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汤姆生与电子的发现

汤姆生与电子的发现

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

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