第七章 世纪之交的物理学（2） 第七章 世纪之交的物理学（2） §2 19 世纪的三大发现 §2 19 世纪的三大发现 一 电子的发现 一 电子的发现 1．阴极射线的研究 阴极射线是由德国物理学家普吕克尔于 1858 年在观察放电管中低压气体的放电现象时 发现1876 年同是德国物理学家的哥尔茨坦认为这是从阴极发出的某种射线，并从此命名 为阴极射线但它认为阴极射线是类似于紫外线的以太波后来赫兹等人也都坚持以太说 1871 年，英国物理学家瓦尔利(Varley)从阴极射线在磁场中受到偏转的事实，提出阴 极射线是由带负电的微粒组成的设想并且他的主张得到本国人克鲁克斯和舒斯特的支持 于是对于阴极射线的性质，19 世纪的后 30 年，形成了两种对立的观点：德国学派的以太说 和英国学派的带电微粒说 微粒说派的克鲁克斯认为阴极射线是由于残留气体分子撞到阴极，因而带上负电，又在 电场中运动形成“分子流”因此它既能传递能量，也能传递动量 舒斯特认为：气体分子自然分解成两部分，带正电的部分被阴极俘获，电极间只留下带负电 的部分，因而形成阴极射线并且在 1890 年，他根据磁偏转的半径和电极间的电位差，估 算带电微粒的荷质比为 5×106～1×1010 库仑/千克之间，与电解所得氢离子的荷质比 108 库仑/千克相比，数量级相近。
为了反驳微粒说观点，哥尔茨坦作了一个光谱实验，如图：他用一个 L 形放电管，电极 A 和 B 可以互换轮流做阴极，用光谱仪观察光谱如果阴极射线是分子流，它发出的光应产 生多普勒效应， 即光的频率应与分子流速度方向有关 但结果是不管是那一端发出阴极射线， 谱线的波长都没有改变，从而否定了分子流之说并认为这是对以太说的一个支持 赫兹和其学生勒纳德(Lenard)做了真空管中电流分布的实验， “证明”阴极射线的走向 与真空管中电流的分布无关 他还在阴极射线管中加垂直于阴极射线的电场， 由于没有看到 阴极射线的偏转（管中真空度太低）而认为阴极射线不带电1891 年，赫兹和勒纳德又做 了铝窗实验：他在阴极射线管的末端嵌上厚度约 0.000265cm 的薄铝箔作为窗口（如下图） ， 发现阴极射线能从铝窗口逸出， 并能在空气中穿行约 1cm 的行程 他们认为这是以太说的有 力证据，因为只有波才能穿越实物 1895 年法国物理学家微粒说支持者佩兰(Perrin)将圆桶电极安装在阴极射线管中，用 静电计测圆桶接收到的电荷结果为负电支持了带电微粒说 对阴极射线本性做出正确答案的是英国剑桥大学卡文迪什实验室教授 J.J.汤姆逊，他 从 1890 年起， 就带领自己的学生研究阴极射线。
并通过实验证实了阴极射线的带电微粒说， 并进一步确定了粒子的荷质比 e/m发现了电子 2．电子的发现 J·J·汤姆逊 (1856-1940)简介： 曾任剑桥大学卡文迪什实验室主任 培养的学生有卢 瑟福、 玻尔、 威尔逊等多人， 他们都先后荣获了诺贝尔奖J.J.汤姆逊出生于英国曼彻斯特 父亲是苏格兰人，幼年家境贫困，经奋斗后成为一名专印大学教材的著名书商，由于父亲职 业的关系，J.J.汤姆逊从小就结识了一些大学教授，在他们的影响下，打下了坚实的学习基 础14 岁进入曼彻斯特大学，1876 年获数学奖金而进入剑桥大学三一学院深造1880 年获 二等史密斯奖金，进入卡文迪什实验室，在瑞利教授的指导下进行电磁学研究1883 年被 选为英国皇家学会会员 1884 年出任卡文迪什实验室主任 （这一年瑞利出任皇家学会会长） ， 年仅 28 岁领导该室人员工作长达 42 年 J.J.汤姆逊既是实验物理学家， 又是理论物理学家 1883 年他首创了原子结构论； 1897年发现了电子他对气体的导电进行了深入研究，1903 年写成《气体电行为》一书，并因 此获得 1906 年诺贝尔物理学奖1912 年指出元素有同位素存在。
在电学理论方面著有《电 与磁的现代研究》 ，并被誉为麦克斯韦的第三卷 J.J.汤姆逊设计了一系列实验，以无可辩驳的事实确证了阴极射线是带负电的粒子流 ①实验一：1894 年汤姆逊用旋转镜法测得阴极射线的速度为 1.9×107 cm/s，远小于他曾测得过的电脉冲在低压气体中传播的速度(1.6×1010cm/s)， 排斥了阴极射线是一种电磁辐射的可能 ②实验二 测量阴极射线所带电荷的实验：1895 年，汤姆逊将佩兰实验装置做了一些改进， 他把阴极 A 和法拉第圆桶 F 放在不在一条直线的方向上，如图示阴极射线从 A 发出，经过 与阳极 B 相连的小孔射到正对的管壁 D 上，产生荧光斑点当用磁铁使射线偏转，进入法拉 第圆桶，这就保证了圆桶内收集到的一定是阴极射线实验结果表明，收集到的是负电荷， 证实了阴极射线的负电性 ③实验三：静电偏转实验：J.J.汤姆逊重复了赫兹的静电场偏转实验，起初也得不到偏转 但注意到在刚加上电压的瞬间，阴极射线轻微的摆动了一下他马上认识到，这是由于残余 气体分子在电场作用下发生了电离， 正负离子把电极上的电压抵消掉了 于是他改善真空条 件，并减小极间电压，终于获得了稳定的静电偏转。
从而否定了以太说 ④实验四：荷质比e/m的测量：方法有二 其一是在上一实验装置管子的两测各加一通电线圈， 以产生垂直于电场的磁场 然后根 据电场和磁场分别造成的偏转，计算出阴极射线的荷质比以及微粒子的运动速度v≈2.7 他从勒纳德实验结果知道，阴极射线在空气中的穿行距离可达 1 厘米，而空气分子的平 均自由程仅有 10-5厘米，因此阴极射线的质量一定比空气分子小的多 ⑥其他实验验证： 1）光电效应中产生的光电流 1887 年赫兹发现光电效应，但对产生的光电流的本质不清楚1899 年，J.J.汤姆逊用 磁场偏转法测量了产生的光电流的荷质比，结果与阴极射线近似 2）热电效应中的负离子 热电效应是 1884 年爱迪生发现的，他在研制白炽灯时，发现灯泡里的白炽碳丝加热后 有负电逸出1899 年，J.J.汤姆逊同样用磁场截止法测量了荷质比，结果也和阴极射线一 致 3）β射线的测定 1898 年卢瑟福发现了β射线，不久，贝克勒尔用磁场和电场偏转法测得β射线的荷质 比和速度，证明和阴极射线相同 J.J.汤姆逊在掌握大量实验事实的基础上，于 1899 年果断地做出结论： ⅰ）不论是阴极射线、β射线还是光电流，都是电子组成的； ⅱ）不论是由于强电场的电离、正离子的轰击、紫外光的照射、金属受灼热还是放射 性物质的自发辐射，都发射出同样的带电粒子---电子； ⅲ）这种带电粒子比原子小千倍，可见，电子是原子的组成部分，是物质的最基本电 位。
文章中， J.J.汤姆逊用“电子”一词来表示构成阴极射线的这些“载荷子”电子” 一词原是由斯坦尼 1891 年提出，用来表示电的自然单位） 3．电子电量和质量的测量—油滴实验 J.J.汤姆逊的研究生 汤森德、H.A.威尔逊、C.T.R.威尔逊等在测量阴极射线粒子带电 量方面都做出了贡献但最有说服力的是罗伯特·密立根的油滴实验 密立根在 1906 年重复H.A.威尔逊的实验时测得 e≈4.03×10-10静电单位，1913 年，他用油滴实验测得 e=(4.774±0.009)×10-10静电单位后来经不断改进和重复测量，1917 年公布的结果为：e=(4.770±0.009)×10-10静电单位 于是由荷质比得 电子的质量为 me=（1/1830）mH 1901 年考夫曼(Walther Kaufmann,1871-1947)用β射线作实验，证实电子的质荷比随 速度的增大而增大证明了电子质量随速度变化的事实 4．意义 ①宣告了原子是可分的 ②为进行电子和原子的研究开创了新的实验技术 J·J·汤姆逊于 1906 年获诺贝尔奖 二 X 射线的发现 二 X 射线的发现 1．伦琴(Wilhellm Konrad Rontgen,1845-1923) 德国物理学家。
1865 年进入瑞士 苏梨士工艺学院学习机械工程，曾跟著名物理学家克 劳修斯及孔脱学习1869 年获博士学位，先后在几所大学从事教学和晶体、光学、电磁学 的研究工作1888 年任维尔茨堡大学教授，1894 年担任校长19 世纪末，阴极射线的研究 正方兴未艾，一向治学严谨的伦琴教授，也致力于这个问题的研究 2．X 射线的发现过程 当赫兹和勒纳德发表了论阴极射线穿透力的论文后， 德国物理学家伦琴重复了勒纳德的 实验， 发现阴极射线确实能穿透铝箔在空气中穿行几厘米， 并使涂有铂氰化钡的荧光屏产生 荧光后来，他又改用没有铝箔窗口的克鲁克斯管进行实验，也发现了荧光可是根据勒纳 德实验，阴极射线是不能穿透玻璃的，这一现象促使伦琴将实验进行下去 1895 年 11 月 8 日晚，为了防止外界紫外线和可见光的影响，他把实验室的窗户用黑布 遮好，为防止管内可见光漏出管外，又用黑纸将放电管包起来，他意外的发现一米外的荧光 屏上发出闪光，将荧光屏移远继续做实验，荧光屏上的闪光仍随放电过程的节拍断续出现 他用书、木版、铝片等物挡在放电管和荧光屏之间，荧光屏上仍能发出不同强度的闪光伦 琴意识到这是一种不同于阴极射线的新射线。
为了确证这一新射线，并尽可能的了解其特性，伦琴用了 6 个星期深入研究这一现象， 并于 1895 年 12 月 28 日写成论文《论一种新的射线》递交给维尔茨堡物理医学学会这一 论文在三个月内被印行了五次，第五版同时用英、法、意、俄等文印出 1896 年 3 月送出第二篇《论一种新的射线（续） 》 1897 年 3 月又送出第三篇《关于 X 射线性质的进一步观察》 在论文中伦琴总结了射线的性质： ①新射线由阴极射线打在固体表面产生， 固体元素越 重产生的射线越强；②新射线沿直线传播，不被棱镜反射和折射，不被磁场偏转；③新射线 具有很强的穿透力，对所有的物质几乎都是透明的；④新射线可使荧光物质发光，使底片感 光，具有透视的功能由于这种射线的本质尚无人所知，故将其称为 X 射线直到 1912 年， 德国物理学家劳厄从晶体衍射的发现才判定 X 射线是频率极高的电磁波 不久， 莫塞莱证实 它是由原子中内层电子跃迁所发出的辐射 1901 年，伦琴获首届诺贝尔物理奖，他是当之无愧的 3．伦琴射线发现的意义 由于 X 射线与原子中内层电子的跃迁有关，这说明了物理学还存在亟待搜索的未知领 域。
X 射线本身在医疗、研究物质结构等方面都有很多的实用价值 4．严谨的科学态度所结出的丰硕之果 ①哥尔茨坦（E.Goldstein)：1880 年，哥尔茨坦在研究阴极射线时就注意到在阴极射 线的管壁上会发出一种特殊的辐射，使管内的荧光屏发光，但他认为这就是以太波动 ②克鲁克斯：1887 年，克鲁克斯发现放在阴极射线管旁边的底片变黑了，他认为是底片质量问题，把底片退还给了厂家 ③J.J.汤姆逊：1894 年 J.J.汤姆逊在测量阴极射线的速度时，也作了观察到 X 射线的 记录他当时没有时间研究这一问题，只是在论文中提了一句，说看到放电管几英尺远处的 玻璃管上也发出了荧光 ④斯密士(G.Smith)： 1895 年英国牛津一位物理学家斯密士发现放在克鲁克斯管旁的盒 子里的底片变黑了，但他只是让助手把盛底片的盒子放在别处保存 ⑤勒纳德：是研究阴极射线的权威之一，在研究阴极射线时也遇到了 X 射线，但他却认 为是速度无限大的阴极射线 三 天然放射性的发现 三 天然放射性的发现 1．铀盐放射性的发现 ①贝克勒尔 (1852-1909) 生长在法国巴黎，家庭中有许多学者祖父和父亲都是固体磷光专家，从事研究工作有 60 年的历史，贝克勒尔早期从事光学研究，43 岁开始研究放射现象。
②铀盐的实验 伦琴的发现， 使贝克勒尔联想到， 天然荧光物体是否也能产生 X 光那。