1906 年诺贝尔物理学奖——气体导电

1906 年诺贝尔物理学奖授予英国剑桥大学的 J.J.汤姆生爵士（Sir Joseph John Thomson，1856—1940），以表彰他对气体导电的理论和实验所作的贡献。

电子的发现

J.J.汤姆生对气体导电的理论和实验研究最重要的结果就是发现了电子，这是继 X 射线和放射性之后又一重大发现。人们把这三件事称为世纪之交的三大发现。

比起前两件来，电子的发现具有更伟大的意义，因为这一事件使人们认识到自然界还有比原子更小的实物。原子不可分的传统观念终于被打破了。

如果说 X 射线和放射性的发现具有某种偶然性，那么，电子的发现却充分显示了科学发展的必由之路，它是许多人经过大量实验和理论研究，进行了长期的科学争论之后的产物。在这场争论中，J.J.汤姆生取得了决定性的成果。

19 世纪是电磁学大发展的时期，80 年代电气工业开始有了发展，发电机、变压器和高压输电线路逐步在生产中得到应用，空气漏电成了亟待解决的问题。同时，电气照明也吸引了许多科学家的注意。于是，人们竞相研究低压气体发电现象。

1858 年德国人普鲁克尔在研究气体放电时，注意到在放电管正对阴极的管壁上发出绿色的荧光，证明是某种射线从阴极发出打到管壁所致。这一射线后来就叫做阴极射线。他和另一位德国物理学家哥尔茨坦都认为这种射线是一种以太波，因为这种射线按直线行进，对物质有化学作用，性质上类似于紫外光。

英国物理学家也对阴极射线做了大量研究。1871 年瓦尔利发现阴极射线在磁场中会发生偏转，与带电粒子的行为很相近。克鲁克斯在实验中证实阴极射线不但按直线前进、能聚焦、在磁场中会偏转，而且还可以传递能量和动量。

克鲁克斯认为阴极射线是由真空管中残余气体的分子组成，由于乱运动有些气体分子撞击到阴极，于是从阴极获得了负电荷，在电场的驱使下形成了带电的分子流。舒斯特也认为阴极射线是带电粒子流。他在 1890 年根据阴极射线的磁偏转算出带电粒子的电荷与质量之比 e/m（简称荷质比），数值大约是 5×10⁶ ~ 1×10¹⁰ kg/C，而电解所得氢离子的荷质比约为 10⁸ kg/C。他认为这两个数据接近，说明阴极射线的成分可能就是原子类型的带电粒子。

这三位主张阴极射线是带电粒子的科学家都是英国人，于是很自然地形成了一个学派，人称英国学派。但是，当时威望更高的是持以太论的德国学派。除了哥尔茨坦以外，还有 H.赫兹和勒纳。以太论者的观点虽然是错的，但他们对微粒说的反驳却很有分量。例如哥尔茨坦为了说明阴极射线不是分子流，特意做了一光谱实验，证明没有因为多普勒效应而观测到谱线位移，阴极射线如果是由分子流组成，就应该有多普勒效应。他认为既然不是分子流，就证明了他的以太波假设是合理的。

H.赫兹也做过许多实验为自己的以太说辩护。他的实验并不都很成功。例如他在阴极射线管中加静电场，却没有观察到阴极射线偏转，使他更确信阴极射线是不带电的一种波。

H.赫兹的另一个实验却很有价值，他注意到阴极射线可以穿过金属隔板，使被挡住的玻璃壁发出微弱荧光，这个现象后来由他的学生勒纳继续研究。勒纳在阴极射线管末端嵌上一片铝箔作为窗口，铝箔仅薄 0.000 265 cm。实验结果证明，阴极射线可以穿过铝窗，在空气中继续穿行约 10 cm。显然，这个实验事实是反驳带电分子说的有力论据，因为很难想象，气体的分子或原子竟能穿过成千个铝原子组成的铝壁。勒纳认为，只有类似于光的某种波才有可能透过。两派之争，不相上下，谁也说服不了谁。英国学派的微粒说比较符合实际，但他们把话说过了头，当然会被对方抓住把柄。

就在这个时候，X 射线的发现宣布了。作为英国剑桥大学卡文迪什实验室教授的 J.J.汤姆生正在研究气体导电现象。他敏锐地抓住了 X 射线这一新生事物，立即用 X 射线轰击气体。他从 X 射线促使气体电离的现象更加深刻地认识到阴极射线的粒子性，下决心以更鲜明的实验来证实它。他做了如下实验。

（1）测阴极射线的电荷（图 06 – 1）。他把接收电荷的金属筒安在侧面，平常接收不到电荷，只有当磁场加到足够大时，静电计才有指示；再加大磁场，静电计的指示又减到零，说明这些电荷确实来自阴极射线。

（2）使阴极射线在静电场中偏转。汤姆生设计了一支特殊的阴极射线管，如图 06 – 2 所示。沿阴极射线的通道平行地安了一对金属极板，外接于电池组。开始他也和 H.赫兹一样，看不到阴极射线有任何偏转。后来经过仔细观察，他注意到刚接通电池的瞬间，射束的荧光斑 a 微微有一晃动。他想，这可能是由于残余气体分子在电场的作用下离解形成了正负离子，正离子趋于负极板，负离子趋于正极板，开始来不及，但很快就抵消了，所以光斑又回到原来的位置。怎样改善这一情况呢？汤姆生凭他多年的实践经验，认为只要改善真空条件、减小极间电压，就有可能避免气体电离。果然，当他在实验技师的协助下，连续几天抽真空，把真空管里的剩余气体尽量抽掉以后，就得到了稳定的静电偏转。

（3）测阴极射线的荷质比。从以上两个实验，汤姆生已可明确无误地证明阴极射线是由某种带负电的微粒组成。但是这种微粒是什么？是原子还是分子？或者是比原子、分子更小的物质微粒？汤姆生为了回答这个问题，对阴极射线的荷质比进行了大量的测定。

根据电磁理论，带电微粒在电场和磁场中的偏转，除了与电场和磁场的强度有关以外，还决定于微粒的电荷 e 和质量 m。从比较电场和磁场的偏转可以间接计算出荷质比 e/m 或质荷比 m/e。

汤姆生采用不同的管子，不同的电极，不同的气体，甚至不同的方法，经过多次测量，最后得到阴极射线微粒的质荷比为 10⁻¹¹ kg/C，是氢离子的质荷比 10⁻⁸ kg/C 的千分之一。

汤姆生还根据其他人的实验（包括勒纳的铝窗实验）判定，阴极射线的微粒要比普通分子原子小得多，是原子的组成部分。后来他把这一微粒正式取名为“电子”。

获奖者简历

J.J.汤姆生  1856 年出生于英国曼彻斯特近郊，他父亲是书商和出版家。汤姆生原来打算成为一名工程师。14 岁进曼彻斯特的欧文斯学院（后改为曼彻斯特大学）攻读工程。由于父亲去世，经济困难，无法交纳工程实习所需的一笔保险费，乃改学本来就很喜爱的物理和数学。欧文斯学院很早就开设实验课，他在这里受到了良好的训练。他以工程学位毕业后，靠奖学金到剑桥大学三一学院继续深造。著名物理学家瑞利是他的导师，指导他在电磁理论方面进行系统研究，并让他进行实验室的实际工作。例如，早期他发表过关于静电单位和电磁单位比值的论文。1884 年，瑞利离开卡文迪什实验室，汤姆生被推荐接任卡文迪什实验室的实验教授（即实验室主任），其时年方 28 岁。J.J.汤姆生对物理学经典理论有很深造诣，尤其在热学和电磁学方面，发表过很多论文。麦克斯韦的名著《电磁学通论》（第三版）就是经汤姆生整理出版的。他自己虽然并不擅长实验技术，动手能力较差，但他很熟悉实验中的实际工作，善于设计，敏于判断，思想活跃，在选择研究课题、指导实验室成员开展工作，组织和调配实验室的集体力量等方面，很好地发挥了导师的作用。在同事们和学生们的协助下，他自己也完成了许多精彩实验。他连续担任卡文迪什实验室教授长达 35 年，把卡文迪什实验室建设成了世界一流的物理学研究基地。1895 年起，从全国各地甚至世界各国招收一批批年轻有为的学者作为研究生，形成了一个以汤姆生为核心的研究集体。经他培养的研究人员中有七人获诺贝尔奖。他从事的研究对物理学的发展有重要影响。例如，研究阴极射线导致了电子的发现，研究正（离子）射线，导致了质谱仪的发明和同位素的研究，并为他的儿子 G.P.汤姆生发现电子衍射准备了条件，研究原子模型，为卢瑟福发现原子核和玻尔发展原子理论开辟了道路。1918 年汤姆生被选为三一学院院长，1940 年 8 月 30 日逝世于剑桥。

官网地址，论文链接。

发布时间：2006/4/20 下午3:48:01  阅读次数：9079