歷史上電子是怎麼被發現的?

PhD肖

這又是一個長故事,還是從頭說起吧。先說結果吧,電子是英國科學家湯姆遜發現的。



湯姆遜也是一位大神,14歲就進入了曼徹斯特大學,為什麼呢?一方面因為他是天才,一方面是因為他走了一個小小的後門。

他的父親,你是不是以為我要說是大學教授啊,就象泡利一樣,混了進去,不是的,他父親是一個書商,不過這個書商可不簡單,是專門印刷大學課本的,所以呢,就認識了一批大學教授,不管怎麼著吧,反正是早早就進了大學。

大學期間,成績優異,這就不用說了,然後就是講師,教授,大家都是這麼混的,可是湯姆遜不一樣,28歲上他做了一件前無古人,後無來者的事情。

年僅28歲的湯姆遜要申請卡文迪許教授,這太膽大妄為了,還記得卡文迪許實驗室嗎?那是偉大的麥克斯韋創建的,當時的卡文迪許教授是瑞利勳爵,對瑞利勳爵還有印象嗎?惰性氣體就是他發現的,他最著名的成就就是瑞利——金斯公式,用來解釋黑體輻射的,後來普朗克提出普朗克公式,提出量子概念,引發了物理學革命,可以說瑞利勳爵也算量子力學的先驅,關於麥克斯韋和瑞利的故事我在其他回答中有提到,這裡就不展開了,有興趣可以移步去看一眼。

回過頭來繼續說湯姆遜,湯姆遜當時申請卡文迪許教授的行為相當於什麼呢?現在的千青、傑青可不上,就算現在的院士也比不上,相當於申請擔任中科院副院長吧,是不是有點異想天開啊。

可奇蹟發生了,他還真申請成功了,一方面是由於他的天才,另一方面是瑞利勳爵慧眼識英雄。

既然已經得到了這麼高的榮譽地位,那就開始幹活吧。

當時,已經發現了輝光現象,輝光現象就是進行放電實驗時,對著陰極的玻璃管壁放出綠色的輝光,當時認為這是陰極射線造成的,可是陰極射線是什麼?卻是眾說紛紜,有的說是電磁波,有的說是帶電的原子,有的說是帶陰電的微粒,這個說法有點靠譜,不過誰也不能說服誰,這一爭就是二十年。



輝光放電

湯姆遜做了一個實驗,他把塗有硫化鋅的玻璃片放在了陰極射線經過的路徑上,結果玻璃片閃光了,這說明硫化鋅可以顯示陰極射線的軌跡,這下就好辦了。

湯姆遜在陰極射線經過的路徑上加了一個電場或磁場,這無所謂了,都可以,結果發現軌跡不再是直線了,偏折了,這下好辦了,在電磁場的作用下,發生偏轉,這是因為什麼啊,因為帶電啊,這個我們大家都學過,而且還可以根據偏轉方向判斷電荷的正負,這說明陰極射線是一種帶負電的粒子。

事情還沒完,萬一是陰離子呢,也帶負電啊,那就測一測這種微粒的荷質比,就是所帶電荷和其質量的比值。

這個原理就比較好解釋了,就是中學時學過的粒子在電磁場中的運動,還是解釋一下吧,畢竟中學時那速度都是給定的。

湯姆遜對陰極射線同時施加電場和磁場,並且調節其強度,使得陰極射線仍然做直線運動,這樣,通過電場強度和磁感應強度的比值就可以算出微粒的速度,知道了速度就好辦了,通過偏轉就可以知道荷質比,明白了嗎?要是還沒有明白就複習一下中學知識,我就不推導過程了。

湯姆遜測出來荷質比後發現這個值太大了,遠大於氫原子的荷質比,大約大2000倍,現在我們知道是1836倍,這肯定是一種新的粒子了,這就是電子。

這一下子轟動了物理界,之前人們認為原子已經不可再分,而湯姆遜的發現原子還可以繼續分,可以說湯姆遜打開了原子物理學的大門。

不過事情還沒有完,湯姆遜提出了原子的棗糕模型,不過這個模型很快被他的學生盧瑟福的行星模型取代了,盧瑟福也沒有得意多久,他的行星模型很快被他的學生玻爾的原子模型取代了,這一門都是欺師滅祖的典範,不過我們更欣賞這種欺師滅祖,不是說“吾愛吾師,吾更愛真理”嗎,關於他們師徒的故事,我在《電子為什麼不飛向原子核》這個問題下的回答中有詳述,有興趣的可以移步去看一下。

咱們繼續說電子的事情,現在已經知道了電子帶負電荷了,可是是多少呢?而且知道了電子電荷,又知道了荷質比,電子質量也可以算出來算,所以必須要想法測出來電子電荷。

這就要有請美國科學家密立根出場了,我個人覺得這是美國人第一次登臺,別說愛因斯坦,他是後來加入美國籍的,不算。



密立根也是一位大神,他做實驗肯定了愛因斯坦的光電方程,測出了最精確的普朗克常數,對x射線的研究,還導致了烏侖貝爾提出電子自旋,對,就是被泡利罵跑的那個電子自旋。

不過他最著名的還是測量電子電量的油滴實驗。



油滴實驗就是在勻強電場中噴入很多小油滴,調節電場強度,使得小油滴做勻速運動,根據牛頓第一定律,這時候油滴受力平衡,而油滴此時受到電場力和重力,而重力是比較容易測出來的,而電場強度是已知的,自然就可以測出電子電荷了。

這是實驗原理,但是做起來並不簡單,首先因為油滴是在空氣中,要受到空氣的粘滯力,另外,那麼多油滴,怎麼知道哪個是在勻速運動啊,那要不錯眼珠盯著啊。

但不管怎麼說,密立根測出來了,密立根發現,無論油滴多麼小,其電量都是某個數值的整數倍,這個數值就是電子電荷電量了。

很神奇是嗎?可密立根很苦惱,因為他得不出這麼一個基本數值,怎麼辦啊?於是密立根想到了造假。

密立根做了140次實驗,可是他只公佈出來58次,就是說他對數據進行了篩選,他提前預設了電子電量,只保留了和他設想相符的數據,這就是數據造假啊,沒想到吧,數據造假的祖宗是美國人,可神奇的是他還造假造對了,他公佈出來的電子電荷電量基本就是對的。

不過事情還沒完,密立根最初用的是水滴做的實驗,我們都知道,水是很容易蒸發的,所以一直得不出合適的數據。

那一天,密立根有事沒在實驗室,他的學生弗雷徹改用了油滴做實驗,油的蒸發要遠低於水,所以得出來比較靠譜的數據。

密立根回來後,非常高興,於是兩人立即開始實驗,很快得到了結果,可是密立根起了小心思,這個結果要不要署學生的名,署名吧,好沒面子啊,不署名吧,這也說不過去啊。

密立根經過嚴密思考後,對弗雷徹說要不你這次就算了,下一次你單獨署名,我就不署名了。

這情節是不是聽起來很熟悉啊,現在各個學界大佬利用權勢搶學生成果的開端也是密立根開創的,不過密立根還不錯,後來真讓弗雷徹單獨署名了一篇論文,不過其重要程度已經不能和測量電子電荷電量相提並論了。

都說到學生了,說一下湯姆遜的學生,湯姆遜的學生不止有盧瑟福,還有威爾遜,就是發明威爾遜雲室那位,湯姆遜的學生們有九位諾貝爾獎獲得者,不知密立根想到湯姆遜會不會感到慚愧。

好了,現在總結一下,湯姆遜發現了電子,密立根測出來了電子電荷電量,這就是電子電荷傳奇歷史。


閒時亂翻書

在19世紀末,英國物理學家湯姆生(Joseph John Thomson,1856~1940)發現了比原子小得多的帶負電荷的粒子——電子。從而證明原子是可分的。

而題中的圖片則是盧瑟福提出的原子核式結構模型圖。

電子<10^-18m


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