從陰極射線到電子

黃 東

(河南開放大學信息工程學院 河南 鄭州 450046)

1 在放電管中發現陰極射線

19世紀中葉，電磁學的唯像理論已經被法拉第、麥克斯韋等這樣的物理大家網羅殆盡，但是大家還不知道電子是何物.1859年波恩大學的物理系教授普呂克(J· PLücker )用蓋斯勒制作的放電管放電時在陽極后面的玻璃管壁上出現了一種淺綠色的光芒，用磁鐵靠近還會看到綠光也隨之晃動.他直觀感覺這綠光是從陰極發出的某種輻射造成的，稱其為陰極射線，引起了學術界的極大關注.

1869年約翰·希托夫(J.W.Hittorf )想到要設法將陰極和陽極間的電流與陰極射線區分開來，他將放電管的陽極和陰極垂直擺放，放電時觀察到陰極直對的管底上出現了光影，這表明陰極射線像光一樣是直線傳播的，這樣的管子叫希托夫管,如圖1所示.

圖1 希托夫管

1875年英國化學家兼物理學家威廉·克魯克斯(W.Crookes) 展示了他自己制作的新型放電管，在管內陽極的位置他放了一個云母片做的馬耳他十字架，加上高壓時管底上就出現十字架的陰影，后來稱其為克魯克斯管或克魯克斯-希托夫管,如圖2所示.

圖2 克魯克斯管

2 佩林實驗確定陰極射線是帶負電的粒子

為檢驗放電管中陽極周圍的陰極射線是不是電荷，1895年法國物理學家佩林(J.Perrin)將陽極做成圓筒狀，將一個小的法拉第圓筒作為內筒嵌入放電管的陽極中(圖3)[1]，陽極接地并與法拉第圓筒絕緣，當陰極射線射入內筒時與其相連的驗電器檢測到電壓的突變，于是判定陰極射線就是帶負電荷的粒子流.

圖3 佩林實驗用的放電管

3 將陰極射線從放電管中引出來(萊納德窗口)

赫茲觀察到陰極射線可以穿透鋁箔從而推測這可能是某種未知的輻射，他將這個問題交給萊納德(PLénárd)繼續研究.可是萊納德的深入研究表明阻礙陰極射線傳播的主要因素竟只是物質的質量，所有材料對于陰極射線來說都是“透明的”.開始發現鋁有這種性質只不過是因為鋁較輕且延展性好罷了.1894年萊納德制作出了一個以薄石英片為窗口(稱為萊納德窗口,如圖4)的放電管讓陰極射線從管底穿出，從此就可以在放電管之外研究陰極射線了[2].

圖4 萊納德窗口

1897年，維恩利用萊納德窗口對佩林的實驗作了推廣.他讓從放電管上射出的陰極射線對準法拉第圓筒，在空氣中直接檢驗法拉第圓筒上電壓的變化，得到與佩林實驗相同的結論，再次證實了陰極射線是快速移動的帶負電的粒子流.

4 湯姆孫的實驗和結論

1897年湯姆孫(J.Thomson)向英國皇家科學院報告了他關于陰極射線的一系列實驗及結論[3].

湯姆孫展示的第一個實驗是陰極射線與磁場的相互作用，用了佩林和維恩實驗基礎上改進的自制設備(圖5).陰極射線從放電管內發出通過萊納德窗口進入到一個較大的鐘形玻殼中在那里與磁場相互作用，當速度、磁場滿足一定條件時射線會恰好通過裝置的狹縫進入法拉第圓筒被檢測到是否帶電荷.實驗表明陰極射線在磁場的作用下與帶負電的粒子的行為完全相同.

圖5 湯姆孫的第一個實驗設備

赫茲1892年曾做實驗聲稱陰極射線與電場沒有相互作用，如果陰極射線就是帶負電的粒子，那么說它只與磁場作用而不與電場作用是不可思議的，湯姆孫展示的第二個實驗就是為了否定赫茲的這個結果.他制作了一個一米多長的克魯克斯管(圖6)，管的中段設置平行板電場，末端玻殼上涂有熒光粉可顯示陰極射線運行到達的位置，設備與當年赫茲用的基本相同，只是隨著技術的發展管內的真空度可以有一個較大的提高.實驗發現，當管內的真空度不高時平行板電場對陰極射線的軌跡確實沒有影響，當管內的真空度提高后，管內殘留的氣體對陰極射線運動的影響可以忽略時平行板上的電場就對陰極射線的運動產生明顯的影響，與帶負電荷粒子的行為完全相同.

圖6 湯姆孫的第二個實驗用的克魯克斯管

根據以上兩個實驗湯姆孫說，由于在電場及磁場的作用下陰極射線與帶負電粒子的行為一模一樣，我不得不說陰極射線就是帶負電的粒子流.湯姆孫還用不同陰極材料作實驗，所得的陰極射線沒有區別，表明這些陰極射線都是從原子中出來的同一種東西.

然而，這種粒子質量如何、電荷量多少自然是接著需要解決的問題.雖然限于當時的技術條件無法直接測到，但是卻能計算出來該粒子的荷質比，湯姆孫將磁場加在克魯克斯管上讓陰極射線與加電場時得到同樣的偏轉，再比較這些實驗參數就得到了荷質比，他還用熱力學方法在不同介質的情況下去測定這個荷質比所得結果大同小異，是氫原子荷質比的千分之一左右.湯姆孫于是得出結論：陰極射線是從原子中分離出來的帶負電的某種“小體”，這些小體或者就是原子的“細胞”.

5 確認電子

1834年法拉第發現表明每個原子吸附的電荷都和氫原子的電荷一樣大，或者與原子的化合價值相對應的簡單倍數.愛爾蘭物理學家約翰·斯通尼(G.Stone)在研究電解質時發現對應于拆解每個化學鍵的電量都是一樣的，1874年他在論文《自然的物理單位》中呼吁人們應該注意這個在化學實驗中的最小電荷單位，隨后他稱之為“電子”[5].愛爾蘭物理學家菲茨杰拉德曾指出，湯姆孫說的“小體”實際上就是斯通尼說的“電子”.但湯姆孫堅持與其保持距離只承認陰極射線中的每條射線都可能攜帶著斯通尼說的最低電荷量.

在從陰極射線到認定電子的過程中5位諾獎大師萊納德、佩林、維恩、湯姆孫和威爾遜先后都作出了杰出的貢獻，電子的發現不可能是一個人的功績.湯姆孫1906年榮獲諾貝爾物理學獎時官方正式理由中沒有提及陰極射線或電子，只是“表彰他關于氣體電導的理論和實驗研究的偉大優點”.不過瑞典皇家科學院院長J.克拉森教授在授予湯姆森諾獎的演說中則肯定了他的這項功績，說湯姆孫“通過一系列極其巧妙的實驗……確定了這些帶電小粒子最重要的特性.在這些帶電的小顆粒中，最引人注目的是那些在高度稀薄氣體中的陰極射線粒子.這些小粒子被稱為電子，被許多研究者作為非常深入的研究對象.”[6]克拉森在這里沒有采用湯姆孫本人說的“小體”的稱謂而直呼其“電子”，“湯姆孫發現電子”就這樣得到了肯定.場面上湯姆孫對此既沒有茍同也沒有反對，而是保持距離“各說各話”，直到1913年他還在堅持他發現的是“小體”.但人們畢竟還是逐漸地淡忘了湯姆孫的態度而普遍接受了斯通尼的命名.因此有“湯姆孫發現了電子，斯通尼提前給電子起了名字”一說.法拉第的電解定律和斯通尼對化學鍵電量的分析已經揭示了電子量子化的事實，眾多科學家對此進行了探究，佩林和湯姆孫通過放電管上的實驗確定了電子的粒子特征，從而打破了原子是不可再分的結論，推開了探測亞原子結構的大門.