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1、e 书联盟电子书下载w w w .b o o k 118.c o m第五十六回：巧设计是光是电见分晓 细测算，质量电量全找到 电子的发现花开两朵，各表一枝。自从放电管问世以来，人们纷纷研究真空放电， 无意中生出许多课题。那伦琴从管中阴极发出的射线发现了 X 射线，贝克勒 尔又从对 X 射线的研究发现了铀的天然放射性，居里夫妇又进一步从对铀矿 的研究发现了镭。镭可以自己发光发热，这又给物理学提出了一个无法解释 的大难题。从阴极射线引出的一个链条，环环相扣，续续而生，未有穷尽。 但是阴极射线本身到底是什么呢？自然有人会考虑这个问题，这个人就是英 国物理学家汤姆生（1 8 5 6 1 9 4 0 ）
2、。 汤姆生 1 8 5 6 年 1 2 月 1 8 日生于英国的曼彻斯特。 他父亲本是一个摆摊卖 书报的小贩，后来靠着自己的奋斗成了一名专印大学课本的著名的书商。他 从自己的切身经历中深知没有知识的苦哀，便发誓要教子成材。请了家庭教 师指导儿子的学业，并注意培养他的艺术素养。老汤姆生虽是一名书商，可 是因职业关系平时来往的却都是曼彻斯特大学的教授，二十岁被保送到剑桥 大学三一学院，二十七岁就被选为皇家物理学会的会员。1 8 8 4 年卡文迪许实 验室主任瑞利年老体衰宣布辞职，大家都等着看谁来继任这个全欧洲学术界 最引人注目的职位，结果瑞利却推荐了汤姆生，这年他才刚满 2 8 岁。 这时一场旷日
3、持久的大争论正在等待他的加入。六十年代英国物理学家 克鲁克斯发明了一种管子克鲁克斯管，在一个玻璃管里嵌上相对的两块 金属板，两板各与一条电路相联，一块是阴极，一块是阳极，管内空气抽得 越来越稀薄时，就会出现种种不同的颜色，这种光是由阴极发出的。它到底 是什么呢？以德国物理学家赫兹、林纳德为首的一派认为阴极射线是类似于 光的东西，是电磁波；以英国物理学家克鲁克斯为首的一派认为这是一束带 负电的粒子流。赫兹说，既然是粒子流为什么它能顺利通过放在管内它们路 径上的各种屏障，而又不给屏上穿出洞呢？只有波才有这种特性；克鲁克斯 说， 既然是光一类的波， 为什么我把一块磁铁靠近管子时， 它就发生偏转呢？
4、只有带电粒子才会受磁场的影响。这简直就象当年牛顿和胡克、惠更斯争论 光的波粒性一场，又是一场难断的官司。双方都是当时最知名的权威，这场 辩论竟持续了 2 0 多年没有结果。就在 1 8 9 6 年，汤姆生正好 4 0 岁时，英国科 学促进会最高委员会将汤姆生召来要他的实验室来解决这桩悬案。 好个汤姆生，由他来担当此任真是再合适不过了，他在电磁学方面有极 扎实的功底，又有一手高超的实验技术。接受任务后他先将以往的研究成果 仔细回顾一番， 发现其实早在 1 8 3 4 年法科第总结电解定律时已经初步涉及到 这个问题。实验证明，所有化合价为一价的元素，电解出一克化学当量的物 质，都需要 9 6 ，4
5、 9 3 库仑的电量。而一克当量物质所含的粒子数正是阿弗加 德罗常数， 即 6 . 0 2 3 8 1 02 3个。 这样就可算出每个粒子上所带的电量为 4 . 8 0 21 0 1 0 绝对静电量，它是电的最小单位。就是说电是由这么一点点的小东西 集结而成的，揭示了电的粒子性。阿弗加德罗常数是 1 8 7 0 年才确定的，七十 年代、八十年代，对这个问题的研究更加深入。1 8 7 4 年英国物理学家斯通尼 明确提出用“电子”一词来表示电的一个最小单位。但是为什么还是争论不 休呢？因为到此为止也还只是一种理论计算，就象当初居里夫妇发现镭的放 射性，但并没有测出镭的原子量，化学家就直摇头一样。现
6、在只推算电子，e 书联盟电子书下载w w w .b o o k 118.c o m而不知道他的重量、性质，物理学家们自然不服，于是汤姆生毅然决定要秤 秤电子的重量。 这可真是异想天开，你要捉一个原子来放在天平上都不可能，一个电子 又如何秤法？这个主意只有汤姆生想得到，也只有他能做到。他既是一个理 论物理学家，又是一个实验物理学家，设计实验是他的拿手好戏。他立即把 学生们叫到一起，准备好一个阴极射线管，射线从阴极一端发出后，穿过两 个很窄的缝，成一细束，打在管子的底部，而底部已准备好精确的刻度，以 便观察射线的偏转。在射线经过的路上，上下各准备两块金属电极板，形成 一个电场。当金属板不通电时射线
7、沿直线打在管底一个点上，通电后射线受 电场的影响发生偏转，并且根据偏转的方向可知它是带负电的粒子束。这时 再加一个磁场，使它沿相反方向偏转，又校正到原来的位置。这真是一个极 妙的实验，一丝阴极射线随着电场和磁场的强弱变化忽上忽下，就象有两只 无形的手来回争着将它拉过来拉过去。汤姆生最后让它固定在正中的位置 上，对他的学生说：“现在我们可以来称电子的重量了。这时磁场力和电场 力的大小正好相等，方向相反。根据这个条件我们先来求出阴极射线微粒的 飞行速度。知道了速度就可进一步测其他物理量。比如，我现在撤掉电场， 粒子只受磁场力作曲线运动，我们就可求得它的电荷与质量之比。有了这许 多数据我们就可以去推
8、算质量。只是那法拉第等人当初是通过电解定律来推 算每个粒子上所带的电量，为了证明这个数据我们最好另换一种方法。” 这时在座的一位学生应声答道：“我这里有一种办法可以一试。” 汤姆生一看，说话的正是威尔逊（1 8 9 6 1 9 5 9 ）。原来，这汤姆生身边 高徒满座，他们一个个都年轻聪明，基础扎实又各有所长。现在说话的这个 威尔逊对大气电学有特殊的兴趣，1 8 9 4年他到海拔 4 0 0 0多米的尼维斯山顶 旅游，被那里奇丽的雾景所吸引，便深入钻研，终于弄懂这是气压低的缘故。 于是他就在实验室里人工造雾，先是让水分凝结在空气中的尘粒上，后来 X 射线的发现使他想到空气中离子的存在可能导致云
9、雾的形成。威尔逊想阴极 射线若真是电子粒，虽然这电子粒看不见，可是造成一个条件使带电粒子和 水一起凝结成雾珠，不就可见而且可以测算了吗？威尔逊当即向老师装好一 个简单的仪器。一个大玻璃筒，下面有一个底盘与验电器相连接，筒内充进 潮湿空气后将筒上的活塞突然向上提，空气膨胀造成云雾，水滴开始缓缓地 向底盘上落去。就是这么个简单的装置却演示出一个很了不起的成果。他们 可以根据云雾向圆盘降落的速度来求雾滴的大小，又根据雾滴的大小和水蒸 气的总量来求出雾滴的总数，再以验电器收到的总电量除以雾滴的总数，就 得出每个雾滴上的电荷值，与法拉第电解定律的求法殊途同归。这真是拐着 弯儿作学问。 好了，现在我们来看
10、汤姆生对电子的称量结果：阴极射线是由带负电的 粒子组成，这种粒子的飞行速度是每秒十万公里；它的质量是氢原子的 1 8 4 0 分之一；它的电荷是 4 . 8 1 0- 1 0个静电单位。汤姆生还不放心，又把阴极材料几次更换，结果都可以发出同样的粒子流。他还发现：不只在阴极射线中， 在其他情况下，如将金属加热到一定高的温度，金属或其他物质受光，特别 是受紫外线照射时，也都能放出电子。后来威尔逊不断改进他的云雾室，居 然实实在在地观察到了电子的轨迹。现在的问题就不只是一个简单的阴极射 线是什么了，它又导出了一个伟大的发现任何元素中都含有电子。 这电子的质量极小，只有 9 1 0- 2 8克，就是只
11、有一万亿亿亿分之一克。e 书联盟电子书下载w w w .b o o k 118.c o m这么小的东西汤姆生也将他称出来了，妙就妙在他能迂回曲折，借助电场、 磁场、雾滴，正如本生借光谱识元素，居里夫妇借电流强度识别射线强度一 样，善于抓住事物间的联系，步步摸索，终于达到目的。不过这回汤姆生绕 的圈子也实在够大了，他的这个实验在科学史上也就特别的著名。 正是： 曲径通幽处，科学无近路。 目的难直达，请君绕几步。 却说汤姆生终于捕捉到电子后， 他的学生们围着他七嘴八舌地问道： “这 个方法也不算太难，为什么过去争吵了二十多年就没有人去做个实验呢？” “事情并不这样简单，我刚开始实验时，曾在两块金属
12、板之间加上一个 电场，射线并不偏转。这是由于有气体的存在压力太高。要解决这个问题就 先要解决真空条件，而当时真空技术才刚刚使用，很不完善。可知一项研究 总是和当时的技术发展水平相联系的。所以，电子的发现并不是我个人特别 聪明，这是前人经过许多知识和技术方面的积累，到现在才水到渠成了。” “老师，这个积累是全社会共享的，为什么同一个时间，同一个实验室， 有人能够利用它去实现新的突破，有的人就做不到呢？” “所以，我要给你们立两条规矩：第一，接受一个新题目后首先要将这 方面的知识系统复习，特别要注意前人已有的成果，这样既避免重复劳动， 又可站在巨人的肩膀上登攀。第二，必须学习好实验技术，全套仪器都
13、要亲 手制作，尽量不使用现成的。” 学生中不知谁怯生生地问了一句，“这样不是太费时间了吗？” “不，费点时间有利于培养你们的创造力。实验室是培养会思考、有独 立工作能力的人，不是要造就一些死成品。你们不仅是实验的观察者，更重 要的是实验的创造者。老师不能教给你所有的知识，而你们掌握了创造能力 后却可以得到前人都得不到的知识。” 这些本就十分聪明的高材生们毕恭毕敬地围在汤姆生身边聆听师训，他 们以后牢记这一教诲，刻苦读书，勇敢创造，这一批学生中竟出了 5 0 多名卓 有成绩的大物理学家，其中便有威尔逊、玻尔、皮瑟福等九人获得诺贝尔奖 金。汤姆生在卡文迪许实验室任教授和主任辛苦执教 3 4 年，桃
14、李满天下，育 人成果早超过了那些具体的物理发现。 再说汤姆生发现电子，一时名声大震，许多国家纷纷请他去讲学。但他 有个习惯，就是多做少说，轻易不愿登台报告。美国著名的普林斯顿大学几 次恳求，他才去讲了六小时，而内容却极为精炼。英国皇家物理学会规定每 星期五晚上要举行一次学术报告会。委员会早就为他安排好了讲演时间，他 埋头电子的研究竟拖了三年。直到 1 8 9 7 年 4 月 3 0 日晚上，他终于登台了。 这天大厅里灯火辉煌，他将关于发现电子的实验一一讲给同行们，在座的物 理学家无论是克鲁克斯派的还是赫兹派的人无不点头叹服，一个比原子还小 的基本粒子发现了，汤姆生被誉为“一位最先打开通向基本粒
15、子物理学大门 的伟人”。1 9 0 6 年荣获诺贝尔物理学奖。电子的发现，和 X 光、放射性一起， 成为十九世纪末物理学的三大发现。汤姆生在那个晚上的演讲中说，电子是 世界上最轻量级的运动员，它如此轻微却联合成一支庞大的队伍，形成了近 代工业中最重要的动力源泉。 电子是发现了，但是它在原子中的位置呢？有带负电荷的电子必定还有 一种带正电荷的粒子与之相平衡，它们两者谁绕着谁运动呢？这又是一个新e 书联盟电子书下载w w w .b o o k 118.c o m问题。汤姆生构想了一个原子模型，就象一块西瓜瓤或者是一块夹有葡萄干 的面包。电子就象西瓜籽或萄萄干一样均匀地分布在带正电的粒子中，这就 是
16、有名的“均匀模型”。现在无论是居里夫妇发现镭的自动放热还是汤姆生 发现电子，问题都集中到原子内部来了，一个原子物理的时代就要到来。汤 姆生最先设计的“均匀模型”到底对不对呢？且听下回分解。第五十七回： 悄然无声 子变成李原子 喜报铁至 奖却送物理人 原子蜕变的发现上回说到汤姆生的研究已经深入到原子内部，发现了电子并提出一个原 子“均匀模型”。这个模型到底对不对呢？“不对！”汤姆生万没有想到说 这个话的正是他的从大西洋那边归来的一个学生卢瑟福（1 8 7 1 1 9 3 7 ）。 卢瑟福 1 8 7 1 年出生于新西兰一个偏僻的小村庄， 家里有兄弟姐妹共十二 人，这样的家庭自然不能对他娇生惯养，因此小卢瑟福倒尽得自然的优惠。 他和伙伴们或山上放牛，或海边捕鱼，风风雨雨炼出好一副强健的身骨，到 后来他处于文弱的科学家堆中，无人不羡慕他的体格；另一方面潮涨潮落， 那大自然的奥妙又启发了他的智慧，他从小就不满足于只学点能糊口的手 艺，而向往解释宇宙，向往发明，向往创造。1 8 8 9 年，当他十八岁的时候便 勇敢地去报考新西兰大学的奖学金，无疑这将决定一个农家
