2020年2月21日 星期五

約瑟夫·湯姆森是如何發現電子的?打開粒子物理學大門 量子力學(7)



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約瑟夫·湯姆森 爵士,OMFRS(英語:Sir Joseph John Thomson,1856年12月18日-1940年8月30日,簡稱J.J.Thomson)出生於英格蘭的曼徹斯特附近,蘇格蘭人家庭。1870年,他在年14歲得時候,就被錄取在曼徹斯特的歐文學院
事實上JJ Thomson關注這個關於陰極射線本質的討論已經有些時間了。在歐文學院學習時,受到老師奧斯本雷諾茲的悉心指導,並在那裡養成了獨立思考的習慣。後來他進入劍橋大學三一學院學習攻讀研究生課程。1884年他被聘為劍橋大學卡文迪許實驗室物理學教授,他當教授時只有28歲,大家回想一下自己28歲的時候在幹嘛,可以在下面留言給我,我28歲的時候才開始比較認真學習一點。


可是當JJ Thomson決定研究陰極射線時,才發現要在這方面有所建樹很不容易。一方面人們當時對電學、磁學的認識不足,可供參考的資料和實驗記錄不多;另一方面,當時科學界一致認為,物體是由原子構成的,原子就像一個小得不能再小的玻璃實心球,無法再分割。也就是道爾頓學說,約翰·道耳頓(英語:John Dalton/ˈdɔːltən/,1766年9月6日-1844年7月27日,又譯道耳吞)英國著名科學家,他認為物質是由原子所構成,這些原子不可再分割。道爾頓的原子學說對化學學科的發展起了十分重要的作用。另外還有著名的“道爾頓分壓定律”等等

道耳頓患有罕見的色盲症。他能看見藍色但「橘色、黃色和綠色看起來很像,從非常黃色到少見的黃色,我應該稱為不同色調的黃色。」
道耳頓是系統性研究色盲的先驅之一。他的兄弟也有色盲,道耳頓正確判斷這是遺傳所致。
道爾頓的原子學JJ Thomson陷入沉思中。
很顯然陰極射線不是分子,也不是原子,它好像是生在原子內部或依附原子外面。它沒產生磁力,似乎也不是電磁波。

從此,這位踏上工作崗位兩年不到的JJ Thomson,沉醉於陰極射線的研究中。找資料、做實驗、寫報告;再找資料、做實驗、寫報告……和所有科學家一樣,在科學攀登的路上,日復一日,年復一年,不知疲倦!

轉眼到了18979月上旬,年過40JJ Thomson在劍橋大學東邊的同一棟小樓的同一個實驗室裡,正緊張是做著一個他認為是此生最重要的實驗。
之所以說最重要,是因為在四個月前,他在皇家學會的演講中介紹了自己10多年來研究和試驗的結果:在氣體中的電荷載體,一定比普通的原子和分子要小。當同行們問他,這種載體到底比原子小多少,到底帶不帶電,有何實驗報告時,問的他啞口無言。最後他當眾表態,在半年內做出一個實驗,解答他們提出的問題。

會後JJ Thomson以繼地開始實驗。經過反覆思考,他決定還是從海因里希·赫茲那個實驗下手。於是他同樣將一塊塗有硫化鋅的小玻璃片放在陰極射線所經過的路徑上,也發現硫化鋅閃光。接著通過實驗,他發現在一般情況下,陰極射線是直線行進的,但在射擊線管的外面加上電場後,或用蹄形磁鐵跨放在射線管的外面,陰極射線將發生了偏折。根據其偏折的方向,不難判斷出其帶電的性質。


既然這些射線是由帶負電的物質粒子構成,那這些粒子到底是什麼呢?怎麼才能測出它比原子小多少呢?想到這裡他決定做更精細的實驗:首先單獨的電場或磁場都能使帶電體偏轉,而磁場對粒子施加的力是與粒子的速度相關,然後他對粒子同時施加一個電場和磁場,並調節到電場和磁場所造成的粒子的偏轉互相抵消,讓粒子仍作直線運動。這樣從電場和磁場的強度比值就能算出粒子運動速度;速度找到後,靠磁偏轉或者電偏轉就可以測出粒子的電荷與質量的比值。經過多次實驗,JJ Thomson終於測出粒子電荷與質量的比值,並推測出這種粒子的質量是氫原子的質量的二千分之一。
Thomson 大膽聲稱此粒子存在於各種物質,又預測它的質量小於質子的千分之一(事後量得質量比是 1836.15 倍),再加上電荷質量比 m / | q | ,一起被稱為是 "電子的發現"


同年9月下旬,JJ Thomson再次站在皇家學會的講台上,向同行們詳細介紹了自己的實驗,並宣讀了題為《陰極射線》的實驗報告。後來大量的物理學成果反复證明,JJ Thomson關於比原子小的粒子的假說是完全正確的。幾年後根據著名物理學家斯托尼的提議,科學家們將JJ Thomson發現的粒子稱為電子。
在發現原子中還存在着電子這種更小的微粒以後,JJ Thomson1898年提出了原子的「葡萄乾麵包」模型,或者稱為西瓜模型。
JJ Thomson為,原子中帶正電部分均勻分佈在實心的原子體內,帶負電荷的電子就像瓜子一樣鑲嵌在其中。

JJ Thomson因為發現電子,獲得1906年諾貝爾物理獎

下一集講最得意的學生盧瑟福歐尼斯特·拉塞福 英語:Ernest Rutherford, 1st Baron Rutherford of Nelson,1871年8月30日-1937年10月19日)

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