三、电子的发现

1．电子的速度与荷质比的测定

从 1886 年起，直到二十世纪三十年代，在长达五十年的时间里，英国物理学家 J·J 汤姆逊一直从事气体放电现象的观察和研究，他通过不同的实验方法，证明了阴极射线是带负电的粒子流．汤姆逊的实验是在克鲁克斯管的两旁分别加了电场和磁场，发现阴极射线都会发生偏转．只有带电的粒子才会既受到电场的作用，又受到磁场的作用．他从阴极射线和带负电荷的粒子在磁场作用下遵循同样的路径，证明了阴极射线是带负电的粒子组成．1897 年汤姆逊采用以下两种方法，测定了阴极射线微粒的速度和荷质比 e/m．

第一种方法：让阴极射线通过一条狭缝进入法拉弟筒，测算电量、能量，并用磁场使其偏转，再测算轨道半径，以求得“微粒”的速度和它的荷质比 e/m．

设微粒的质量为 m，微粒的速度为 v，微粒所带的电量为 e，N 为一定时间内进入法拉弟筒内的微粒数．显然，法拉弟筒所获得的电量为

Q=Ne

若进入法拉弟筒内的微粒的动能因碰撞全部转变成热能，则微粒流的动能的大小可由温度计温度变化测算得到，并且其量值为

W = N· 1 mv²

然后，用磁场使射线偏转，以 R 表示微粒轨道的曲率半径，则有：

mv²

Bev＝ R

由以上三式可得：

e = 2W

m B²R²Q

这样，只要测出 W、Q、R 就可算出 e/m．汤姆逊用这种方法测得： v～5×109 厘米/秒

e ～2×10⁷ 电磁单位 / 克

第二种方法：同时利用静电场和磁场使阴极射线发生偏转．先加上一定强度的电场使射线向一方偏转；然后，再加一垂直磁场，使射线向相反方向偏转，调节磁场强度使光斑回到原来的位置．此时，两种场作用在射线上的力是大小相等方向相反的，即

evB＝eE

式中：E 是电场强度，B 是磁感应强度，e 是电子的电荷，v 是电子的速度．所以

v=E/B 另外，再用磁场使粒子发生偏转，此时

mv ²

evB＝ R

式中 R 为粒子在磁场中运动所形成圆弧的半径．由以上三式可得：

e E

m = B²R

这样通过测出E、B、R就可求得v与 e ．

汤姆逊用这两种方法做实验时，使用了不同气体（空气、氢气、二氧化碳）和不同材料（铝、铁）做电极进行的，得到了相同的荷质比数值．说明 e/m 值与阴极材料无关．明确地证实了阴极射线是带负电的粒子．1897 年 10 月汤姆逊把他对电子的发现公布在长篇论文《阴极射线》一文中．

汤姆逊所得结论可以归纳为三方面：

原子不是不可分割的，因为借助于电力的作用，快速运动的原子的碰撞、紫外线或热，都能够从原子里分离出带负电的粒子．
这些粒子具有相同的质量并带有相同的负电荷，无论它们是从哪一种原子里得到的，并且它们是一切原子的一个组成部分．
这些粒子的质量小于一个氢原子的质量的千分之一．

汤姆逊起初把这种粒子叫做微粒，后来才被称为“电子”．2．电子的电荷测定

为了证实基本电荷的存在，在测出电子的荷质比 e/m 后，还要测定电

子的电荷．

最早测 e 值的方法是汤姆逊的研究生杨森德提出的．他测量的设计思想是利用化学电解实验，从电极上获取带电的氧气，再除去臭氧，而使离子形成“云”．通过观测它们的下降速度，并利用斯托克斯定律计算小水滴质量的方法，1897 年测得电子电荷为 2.3×10−19 库仑．次年汤姆逊先用 X 射线使小水滴带电，测得

e＝6.5×10−10 静电单位．

1895 年初 C·T·R 威尔逊建立了第一个在无尘大气中凝集水蒸气的装置．1896 年他用一个原始的 X 射线管照射云室而产生了浓雾，于是他假定凝聚核心是离子．随后他发现具有饱和水蒸气的空气，由于膨胀而突然冷却变成过饱和汽的情况下，只要有凝聚核存在，就会形成水滴“云”．由于他利用当时的先进的 X 射线的电离作用，从而使云所带的电成为可以控制的．C·T·R 威尔逊当时测得 e 值为 6.5×10−10 静电单位．而用紫外线时测得 e 值为 6.8×10−10 静电单位．H·A·威尔逊为了减小水滴蒸发所产生的误差，在云室中放置了两块铜板，使它们与高压电源相接，这样可以通过电场加快带电水滴“云”的下降速度，缩短落下时间，从而减小因蒸发而引起的误差．这样“云”在重力作用下的下降速度 V1 和在重力和电场力同时作用下的下降速度 V2 的比值满足下式：

mg v1

mg + eE = v

他记录了 11 次测量结果，从 2×10−10 到 4.4×10−10 静电单位，平均值为3×10−10 静电单位．

1906 年美国物理学家密立根（1868—1953）在 1906 年重复 H·A·威尔逊的实验，测得 e=4.03×10−10 静电单位．1909 年起，密立根改用小油滴进行实验，这是一个很重要的改进．因小水滴蒸发太快，在现场中只能观察几秒．油滴实验以其清晰的物理原理证明了电荷有最小单位．1913 年他利用油滴实验测得 e=（4.774±0.009）×10−10 静电单位．后来，他又不断改进和重复进行测量 1917 年公布的结果为

e=（4.770±0.005）×10−10 静电单位．

汤姆逊曾提出过电子电量是电量的最小值，物体的带电量是最小值的整数倍．现在人们公认的基本电荷 e=166021×10−19 库仑．但目前有人声称发现了分数电荷，但却未被公认．有关分数电荷的寻找目前还在进行中．基本电荷——电子的电量是否基本，目前还是一个有待进一步检验的谜．

3．电子的质量

1881 年，J·J 汤姆逊在题为《带电体运动产生的电磁效应》的论文中，用麦克斯韦电磁理论分析了带电体的运动，提出带电微粒的质量除有力学质量 m0 外，还应有一电磁质量 me．这个假说，后被洛仑兹、彭加勒、阿伯拉罕等人发展，他们指出电子的总质量为

m=m0+me

荷兰物理学家洛仑兹指出，电子的质量将随它的运动速度的增加而增加，并导出了电子质量与速度的关系式

m =

式中 m0 为电子的静质量．1901 年考夫曼（1871—1947）用放射性镭放射出的β射线（电子流）进行实验发现了电子质量随速度变化而变化的事实，从而证实了洛仑兹导出的关系式．

在科学家们测出了电子的荷质比和电子的电量 e 后，就可求得电子的

质量．最后的结果为： me

= 1 m

1830 ^H

即电子的质量为氢原子质量的 1/1830 倍．

电子是人们发现的微观世界的第一个基本粒子，它打破了原子不可分割的传统观念，标志着人类对物质微观结构认识的开始．而汤姆逊也成为“最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人．”