世纪之交的物理学(2)

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1、第七章世纪之交的物理学（2）§219世纪的三大发现一电子的发现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

2、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

3、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

4、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

5、，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。

6、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。7①实验一：1894年汤姆逊用旋转镜法测得阴极射线的速度为1.9×10cm/s，远小于他曾测10得过的电脉冲在低压气体中传播的速度(1.6×10cm/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

7、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