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更小的粒子

时间:2022-02-13 理论教育 版权反馈
【摘要】:电子是比原子更小的粒子,甚至于它的发现打破了人们对最小物质结构的认识。于是,他使用了真空度更高的真空管和更强的电场,终于观察到了阴极射线的偏转,还计算出了阴极射线粒子(电子)的质量与电荷的比值,因此获得了1906年的诺贝尔物理学奖。1884年,28岁的汤姆逊担任了卡文迪什实验室物理学教授。1897年,汤姆逊在研究稀薄气体放电的实验中,证明了电子的存在。1940年8月30日,汤姆逊逝世于剑桥。

早在古希腊时期,也就是大约公元前600年的时候,古希腊的米利都人最早注意到摩擦过的琥珀能吸引轻小物体的现象。在我国的东汉时代,一个叫王充(公元27~100)的人也记载了琥珀被摩擦后吸引轻小物体的现象,他还把这种现象和磁石吸铁现象并列在了一起。

近代关于电的研究可以说是从英国王室的御医和物理学家吉耳伯特(1544~1603)开始的。他通过实验发现,不仅琥珀经过摩擦后能够吸引轻小物体,而且还有许多物质如金刚石、水晶、硫黄、玻璃、松香等在摩擦后也有“琥珀之力”。于是,吉耳伯特就根据希腊文“琥珀”一词创造了“电”这个名称。但是,这都是通过摩擦的方法获得的电,并且这些电也没有办法大量地存储起来。所以,一直到了荷兰莱顿大学的物理学教授彼德·穆森布罗克(1692~1761)发明了储存电荷的“莱顿瓶”,人类才能够继续进一步地研究电的问题。

1800年,意大利人伏打(1745~1827)发明的“伏打电堆”(也叫“伏打电池”)解决了电源的问题,这个电源可以长时间提供持续平稳的电流,因此,“伏打电堆”使得电学进入了一个新的时期。后来,英国物理学家法拉第(1791~1867)又研制出了发电原理,使得长时间维持大量电流变得更加容易。人们也就可以进一步研究电的奥秘问题了。

我们现在都知道,电流是电荷都向一个方向运动时形成的,而在一般的金属导体中,能够自由移动的电荷就是自由电子。电子是比原子更小的粒子,甚至于它的发现打破了人们对最小物质结构的认识。下面,我们就简单地回顾一下这段发现的过程吧!

阴极射线

人们之所以能够发现电子,这是因为研究阴极射线的缘故。人们研究阴极射线,又是因为对放电现象的研究。19世纪50年代,德国人在一支空气含量万分之一的玻璃管两端装上两根白金丝,当在两电极之间通上了高压电时,就看到了辉光。这其实是一种放电现象。后来,德国物理学家尤金·戈尔德斯坦(1850~1930)把不同的气体稀释充入真空管,并且用不同的金属材料,制作成了各种形状和大小的电极,但都得到同样的实验结果。于是,他认为,这种辉光放电现象与电流本身有关,而且都是从阴极表面发出的,所以就把它命名为“阴极射线”。可是阴极射线到底是什么呢?然而,要进行进一步的研究却需要真空度更高的真空管才行。

在1878年,英国人威廉·克鲁克斯(1832~1919)利用一种水银真空泵,制造出了气体含量更少的真空管,被人们称为“克鲁克斯管”。这种真空管的出现,使得人们对阴极射线的研究有了更新的进展。通过对这些新发现的研究,英国物理学家逐渐认识到阴极射线也许是一种带电粒子流。

1895年,法国科学家佩兰(1870~1942)发现阴极射线能够使真空管中的金属物体带上负电荷,这一发现支持了克鲁克斯关于阴极射线是带电粒子流的理论。而早在1893年,德国物理学家赫兹(1857~1894)曾经试图利用静电场使阴极射线发生偏转,但是没有取得成功。1897年,剑桥大学卡文迪什实验室的汤姆逊重新进行了赫兹的实验,他发现赫兹失败的原因是因为真空管的真空度不够高。于是,他使用了真空度更高的真空管和更强的电场,终于观察到了阴极射线的偏转,还计算出了阴极射线粒子(电子)的质量与电荷的比值,因此获得了1906年的诺贝尔物理学奖。汤姆逊采用1891年乔治·斯托尼(1826~1911)所起的名字——电子来称呼这种粒子。汤姆逊还认为,它是各种原子的组成部分。就这样,电子作为人类发现的第一个比原子更小的粒子被发现了,它的发现深化了人们对最小物质结构的认识。不仅如此,它还似乎给人们一种暗示,是不是我们还可以在寻找最小物质的道路上走得更远一些!

电子的发现者汤姆逊

汤姆逊是英国物理学家,1856年12月18日出生于英国的曼彻斯特。父亲是一个专印大学课本的商人,由于业务的关系,父亲结识了一些大学教授。汤姆逊从小学习就很认真,14岁便进入了曼彻斯特一所专科学校。在大学学习期间,他刻苦钻研,学习成绩很好。1876年,21岁的汤姆逊进剑桥大学三一学院学习,1880年,他以第二名的优异成绩取得学位,两年后又被任命为大学讲师。

1884年,28岁的汤姆逊担任了卡文迪什实验室物理学教授。1897年,汤姆逊在研究稀薄气体放电的实验中,证明了电子的存在。1905年,他被任命为英国皇家学院的教授;1906年荣获诺贝尔物理学奖,1916年任皇家学会主席。1940年8月30日,汤姆逊逝世于剑桥。终年84岁。

汤姆逊证明了电子的存在之后,电子所带的电荷量到底是多少,还未确定下来。

汤姆逊的学生威耳逊(1869~1959)运用云室中的空气电离的方法,以求出电子所带的电荷量。威耳逊进行了11组测量,但是由于实验的方法尚有缺陷,所得到的结果并不理想

密立根像

1907年秋,美国物理学家密立根(1868~1953)和他的学生一起重复了威耳逊的实验。为了使云雾能够悬浮在空中不下落,他们使用了10000伏的蓄电池组,电流所形成的电场,使云雾立即发散开来,只留下了少数几个孤立的水滴。他们很快发现这些单个的水滴更适合测量,恰好使向下的重力与作用在电荷上的电场力相平衡,于是形成了“平衡液滴法”,这是一个很重要的进步。电场突然撤去后,有些水滴缓慢下降,他由下降速度得出水滴的电量。密立根发现,所有测量值都是某一电量的整数倍。由于水的蒸发经常使水滴的质量发生变化,所以,密立根改用过酒精和一种特殊处理过的机油,但问题始终未能解决。1909年8月,他在英国参加一个会议后,在返回芝加哥的途中,望着车窗外的原野,他突然自言自语地说:“用这种粗糙的方式消除水滴的蒸发是多么愚蠢!人们为了获得极难蒸发的润滑油以改善钟表油已经付出了整整300年的时间!”为此,他改用了钟表油喷雾法,用望远镜观察油滴下落速度。他将两个直径约22厘米的圆形黄铜片,使之保持16毫米的间距,通过喷出的油滴落到两板之间。当加上和去掉电场时,他可以连续几小时测量油滴的速度变化。

1912年,密立根收集到了大量数据;1913年,他发表了电子的电量值约为1.591× 10-10库仑。密立根认识到,电子本身既不是一个假想的,也不是不确定的,而是一个“我们这一代人第一次看到的事实”。他在诺贝尔奖获奖讲演中强调了他的工作的两条基本结论,即“电子电荷总是基本电荷的确定的整数倍而不是分数倍”和“这一实验的观察者几乎可以认为是看到了电子”。

密立根有一位中国学生,名叫李耀邦。他的研究工作是测量电子电荷。他选用了不同的材料,甚至是固体的细小颗粒。李耀邦的成功证明了电子电量是一个固定值,不因材料的不同而受影响。李耀邦也因此获得了博士学位。

油滴实验原理图

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