人們認識原子的大門。
持不同觀點的科學家都在積極尋找有利於自己觀點的證據。對陰極射線的本性作出正確答案的是英國劍橋大學卡文迪許實驗室的湯姆遜。他認為陰極射線是帶電微粒說可能更符合實際， 決心設計實驗進行周密考察， 以找出確鑿證據。
湯姆遜對法國物理學家佩蘭的實驗裝置進行了改進， 利用陰極射線管使陰極射線在電場和磁場的作用下分別發生了偏轉。實驗結果證明了陰極射線確是由帶負電的粒子組成的。但湯姆遜對此並沒有滿足， 他要通過實驗去測出這種帶負電的粒子的其他性質， 比如測它的飛行速度( v) 、電荷( e) 、質量( m) 等。
湯姆遜的實驗裝置見示意圖。他的實驗是這樣設計的， 由於已經知道陰極射線在受到電場和磁場的作用時會發生彎圖2 湯姆遜測陰極射線荷質比的裝置曲， 所以湯姆遜在放電管內加上一定強度的電場和磁場。陰極射線的彎曲情況可以從與陰極相對的熒光屏上亮點位置的移動表現出來。實驗時， 先給放電管加上外電場。這時， 陰極射線由於電場的作用， 它的飛行軌道發生了彎曲。熒光屏上的亮點就從中間位置向下移動。根據所加電場的情況， 可以判斷出亮點的這種移動表明陰極射線是帶負電的。然後， 再加上適當強度的外磁場。磁場強度的大小恰好使陰極射線產生相反方向的彎曲， 與電場作用下的彎曲程度相等。這樣， 從熒光屏上觀察到的情況就是， 亮點又從熒光屏下部移回到熒光屏的中間位置。顯然， 電場和磁場作用在陰極射線上的力是大小相等而方向相反的。即： evH =eE 式中：e 表示微粒所帶電荷； v 表示微粒的飛行速度； H 表示磁場強度； E 表示電場強度由上式推得： v= HE測量出此時的電場強度與磁場強度， 並把數值代入上麵的公式， 就可以得到微粒的飛行速度。湯姆遜實驗得到的微粒飛行速度是2. 7 ×109 厘米/ 秒。
湯姆遜通過實驗得到的關於微粒的第二個量是它的荷質比， 即微粒所帶的電荷與質量之比。求得荷質比的方法是這樣的， 湯姆遜讓放電管中的陰極射線僅在磁場作用下發生彎曲。這說明， 陰極射線粒子做曲線運動的向心力就是磁場的作用力。根據向心力公式：2mvF 向心=R式中F 向心是微粒所受的向心力；m 是微粒的質量； R 是微粒軌道的曲率半徑。在實驗中，F 向心就是evH， 所以公式變為：2evH = mvR 把可直接測量的量移到等式的右邊， 就可以得到微粒的電荷e 與質量m 之比，e= vm HR將測量得到的數值代入上式， 得到：e ≈0. 8 ×107 電磁單m 位/ 克這個數值與當時知道的氫原子的荷質比相比是很大的， 約為氫原子荷質比的2000 倍。1897 年4 月， 湯姆遜公布了自己的研究成果。對於陰極射線粒子的荷質比， 他的分析是， me 的值比氫原子的大，可能是e 大， 也可能是m 小， 或者兩者兼而有之。他認為比較可能的是m 小， 但是， 這需要實驗來證實。
接著， 湯姆遜和他的學生用幾種方法測到了陰極射線粒子所帶的電荷。實驗結果證明， 陰極射線粒子所帶電荷跟氫原子的基本相同。由此可以推知， 陰極射線粒子的質量比較小， 大約是氫原子質量的1/ 200 。
湯姆遜把不同的氣體， 氫氣、氧氣、氮氣。。等等分別充到放電管中， 實驗結果， 陰極射線上射出的帶電粒子的電荷和質量的比值都是一樣的。他又用各種金屬， 金、銀銅、鎳等作陰極， 測量的結果發現陰極射線粒子的電荷和質量的比值仍是一樣的。這些實驗結果表明了一個非常重要的問題， 不管陰極射線是從哪裏產生的， 是由電極產生的， 還是由放電管內氣體產生的， 反正它的荷質比都是一樣的。而且它與氫原子相比是更微小的粒子， 應是各種電極材料原子、各種氣體原子的組成部分。
從18 世紀以來， 許多科學家都在研究電的本性， 他們認為電也有一種最基本的單位。1874 年， 英國物理學家斯通尼主張把電解中一個氫離子所帶的電荷作為一個“基本電荷”。他還認為任何電荷都是由一些“基本電荷”組成的。1890 年， 斯通尼引入“電子”來表示負的基本電荷的負荷體。
這樣看來， 湯姆遜發現的這種可能比氫原子還小的粒子就是電子。為了證實基本電荷的存在， 在測出荷質比( e/m) 之後， 還要測出e 值。對測e 值， 貢獻最大的是美國物理學家密立根。他通過“油滴實驗”測得電子電荷值為：e10= ( 4. 774 ±0 。 009) ×10 -靜電單位。他的一個更重要的成果是， 所觀察到的任何給定油滴的電荷總是這個最小值的整數倍。這一結果是對電子是具有相同電荷和質量的一個基本粒子這一觀點的有力支持。有了e 值， 由荷質比e/ m， 可以更精確地求得電子質量與氫原子質量的比值： Me= M1830這一結果表明， 電子的質量是氫原子質量的1/ 1830 。
現在大家都公認， 是湯姆遜在1897 年發現的電子。這是一個重大的發現。一個重大的發現， 看起來容易做起來難， 湯姆遜發現電子也不例外。在湯姆遜之前， 也曾有科學家根據陰極射線的彎曲測出了陰極射線粒子的荷質比。但是， 他們由於堅持認為電是連續性的， 不存在最小單位， 所以未能深入下去。也還有的物理學家未能觀察到陰極射線的彎曲， 其實在湯姆遜本人的早期實驗中也遇到了同樣的情況。對此， 湯姆遜曾作過回答， 他指出要使這個實驗獲得成功， 必須克服放電管內真空度不高的困難。可見， 湯姆遜的成功， 高超的真空技術是一個保證。這就說明， 技術的進步對物理學的發展有著重要的影響。
電子、X 射線與天然放射性的發現並稱為19 世紀末物理學三大發現。這三大發現打開了人們認識原子的大門。
