世纪之交的三大发现

理学的发展．
电子的发现
1895 年，佩兰曾用如图所示的实验装置进行实验，支
持阴极射线是带电的粒子流．阴极射线从阴极C射出，经过
H 孔进入到阳极内的金属筒( 法拉第筒 )F 上，再用静电计检 测电量及其正负，实验证明是负电．对于这个实验，坚持 阴极射线是以太振动说的人认为，即使阴极发出的是带负 电的微粒，但它同阴极射线路径相同的证据并不充分．
保持真空，但又要薄到能让阴极射线通过．这样就能研究
阴极射线在放电管外引起的荧光现象． 勒纳德发现，阴极射线在空气中传播的距离大概是几厘 米的量级．
“阴极射线到底是什么？”这个问题引起了科学家们的 很大兴趣，围绕这个问题出现了一场争论．有趣的是，这 场争论几乎是以国界划分的．在德国以赫兹为首的多数物
v 5 109 厘米 秒 e m 2 107 电磁单位 克
第二种方法是 : 利用静电场和磁场使阴极射线发生偏 转．先加上一定强度的电场使射线向一方偏转 ;然后再加一 垂直磁，使射线向相反方向偏转，调节磁场强度使光斑回 到原来的位置，通过测算即可求出v和e/m．
提高了放电管的真空度，用图所示的装置进行实验，
第电解定律，主张把电解中的一个氢离子所带的电荷作为
一个“基本电荷”，并认为任何电荷都是由一些 “基本电 荷”组成的．
百度文库
1878年后，拉摩(JoSeph Larmor，1857-1942)和洛伦 兹 (Hendrik Antoon Lorentz ， 1853-1928) 在创立的“电 子论”中，也曾赋予物质中电荷的负荷体以一个基本的电 量． 1890年，斯通尼引入“电子”(electron)来表示负的 基本电荷的负荷体．
后来，他又不断改进和重复进行测量，1917年公布的结果
为
e (4.770 0.009) 1010 静电单位
于是，由荷质比可求得电子的质量为
me 1 1830mH
即为氢原子质量的1/1830倍．
X射线的发现
X射线的发现起源于对阴极射线的研究．
德 国 物 理 学 家 伦 琴 (Wilhelm Konrad Rontgen ， 18451923) 为了探明阴极射线的性质，重复做了赫兹、勒纳德等 人的实验． 1895 年 11 月 8 日晚，为了防止外界对放电管的影响，同 时也不使管内的可见光线漏出管外，他用黑纸板把放电管完
流”．他称这种带电的“分子流”为物质的第四态．
勒纳德的“铝窗”
1894 年 ， 德 国 的 勒 纳 德 (Philipp Lenard ， 1862-
1947)发表了他的“铝窗”实验．在最初研究阴极射线时，
勒纳德曾经设计实验，观察阴极射线是否能像紫外线一样 通过放电管壁的石英窗．他发现阴极射线不能穿过．后 来，受到赫兹的一个实验的启发，他想到用来封闭放电管 的石英板可以用一块铝箔代替，铝箔的厚度要可以使管内
际， 19 世纪末，在实验上却发现了一系列经典物理学无法
解释的事实．这些事实与经典物理学的基本概念以及一系 列基本规律产生了尖锐的矛盾，从而引起了物理学的一场 伟大的革命，导致了现代物理学的诞生．
阴极射线的研究
在 19 世纪末和 20 世纪初的一系列新发现中，电子的发
现、X射线的发现和放射性现象的发现具有根本的意义，被
应该指出的是，此时，人们还并不清楚电的物质基
础．
低压气体放电现象早在 17 世纪就被观察到了，直到 19 世纪，为了解决新的电光源问题，促进了真空技术的发
展，为气体放电的研究创造了条件．
1838 年，法拉第发现，“空气的稀薄极其有利于辉光 现象”，在阴极和阳极辉光之间“总有一个暗区”(这个暗 区后来被称为法拉第暗区)．由于法拉第当时所能获得的真 空只有干分之七个大气压，所以他没有能做出更多的发
带负电的“粒子”组成的假说．
1876 年 ， 德 国 物 理 学 家 哥 尔 德 斯 坦 (Eugen Goldstein，1850-1930)用各种材料做成各种形状、大小的 阴极进行实验，证实这种射线是从阴极表面垂直发出的， 阴极射线的性质与材料无关．他把这种射线命名为“阴极 射线”． 哥尔德斯坦还认为，阴极射线和紫外线没有什么区别， 他把阴极射线看成是以太的某种振动．
边界清晰的十宇架的阴影；他把一块磁铁移近真空管，十 字架阴影就会发生移动；他还在真空管中安上一水平玻璃 轨道，并在轨道上放置一个插有云母翼片的风轮，当用阴 极射线照射风翼时，轮子就会转动起来．
克鲁克斯根据这些事实认为，阴极射线是由带负电的
“分子流” (moleCularcurrent) 组成，是管中残留气体分 子碰到阴极上，从阴极得到了负电荷而形成的“分子
现．
盖斯勒 (Heinrich GeiSSler，1814-1879)利用托里拆 利真空原理制造了水银真空泵，并制造出了可达万分之一 个大气压的低压气体放电管．
早 在 1891 年 ， 戴 维 曾 发 现电 弧 光 焰受 磁 场 偏转 的 现 象．普吕克由此得到启发，他将磁铁靠近真空管进行试
验． 1859 年他报告说，在放电管对着阴极的管壁上看到了
电本质的认识．
早在 1834 年，法拉第已发现了电解当量定律．尽管法 拉第本人坚持电的流体说，但是，这个定律却是基本电荷
存在的有力证据，使不少物理学家受到启示，产生了电的
“原子性”的观念． 1853 年 ， 希 托 夫 (Johann Wilhelm Hit+orf ， 18241914)在研究离子迁移率时，就运用了电的原子性观念. 1874 年，斯通尼 (G.J.Stoney ， 1826-1911) 根据法拉
全包了起来，房间也是完全遮光的暗室．实验时，他意外地
发现在一米以外的涂有亚铂氰化钡的荧光屏发出了微弱的荧 光．
这一现象使他十分惊奇．他全神贯注地继续进行实验 :
把屏反转过来;使没有涂氰化钡的一面朝着管子，屏仍然发
出荧光;将屏逐渐移远，即使移到远离管子两米以外，仍有 荧光，只是稍弱一些而已．那时己经查明，阴极射线在空 气中只能穿过几厘米，而在远离管子两米以外的屏上仍有 荧光，所以，伦琴确信这种现象是无法用阴极射线的性质
1897年，汤姆孙采用以下两种方法，测定了阴极射线
“微粒”的速度和荷质比e/m．
第一种方法是 : 让阴极射线通过一条狭缝进入法拉第 筒，测算电量、能量，并用磁场使其偏转，测算轨道半 径，以求得 “微粒”的速度和它的荷质比e/m. 设微粒的质量为 m,微粒的速度为 v, 微粒所带的电量为 e,N为一定时间内进入法拉第筒内的微粒数．显然，法拉第 筒所获得的电量为
获得了成功．他用这样的方法测得
v 2.7 109 厘米 秒 e m 0.8 107 电磁单位 克
在诺贝尔奖演讲《负电的载荷者》中，汤姆孙总结了 他的研究和思考过程．他指出:通过对实验结果的认真的分 析，对于粒子的速度，可以得到，“在真空度极高的管子 中，粒子的速度可能是光速的 1/3 ，或大约是 60000 英里 / 秒；如果真空度不很高，速度不会大于 50000 英里 / 秒．但 是不论怎样，在真空管中产生的阴极射线，其速度要比我 们已知的任何其他运动物体的速度都大得多．”对于粒子
的e/m，“不论射线是怎样产生的，对射线中的全部粒子来
说，我们得出相同的 e/m ．”汤姆孙还给放电管分别充以 各种气体，并用铅和铁等不同金属做电极进行实验，所得
e/m值都大致相同．
这样，汤姆孙就大胆指出:“粒子是广泛分布的，但不 论在何处发现，它总是保持其个性) e/m值总是等于某一常 数．不论物质所处的条件是多么不同，看来粒子是各种物 质的组成部分．因此粒子很自然地被认为是建造原子的基
人们称为世纪之交物理学的三大发现，而它们的发现起源 于对阴极射线的观察与研究．
18 世纪中叶，人们曾提出过“电流质说”； 18 世纪
末、 19 世纪初动电发现后，“电流质说”已为人们所普遍 接受，即认为电流是一种没有机械重量的流质；在麦克斯 韦电磁场理论建立之后，人们又把电现象看做是连续以太 中的应变产生的；液体和气体导电现象的研究，促进了对
来解释的．
伦琴确信他已经发现了一种新的射线，为了进一步研 究这种射线的性质，他连续6个星期吃住在实验室，废寝忘 食地用各种方法反复迸行实验．
他发现，这种射线能穿透千页的书、2～3厘米厚的木 板、几厘米厚的橡胶板、15 毫米厚的铝板等等．这表明这
种人眼看不见的射线具有很强的穿透能力，但对不同物质
的穿透程度是不同的． 1.5 毫米厚的铅片几乎就能完全把 这种射线挡住．当他进一步用铅片进行实验时，又意外地
要的贡献．对 e 值最有说服力的测定是罗伯特 · 密立根
(Robert Millikan， 1868-1953)在1912-1917年间利用油滴 实验做出的． 密立根在1906年重复H.A.威尔逊的实验时，就测得
e 4.03 1010 静电单位
1913年，他利用油滴实验测得
e (4.774 0.009) 1010 静电单位
世纪之交的三大发现
到 19 世纪末，经典物理学已达到了完整、成熟的阶
段．当时不少物理学家产生了这样一种思想:物理学的大厦
已经建成；物理学上的基本的、原则的问题都己经解决； 剩下来的只是进一步精确化的问题，即在一些细节上作些 补充和修正，使已知公式中的各个常数测得更加精确一 些．正当物理学家们为庆贺物理学大厦的落成啧啧叹赏之
Q Ne
若进入法拉第筒内的微粒的动能因碰撞全部转变成热 能，则微粒流的动能的大小可由温度计温度变化测算得
到，并且其量值应为
1 W N mv 2 2 然后，用磁场使射线偏转，以R表示微粒轨道的曲率半径，
则有
Hev mv 2 R
由以上三式不难得到
e 2W 2 2 m H RQ
J.J.汤姆孙用这样的方法测得:
砖．”
于是，汤姆孙得出结论说：阴极射线是由同样的带电 微粒组成，而这种微粒是一种小粒子，它是各种原子的组 成部分．这样， J.J. 汤姆孙做出了电子的发现． 1897 年 8 月， J.J. 汤姆孙把他的发现写成长篇论文《阴极射线》，
10月发表在《哲学杂志》上．
为了证实基本电荷的存在，在测出 e/m 之后，还要 测出 e 值． J.J. 汤姆孙的研究生汤森德 (J.S.Townsend) 、 H.A. 威尔逊、 C.T.R. 威尔逊等和其他一些人都做出了重
1897 年，汤姆孙对佩兰的
上述实验装置作了改进，他把
阴极和金属筒 (法拉第筒)分别 放在各自的玻璃管内，只在两 个玻璃管的接合处留一狭 缝．不加磁场时，没有电荷进 入金属筒，当加上磁场并达到 某一量值时，金属筒接收到的 电荷将猛增．
由此证明了阴极射线和带负电荷的粒子在磁场作
用下遵循同样的路径，即证明了阴极射线是带负电的 粒子组成的．
绿色荧光，在磁铁的影响下，荧光光斑的位置会发生移 动． 1869 年，普吕克的学生希托夫进一步将真空管的真空 度提高到十万分之一个大气压．用点状的阴极发出阴极射 线，并在阴极和阳极之间放置障碍物进行试验，在产生荧 光的管壁上就会出现障碍物的清晰的影子，这就证明了阴 极射线是直线传播的．
1871 年 ， 瓦 莱 (Cromwell Fleetwood Varley ， 18281883)根据阴极射线为磁场偏转的事实，提出阴极射线是由
1879 年 ， 英 国 的 克 鲁 克 斯 (William Crooks ， 18321919)制成了高真空的“克鲁克斯管”，其真空度达到了百 万分之一个大气压 , 他利用这种真空管做了一系列实验 : 在 真空管的阴极和与它相对的玻璃壁之间，放置一个用云母
片做成的“马耳他十字架”，通电后在玻璃壁上可观察到
理学家 (亥姆霍兹除外)都认为阴极射线是一种电磁波，即
类似于紫外辐射的“以太的某种表现”．哥尔德斯坦、韦 德曼(GuStav Heinh Wiedemann，1826-1899)、勒纳德等都
支持这种观点．在英国和法国以英国物理学家克鲁克斯为
主的大多数物理学家则坚持认为阴极射线是带电的粒子 流，瓦莱、开尔文、佩兰 (JeanBaptiStePerrin ， 18701942)、J.J.汤姆孙等人都支持粒子说．这一争论持续了一 二十年，促使人们进行了许多很有意义的实验，推动了物