1906 年诺贝尔物理学奖——气体导电

J.J.汤姆生像

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。

图 06 – 1 汤姆生测阴极射线电荷的装置

(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。

图 06 – 2 汤姆生管

(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。

图 06 – 3 汤姆生正在测荷质比
图 06 – 4 汤姆生管实物照片

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。

图 06 – 5 卡文迪什实验室旧楼
图 06 – 6 1920 年汤姆生父子参加的卡文迪什实验室教授与研究生合影(其中第二排:左一是查德威克,左二是 G.P.汤姆生,左四是J.J.汤姆生,左五是卢瑟福,左七是康普顿,他们先后都获得了诺贝尔奖)

官网地址论文链接

文件下载(已下载 11 次)

发布时间:2006/4/20 下午3:48:01  阅读次数:7707

2006 - 2024,推荐分辨率 1024*768 以上,推荐浏览器 Chrome、Edge 等现代浏览器,截止 2021 年 12 月 5 日的访问次数:1872 万 9823 站长邮箱

沪 ICP 备 18037240 号-1

沪公网安备 31011002002865 号