1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上實(shí)驗(yàn)探討陰極射線是何物電子的發(fā)現(xiàn) X射線和放射性的發(fā)現(xiàn)激起了科學(xué)界的熱情，人們紛紛投入到這股發(fā)現(xiàn)的熱潮之中。接踵而來(lái)的是第三大發(fā)現(xiàn)，這就是電子的發(fā)現(xiàn)。 比起前兩件來(lái)，電子的發(fā)現(xiàn)具有更偉大的意義，因?yàn)檫@一事件使人們認(rèn)識(shí)到自然界還有比原子更小的實(shí)物。原子不可分的傳統(tǒng)觀念終于被打破了。 如果說(shuō)X射線和放射性的發(fā)現(xiàn)具有某種偶然性，那么，電子的發(fā)現(xiàn)卻充分顯示了科學(xué)發(fā)展的必由之路，它是許多人經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和理論研究，進(jìn)行了長(zhǎng)期的科學(xué)爭(zhēng)論之后的產(chǎn)物。在這場(chǎng)爭(zhēng)論中，英國(guó)物理學(xué)家JJ湯姆生（JJThonson）取得了勝利。 19世紀(jì)是電磁學(xué)大發(fā)展的時(shí)期，到七八十年代電氣工業(yè)開(kāi)始有了發(fā)展，

2、發(fā)電機(jī)、變壓器和高壓輸電線路逐步在生產(chǎn)中得到應(yīng)用，空氣漏電成了亟待解決的問(wèn)題。同時(shí)，電氣照明也吸引了許多科學(xué)家的注意。于是，人們競(jìng)相研究低壓氣體發(fā)電現(xiàn)象。1858年德國(guó)人普魯克爾（JPlücker）在研究氣體放電時(shí)，注意到在放電管正對(duì)陰極的管壁上發(fā)出綠色的熒光，證明其是一種從陰極發(fā)出的射線打到管壁所致。（圖l）這一射線后來(lái)就叫做陰極射線。他和另一位德國(guó)物理學(xué)家哥爾茨坦（EGoldstein）都認(rèn)為這種射線是一種以太波，因?yàn)檫@種射線按直線行進(jìn)，對(duì)物質(zhì)有化學(xué)作用，性質(zhì)上類似于紫外光。英國(guó)物理學(xué)家也對(duì)陰極射線做了大量的研究。 圖1 陰極射線遇到障礙產(chǎn)生陰影1871年瓦爾利（CFVarley

3、）發(fā)現(xiàn)陰極射線在磁場(chǎng)中會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，與帶電粒子的行為很相近?？唆斂怂梗╓Crookes）在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)陰極射線不但按直線前進(jìn)、能聚焦、在磁場(chǎng)中會(huì)偏轉(zhuǎn)，而且還可以傳遞能量和動(dòng)量。克魯克斯認(rèn)為陰極射線是由真空管中殘余氣體的分子組成，由于雜亂無(wú)章運(yùn)動(dòng)有些氣體分子撞擊到陰極，于是從陰極獲得了負(fù)電荷，在電場(chǎng)的驅(qū)使下形成了帶電的分子流。（圖2） 圖2 克魯克斯的電風(fēng)輪 舒斯特也認(rèn)為陰極射線是帶電粒子流。他在1890年根據(jù)陰極射線的磁偏轉(zhuǎn)算出帶電粒子的電荷與質(zhì)量之比（簡(jiǎn)稱荷質(zhì)比）em，數(shù)值大約是5×1061×1010庫(kù)千克，而電解所得氫離子的荷質(zhì)比約為108庫(kù)千克。他認(rèn)為這兩個(gè)數(shù)據(jù)接近，說(shuō)明

4、陰極射線的成分可能就是原子類型的帶電粒子。這三位主張陰極射線是帶電粒子的科學(xué)家都是英國(guó)人，于是很自然地形成了一個(gè)學(xué)派，人稱英國(guó)學(xué)派。但是，當(dāng)時(shí)威望更高的是持以太論的德國(guó)學(xué)派。除了哥爾茨坦以外，還有赫茲（HHertz）和勒納德（PLenard）。以太論者的觀點(diǎn)雖然是錯(cuò)的，但他們對(duì)微粒說(shuō)的反駁卻很有分量。例如：哥爾茨坦為了說(shuō)明陰極射線不是分子流，特意做了一個(gè)光譜實(shí)驗(yàn)。如圖3所示，他用一支L形放電管，A、B兩電極可輪流當(dāng)陰極。當(dāng)A是陰極時(shí)，光譜儀看到的光來(lái)自趨向光譜儀的射線，射線如果是分子流組成，分子向光譜儀運(yùn)動(dòng)，由于多普勒效應(yīng)，光的頻率應(yīng)有所增大；反之，當(dāng)B是陰極時(shí)，光的頻率應(yīng)減小。可是，改換電極

5、極性，哥爾茨坦絲毫未發(fā)現(xiàn)光的譜線有任何變化，于是這一事實(shí)成了他 圖3 哥爾茨坦的光譜實(shí)驗(yàn)駁斥帶電分子說(shuō)的有力證據(jù)。赫茲也做過(guò)許多實(shí)驗(yàn)為自己的以太說(shuō)辯護(hù)。他的實(shí)驗(yàn)并不都很成功。例如：他在陰極射線管中加靜電場(chǎng)，卻沒(méi)有觀察到陰極射線偏轉(zhuǎn)，使他更確信陰極射線是不帶電的一種波。赫茲的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)卻很有價(jià)值，他注意到陰極射線可以穿過(guò)金屬隔板，使被擋住的玻璃壁發(fā)出微弱熒光，這個(gè)現(xiàn)象后來(lái)由他的學(xué)生勒納德繼續(xù)研究。勒納德在陰極射線管末端嵌上一片鋁箔作為窗口（圖4），鋁箔厚度僅為0.000 265厘米。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，陰極射線可以穿過(guò)鋁窗，在空氣中繼續(xù)穿行約1厘米。顯然，這個(gè)實(shí)驗(yàn)事實(shí)是反駁帶電分子說(shuō)的有力論據(jù)，因?yàn)楹?/p>

6、難想象，氣體的分子或原子竟能穿過(guò)成千個(gè)鋁原子組成的鋁壁。勒納德認(rèn)為，只有類似于光的某種波才有可能透過(guò)。 圖4 勒納德的鋁窗實(shí)驗(yàn)兩派之爭(zhēng)，不相上下，誰(shuí)也說(shuō)服不了誰(shuí)。英國(guó)學(xué)派的微粒說(shuō)比較符合實(shí)際，但他們把話說(shuō)過(guò)了頭，當(dāng)然會(huì)被對(duì)方抓住把柄。 就在這個(gè)時(shí)候，X射線的發(fā)現(xiàn)宣布了。英國(guó)劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室教授JJ湯姆生正在研究氣體導(dǎo)電現(xiàn)象。他敏銳地抓住了X射線這一新生事物，立即用X射線轟擊氣體。他從X射線促使氣體電離的現(xiàn)象更加深刻地認(rèn)識(shí)到陰極射線的粒子性，下決心以更鮮明的實(shí)驗(yàn)來(lái)證實(shí)這一特性。為此，他做了如下實(shí)驗(yàn)：（1）測(cè)陰極射線電荷（圖5）。他把接收電荷的金屬筒安裝在側(cè)面，平常接收不到電荷，只有當(dāng)磁場(chǎng)加

7、到足夠大時(shí)，靜電計(jì)才有指示；再加大磁場(chǎng)，靜電計(jì)的指示又減到零。說(shuō)明這些電荷確是來(lái)自陰極射線。（2）使陰極射線在靜電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)。湯姆生設(shè)計(jì)了一支特殊的陰極射線管，如圖6。沿陰極射線的通道平行地安了一對(duì)金屬極板，外接電池組。開(kāi)始他也和赫茲一樣，看不到陰極射線有任何偏轉(zhuǎn)。后來(lái)經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察，他注意到剛接通電池的瞬間，射束的熒光斑微微有一晃動(dòng)。他想，這可能是由于殘余氣體分子在電場(chǎng)的作 圖5 湯姆生測(cè)陰極射線電荷的裝置用下電離形成了正負(fù)離子，正離子趨于負(fù)極板，負(fù)離子趨于正極板，但還來(lái)不及到達(dá)極板，就很快抵消了，所以光斑又回到原來(lái)的位置。怎樣改善這一情況呢？湯姆生憑借他多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為只要改善真空條件、減

8、小極間電壓，就有可能避免氣體電離。果然，當(dāng)他在實(shí)驗(yàn)技師的協(xié)助下，連續(xù)幾天抽真空，把真空管里的剩余氣體盡量抽掉以后，就得到了穩(wěn)定的靜電偏轉(zhuǎn)。 圖6 湯姆生管 （3）測(cè)陰極射線的荷質(zhì)比。從以上兩實(shí)驗(yàn)，湯姆生已可明確無(wú)誤地證明陰極射線是由某種帶負(fù)電的微粒組成。但是這種微粒是什么？是原子還是分子？或者是比原子、分子更小的物質(zhì)微粒？湯姆生為了回答這個(gè)問(wèn)題，對(duì)陰極射線的荷質(zhì)比進(jìn)行了大量的測(cè)量。 根據(jù)電磁理論，帶電微粒在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)，除了與電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度有關(guān)以外，還決定于微粒的電荷e和質(zhì)量m。從比較電場(chǎng)和磁場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)可以間接計(jì)算出荷質(zhì)比em或質(zhì)荷比me。 湯姆生采用不同的管子，不同的電極，不同的氣體，甚至不同的方法，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，最后得到陰極射線微粒的質(zhì)荷比為1011千克庫(kù)，比氫離子的質(zhì)荷比108千克庫(kù)小千倍。 湯姆生還根據(jù)別的實(shí)驗(yàn)（包括勒納德的鋁窗實(shí)驗(yàn)）判定，陰極射線的微粒要比普通分子原子小得多，是原子的組成部分。后來(lái)他