电子。科学发现的历史和本质

电子。科学发现的历史和本质

最重要的科学发现

关于电的原子结构的清晰而精确的想法出现在韦伯，他从 1862 年开始在许多作品中开发它们：“随着电力的一般分布，可以假设一个电原子与每个重原子相关联。” 与此相关，他提出了关于金属中电流导电性的观点，这与电子的不同之处仅在于他认为正电原子是可移动的。他还表达了对焦耳-楞次热进行分子解释的想法：

“导体中包含的所有分子电流的生命力随着电流的通过而增加，与电阻成正比，与电流强度的平方成正比。”

韦伯的这些和类似的陈述引发了人工智能。巴钦斯基称韦伯为电子理论的创造者之一，而 O.D. Khvol'son 将他的名字放在关于金属传导的电子理论一章的开头段落中。但应该指出的是，韦伯尚未将他的“电原子”与电解的具体事实联系起来。首次建立此连接麦克斯韦在他的论文的第一卷中。但是麦克斯韦并没有提出这个重要的想法。相反，他认为分子电荷的想法在科学中不会存在。

1874年，爱尔兰物理学家斯通尼在英国协会的一次会议上，提请注意自然界中存在三个“自然单位”：光速、引力常数和“电原子”的电荷。关于最后一个单元，他说：

“最后，大自然赋予了我们在电解现象中相当确定的电量，与它所连接的物体无关。” 根据当时的数据，斯通尼通过将 10 立方厘米的氢分解过程中释放的电量除以其原子数来估算这种电荷，并得到大约 XNUMX 到电磁单位的负 XNUMX 次方的值。斯通尼提议称这种电原子为“电子”。

4月5 1881年亥姆霍兹在他著名的演讲中，他宣称：“如果我们承认化学原子的存在，那么我们就不得不从这里进一步得出结论，无论是正电还是负电，也分为一定的元素量，它们扮演着原子的角色。电。”

1869 年，Gittorf 在放电管中获得了稀疏度低于 XNUMX 毫米的真空，他注意到黑暗的阴极空间迅速扩散到整个管中，因此管壁开始发出强烈的荧光。他注意到管子的辉光在磁铁的影响下发生了变化。

吉托夫的观察十年后，W.克鲁克斯的作品出现了。根据克鲁克斯的说法，辐射物质粒子以极快的速度从电极中喷射出来。暗阴极空间是负气体分子自由移动的空间，从阴极飞出并被相反的正分子保持在其边界。然而，德国物理学家并不接受克鲁克斯的观点。 E. Goldstein 在 1880 年表明，用平均自由程来识别暗阴极空间的尺寸是不正确的。他表明，阴极射线根本不会终止于暗层的边界；在高度稀疏的情况下，它们还会穿透阳极的发光空间。

奥地利科学家 V.F. 同年，Gintl 假设阴极射线是由电流拉出阴极的金属粒子流，它们沿直线移动。这一观点得到了普鲁亚的支持和进一步发展。在同一个 1880 年，E. Wiedemann 确定了具有如此短波长的空灵振动的阴极射线。在他看来，它们不会产生发光效果；然而，落在重物上时，它们会减速并变成可见光。

Lenard 的实验对加强阴极射线的空灵波理论起到了决定性的作用。他令人信服地证明，阴极射线可以在管内保持真空的同时向外扩散，即这些射线不能像克鲁克斯所说的那样是气体粒子。但这还不够。空气中的阴极射线产生发光和照相效果。莱纳德设法进入溪流，他发布了一张照片，照片中一个物体被密封在一个密封的薄壁铝盒中。观察磁铁对发射光束的偏转，他发现这种偏转不取决于气体的类型，最重要的是，还有一部分射线没有被磁铁偏转。

Lenard 是第一个观察 X 射线作用的物理学家，甚至收到了第一张 X 射线。但他未能完全理解他的发现，并将其描述为阴极射线波动性质的证据。他的实验充满了科学家没有利用的巨大机会。

Wiedemann-Hertz-Lenard 理论在 1895 年被 Perrin (1870-1942) 尝试检测阴极射线的电荷的经验极大地动摇了。为此，他在放电管中放置了一个法拉第圆柱体，紧靠阴极，连接到静电计。在放电过程中，气缸带负电。佩林由此得出结论，“负电荷的转移与阴极射线密不可分”。

佩兰肯定地建立了阴极射线的电荷转移，并认为这个事实很难与振动理论调和，而与呼气理论非常吻合。因此，他认为“如果到期理论能够驳倒它所提出的所有反对意见，那么它必须被认为是真正合适的”。

然而，为了反驳所有的反对意见，有必要从根本上改变对物质结构的看法，允许自然界中存在较小原子的粒子。

英国物理学家约瑟夫·汤姆森（Joseph Thomson，1856-1940 年）作为发现电子的人进入了科学史。有一次他说：“发现是由于观察力的敏锐和力量，直觉，不可动摇的热情，直到最终解决伴随先驱工作的所有矛盾。”

约瑟夫·汤姆森出生在曼彻斯特。在这里，在曼彻斯特，他毕业于欧文斯学院，并于1876-1880年就读于剑桥大学著名的三一学院（Trinity College）。 1880 年 XNUMX 月，汤姆森顺利通过期末考试，开始在卡文迪许实验室工作。

他的第一篇文章发表于 1880 年，专门研究光的电磁理论。次年发表了两篇论文，其中一篇奠定了质量电磁理论的基础。

汤姆森痴迷于实验物理学。痴迷于这个词的最佳意义。汤姆森的科学成就受到卡文迪什实验室主任瑞利的高度评价。 1884 年离开导演一职后，他毫不犹豫地推荐汤姆森为继任者。

从 1884 年到 1919 年，汤姆森指导了卡文迪许实验室。在此期间，它已成为世界物理学的主要中心，国际物理学家学校。在这里，他们开始了他们的科学之旅卢瑟福、玻尔、朗之万和许多其他人，包括俄罗斯科学家。

汤姆森的研究计划很广泛：电流通过气体的问题、金属的电子理论、各种射线性质的研究……

开始研究阴极射线，汤姆森首先决定检查他的前辈们是否已经用电场实现了射线的偏转，是否有足够的谨慎进行实验。他构思了一个重复的实验，为其设计了特殊的设备，亲自监控订单执行的准确性，预期的结果是显而易见的。

在汤姆逊设计的管子中，阴极射线乖乖地被带正电的极板吸引，而明显地被负极板排斥。也就是说，它们的行为与对带负电的快速移动的微小粒子流的行为一样。优秀的结果！他当然可以结束所有关于阴极射线性质的争论。但汤姆森并不认为他的研究是完整的。在定性地确定了射线的性质后，他想对构成它们的微粒给出一个精确的定量定义。

受到第一次成功的启发，他设计了一种新的管子：一个阴极，以环形和板的形式加速电极，可以在其上施加偏转电压。在阴极对面的墙上，他沉积了一层薄薄的物质，能够在入射粒子的影响下发光。原来它是阴极射线管的祖先，在电视和雷达时代，我们非常熟悉。

汤姆森实验的目的是用电场偏转一堆微粒，并用磁场补偿这种偏转。他从实验中得出的结论是惊人的。

首先，事实证明粒子在管中以接近光速的巨大速度飞行。其次，每单位质量的血球所带的电荷非常大。这些是什么类型的粒子：携带巨大电荷的未知原子，还是质量微不足道但电荷较小的微小粒子？

此外，他发现特定电荷与单位质量的比率是一个常数值，与粒子速度、阴极材料或发生放电的气体的性质无关。这种独立性令人震惊。微粒似乎是某种物质的普遍粒子，是原子的组成部分。

“经过长时间的实验讨论，”汤普森在他的回忆录中写道，“结果我无法避免以下结论：

1. 原子不是不可分割的，因为带负电的粒子可以在电力、快速移动粒子的影响、紫外线或热的影响下被拉出。

2. 这些粒子的质量相同，带有相同的负电荷，无论它们来自何种原子，并且是所有原子的组成部分。

3. 这些粒子的质量小于氢原子质量的千分之一。我首先将这些粒子称为微粒，但现在它们被称为“电子”更合适的名称。

汤姆森开始工作。首先，必须确定神秘微粒的参数，然后，或许才能确定它们到底是什么。计算结果表明：毫无疑问，未知粒子只不过是最小的电荷——不可分割的电原子或电子。

29年1897月XNUMX日，在伦敦皇家学会召开两百多年会议的房间里，举行了他的报告。听众们都很高兴。在场的人的喜悦根本不是因为同事 J. J. Thomson 如此令人信服地揭示了阴极射线的真实本质。事情要严重得多。原子，物质的第一个组成部分，不再是基本的圆形颗粒，不可穿透且不可分割，没有任何内部结构的粒子......如果带负电的微粒可以从它们中飞出，那么原子一定是某种复杂的系统，一个由带正电的物质和带负电的微粒（电子）组成的系统。

现在，未来搜索的更进一步、最必要的方向已经变得可见。首先，当然，有必要准确地确定一个电子的电荷和质量。这将有可能澄清所有元素的原子质量，计算分子的质量，并为正确准备反应提供建议。

1903 年，在汤姆森的同一个卡文迪许实验室，G.威尔逊对汤姆森的方法做出了重要的改变。在进行电离空气快速绝热膨胀的容器中，放置电容器板，在它们之间可以产生电场并观察云的下落，无论是在存在场的情况下还是在其下缺席。威尔逊的测量给出了电子电荷的 3,1 乘以 10 到 abs 的负十次方。电子邮件单位

威尔逊的方法被许多研究人员使用，包括圣彼得堡大学 Malikov 和 Alekseev 的学生，他们发现电荷等于 4,5 乘以 10 的 abs 的负十次方。电子邮件单位

这是在 1909 年密立根开始测量单个液滴之前获得的最接近真实值的结果。

因此，电子被发现并被测量——一种普遍的原子粒子，是物理学家发现的第一个所谓的“基本粒子”。

这一发现首先使物理学家有可能提出以一种新的方式研究物质的电学、磁学和光学性质的问题。

作者：萨明 D.K.

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