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1、5.2 X射线和 电子的发现X射线、放射性和电子是世纪之交的三大发现。由于电子的发现直接与阴极射线的研究有关，我们先讲这件事。放射性的发现打开了核物理学的大门，因此留到第十一章再讲。5.2.1 电子的发现阴极射线是低压气体放电过程出现的一种奇特现象。早在1858年就由德国物理学家普吕克尔（Julius P1cker，18011868）在观察放电管中的放电现象时发现。当时他看到正对阴极的管壁发出绿色的荧光。1876年，另一位德国物理学家哥尔茨坦（Egen Goldstein，18501930）认为这是从阴极发出的某种射线，并命名为阴极射线。他根据这一射线会引起化学作用的性质，判断它是类似于紫外线
2、的以太波。这一观点后来得到了赫兹等人的支持。赫兹在1887年曾发现电磁波，就把阴极射线看成是电磁辐射，实际上和哥尔茨坦的主张是一样的。这样就形成了以太说。赞成以太说的大多是德国人。1871年，英国物理学家瓦尔利（C.F.Varley，18281883）从阴极射线在磁场中受到偏转的事实，提出这一射线是由带负电的物质微粒组成的设想。他的主张得到本国人克鲁克斯（WilliamCrookes，18321919）和舒斯特的赞同。于是在19世纪的后30年，形成了两种对立的观点：德国学派主张以太说，英国学派主张带电微粒说。双方争持不下，谁也说服不了谁。为了找到有利于自己观点的证据，双方都做了许多实验。克鲁克
3、斯证实阴极射线不但能传递能量，还能传递动量。他认为阴极射线是由于残余气体分子撞到阴极，因而带上了负电，又在电场中运动形成“分子流”。以太论者不同意这一说法，用实验加以驳斥。哥尔茨坦做了一个很精确的光谱实验。他用一根特制的L形放电管，电极A、B可以互换，轮流充当阴极，用光谱仪观测谱线，如图51。如果阴极射线是分子流，它发出的光应产生多普勒效应，即光的频率应与分子流速度方向有关。可是，不管是那一端发出阴极射线，谱线的波长都没有改变。这就证明了分子流之说站不住脚。以太论者认为这是对以太说的一个支持。舒斯特则将带电微粒解释成气体分子自然分解出来的碎片，带正电的部分被阴极俘获，电极间只留下带负电的部分，
4、因而形成阴极射线。1890年，他根据磁偏转的半径和电极间的电位差估算带电微粒的荷质比，得到的结果在5106库仑/千克至正11010库仑/千克之间，与电解所得的氢离子的荷质比108库仑/千克相比，数量级相近。赫兹和他的学生勒纳德（Philipp Lenard，18621947）也做了许多实验来证明自己的以太理论。赫兹做的真空管中电流分布的实验，“证明”阴极射线的走向与真空管中电流的分布无关。他还在阴极射线管中加垂直于阴极射线的电场，却没有看到阴极射线受到任何偏转。这两个实验不成功的原因是因为当时不了解低压状态下气体导电机制的复杂性。遗憾的是，赫兹以此作为阴极射线不带电的证据，更加坚持以太说。赫兹
5、做的另一实验则是成功的。1891年，他注意到阴极射线可以象光透过透明物质那样地透过某些金属薄片。1894年，勒纳德发表了更精细的结果。他在阴极射线管的末端嵌上厚仅0.000265厘米的薄铝箔作为窗口，如图52，发现从铝窗口会逸出射线。在空气中穿越约1厘米的行程。他们认为这又是以太说的有力证据，因为只有波才能穿越实物。微粒说者也在积极寻找证据。1895年法国物理学家佩兰 （Jean Baptiste Perrin，18701942）将圆桶电极安装在阴极射线管中，用静电计测圆桶接收到的电荷。结果确是负电。他支持带电微粒说，发表论文表示了自己的观点。但是他的实验无法作出判决性的结论。因为反对者会反驳
6、说：佩兰测到的不一定就是阴极射线所带的电荷。对阴极射线的本性作出正确答案的是英国剑桥大学卡文迪什实验室教授J.J.汤姆生（Joseph John Thomson，18561940）。他从1890年起，就带领自己的学生研究阴极射线。克鲁克斯和舒斯特的思想对他很有影响。他认为带电微粒说更符合实际，决心用实验进行周密考察，找出确凿证据。为此，他进行了以下几方面的实验：1.直接测阴极射线携带的电荷。J.J.汤姆生将佩兰实验作了一些改进。他把联到静电计的电荷接受器（法拉第圆桶）安装在真空管的一侧，如图54。平时没有电荷进入接收器。用磁场使射线偏折，当磁场达到某一值时，接收器接收到的电荷猛增，说明电荷确是
7、来自阴极射线。2.使阴极射线受静电偏转。J.J.汤姆生重复了赫兹的静电场偏转实验，起初也得不到任何偏转。后来经仔细观察，注意到在刚加上电压的瞬间，射束轻微地摆动了一下。他马上领悟到，这是由于残余气体分子在电场的作用下发生了电离，正负离子把电极上的电压抵消掉了。显然这是由于真空度不够高的原因。于是，他在实验室技师的协助下努力改善真空条件，并且减小极间电压，终于获得了稳定的静电偏转。这样，J.J.汤姆生就获得了驳斥以太说的重要证据。3.用不同方法测阴极射线的荷质比。一种方法是在图55的管子两侧各加一通电线圈，以产生垂直于电场方向的磁场。然后根据电场和磁场分别造成的偏转，计算出阴极射线的荷质比e/m
8、与微粒运动的速度。另一种方法是测量阳极的温升，因为阴极射线撞击到阳极，会引起阳极的温度升高。J.J.汤姆生把热电偶接到阳极，测量它的温度变化。根据温升和阳极的热容量可以计算粒子的动能，再从阴极射线在磁场中偏转的曲率半径，推算出阴极射线的荷质比与速度。两种不同的方法得到的结果相近，荷质比都是e/m1011库仑/千克。4.证明电子存在的普遍性。J.J.汤姆生还用不同的阴极和不同的气体做实验，结果荷质比也都是同一数量级，证明各种条件下得到的都是同样的带电粒子流，与电极材料无关，与气体成分也无关。1897年4月30日，J.J.汤姆生向英国皇家研究所报告了自己的工作，随即又以论阴极射线为题发表论文，其中
9、写道：“阴极射线的载荷子比起电解的氢离子，m/e值小得多。m/e小的原因可能是m小，也可能是e大，或两者兼而有之。我想，阴极射线的载荷子要比普通分子小。这可从勒纳德的结果看出。”这里指的就是勒纳德的薄窗实验，只有把阴极射线的载荷子看成比普通分子小得多，才能解释阴极射线透过薄铝片的事实。接着，J.J.汤姆生和他的学生们用几种方法直接测到了阴极射线载荷子所带的电量，证明的确跟氢离子的带电量相同。1899年，J.J.汤姆生采用斯坦尼（G.T.Stoney，18261911）的“电子”一词来表示他的“载荷子”。“电子”原是斯坦尼在1891年用于表示电的自然单位的。就这样电子被发现了。但是J.J.汤姆生
10、并不到此止步，他进一步又研究了许多新发现的现象，以证明电子存在的普遍性。光电效应是1887年赫兹发现的，但时隔十几年，光电流的本质仍未搞清。1899年，J.J.汤姆生用磁场偏转法测光电流的荷质比。得到的结果与阴极射线相近，证明光电流也是由电子组成的，详见7.3。热电发射效应是1884年爱迪生（Thomas Edison，18471931）发现的，所以也称爱迪生效应。爱迪生当时正在研究白炽灯泡，发现灯泡里的白炽碳丝加热后有负电逸出（如图56）。1899年，J.J.汤姆生同样用磁场截止法测其荷质比，证明这一负电荷也是电子。射线是卢瑟福（ErnestRutherford，18711937）在1898
11、年发现的（详见第十一章），不久，贝克勒尔（HenriBecquerel，18521908）用磁场和电场偏转法测得射线的荷质比和速度，证明射线是高速电子流。J.J.汤姆生掌握了大量的实验事实，果断地作出判断：不论是阴极射线、射线还是光电流，都是电子组成的；不论是由于强电场的电离、正离子的轰击、紫外光的照射、金属受灼热还是放射性物质的自发辐射，都发射出同样的带电粒子电子。这种带电粒子比原子小千倍，可见，电子是原子的组成部分，是物质的更基本的单元。这是一个非常重要的结论。原子不可分的传统观念彻底破灭了。5.2.2 X射线的发现十九世纪末，阴极射线研究是物理学的热门课题。许多物理实验室都致力于这个方面
12、。在德国的维尔茨堡大学，伦琴（WilhelmKonrad Rntgen，18451923）教授也对这个问题感兴趣。他是一位治学严谨、造诣很深的实验物理学家。1895年11月8日，他又到实验室工作，一个偶然事件吸引了他的注意。当时，房间一片漆黑，放电管用黑纸包严。他突然发现在不超过一米远的小桌上有一块亚铂氰化钡做成的荧光屏发出闪光。他很奇怪，就移远荧光屏继续试验。只见荧光屏的闪光，仍随放电过程的节拍断续出现。他取来各种不同的物品，包括书本、木板、铝片等等，放在放电管和荧光屏之间，发现不同的物品效果很不一样。有的挡不住，有的起阻档作用。显然从放电管发出了一种穿透力很强的射线。为了确证这一新射线的存
13、在，并且尽可能了解它的特性，伦琴用了6个星期深入地研究这一现象。1895年底，他以通信方式将这一发现公之于众。由于这一射线有强大的穿透力，能够透过人体显示骨骼和薄金属中的缺陷，在医疗上和金属检测上有重大的应用价值，因此引起了人们的极大兴趣。一个月内许多国家都竞相开展类似的试验并广泛用之于医疗诊断。一股热潮席卷欧美，盛况空前。伦琴在他的论文中把这一新射线称为X射线，因为他当时确实无法确定这一新射线的本质。直到1912年，他的同胞劳厄（Maxvon Laue，18791960）才从晶体衍射的新发现判定X射线是频率极高的电磁波。随后，莫塞莱（H.G.J.Moseley）证实它是由于原子中内层电子跃迁
14、所发出的辐射。X射线在人们研究阴极射线的过程中被发现是有其必然性的。因为正是高速电子打到靶子上，才有可能激发出这种高频辐射。所以，即使不是伦琴，也一定还会有别人可能作出这一发现。然而，伦琴之所以能抓住这一机遇，又是和他一贯的严谨作风、客观的科学态度分不开的。所以，他作出这一发现也有其必然性。我们来介绍几则事例，可由此看出伦琴比他人高明的地方。1880年，那位主张以太说的哥尔茨坦在研究阴极射线时就注意到阴极射线管壁上会发出一种特殊的辐射，使管内的荧光屏发光。当时他正在为阴极射线是以太的波动这个错误论点辩护。他认为这个现象正好说明了他的观点，没有想到要进一步追查根源，于是就错过了发现X射线的机会。
15、1895年以前许多人都知道照相底片不要存放在阴极射线装置旁边，否则有可能变黑。例如，英国牛津有一位物理学家叫斯密士（F.Smith），他发现保存在盒中的底片变黑了，这个盒子就搁在克鲁克斯型放电管附近，他只叫助手以后把底片放到别处保存，没有认真追究原因。1887年，早于伦琴发现X射线8年，克鲁克斯也曾发现过类似现象。他把变黑的底片退还厂家，认为是底片质量有问题。1890年2月22日，美国宾夕法尼亚大学的古茨彼德（A.W.Goodspeed）也有过同样的遭遇，甚至还拍摄到了物体的X光照片，但他没有介意，随手把底片扔到废片堆里，被他遗忘了。6年后，得知伦琴宣布发现X射线，古茨彼德才想起这件事，重新加
16、以研究。1894年，J.J.汤姆生在测阴极射线的速度时，也作了观察到X射线的记录。他当时没有功夫专门研究这一现象，只在论文中提了一笔，说看到了放电管几英尺远处的玻璃管上也发出荧光。勒纳德是研究阴极射线的权威学者之一。他在研究不同物质对阴极射线的吸收时，肯定也遇到了X射线。他后来在1906年获诺贝尔物理奖的演说词中说：“我曾做过好几次观测。当时解释不了，准备留待以后研究。不幸没有及时开始。”不过，即使勒纳德及时研究，也难于作出正确结论，因为直到伦琴宣布X射线的发现以后，他还坚持认为X射线不过是速度无限大的一种阴极射线，把两者混淆在一起。而伦琴则明确加以区分，认为X射线是本质上与阴极射线不同的一种
17、新射线。把发现X射线的荣誉归于伦琴，并授予诺贝尔首届物理奖，伦琴是当之无愧的。5.2.3 “电磁质量”的发现在研究阴极射线并测量其荷质比时，人们遇到了一个奇特现象，电子的质量会随速度的增加而增加，这一事实为爱因斯坦狭义相对论提供了重要依据。不过，中间也有不少曲折。1878年罗兰用实验演示了运动电荷产生磁场的事实，促使人们开始研究运动带电体的问题。1881年，J.J.汤姆生首先提出，既然带电体运动要比不带电体需要外界作更多的功，带电体的动能就要比不带电体大，换言之，带电体应具有更大的质量。后来，人们用“电磁质量”来代表这一部分增加的质量。J.J.汤姆生用麦克斯韦电磁理论计算半径为a的导体球，设其
18、所带电荷为e，运动速度为v，则电磁质量为：其中为磁导率。1889年，亥维赛（Oliver Heaviside）改进了汤姆生的计算，并推导出当运动带电体的速度接近光速c时，物体能量可达无穷大，条件是电荷集中在带电球体的赤道线上。1897年，舍耳（Searle）假设电子相当于一无限薄的带电球壳，计算其电磁质量为：其中v/c这时，电子已经发现，电子已被认为是物质的最小组成部分。人们开始注意在实验中研究电磁质量问题。1901年考夫曼（Walther Kaufmann， 18711947）用射线做实验，证实电子的质荷比确随速度的增大而增大。第一次观测到了电磁质量。1903年，阿伯拉罕（M.Abraham
19、）用经典电磁理论系统地研究了电磁质量问题，导出了电磁质量随速度变化的关系：式中m0为电子的静止质量。1904年，洛仑兹把收缩假设（见下节）用于电子，推出如下关系：这个关系也可以从爱因斯坦的狭义相对论推导出来，所以叫洛仑兹-爱因斯坦公式。然而，考夫曼的进一步实验却倾向于经典理论，他宣称：“量度结果与洛仑兹-爱因斯坦的基本假设不相容。”对此，爱因斯坦在1907年写道：“阿伯拉罕的电子运动理论所给出的曲线显然比相对论得出的曲线更符合于观测结果。但是，在我看来，那些理论在颇大程度上是由于偶然碰巧与实验结果相符。因为它们关于运动电子质量的基本假设不是从总结了大量现象的理论体系得出来的。”果然，不久后，好几个地方做了新的实验，证明爱因斯坦的结果符合实际。就这样，从经典物理学提出的电磁质量问题，反而成了相对论的重要证据。 J.J.Thomson，Phil.Mag.（5）44，1897，p.293. 转引自O.Glasser，Wilhelm Conrad Rontgen and the Early History of the Ront-gen Rays，Bale，1933，p.224. 范岱年等编译，爱因斯坦文集，第二卷，商务印书馆，1979年，第181页第 12 页