【物理课件】电子的发现

【物理】电子的发现 电子的发现 发现的背影 19世纪是电磁学大发展的时期, 到七、八十年代电气工业开始有了发展, 发电机、变压器和高压输电线路逐步在生产中得到应用，然而，漏电和放电损耗非常严重，成了亟待解决的问题。同时，电气照明也吸引了许多科学家的注意。这些问题都涉及低压气体放电现象，于是，人们竞相研究与低压气体发电现象有关的问题。阴极射线是低压气体放电过程中出现的一种奇特现象，对其本性的研究导致了英国学派的微粒说和德国学派的以太论 人物介绍 J.J.汤姆生 Sir Joseph John Thomson 1856-1940 英国剑桥大学实验物理学家 电子的发现者 1906年诺贝尔物理学奖 图4.1 汤姆生 -由于对气体导电的理论和实验所作的贡献 1856年生于英国曼彻斯特近郊，他父亲是书商和出版家。汤姆生原来打算成为一名师。 14岁进曼彻斯特的欧文斯学院(后改为曼彻斯特大学)攻读工程。由于父亲去世，经济困难，无法交纳工程实习所需的一笔保险费，乃改学本来就很喜爱的物理和数学。欧文斯学院很早就开设实验课，他在这里受到了良好的训练。他以工程学位毕业后，靠奖学金到剑桥大学三一学院继续深造。著名物理学家瑞利是他的导师，指导他在电磁理论方面进行系统研究，并让他进行实验室的实际工作。例如，早期他发过关于静电单位和电磁单位比值的论文。 1884年，瑞利离开卡文迪什实验室，汤姆生被推荐接任卡文迪什实验室的实验教授(即实验室主任)，其时年方28岁。 1918年成为三一学院院长。 1940年8月30日逝世于剑桥。 J.J.汤姆生对物理学经典理论有很深造诣，尤其在热学和电磁学方面，发表过很多论文。麦克斯韦的名著《电磁学通论》(第三版)就是经J.J.汤姆生整理出 版的。他自己虽然并不擅长实验技术，动手能力较差，但他很熟悉实验中的实际工作，善于，敏于判断，思想活跃，在选择研究课题、指导实验室成员开展工作，组织和调配实验室的集体力量等方面，很好地发挥了导师的作用。在同事们和学生们的协助下，他自己也完成了许多精彩实验。他连续担任卡文迪什实验室教授长达35年，把卡文迪什实验室建设成了世界第一流的物理学研究基地。1895年起，从全国各地甚至世界各国招收一批批年轻有为的学者作为研究生，形成了一个以汤姆生为核心的研究集体。经他培养的研究人员中有七人得诺贝尔奖。他从事的研究对物理学的发展有重要影响。例如:研究阴极射线导致了电子的发现，研究正(离子)射线，导致了质谱仪的发明和同位素的研究;研究原子模型，为卢瑟福发现原子核和玻尔发展原子理论开辟了道路。汤姆生还根据自己和他人的实验(包括勒纳德的铝窗实验)判定, 阴极射线的微粒(即电子)要比普通分子原子小得多, 是原子的组成部分。 发现的过程 在阴极射线的争论中，J.J.汤姆生认为带电微粒说更符合实际。X射线的发现宣布后，他立即用X射线轰击气体。从X射线能使气体电离的现象中他更加深刻地认识到阴极射线的粒子性，下决心以更鲜明的实验来证实这一特性。为此，他做了如下实验: 1. 测阴极射线的电荷(图4.2)。 2. 使阴极射线在静电场中偏转。 3. 测阴极射线的荷质比。从以上两实验, 汤姆生已可明确无误地证明阴极射线是由某种带负电的微粒组成。这种微粒是什么，汤姆生进一步对阴极射线的荷质比进行了大量的测量。最后得到阴极射线微粒的质荷比为10-11千克,库仑, 比氢离子的质荷比10-8千克,库仑小千倍。 就这样电子被发现了。汤姆生进一步又研究了许多新发现的现象，以证明电子存在的普遍性。他根据别的许多实验(包括勒纳的铝窗实验) , 阴极射线的微粒要比普通分子原子小得多, 是原子的组成部分。 判定 光电效应是1887年赫兹发现的，但时隔十几年，光电流的本质仍 未搞清。1899年，J.J.汤姆生用磁场偏转法测光电流的荷质比。得到的结果与阴极射线相近，证明光电流也是由电子组成的。 热电发射效应是1884年爱迪生(T. Edison)发现的，所以也称爱迪生效应。爱迪生当时正在研究白炽灯泡，发现灯泡里的白炽碳丝加热后有负电逸出。1899年，J.J.汤姆生同样用磁场截止法测其荷质比，证明这一负电荷也是电子。 β射线是卢瑟福(E. Rutherford)在1898年发现的，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β射线是高速电子流。 J.J.汤姆生掌握了大量的实验事实，果断地作出判断:不论是阴极射线、β射线还是光电流，都是电子组成的;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。这种带电粒子比原子小千倍，可见，电子是原子的组成部分，是物质的更基本的单元。这是一个非常重要的结论。原子不可分的传统观念彻底破灭了。 对科学史的影响 在19世纪末年，物理学有三项重大的实验发现，这就是X射线、放射性和电子。X射线的发现激起了科学界的热情, 形成了一股热潮。接踵而来的是放射性的发现。第三大发现就是电子的发现。 如果说X射线和放射性的发现具有某种偶然性, 那么，电子的发现却充分显示了科学发展的必由之路，它是许多人经过大量实验和理论研究，进行了长期的科学争论之后的产物。比起前两件来，电子的发现具有更伟大的意义，因为这一事件使人们认识到自然界还有比原子更小的实物。原子不可分的传统观念终于被打破了。电子的发现打开了通向原子物理 学的大门，人们开始研究原子的结构，希图解释元素的周期性和不同元 素的化学特性。但是，面对神秘的原子世界，科学家还有很长的路要走。