电子的发现和研究

物理学史

电子的发现和研究

薛凤家

(河北省廊坊师范学院物理系,河北廊坊065000)

(收稿日期:2003-06-09)

摘要本文简要、系统地回顾了电子的发现和研究历程.电子的发现使人们理解和解释了众多的物理现象,人们对电子的研究形成了物理学中许多重要的理论和

实验方法,从而加深了人们对微观世界的认识.

关键词经典电子论;量子力学;量子电动力学

电子的发现是19世纪和20世纪之交物理学三个重大发现之一,也是人类最早发现并认识的第一个基本粒子.没有任何一个发现能象发现电子一样使人们能理解并解释众多的物理现象.人们对电子的研究形成了物理学中许多重要的理论和实验方法,有力地推动了人们对微观世界的认识.

人类对电磁现象及其本质的认识和研究经历了漫长而曲折的历程.从1600年吉尔伯特的电磁研究到1873年麦克斯韦电磁理论的建立,人们花费了近300年才揭示了电磁之间的联系和规律并发展成一门科学,即电磁学.其原因主要是由于电磁学的研究需要借助较精密的仪器设备和精确的实验技术方法,而这些条件只有在生产和科技发展到一定水平后才能具备.正如恩格斯所说,/我们只能在我们时代的条件下认识事物,而且这些条件达到什么程度,我们便认识到什么程度.0(5自然辩证法6人民出版社,1955年版202页).

1经典电子论

1892年荷兰人洛伦兹发表了关于电子论的第一篇文章.他把麦克斯韦电磁理论和物质的粒子假设结合起来,对这个十分困难的问题做了详尽而透彻的分析,麦克斯韦理论中没有用任何原子性的假设,而洛伦兹却假设一切物体中都含有电子.从这个假设出发,他不仅解释了物质一系列电磁现象,而且克服了以前电磁理论和某些重大缺陷.1902年12月11日,洛伦兹在授予他和塞曼诺贝尔物理学奖的颁奖会上,以/电子理论和光的传播0为题做了讲演,详细地讲述了他的/电子论0.他从/在有重物之中包含着可被光振荡带动的微粒0的前提出发,指出它们应该是带电的,他把这些带电粒子称为/电子0,并指出电子具有一定质量,比原子要小,金属中的电流就是这些微粒的真实流动,电子在白炽物体中振动并引起光辐射等等.进而他还提出/原子是一个复杂的结构,它可以包含许多电子,某些电子是可动的,某些电子是固定的.原子所带的电子或许不集中于一点,而是有别的分布方式0等一系列推论.

洛伦兹的电子论在解释/塞曼效应0时取得了圆满的成功.1896年荷兰人塞曼从实验中发现光辐射在磁力影响下会改变性质,辐射的谱线会分裂成几部分,证实了磁场对光和带电粒子的影响遵循着相同的规律.塞曼以/光振荡是由电子的振动引起的0洛伦兹假设为前提,分析了辐射源中电子在平衡位置附近的受力,提出/电子的全部振动可以分成三种,当不加磁场时,所有这些振动的周期都相同,但是当电子被置于磁场的影响下,它们的运动就会发生变化.0在垂直磁力线方向上,/对应于电子的三种运动,有三种振荡.因

此,当把光源置于磁场中时,我们看到的不是一条非偏振的谱线,而是三条谱线.0从而正确地解释了塞曼效应.此外塞曼还得出/振动的电子带负电0、/在光源中振动着的东西和在阴极射线中运动着的东西是相同的0、/每一个热源都充满着电子,这些电子不断地和无休止地振动着0等结论.这些不但对洛伦兹电子论提供了令人信服的实验验证,而且也为人们了解光谱构造和物质结构做出了贡献.

电子发现后,洛伦兹在1904年又进一步提出/当电子在以太中运动时,电子在沿运动方向上的半径将变短,会从圆球变成椭球0,并系统严密地论证了/洛伦兹变换0.1909年他又提出/当电子和带电粒子运动时,就在自己周围产生磁场,而带电粒子作加速或减速运动时就会辐射出电磁波.电磁场本身也影响电子和带电粒子的行迹.0进而引入了/洛伦兹力0的概念.这些假设后来经人们用实验验证并完善,形成了经典电子论.

1898年黎开等人提出了金属电子论.他们认为金属的导热和导电特性是由于金属中存在自由电子而引起的.自由电子在外电场作用下定向运动形成电流,自由电子间相互碰撞形成电阻.他们还解释了欧姆定律,推导出导电率和电子的关系式等等.经典电子论和金属电子论经相对论和量子力学的修改补充和完善,现已成为原子物理学和固体物理学的理论基础.

2电子的发现和电子的性质

电子是真实的客观存在这一论断是英国人汤姆逊在1897年发现并证实的.他是在勒纳等人研究阴极射线工作的基础上得到这一结果的.他通过改进实验装置,用磁铁使阴极射线偏转进入金属筒,再次证明阴极射线是带负电的.他还让阴极射线只受电场作用,通过测定阴极射线撞击玻璃管壁产生的荧光斑点位移,计算出粒子的荷质比,而且用不同方法得到了相同的结果.他还测得阴极射线粒子质量约为氢原子质量的1/1700,说明了自然界中有比原子更小的实物粒子存在.汤姆逊还证实了从不同金属的阴极射线发射出来的粒子都是相同的,说明了粒子是普遍存在的,是组成一切物质的基本部分.通过一系列卓有成效的实验,汤姆逊获得了电子特性的信息.他的发现证实了电子的存在,彻底打破了原子不可分的传统观念,也为人们打开了一个崭新的世界.人们在对电的本质、电磁现象、物质结构等新的认识基础上,对电子的性质、运动规律、电子和其他物质的相互作用等进行了深入研究,取得了许多成果,有力地推动了科学技术的发展.

1909年美国人密立根为了确定电子电荷的基本单位,设计了/油滴实验0.通过实验他发现油滴带电荷量恒为基本电荷量e的整数倍.也就是说,电荷只能以e的大小为单位存在于自然界中,这就是电子的电荷量,进而也证实了电荷的分立性.他的实验测得的自然界中电荷单位值为e=(1.591?0.003)@ 10-19C.

法国人德布罗意在获得1929年度诺贝尔物理学奖时,是以/电子的波动性0为题来报告他的得奖工作的.他是在没有得到任何已知事实支持的情况下,仅通过类比就断言物质不仅具有粒子性,而且具有波动性.1924年他建立了波和粒子间的对应关系,即德布罗意关系式.并且提出可以通过电子来验证.后来1925年美国人戴维逊通过镍对电子的散射实验、1927年英国人G#汤姆逊通过高能电子束对金箔的干涉实验完全地证实了电子具有波动性,证实了德布罗意物质波动理论的正确.波粒二象性也成为电子和其他微观粒子的一个主要性质.

1925年荷兰人乌仑贝克和古德斯密为解释碱金属光谱的双重谱线,曾提出过两个假设:一是电子具有自旋,其行为好像一个绕自己对称轴旋转的带电小球,并且具有量子化的自旋角动量.二是电子具有磁偶极矩,即玻尔磁子.1928年英国人狄拉克从量子力学最普遍的条件出发,根据相对论建立了一个描述单个电子运动的相对论性量子力学方程)))狄拉克方程.这个方程不仅对氢原子能