電子的發現及油滴實驗

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電子的發現及油滴實驗

我們現在都知道，電流是電荷都向一個方向運動時形成的，而在一般的金屬導體中，能夠自由移動的電荷就是自由電子。電子是比原子更小的粒子，甚至於它的發現打破了人們對最小物質結構的認識。下面，我們就簡單地回顧一下這段發現的過程吧！

人們之所以能夠發現電子，這是因為研究陰極射線的緣故。人們研究陰極射線，又是因為對放電現象的研究。19世紀50年代，德國人在一支空氣含量萬分之一的玻璃管兩端裝上兩根白金絲，當在兩電極之間通上了高壓電時，就看到了輝光。這其實是一种放電現象。後來，德國物理學家尤金·戈爾德斯坦把不同的氣體稀釋充入真空管，並且用不同的金屬材料，製作成了各種形狀和大小的電極，但都得到同樣的實驗結果。於是，他認為，這種輝光放電現象與電流本身有關，而且都是從陰極表面發出的，所以就把它命名為「陰極射線」。可是陰極射線到底是什麼呢？然而，要進行進一步的研究卻需要真空度更高的真空管才行。

在1878年，英國人威廉·克魯克斯利用一種水銀真空泵，製造出了氣體含量更少的真空管，被人們稱為「克魯克斯管」。這種真空管的出現，使得人們對陰極射線的研究有了更新的進展。通過對這些新發現的研究，英國物理學家逐漸認識到陰極射線也許是一種帶電粒子流。

1895年，法國科學家佩蘭發現陰極射線能夠使真空管中的金屬物體帶上負電荷，這一發現支持了克魯克斯關於陰極射線是帶電粒子流的理論。而早在1893年，德國物理學家赫茲曾經試圖利用靜電場使陰極射線發生偏轉，但是沒有取得成功。1897年，劍橋大學卡文迪許實驗室的湯姆森重新進行了赫茲的實驗，他發現赫茲失敗的原因是因為真空管的真空度不夠高。於是，他使用了真空度更高的真空管和更強的電場，終於觀察到了陰極射線的偏轉，還計算出了陰極射線粒子（電子）的質量與電荷的比值，因此獲得了1906年的諾貝爾物理學獎。湯姆森採用1891年喬治·斯托尼所起的名字——電子來稱呼這種粒子。湯姆森還認為，它是各種原子的組成部分。就這樣，電子作為人類發現的第一個比原子更小的粒子被發現了，它的發現深化了人們對最小物質結構的認識。不僅如此，它還似乎給人們一種暗示，是不是我們還可以在尋找最小物質的道路上走得更遠一些！

湯姆森是英國物理學家，1856年12月18日出生於英國的曼徹斯特。父親是一個專印大學課本的商人，由於業務的關係，父親結識了一些大學教授。湯姆森從小學習就很認真，14歲便進入了曼徹斯特一所專科學校。在大學學習期間，他刻苦鑽研，學習成績很好。1876年，21歲的湯姆森進劍橋大學三一學院學習，1880年，他以第二名的優異成績取得學位，兩年後又被任命為大學講師。

1884年，28歲的湯姆森擔任了卡文迪許實驗室物理學教授。1897年，湯姆森在研究稀薄氣體放電的實驗中，證明了電子的存在。1905年，他被任命為英國皇家學院的教授；1906年榮獲諾貝爾物理學獎，1916年任皇家學會主席。1940年8月30日，湯姆森逝世於劍橋。終年84歲。

湯姆森證明了電子的存在之後，但電子所帶的電荷量到底是多少，還未確定下來。

湯姆森的學生威爾遜(Charles Thomson Rees Wilson,1869~1959)運用雲室中的空氣電離的方法，以求出電子所帶的電荷量。威爾遜進行了11組測量，但是由於實驗的方法尚有缺陷，所得到的結果並不理想。

1907年秋，美國物理學家密立根和他的學生一起重複了威爾遜的實驗。為了使雲霧能夠懸浮在空中不下落，他們使用了10000伏的蓄電池組，電流所形成的電場，使雲霧立即發散開來，只留下了少數幾個孤立的水滴。他們很快發現這些單個的水滴更適合測量，恰好使向下的重力與作用在電荷上的電場力相平衡，於是形成了「平衡液滴法」，這是一個很重要的進步。電場突然撤去後，有些水滴緩慢下降，他由下降速度得出水滴的電量。密立根發現，所有測量值都是某一電量的整數倍。由於水的蒸發經常使水滴的質量發生變化，所以，密立根改用過酒精和一種特殊處理過的機油，但問題始終未能解決。

1909年8月，他在英國參加一個會議後，在返回芝加哥的途中，望著車窗外的原野，他突然自言自語地說：「用這種粗糙的方式消除水滴的蒸發是多麼愚蠢！人們為了獲得極難蒸發的潤滑油以改善鐘錶油已經付出了整整三百年的時間！」為此，他改用了鐘錶油噴霧法，用望遠鏡觀察油滴下落速度。他將兩個直徑約22厘米的圓形黃銅片，使之保持16毫米的間距，通過噴出的油滴落到兩板之間。當加上和去掉電場時，他可以連續幾小時測量油滴的速度變化。

1912年，密立根收集到了大量數據；1913年，他發表了電子的電量值約為1.591×10-10庫侖。密立根認識到，電子本身既不是一個假想的，也不是不確定的，而是一個「我們這一代人第一次看到的事實」。他在諾貝爾獎獲獎講演中強調了他的工作的兩條基本結論，即「電子電荷總是基本電荷的確定的整數倍而不是分數倍」和「這一實驗的觀察者幾乎可以認為是看到了電子」。

審核：范鴻飛

編輯：劉長付

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