电子的发现

电子的发现

电子是人们最早发现的带有单位负电荷的一种基本粒子。英国物理学家汤姆逊是第一个用实验证明电子存在的人，时间是1897年。

汤姆逊是一位很有成就的物理学家，他28岁就成了英国皇家学会会员，并且担任了有名的卡文迪许实验室主任。

X射线的发现，特别是它可以穿透生物组织而显示其骨骼影像的能力，给予英国卡文迪许实验室的研究人员以极大激励。汤姆逊倾向于克鲁克斯的观点，认为它是一种带电的原子。

导致X射线产生的阴极射线究竟是什么？德国和英国物理学家之间出现了激烈的争论。德国物理学家赫兹于1892年宣称阴极射线不可能是粒子，而只能是一种以太波。所有德国物理学家也附和这个观点，但以克鲁克斯为代表的英国物理学家却坚持认为阴极射线是一种带电的粒子流，思路极为敏捷的汤姆逊立即投身到这场事关阴极射线性质的争论之中。

1895年，法国年轻的物理学家佩兰在他的博士论文中，谈到了测定阴极射线电量的实验。他使阴级射线经过一个小孔进入阴极内的空间，并打到收集电荷的法拉第筒上，静电计显示出带负电；当将阴极射线管放到磁极之间时，阴极射线则发生偏转而不能进入小孔，集电器上的电性立即消失，从而证明电荷正是由阴极射线携带的。佩兰通过他的实验结果明确表示支持阴极射线是带负电的粒子流这一观点，但当时他认为这种粒子是气体离子。对此，坚持阴极射线是以太波的德国物理学家立即反驳，认为即使从阴极射线发出了带负电的粒子，但它同阴极射线路径一致的证据并不充分，所以静电计所显示的电荷不一定是阴极射线传入的。

对于佩兰的实验，汤姆逊也认为给以太说留下了空子，为此，他专门设计了一个巧妙的实验装置，重做佩兰实验。他将两个有隙缝的同轴圆筒置于一个与放电管连接的玻璃泡中；从阴极A出来的阴极射线通过管颈金属塞的隙缝进入该泡；金属塞与阴极B连接。这样，阴极射线除非被磁体偏转，不会落到圆筒上。外圆筒接地，内圆筒连接验电器。当阴极射线不落在隙缝时，送至验电器的电荷就是很小的；当阴极射线被磁场偏转落在隙缝时，则有大量的电荷送至验电器。电荷的数量令人惊奇：有时在一秒钟内通过隙缝的负电荷，足能将1．5微法电容的电势改变20伏特。如果阴极射线被磁场偏转很多，以至超出圆筒的隙缝，则进入圆筒的电荷又将它的数值降到仅有射中目标时的很小一部分。所以，这个实验表明，不管怎样用磁场去扭曲和偏转阴极射线，带负电的粒子又是与阴极射线有着密不可分的联系的。这个实验证明了阴极射线和带负电的粒子在磁场作用下遵循同样路径，由此证实了阴极射线是由带负电荷的粒子组成的，从而结束了这场争论，也为电子的发现奠定了基础。

如何成功地使阴极射线在电场作用下发生偏转？早在1893年，赫兹曾做过这种尝试，但失败了。汤姆逊认为，赫兹的失败，主要在于真空度不够高，引起残余气体的电离，静电场建立不起来所致。于是汤姆逊采用阴极射线管装置，通过提高放电管的真空度而取得了成功。通过这个实验和提高放电管真空度，汤姆逊不仅使阴极射线在磁场中发生了偏转，而且还使它在电场中发生了偏转，由此进一步证实了阴极射线是带负电的粒子流的结论。

这种带负电的粒子究竟是原子、分子，还是更小的物质微粒呢？这个问题引起了汤姆逊的深思。为了搞清这一点，他运用实验去测出阴极射线粒子的电荷与质量的比值，也就是荷质比，从而找到了问题的答案。

汤姆逊发现，无论改变放电管中气体的成分，还是改变阴极材料，阴极射线粒子的荷质比都不变。这表明来自各种不同物质的阴极射线粒子都是一样的，因此这种粒子必定是“建造一切化学元素的物质”，汤姆逊当时把它叫做“微粒”，后来改称“电子”。

至此可以说汤姆逊已发现了一种比原子小的粒子，但是这种粒子的荷质比10⁷约是氢离子荷质比10⁴的1000倍。这里有两种可能，可能电荷e很大，也可能质量m很小。要想确证这个结论，必须寻找更直接的证据。

1898年，汤姆逊安排他的研究生汤森德和威尔逊进行测量e值的实验，随即他自己也亲自参与了这项工作。他们运用云雾法测定阴极射线粒子的电荷同电解中氢离子所带的电荷是同一数量级，从而直接证明了阴极射线粒子的质量只是氢离子的1‰。