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1、【1】阴极射线电子发现过程的逻辑分析 发现实例： 1834年，法拉第在研究液体导电时，发现了电解定律。1838年法拉第由研究气体导电开始转向对真空放电的研究。他用自己制作的真空度仅有千分之七个大气压的真空放电管法拉第管（将两根黄铜棒焊到一根玻璃管的两端作为电极并用空气泵抽去管里的空气。由于当时实验技术的限制，只能获得较低的真空度）通电后，发现两极之间有暗区法拉第暗区。 1851年，巴黎电学机械厂技师鲁姆柯夫发明了能把直流低电压（6伏）变成几千伏高电压的感应线圈。1857年，德国波恩的仪器技工盖斯勒（H.Geissler,18141879）用自己发明的水银真空泵和鲁姆柯夫发明的高压线圈制成了真空
2、度达万分之一个大气压的真空放电管盖斯勒管（他利用托里拆利真空原理制成了水银真空泵,代替了以前的空气泵。在一根玻璃管的两端封上两根白金丝，再用水银真空泵把玻璃管中的空气抽调，然后接上高压线圈）。 1858年，德国物理学家盖吕克（J.Plcker,18011868）在用盖斯勒管研究真空放电时，发现管中除了低压气体发光以外,正对着阴极的玻璃管壁也发出了绿色的荧光，当磁铁在管外晃动时,荧光也会随之晃动。 为了进一步观察放电管中的现象，1869年普吕克的学生希托夫（J.W.Hittorf,18241914）制作了一个真空度达10万分之一大气压的圆球状真空放电管（在球中间装了一片障碍物，而两个电极是垂直安
3、装的）希托夫管，他发现在两极之间放一片金属障碍物时，阴极对面的玻璃管壁上不仅发出荧光而且还出现了障碍物的影子；若改用透明的云母片作障碍物，同样会出现清晰的影子；在电场和磁场的作用下，障碍物的影子会发生移动。这一实验表明玻璃管中从阴极发出了一种带负电的不可见射线，而不是光线，对面玻璃管壁在它的撞击下会发出荧光。1876年，德国物理学家哥尔德斯坦（E.Goldstein,18501930）将这种由阴极发出的奇妙射线命名为“阴极射线”。 1878年，英国伦敦大学的化学教授克鲁克斯（W.Grookes,18321919）利用德国科学家本生的学生斯普伦发明的抽高真空的水银泵，设计制造了各种形状的真空度达
4、到百万分之一个大气压的高真空放电管克鲁克斯管。发现通电后的放电管中处于一种闪烁的黑暗状态，阴极对面的玻璃管壁依然发出清晰的荧光。克鲁克斯还制作了一个长长的高真空放电管，管中平行地安放着两根玻璃轨道，在玻璃轨道上放着一个云母片作的小风车。当用阴极射线照射上侧风翼时，小风车就沿轨道滚动起来。这表明阴极射线是一种高速带负电的粒子流。 1897年4月30日，时任卡文迪许实验室主任的汤姆逊向皇家学院做了题为阴极射线的报告，系统地阐述了他利用阴极射线是带电粒子、又能被电场和磁场偏转的特性来测定阴极射线粒子的速度、质量和电荷的实验：他首先精心设计了一个阴极射线管在管子的一端装上阴极和阳极，在阳极上开了一条细
5、缝，通电后，阴极射线就会穿过阳极成为细细的一束，折射到玻璃管的另一端。这一端的管壁上涂有莹光物质。这一实验装置实际上就是电视显像管的前身。 汤姆逊在射线管的中部装有两个电极板用以产生电场，在射线管外面加了一个磁场。调节电场和磁场的强度使它们对阴极射线的作用正好相互抵消，这样阴极射线就不会发生偏转。汤姆逊据此来测量电场和磁场的强度。他利用物理学有关定律计算出了阴极射线的速度为1.9107cm/秒，并测出阴极射线带电粒子的电荷和质量的比值，发现这种粒子的质量非常小，仅是氢原子的质量的1/2000。汤姆逊还用金、银、铜、镍等各种金属作阴极来测定不同阴极上射出来的带电粒子，发现它们的电荷和质量的比值都
6、一样。他又把不同的气体如H2 、 O2 、 N2充到管内，阴极射出的带电粒子的电荷和质量的比值还是一样的。 这一系列实验表明不管阴极射线是由哪种物质产生的，是由电极产生的，还是管内的气体产生的，在各种物质中都有一种质量为氢原子质量的1/2000的带负电的粒子（后来人们更精密的测定其值为1/1837）。1891年，英国物理学家斯通尼（G.J.Stoney,18261911）把阴极射线粒子称为“电子” 英国物理学家汤姆逊所发现的电子是人类发现的第一个基本粒子，这是物理学发展史上一项具有划时代意义的重大发现,它标志着人类对物质结构的认识进入到一个新的阶段。 创新逻辑分析： 相似推理: 已知:固体 可
7、导电 联想:固体液体（相似关系） 推论:液体 可导电 实验:液体 可导电 相似推理: 已知:液体 可导电 联想:液体气体（相似关系） 推论:气体 可导电 实验:气体 可导电 相反推理: 已知:物质 导电 联想:物质真空（相反关系） 推论:真空 不导电 实验:真空（7 大气压） 导电 （英国: 法拉第） 相反推理： 已知：法拉第管（7 大气压） 暗区 联想: 低真空高真空（相反关系） 推论：高真空管 新现象实验：盖斯勒管（万分之一个大气压） 荧光 （德国:普吕克） 相反推理： 已知：盖斯勒管（万分之一大气压） 荧光 联想：低真空高真空（相反关系） 推论：高真空管 新现象 实验：希托夫管（10万分
8、之一大气压） 射线 （德国:希托夫:） 相反推理： 已知：希托夫管（10万分之一个大气压） 射线 联想：低真空高真空（相反关系） 推论：高真空管 新现象 实验：克鲁克斯管（100万分之一个大气压） 粒子（ 电子） （英国:克鲁克斯）（英国:汤姆逊） 人物简介: 汤姆逊（J.J.Thomson,18561940）是英国卡文迪许物理实验室主任，他一生从事物理学研究。他出生于英国曼彻斯特，其父以售书为业，因生活拮据，无钱学工程而学物理学。在剑桥大学读书期间，因父亲去世家境贫困，而只能靠助学金来维持学业，由于学习优秀先后于1876年、1880年多次获得数学奖金。大学毕业后，他留在卡文迪许实验室作研究工
9、作,1884年担任了该实验室主任。在他的领导下，这个实验室曾培养了一批象卢瑟福、威尔逊、巴克拉、阿斯顿一样的优秀物理学家，。 1881年，汤姆逊（J.J.Thomson,18561940）通过对克鲁克斯实验中小风车转动作用力的数学计算，否定了克鲁克斯关于阴极射线是带负电的分子流的假说；同年，他在带电体运动产生的电磁效应的论文中，用麦克斯韦的电磁理论研究了带电体的运动，认为带电微粒的质量都源于电磁场；1894年汤姆逊用旋转镜法测量了阴极射线的速度为1.9107cm/秒，从而证明了阴极射线不是电磁辐射。1897年他发现了电子。1906年，由于他在“气体导电方面的理论和实验”而获得诺贝尔物理学奖。我
10、很高兴以诺贝尔奖获得者的身份在这里履行义务，和大家谈一谈阴极射线。我想大家一定希望我谈一些别人没有谈过的内容。我将向大家描述这个课题的发展，包括有关电和物质的最新理论，在我看来，它们是以我的实验为基础的。这给了我一个很好的机会，一方面谈一下我的工作是如何依靠了别人的工作，“另一方面谈一下后来的、或多或少是同时代的其他研究工作者的工作是如何在若干方面和我的工作相联系。因此，用一个比喻，即你加我尊敬的瑞典科学院的同行们，在你们的院士证书的扉页上用过的比喻“，现在我不仅要讲得到的果实，而且要讲结出果实的果树和栽培它们的人。这个比喻对我来说尤其合适，因为我决不是属于收获果实的人，我只是一个植树的人，照
11、料果树的人或者只是对这些有帮助的人。 由于时间关系，我只能较详细地介绍这里讨论的这个领域中我所做的工作的几个方面 这一工作的开始可追溯到二十六年前的克鲁克斯。我读过他的文章辐射物质，这是她对阴极射线的称呼.在求学期间，我没有直接表现出对这些问题的兴趣。气体放电对于初学者来说并不是一个合适的研究对象，事实的确是这样。但甚至是成熟的研究家在克鲁克斯以后的年月中也没有取得真正有意义的成就。他们没有取得开辟新前景的结果。就实验条件的纯净而论，他们都没有超过克鲁克斯的工作。只是在后来，当我在海德堡大学当昆克（Quincke）的助手时，我才有机会和便利制造了一个水银真空泵（它能产生非常高的真空），用来进行
12、我自己的阴极射线实验。当时这不算是物理研究所的标准实验项目。我希望尽可能直接地取得进展，我想，如果能将这些射线从管中5！到空气中该有多好：那时就有可能用它们进行直接实验了。为此，需要在管壁装一个可以让射线穿过的密封层。 四年后，即1892年，我有了另一个机遇。当时我是赫兹的助手。截兹发现金属箔可以让阴极射线通过（儿）。他用的是很薄很软的有细孔的金箔。银箔和包装用铝箔。实验证明，阴极射线不仅能送过细孔。而且可以通过金属箔材料本身。一天他叫我去，遗憾的是当时这种机会不经常有，他给我看刚发现的现象：在放电管中放着一块用铝箔覆盖的铀玻璃，当射线从上面发射时，铀玻璃就发亮。他对我说。“我们应该用铝箔把放
13、电管分成两个室、在一个室中象通常那样产生阴极射线，在另一个室中可观察空前纯净的这种射线。即使因为铝箔很软，两个室的气压差很小，也可数把观察室完全抽真空，看下这样做是否妨碍阴极射线传播，换句话说，看二下阴极射线是物质中的现象还是以太中的现象。”（这一点我做到了。）他显然认为最后这个问题是最重要的问题。我后来进行了实验，但我主要对我早年的问题，即在敞开的空气中的阴极射线感兴趣。我没有因为赫兹所用的金属箔太软而不用它，我在合适的放电管中把越来越多的这种金属箔一层层叠起来，发现10层到15层还能让阴极射线很好地通过。于是，我又找了几片较厚的薄铝片，看它们是否能经受得住空气压力。情况果然如此，条件是铝箔
14、的面积应该足够小。然后，我重新用旧的管子，用金属板代替石英片，金属板上有一小孔，小孔用铝箔密封，将几颗碱土磷化物颗粒放在铝窗上，然后激发放电管，礁！颗粒发亮了。我又轻轻地拿起颗粒放在铝窗前，它们在这里同样也发亮。这证明阴极射线能从放电管中出来，而过去它们一直被限制在管内。此外，它们还通过了通常密度的空气，这是谁也没有预料到的。于是很清楚，在我面前展现了一个新的广阔的研究领域，不仅包括迄今尚未看到的现象，而且有希望向未知的领域突破。到目前为止一直难以解释的阴极射线的秘密终于被揭开了。更重要的是现在首次能以最大的纯度进行实验。让我们用另一种类型的辐射光来作类比。如同到现在为止，除了在产生光线的炉子内部和
