电子的发现

阴极射线是低压气体放电过程出现的一种奇特现象。早在 1858 年就由德国物理学家普吕克尔（JuliusPlücker，1801—1868）在观察放电管中的放电现象时发现。当时他看到正对阴极的管壁发出绿色的荧光。1876 年，另一位德国物理学家哥尔茨坦（Eügen Goldstein， 1850—1930）认为这是从阴极发出的某种射线，并命名为阴极射线。他根据这一射线会引起化学作用的性质，判断它是类似于紫外线的以太波。这一观点后来得到了赫兹等人的支持。赫兹在 1887 年曾发现电磁波，就把阴极射线看成是电磁辐射，实际上和哥尔茨坦的主张是一样的。这样就形成了以太说。赞成以太说的大多是德国人。

1871 年，英国物理学家瓦尔利（C.F.Varley，1828—1883）从阴极射线在磁场中受到偏转的事实，提出这一射线是由带负电的物质微粒组成的设想。他的主张得到本国人克鲁克斯（WilliamCrookes，1832— 1919）和舒斯特的赞同。于是在 19 世纪的后 30 年，形成了两种对立的观点：德国学派主张以太说，英国学派主张带电微粒说。双方争持不下，谁也说服不了谁。为了找到有利于自己观点的证据，双方都做了许多实验。克鲁克斯证实阴极射线不但能传递能量，还能传递动量。他认为阴极射线是由于残余气体分子撞到阴极，因而带上了负电，又在电场中运动形成“分子流”。以太论者不同意这一说法，用实验加以驳斥。哥尔茨坦做了一个很精确的光谱实验。他用一根特制的 L 形放电管，电极 A、B 可以互换，轮流充当阴极，用光谱仪观测谱线，如图 5−1。如果阴极射线是分子流，它发出的光应产生多普勒效应，即光的频率应与分子流速度方向有关。可是，不管是那一端发出阴极射线，谱线的波长都没有改变。这就证明了分子流之说站不住脚。以太论者认为这是对以太说的一个支持。

■图 5−1 哥尔茨坦的光谱实验

舒斯特则将带电微粒解释成气体分子自然分解出来的碎片，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。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，得到的结果在 5×106 库仑/千克至 1×1010 库仑/千克之间，与电解所得的氢离子的荷质比 108 库仑/千克相比，数量级相近。

赫兹和他的学生勒纳德（Philipp Lenard， 1862—1947）也做了许多实验来证明自己的以太理论。赫兹做的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，却没有看到阴极射线受到任何偏转。这两个实验不成功的原因是因为当时不了解低压状态下气体导电机制的复杂

性。遗憾的是，赫兹以此作为阴极射线不带电的证据，更加坚持以太说。赫兹做的另一实验则是成功的。1891 年，他注意到阴极射线可以象光透过透明物质那样地透过某些金属薄片。1894 年，勒纳德发表了更精细的结果。他在阴极射线管的末端嵌上厚仅 0.000265 厘米的薄铝箔作为窗口，如图 5−2，发现从铝窗口会逸出射线。在空气中穿越约 1 厘米的行程。他们认为这又是以太说的有力证据，因为只有波才能穿越实物。

■图 5−2 勒纳德的铝窗实验

微粒说者也在积极寻找证据。1895 年法国物理学家佩兰（Jean Baptiste Perrin，1870—1942）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。结果确是负电。他支持带电微粒说，发表论文表示了自己的观点。但是他的实验无法作出判决性的结论。因为反对者会反驳说：佩兰测到的不一定就是阴极射线所带的电荷。

■图 5−3 佩兰测阴极射线的电荷（其中 B 是阳极，C 是阴极，F 是法拉第圆桶）

对阴极射线的本性作出正确答案的是英国剑桥大学卡文迪什实验室教授 J.J.汤姆生（JosephJohnThomson，1856—1940）。他从 1890 年起，就带领自己的学生研究阴极射线。克鲁克斯和舒斯特的思想对他很有影响。他认为带电微粒说更符合实际，决心用实验进行周密考察，找出确凿证据。为此，他进行了以下几方面的实验：

直接测阴极射线携带的电荷。J.J.汤姆生将佩兰实验作了一些改进。他把联到静电计的电荷接受器（法拉第圆桶）安装在真空管的一侧，如图 5−4。平时没有电荷进入接收器。用磁场使射线偏折，当磁场达到某一值时，接收器接收到的电荷猛增，说明电荷确是来自阴极射线。

■图 5−4J.J.汤姆生测阴极射线所带电荷的实验装置2．使阴极射线受静电偏转。J.J.汤姆生重复了赫兹的静电场偏转实

验，起初也得不到任何偏转。后来经仔细观察，注意到在刚加上电压的瞬间，射束轻微地摆动了一下。他马上领悟到，这是由于残余气体分子在电场的作用下发生了电离，正负离子把电极上射线所带电荷的实验装置的电压抵消掉了。显然这是由于真空度不够高的原因。于是，他在实验室技师的协助下努力改善真空条件，并且减小极间电压，终于获得了稳定的静电偏转。这样，J.J.汤姆生就获得了驳斥以太说的重要证据。 3．用不同方法测阴极射线的荷质比。一种方法是在图 5−5 的管子两

侧各加一通电线圈，以产生垂直于电场方向的磁场。然后根据电场和磁场分别造成的偏转，计算出阴极射线的荷质比 e/m 与微粒运动的速度。

■图 5−5J.J.汤姆生静电偏转管

另一种方法是测量阳极的温升，因为阴极射线撞击到阳极，会引起阳极的温度升高。J.J.汤姆生把热电偶接到阳极，测量它的温度变化。根据温升和阳极的热容量可以计算粒子的动能，再从阴极射线在磁场中偏转的曲率半径，推算出阴极射线的荷质比与速度。

两种不同的方法得到的结果相近，荷质比都是 e/m≈1011 库仑/千克。

4．证明电子存在的普遍性。J.J.汤姆生还用不同的阴极和不同的气体做实验，结果荷质比也都是同一数量级，证明各种条件下得到的都是同样的带电粒子流，与电极材料无关，与气体成分也无关。

1897 年 4 月 30 日，J.J.汤姆生向英国皇家研究所报告了自己的工作，随即又以《论阴极射线》为题发表论文，其中写道①：

“阴极射线的载荷子比起电解的氢离子，m/e 值小得多。m/e 小的原因可能是 m 小，也可能是 e 大，或两者兼而有之。我想，阴极射线的载荷子要比普通分子小。这可从勒纳德的结果看出。”

这里指的就是勒纳德的薄窗实验，只有把阴极射线的载荷子看成比普通分子小得多，才能解释阴极射线透过薄铝片的事实。

接着，J.J.汤姆生和他的学生们用几种方法直接测到了阴极射线载荷子所带的电量，证明的确跟氢离子的带电量相同。1899 年，J.J.汤姆生采用斯坦尼（G.T.Stoney，1826—1911）的“电子”一词来表示他的 “载荷子”。“电子”原是斯坦尼在 1891 年用于表示电的自然单位的。就这样电子被发现了。但是 J.J.汤姆生并不到此止步，他进一步又

研究了许多新发现的现象，以证明电子存在的普遍性。

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，详见§7.3。

热电发射效应是 1884 年爱迪生（ThomasEdison，1847—1931）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（如图 5−6）。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。

■图 5−6 热电发射效应（金属板上接收到负电荷） β射线是卢瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937）在 1898 年发

现的（详见第十一章），不久，贝克勒尔（HenriBecquer−el，1852—1908）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、

① J.J.Thomson,Phil.Mag.(5)44,1897,p.293.

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。