历史上电子是怎么被发现的？

2024-06-15 10:26:24

　　万博体育官网最早电子说的是金属中的载流子。因为霍尔效应明确指出金属中带电的粒子是负电的。根据法拉第电解定律，对于特定反应，消耗反应物与通电量成正比，比值是电化学当量。物理学家韦伯根据物质是由原子构成的，具有分立结构，所以——这种粒子被开尔文称为电子。法拉第早半个世纪就预言了元电荷的存在。只要知道原子量和电化学当量，就可以测出化学反应的离子电量，给不同反应的离子电量做比较，就会发现差值是某个值的整数倍（电量是氢离子电量的整数倍），这个值就是元电荷，也就是电子电量e。（能够定向移动，同时也说明电子束缚的程度不大，这一来光电效应最容易被打出来也就应该是这个束缚不紧的电子了，摩擦最容易转移的也是电子）

　　1897年，汤姆生的研究生汤生曾经通过电解法直接测量生成的氧气的电量（其实伏打很早就发现了生成氧气会带电），汤森通过汤姆逊象限静电计测量一个雾滴的电量，为e=2.8×10^-10esu（静电单位）。

　　后来汤姆生通过对阴极射线的研究，测出了阴极射线的比荷(J.J. Thomson, Phil. Mag. Oct. 1897)，发现与光电效应光电荷的比荷（汤姆逊1899年的实验）一致，并且与塞曼效应测出的原子内简谐运动电荷的比荷也一样。这进一步说明说明，原子内辐射光的电荷跟光电效应的打出电荷，以及阴极射线的电荷是一回事。

　　塞曼先假设原子在不受外力的情况下的固有频率是\omega_{0}，给出振动的电粒子受到洛伦兹力情况下的振动方程：

　　1896年，塞曼首先在阿姆斯特丹科学院报告了在强磁场作用下谱线的效应和比荷的估算值。1897年，塞曼又对更强的磁场对镉的草绿色谱线进行观测，因为比钠的D线更窄，同样观察到了谱线的现象，并更准确计算了比荷的值，所得结果为1.6×10^7.

　　塞曼效应的发现证实了拉莫(Larmor)早先的理论预言，并且纠正了拉莫关于电粒子质量与氢原子质量同数量级的错误猜测。因为如果电粒子的荷质比很小，则光谱线在磁场影响下的变宽()，那就表明原子内做轨道运动的电粒子的电粒子的质量一定不太大(与氢原子相比)。1897年，拉莫向皇家学会提出了一篇简短的报告，宣称他早先提出的原子做轨道运动的电粒子所组成的假设已经被塞曼效应所证实，而且得出电粒子的质量与氢原子小得多的结论。

　　一般地讨论了磁场中带电粒子的轨道运动，发现了著名的拉莫定理，并证明了拉莫进动的角速度刚好等于塞曼效应中的频率改变(频移)，为塞曼效应提供了理论解释。

　　汤姆逊把电子和荷质比和通过电解定律测到的氢离子的荷质比进行比较（跟汤森刚才测量氧气电量的实验方法是两码事），发现电子的比荷远大于氢离子的比荷。汤姆逊认为要么是电子的电量太大，要么是电子的质量太小。汤姆逊选择了后者，他基于以下几点原因：1. 赫兹的学生勒纳德的实验发现阴极射线可以穿越铝箔，这是分子和原子所不能做到的，但是汤姆逊又坚持粒子论，所以电子一定是远远比原子和分子小的粒子；2.汤姆逊研究了阴极射线粒子的自由程，发现与粒子在空气中行进的距离差不多，但是电子的自由程远大于分子、原子的自由程，所以进一步说明电子比分子、原子小得多；3.根据洛伦茨在1897年在哲学会报上介绍的塞曼效应实验，电子既然是原子内部谐振的粒子，那就证明电子是亚原子粒子。

　　但是还需要进一步更直接的证明。在此提一个人，这个人是汤森John Sealy Townsend，是汤姆逊的学生，这个人曾经对气体导电进行深入的研究，在此期间发明了液滴法（根据斯托克斯定理）测量电量的方法(Townsend discharge circa 1897)，影响了后来的密立根。

　　另外在下面的实验里需要测量离子的速度，卢瑟福曾使用气体的伏安特性曲线的饱和电流法测量离子速度[1]；汤姆生的学生John Zeleny在1900年使用流动离子气体的湍流，配合雷诺定理，和卢瑟福关于粘滞系数和电场强度的实验结论，配合气量计、气压计、汤姆逊象限静电计来测量离子的速度。[1]

　　1894年，C.T.R.Wilson为了研究云雾中的光学现象而建立了威尔逊云室。这源于，他曾发现潮湿而无尘的空气膨胀的时候会出现凝结核，他认为这可能是大气中的水蒸气在导电粒子周围凝结的原因。

　　1897年，威尔逊在卡文迪许实验室进行实验，他发现负离子比正离子更容易形成结核，如果控制云雾膨胀的程度，可以形成只有负离子结核的云雾。

　　后来在威尔逊云室，C.T.R. Wilson通过X射线光电效应测出结核带电量(Phil. Trans. 1899)，不过汤姆逊建议采用紫外线，并且采用弱强度，因为电场也会影响粘度和表面张力，最终影响离子的速度——根据卢瑟福的结果，在一定气压下，粘度和电场强度是成正比的（(Proc. Camb. Phil. Soc. ix. p.401)），如果光照强度太大，电场太强，粘度太大，离子在电场中的运动速率太慢——等效电流太小。在这里，紫外线是通过感应线圈的电弧产生的。带电结核在重力作用下下落，从而让带电结核运动产生等效电流，把实验装置连接汤姆逊象限静电计（一个象限电极接收电荷，另一对象限电极接地，这个汤姆逊指的不是J.J.Thomson，而是William Thomson，也就是开尔文），通过静电计偏转角的变化来测量等效电流，知道离子下落的速度（这个问题已由卢瑟福解决，可以通过流体力学、连续性方程、气体的导电实验结果、统计物理学来推导速率和个数的关系）和单位体积内离子结核数量，就可以计算出单个离子的电量。

　　个数测量归根结底需要测量自由程和热运动速率。但是电场会影响粘滞阻力系数，所以需要在减去电场对粘滞阻力系数的影响后，才能换算自由程；电荷运动会产生动理压强，只有减去动理压强，才能换算正确的热运动速率。

　　威尔逊发现，无论是空气、二氧化碳、氧气、氢气离子的电量都等于氢离子电量e：这说明离子电量相等，因为电解实验从未发现电量比氢离子小的离子，总是氢离子电量的整数倍(根据汤姆逊和汤森John Sealy Townsend的研究报告：Phil. Mag. Dec. 1898，On the Diffusion of Ions, Phil. Trans. 1899)。汤森发现同X射线所产生的阳离子的电量为单价离子电量的1倍或2倍，阴离子电量等于单价离子电量[3];用磷矿石(vaseline)吸收二次X射线后发现，阳离子的电量为单价离子电量的2倍，阴离子电量等于单价离子电量。根据以上的统一关系，这也就说明光电射线、阴极射线和导致原子内发光的电荷跟金属内导电的电子是一种物质。

　　汤姆生受到威尔逊的启发，认为，只要调整威尔逊云室的膨胀程度进行调节，就可以产生只有电子所产生的凝结核。

　　汤姆生依据欧姆定律的微分形式：j=ne(u+v)E，u+v是离子对之间的相对速度，汤姆生采用卢瑟福的方法来测量速度。

　　1903年，汤姆生用镭放射线代替X射线作电离剂，用氢气、一氧化碳等气体多次做了这个实验，得出e=3.4×10^-10esu.

　　可以推断出与发光机制有关的氢原子中正电荷的电量几乎就等于氢离子的电量。测量电子电量汤姆逊还采用了X射线散射法和β射线吸收法。

　　随后的密立根油滴实验，进一步测量了电荷的单元，即电子电量e。因为油滴带电是摩擦或光照的原因，也明确了摩擦或光照是电子的转移。知道了元电荷，又知道比荷，就可以测量电子质量，密立根的实验最终表明电子质量远小于氢原子质量，所以电子是比原子更小的亚原子结构。

　　在这里我再说句题外话：通过以上研究离子电量的方法还可以发现，在铀原子射线、伦琴射线、紫外线、火焰、电弧的照射下，高压气体产生离子的质量是原子质量的好几倍，并且远大于低气压下离子的质量。（这也是作为后来质谱仪制备原子碎片的实验基础）并且，以上确定气体离子电荷的办法也是汤森气体导电实验的基础，因为只有在离子电量确定的情况下，我们才能从观察到的电流指数增加，推断是离子数目的增加。

　　1888年，Wien研究电离气体束流时，确认带正电的粒子质量等于氢原子质量，这个工作奠定了质谱仪的基础。

　　Wiley Wien一开始研究阳极射线并没有发现电场和磁场能让“positive light”偏转，所以起初他们以外阳极射线是一种电磁波。关于阳极射线的研究可以参考下面这篇文章