高中物理 第十八章 原子结构 1 电子的发现素材 新人教版选修3-5（通用）

高中物理 第十八章 原子结构 1 电子的发现素材 新人教版选修3-5（通用）

电子的发现 ‎ ‎　1897年，电子的发现最先敲开了通向基本粒子物理学的大门，它宣告了原子是由更基本的粒子组成的，并预告着物理学新时期的即将到来.大家知道，电子是在它被发现之前命名的.在19世纪中期已有人提出了电子理论，但当时并没有引起人们的广泛重视，直到1896年洛伦兹的电子理论解释了塞曼效应，尤其是1897年汤姆生（J.J.Thomson，1856—1940）在他那有名的实验中，测定了阴极射线的电荷与质量的比值e／m（后来称做电子的“荷质比”），并通过在卡文迪许实验室进行的电磁场偏转实验和威尔孙云室的轨迹观察，最终确认了电子，从而使电子理论在物理学界引起了人们极大的重视，并为现代物理学的发展起了重大的促进作用.电子的发现与汤姆生的名字是紧紧联系在一起的.今年是汤姆生发现电子100周年，仅以此文表示纪念.‎ 一、汤姆生的生平简介 汤姆生‎1856年12月18日出生在英国的曼彻斯特市郊，他的父亲是一个图书销售和出版商.由于职业的关系，他父亲结识了曼彻斯特大学的一些教授，这使汤姆生从小就受到科学家的影响，并养成了勤奋好学的习惯.经过努力，汤姆生14岁时就进入曼彻斯特的欧文斯学院学习.不幸的是，在他16岁的时候，他的父亲去逝了，这给他家的经济生活带来了很大的困难，但他对学习仍不放松.在欧文斯学院教师雷诺兹的指导下，加上他自己的刻苦钻研，学业有了很快提高.‎ 汤姆生最初的志向是成为一名工程师，但这个愿望随着他父亲的去逝，变得不再可能.因为那时候，想成为一名工程师，必须先与某一个工程公司建立一种关系，并要付出一笔丰厚的中介资金.由于汤姆生家里没有足够的钱供给他，所以他不得不放弃当工程师的愿望.然而，汤姆生在欧文斯学院3年的学习期间，数学成绩极为出色，在雷诺兹老师的教导下，养成了“宁可独立思考也不查阅文献”的研究新问题的习惯.后来，他又转到剑桥大学的三一学院学习，24岁时获得了学士学位.由于他学业成绩优异，特别是数学成绩名列第二名，从而成为第二个获得斯密斯奖学金的人.在他拿到数学学位之后，进入由瑞利 教授领导的卡文迪许实验室工作.从此便开始了他一生勤奋努力的科研生涯，并在后来的科学研究中取得了很大的成就.他的第一篇重要论文是关于麦克斯韦电磁理论在带电球体的运动中的应用.文中指出，带电球可以具有电荷产生的表现附加质量，其大小与静电能量成正比，这是朝向爱因斯坦著名的质能等价定律迈出的第一步.此后，他的研究成果不断问世.在1883年至1936年间，他发表了大量的科学论文、著作，其中包括 1884年发表的《论涡旋的运动》（涡旋的理论文章不仅使他得到奖金，而且导致他开始进行气体放电的实验研究工作）、1892年发表的《电学与磁学的新近研究》、1897年发表的《气体的放电》、1927年发表的《化学中的电子》、1936年发表的《重集合与反射》等.而1897年的《气体的放电》是他最重要的著作之一，他在实验中，通过大量对阴极射线的实验研究，测定了电子的荷质比，从实验上发现了电子的存在。后来他又发现了电子的许多性质，指出电子像气体中的导电体，又像原子中的组分.他同阿斯顿合作，找到了有力的证据，证明元素气体氖至少有两种不同重量的原子.1912年，他通过对某些元素的相隧射线的研究，指出了同位素的存在.由于他在气体放电理论和实验研究方面所做出的巨大贡献，获得了1906年度的诺贝尔物理学奖，并作了题为《负电的载流子》的获奖演说.他被科学界誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”.此外，由于汤姆生的非凡能力和科学贡献，他一生中担任过许多重要职务并获得许多荣誉.早在1884年他就接替瑞利担任了卡文迪许实验室教授（即实验室主任）；1905年至1918年，他在“大不列颠皇家研究院”担任自然哲学教授， 1908年被封为勋爵， 1909年被选为大不列颠协会会长，1912年获得梅里特勋章，1916年至1920年被选为皇家学会会长，1918年以后，成为剑桥大学三一学院院长并辞去卡文迪许实验室教授职务，担任荣誉教授，继续在卡文迪许实验室工作，并指导青年研究生，直至‎1940年8月30日逝世.‎ 汤姆生既是一位理论物理学家，又是一位实验物理学家，他一生所做过的实验是无法计算的.他一生的科研成就与他的重实验、讲理论、强调理论与实验相结合是分不开的.他不仅是位科学巨匠，还是一位优秀的导师.他在担任卡文迪许实验物理学教授及实验室主任的34年间，培养出了众多的青年科学家.他对学生要求非常严格，要求他们在研究之前，必须学习好所需要的实验技术和有关理论；进行研究所用的仪器必须自己动手制作，开动脑筋.他认为大学应是培养会思考、有独立工作能力人才的场所，而不是用“现成的机器”制造出“死的成品”的工厂.他要求学生不仅是实验的观察者，更是实验的设计者.他的教育方法是成功的，在他的学生中，有九位获得了诺贝尔奖，更多的成了世界各地的科学带头人.‎ 汤姆生是一位同时在科学研究、科学教育领域里做出巨大贡献的伟人.然而，他的成就来源于什么呢？他的儿子G·P·汤姆生（1937年诺贝尔物理学奖获得者）在他父亲百年诞辰纪念大会上作出了精辟的回答：创造力和热情.汤姆生在科学研究和科学教育中的极大创造力和极端热情，使他获取了巨大的成功，并扬名于世.由于他崇高的声誉，在他逝世后，骨灰被安葬在英国西敏寺的中央，与牛顿、达尔文、开尔文等伟大科学家的骨灰安放在一起.‎ 二、电子的发现 ‎1858年“阴极射线”被发现，它是由什么组成的，一直众说纷纭，并引起了一场英、法、德科学家的大争论.由德国一些物理学家组成的论战一方主张，阴极射线是以太的特殊振动；由英国、法国一些物理学家组成的论战另一方认为，阴极射线是带负电的粒子流.问题一直得不到公认.本来，克鲁克斯在1879年的几个实验就足以证明粒子论者的观点是正确的，但由于当时普遍认为原子不可再分，因而不能解释勒纳德在1893年将“阴极射线”引出阴极管外的现象，致使论战截至伦琴射线发现时还未结束.到1897年，汤姆生走上了科学实验的舞台，他用不同的方法测定了阴极射线粒子的荷质比，证明它们是一种更基本的粒子，导致了电子的发现，以致真相大白.‎ 早在1881年，亥姆霍兹在伦敦发表“法拉第讲演”时，“电原子”概念就开始进入了法拉第的电解定律.利用这个定律来测量离子的荷质比变得方便起来了.人们特别感兴趣的是法拉第常数F，因为它表示了用多少电量来析出1克当量元素. 对于一价氢离子，这正好是它的荷质比.我们现在知道，F=9649.4库／克当量.对于氢元素，1克当量等于1，而它的质量为NM，它的正离子所带电量为Ne，N表示洛喜米德常数.所以 这就是氢离子的荷质比.‎ 而对于阴极射线中电粒子荷质比的测定，就不可能再用电解定律，得寻找新的方法.英籍德国物理学家苏斯特在1890年最先用磁场偏转阴极射线的方法测得电子的荷质比是氢离子的500倍，虽然不太精确，但却指明了方向.直到1897年汤姆生才知道苏斯特的工作，从此开始了他一系列阴极射线实验中最重要的一步——对阴极射线荷质比的测量，并于‎1897年4月30日在英国伦敦皇家学院的“星期五晚会”上以《阴极射线》为题作了研究报告，宣布他测定了阴极射线的荷质比，并作出重要结论：阴极射线是由比氢原子小得多的带电粒子所组成.随后在《哲学杂志》上发表了长篇论文，系统地阐述了他采用的两种实验方法和得到的结果.‎ 汤姆生的实验是采用磁场偏转法，分几步进行的，实验原理图如图1所示.左边是一个阴极射线管，电子束由阳极的小孔穿出，向右运动，‎ 进入磁场.磁场方向由纸内指向纸外.电子束被偏转向上，打在玻璃管壁上，激发出荧光.我们根据荧光点位置可以算出电子束的曲率半径p.玻璃管右端装有一对同心开孔圆筒，内筒接静电计，用以测量收集到的电量.实验进行到一定阶段，将一接有电流表的热电偶插入内筒，由此测量电子的能量.实验分三步进行：第一步测量电量.此时不加磁场和热电偶，以便让电子直接打在内筒上.取一时间间隔（如两秒），读出静电计的指示数值，得到电量Q=ne（n表示这段时间内到达内筒的电子数）；第二步将热电偶插入内筒，使之正好挡住它的窗口，经同样时间（两秒）后读电流计，得到温升值，进而根据热电偶比热换算出它所获得的热量，‎ 第三步是测量电子在磁场中轨迹的曲率半径，为了直观起见，作磁场部 此外r表示玻璃管半径，d的长度为由电子出射口到它所激发的荧光点的水平距离.这样就能代入关系式P=mv／eH（H表示磁场强度）.‎ 汤姆生根据上述几种关系推出：‎ 根据所获得的W、Q、H和p的数据，可以算出电子的荷质比 e／m在1×107～3.1×107之间，电子速度在2.3×104～4.4×‎104km／s.可见，汤姆生的第一个实验测得的电子的荷质比近似等于氢离子的荷质比的1000～3000倍.鉴于这种情况，他猜测有两种可能，一是电子的电荷是氢离子电荷的数千倍；二是电子的质量只是氢离子质量的几千分之一.这时他无法肯定哪种猜测正确.然而，汤姆生觉得这次实验误差太大，他感到最困难的是这种方法牵涉测量的量太多，每一个量都会给结果造成一定的误差，有的还是很严重的，如电量的测量和电子束能量的测量就是这样.为了提高精度，仅改变实验程序和提高技术是不够的，还要从根本上改变实验方法.于是他就改用电场和磁场平衡的方法进行第二次实验.‎ 汤姆生第二个实验的装置如图3所示.在他的阴极射线管中有一对金属板，接电池产生静电场；还有一对线圈，用来产生静磁场，静电场和静磁场覆盖同样长的距离L.调节电场和磁场大小，以保证从阳极孔筒射出的电子束在通过金属板时不偏转（实际是电场使电子束向下偏转，而磁场使电子束向上偏转，两个偏转力相等而相消）.他推出两个关系：‎ 这样就可以根据电场强度和磁场强度算出电子速度；再根据长度L和电子束只在电场作用下的偏转方向的角度θ就能算出电子荷质比.θ的测量和计算是这样进行的：撤消磁场，保持电场强度不变，通过电子束打在荧光屏上的亮点的位置测量出横向偏转距离，再根据由金属板有端到荧光屏的距离算出θ值.汤姆生先后利用空气、氢气和二氧化碳作真空管的剩余气体进行实验，发现测量结果与管中剩余气体的种类无关. 他所测得的电子束的速度达光速的7.3 ％～12％，电子的质荷比m／e是氢离子的质荷比的1‰～1.5‰.可见，数量级的关系基本正确，但结果不够精确.更让汤姆生不解的是，测量数据中当电子速度大到3.6×‎109cm／s的情况下，电子的质荷比反而小.这一点直到爱因斯坦在1905年提出狭义相对论后，他才得知质量与速度的关系.然而，汤姆生在做完这个实验后仍然不能得知究竟是什么原因造成阴极射线电粒子的质荷比与氢离子的质荷比相差 1000倍的原因.他在论文中写到：“阴极射线的载 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的分子小，这可从勒纳德的结果看出.……在一般大气压的空气中，（阴极射线穿过的）距离约为半厘米，这必定与大气压力下载荷子的平均自由路程是可比较的.但是空气分子的平均自由路程则是数量级与之相差很大的一个量.由此可见，载荷子必定比普通分子小得多”.不过汤姆生很快通过实验和研究认识到电子质荷比小的原因不在于它所带电量大，而在于它的质量小.他用不同的金属材料做阴极，所测得的质荷比相差甚微.他由此判断，不论什么样的阴极材料所发射的带电粒子均与材料的元素性质无关，它们很可能是组成各类元素原子的一种更深层次的粒子.他在这里第一次突破了克鲁克斯关于阴极射线是由阴极材料发射出的同类带电原子的思想局限.‎ 在汤姆生从阴极射线的荷质比发现电子以后，为了进一步确证电子存在的普遍性，他广泛研究了各种现象，其中包括光电效应和爱迪生效应.早在1887年光电效应就被赫兹发现了.1899年，汤姆生运用了一个巧 块锌板作光阴极，正极板与之平行，相距约‎1cm.紫外光照射在锌板上，发射出光电子，经电场加速，向正极板运动.整个装置处于磁场之中，在磁场的作用下光电子做圆弧运动.只要磁场足够强，光电子必将返回阴极，而使极间电流降为零.汤姆生根据电压、磁场和极间距离，计算得出 证明β射线和光电流都是电子组成的.此后，汤姆生再用同样的方法测量炽热金属发出的带电粒子，得到的荷质比也是一样的.1884年，爱迪生在研究白炽灯泡时，发现灯泡里的白炽碳丝会发出负电，这就是爱迪生效应.但这一负电的本质一直没有搞清楚，从荷质比的一致性可以判断，它也是电子组成的.汤姆生在1906年出版的《气体导电》一著中，专题讨论和回顾了这些工作.他以大量实验事实和数据证明不论是阴极射线、β射线还是光电流都是电子组成的；不论是由于强电场或正离子轰击、紫外光的照射、炽热金属或氧化物中原子的热运动还是由于放射性物质的自发过程都会发射出同样的带电粒子（电子），可见，电子是比原子更基本的物质组成单元，或者说，电子是原子的组成部分.‎ 由以上看出，汤姆生为了证实电子的存在，花费了大量精力，做了很多精辟的实验，取得了令人叹服的成果.后来，科学界公认他是“电子的发现者”.‎