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物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊的故事:电子的发现

查字典物理网 2016-02-01

物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊的故事:电子的发现

约瑟夫·约翰·汤姆逊生1856年12月18日生于英国曼彻斯特,父亲是一个专印大学课本的著书商,由于职业的关系,他父亲结识了曼彻斯特大学的一些教授。汤姆逊生从小就受到学者的影响,学习很认真,十四岁便函进入了曼彻斯特大学。在大学学习期间,他受到了司徒华教授的精心指导,加上他自已的刻苦钻研,学业提高很快。

1876年,即二十一岁时,他被报送进了剑桥大学三一学院深造,1880年他参加了剑桥大学的学位考试,以第二名的优异成绩取得学位,随后被选为三一学院学员,两年后又被任命为大学讲师。他在数物理学方面具有很高修养的第一批成果是《论涡旋环的运动》和《论动力学在物理学和化学中的应用》

1884年,汤姆逊生在瑞利的推荐下,担任了卡文迪许实验室物理学教授。1897年汤姆逊生在研究稀薄气全放电的实验中,证明了电子的存在,轰动了整个物理学界。

我们在做稀薄气体放电的实验中,如果继续抽出利害内的空气。在真空度较高的情况下接上高压电源后,阴极就会发出一种射击线来,它能使用权面对阴极的管壁发出录色的荧光,这种射击线被命名为“阴极射线”。阴极射线是由什么组成的?十九世纪末时,有的科学家说它是光波;有的科学家说它是由带电的原子所验成;有的则说是由带阴电的微粒组成,众主纷纭,一时得不公认的结论。英法的科学家和德国的科学家们对于阴极射击线本质的争论,竟延续了二十多年。最后到1897年,汤姆逊生的出色实验结果面前,真相才得以大白。

汤姆逊生的实验过程是这样的,他将一块涂有硫化锌的小玻璃片,放在阴极射线所经过的路途上,看到硫化锌会发闪光。这说明硫化锌能显示出阴极射线的“径迹”。他发现在一般情况下,阴极射线是直线行进的,但当在射击线管的外面加上电场,或用一块蹄形磁铁跨放在射线管的外面,结果发 现阴极躬一都发生了偏折。根据其偏折的方向,不难判断出带电的性质。汤姆逊生在1897年得出结论:这些“射线”不是以太波,而是带负电的物质粒子。但他反问自已:“这些粒子是什么呢?它们是原子还是分子,还是处在更细的平衡状态中的物质?“这需要作更精细的实验.当时还不知道比原子更小的东西,因此汤姆逊生假定这是一种被电离的原子,即带负电的”离子“。

他要测量出这种”离子“的质量来,为此,他充计了一第列即简单又巧妙的实验:首先,单独的电场或磁场都能使用权业子偏转,而磁场对粒子施加的力是与粒子的速度有关的。汤姆逊生对粒子同时施加一个电场和磁场,并调节到电场和磁场所造成的粒子的偏听偏信转互相抵消,即粒子仍作直线运动。这样,从电场和磁场的强度比值就能算出粒子运动速度。而速度一量找到后,单靠磁偏转或者电偏转就可以测出粒了的电荷与质的比值,汤姆逊生又在阴极身线管的末端,放一个刻度标尺的硫化锌小屏,使阴极身坶的偏听偏信折量可以在屏上读出来。当所加的磁场强:离了解”的速成电量和速度一定时,离子的质量越大,则偏折量反而越小。

汤姆逊生用这种方法来测定"微粒"电荷与质量之比值.他发现这个比值和气体的性质无关,并且它的值107比起电解质中氢离子的值104这个以前已知的最大量要大得多.这说明这种粒子的质量比氢原子的质量要小得多.前者大约是后者的二千分之一.后来,美国的物理学家罗伯特.密立根在1913年到1917年考察了荷 电油滴在相反的静电场和引力场之间的运动.精确地测出了新的结果:前者是后者的1836分之一.

汤姆逊生测得的结果肯定地证实了阴极射线是由电子组成的,人类首次用实验证实了一种"基本粒子"----电子的存大."电子"这一名称是由物理学家斯通尼在1891年采用的,原意是定出的一个电的基本单位的名称,后来,这一词被应用来表示汤姆逊生的"微粒".

自从发现电子以后,汤姆逊生就成为国际上知名的物理学者.在这之前,一般都认为原子是"不能分割的"的东西,汤姆逊生的实验指出,原子是由许多部分组成的,这个实验标志着科学的一个新时代.人们称他是"一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人".

1905年,被任命为英国皇家学院的教授;

1906年荣获诺贝尔物理学奖;

1916年任皇家学会主度;

1919年被选为科学院外籍委员会首脑.

他并没有因此而停步不前,仍一如既往,兢兢业业,继续攀登科学的高峰.

汤姆逊生既是一位理论物理学家,又是一位实验物理学家,他一生所做过的实驵,是无法计算的.正是通过反复的实驵,他测定了电子的确良荷质比,发现了电子;双在实验中,创造了把质量不同的原子分离开来的方法,为后人发现同位素,提供了有效的方法.

汤姆逊生在担任卡文迪许实验物理教授及实验室主任的34年间,培培养了众多的人才。在他的学生中,有九位获得了诺贝尔奖金。汤姆逊生对自已的学生要求非常严格,他要求学生在开始做研究之前,必须学好所需要的实验技术。进行研究所用的仪器全要自已动手制作。他认为大学应是培养会思考、有独立工作能力的人才的场所,不是用“现成的机器”投影造成出“死的成品”的工厂。因此,他坚持不让学生使用现成的仪器,他要求学生不仅是实验的观察者,更是做实验的创造者。

汤姆逊生的著述很多。如《电与磁的现代研究》、电与磁数学基本理论》等。在他成名之后,好多国家邀他去讲学,但他从不轻易应允。如美国著名的普林斯顿大学曾几度请他去讲学,最后他才答案应去讲六个小时。他讲授的内容相当重要,对核物理有一定的价值。这足以说明他治学十分严谨,不讲则已,讲则要有新的创见。

1940年8月30日,汤姆逊生逝世于剑桥。他的骨灰被安葬在西敏寺的中央,与牛顿,达尔文、开尔文等伟大科学家的骨灰安放在一起。

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