2023學(xué)年完整公開(kāi)課版文檔：湯姆生

湯姆生約瑟夫·約翰·湯拇遜(Thomson，JosephJohn。1856——1940)，著名的英國(guó)物理學(xué)家，以其對(duì)電子和同位素的實(shí)驗(yàn)著稱。他是第三任卡文迪許實(shí)險(xiǎn)室主任。一幅他正在研究陰極射線管的肖像掛在實(shí)驗(yàn)室的麥克斯韋講演廳里。看上去，他不善于具體操作，但對(duì)儀器工作原理的理解卻是非常敏捷的。他發(fā)現(xiàn)了電子，并且獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1．生平簡(jiǎn)介約瑟夫·約翰·湯姆遜，英國(guó)物理學(xué)家，電子的發(fā)現(xiàn)者。世界著名的卡文迪許第三任實(shí)驗(yàn)室主任。1856年12月18日生于英國(guó)曼徹斯特，父親是一個(gè)專印大學(xué)課本的商人，由于職業(yè)的關(guān)系，他父親結(jié)識(shí)了曼徹斯特大學(xué)的一些教授。湯姆遜從小就受到學(xué)者的影響，學(xué)習(xí)很認(rèn)真，十四歲便進(jìn)入了曼徹斯特大學(xué)。在大學(xué)學(xué)習(xí)期間，他受到了司徒華教授的精心指導(dǎo)，加上他自已的刻苦鉆研，學(xué)業(yè)提高很快。1876年，即二十一歲時(shí)，他被保送進(jìn)了劍橋大學(xué)三一學(xué)院深造，1880年他參加了劍橋大學(xué)的學(xué)位考試，以第二名的優(yōu)異成績(jī)?nèi)〉脤W(xué)位，隨后被選為三一學(xué)院學(xué)員，兩年后又被任命為大學(xué)講師。他在數(shù)物理學(xué)方面具有很高修養(yǎng)。發(fā)表了《論渦旋環(huán)的運(yùn)動(dòng)》和《論動(dòng)力學(xué)在物理學(xué)和化學(xué)中的應(yīng)用》論文。1884年，28歲的湯姆遜在瑞利的推薦下，擔(dān)任了卡文迪許實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)教授。1897年湯姆生在研究稀薄氣體放電的實(shí)驗(yàn)中，證明了電子的存在，測(cè)定了電子的荷質(zhì)比，轟動(dòng)了整個(gè)物理學(xué)界。1905年，他被任命為英國(guó)皇家學(xué)院的教授；1906年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1916年任皇家學(xué)會(huì)主席;1919年被選為科學(xué)院外籍委員會(huì)首腦。湯姆遜在擔(dān)任卡文迪許實(shí)驗(yàn)物理教授及實(shí)驗(yàn)室主任的34年，桃李滿天下。1940年8月30日，湯姆遜逝世于劍橋。終年84歲。1858年，德國(guó)的蓋斯勒制成了低壓氣體放電管。1859年，德國(guó)的普呂克爾利用蓋斯勒管進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)時(shí)看到了正對(duì)著陰極的玻璃管壁上產(chǎn)生出綠色的輝光。1876年，德國(guó)的戈?duì)柶澨固岢觯ＡП谏系妮x光是由陰極產(chǎn)生的某種射線所引起的，他把這種射線命名為陰極射線。陰極射線是由什么組成的？十九世紀(jì)末時(shí)，有的科學(xué)家說(shuō)它是電磁波；有的科學(xué)家說(shuō)它是由帶電的原子所組成；有的則說(shuō)是由帶陰電的微粒組成，眾說(shuō)紛紜，一時(shí)得不出公認(rèn)的結(jié)論。英法的科學(xué)家和德國(guó)的科學(xué)家們對(duì)于陰極射線本質(zhì)的爭(zhēng)論，竟延續(xù)了二十多年。最后到1897年，湯姆遜的出色實(shí)驗(yàn)結(jié)果面前，真相才得以大白。湯姆遜的實(shí)驗(yàn)過(guò)程是這樣的，他將一塊涂有硫化鋅的小玻璃片，放在陰極射線所經(jīng)過(guò)的路途上，看到硫化鋅會(huì)發(fā)閃光。這說(shuō)明硫化鋅能顯示出陰極射線的“徑跡”。他發(fā)現(xiàn)在一般情況下，陰極射線是直線行進(jìn)的，但當(dāng)在射擊線管的外面加上電場(chǎng)，或用一塊蹄形磁鐵跨放在射線管的外面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)陰極射線一都發(fā)生了偏折。根據(jù)其偏折的方向，不難判斷出帶電的性質(zhì)。曼徹斯特大學(xué)湯姆遜在1897年得出結(jié)論：這些“射線”不是以太波，而是帶負(fù)電的物質(zhì)粒子。但他反問(wèn)自已：“這些粒子是什么呢？它們是原子還是分子，還是處在更細(xì)的平衡狀態(tài)中的物質(zhì)？“這需要作更精細(xì)的實(shí)驗(yàn).當(dāng)時(shí)還不知道比原子更小的東西，因此湯姆遜假定這是一種被電離的原子，即帶負(fù)電的“離子”。他要測(cè)量出這種“離子”的質(zhì)量來(lái)，為此，他設(shè)計(jì)了一系列即簡(jiǎn)單又巧妙的實(shí)驗(yàn)：首先，單獨(dú)的電場(chǎng)或磁場(chǎng)都能使帶電體偏轉(zhuǎn)，而磁場(chǎng)對(duì)粒子施加的力是與粒子的速度有關(guān)的。湯姆遜對(duì)粒子同時(shí)施加一個(gè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)，并調(diào)節(jié)到電場(chǎng)和磁場(chǎng)所造成的粒子的偏轉(zhuǎn)互相抵消，讓粒子仍作直線運(yùn)動(dòng)。這樣，從電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度比值就能算出粒子運(yùn)動(dòng)速度。而速度一旦找到后，單靠磁偏轉(zhuǎn)或者電偏轉(zhuǎn)就可以測(cè)出粒子的電荷與質(zhì)量的比值。湯姆遜用這種方法來(lái)測(cè)定“微粒”電荷與質(zhì)量之比值.他發(fā)現(xiàn)這個(gè)比值和氣體的性質(zhì)無(wú)關(guān)，并且該值比起電解質(zhì)中氫離子的比值（這是當(dāng)時(shí)已知的最大量）還要大得多.這說(shuō)明這種粒子的質(zhì)量比氫原子的質(zhì)量要小得多。前者大約是后者的二千分之一。后來(lái)，美國(guó)的物理學(xué)家羅伯特·密立根在1913年到1917年的油滴實(shí)驗(yàn)中，精確地測(cè)出了新的結(jié)果，前者是后者的1836分之一。湯姆遜測(cè)得的結(jié)果肯定地證實(shí)了陰極射線是由電子組成的，人類首次用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了一種“基本粒子”----電子的存在。“電子”這一名稱是由物理學(xué)家斯通尼在1891年采用的，原意是定出的一個(gè)電的基本單位的名稱，后來(lái)這一詞被應(yīng)用來(lái)表示湯姆遜發(fā)現(xiàn)的“微?！薄Ｗ詮陌l(fā)現(xiàn)電子以后，湯姆遜就成為國(guó)際上知名的物理學(xué)者。在這之前，一般都認(rèn)為原子是“不能分割的”的東西，湯姆遜的實(shí)驗(yàn)指出，原子是由許多部分組成的，這個(gè)實(shí)驗(yàn)標(biāo)志著科學(xué)的一個(gè)新時(shí)代。人們稱他是“一位最先打開(kāi)通向基本粒子物理學(xué)大門(mén)的偉人”。1905年，他被任命為英國(guó)皇家學(xué)院的教授；1906年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng);1916年任皇家學(xué)會(huì)主席。他并沒(méi)有因此而停步不前，仍一如既往，兢兢業(yè)業(yè)，繼續(xù)攀登科學(xué)的高峰。湯姆遜既是一位理論物理學(xué)家，又是一位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他一生所做過(guò)的實(shí)驗(yàn)，是無(wú)法計(jì)算的。正是通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，他測(cè)定了電子的荷質(zhì)比，發(fā)現(xiàn)了電子；又在實(shí)驗(yàn)中，創(chuàng)造了把質(zhì)量不同的原子分離開(kāi)來(lái)的方法，為后人發(fā)現(xiàn)同位素，提供了有效的方法。湯姆遜在擔(dān)任卡文迪許實(shí)驗(yàn)物理教授及實(shí)驗(yàn)室主任的34年間，著手更新實(shí)驗(yàn)室，引進(jìn)新的教授法，創(chuàng)立了一個(gè)極為成功的研究學(xué)派。接二連三的新發(fā)現(xiàn)象潮水般地從卡文迪許實(shí)驗(yàn)室涌出：電子云霧室，關(guān)于放射性的早期重要工作以及同位素，是這些最精彩的成就中的一部分。該實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)了眾多的人才。盧瑟福，C．T．R．威爾遜（C．T．R．Wilson），R．J．斯特拉特（R．J．Strutt，瑞利勛爵的兒子），J．S．E．湯森（J．S．E．Townsend），C．G．巴克拉（C．G．Barkla），O．W．里查生（O．W．Richardson），F(xiàn)．W．阿斯頓（F．W．Aston），G．I．泰勒(G．I．Taylor），以及兒子G．P．湯姆遜（G．P．Thomson），都是湯姆遜的學(xué)生，他們都成了著名的科學(xué)家。在他的學(xué)生中，有九位獲得了諾貝爾獎(jiǎng)金。湯姆遜對(duì)自已的學(xué)生要求非常嚴(yán)格，他要求學(xué)生在開(kāi)始做研究之前，必須學(xué)好所需要的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。進(jìn)行研究所用的儀器全要自已動(dòng)手制作。他認(rèn)為大學(xué)應(yīng)是培養(yǎng)會(huì)思考、有獨(dú)立工作能力的人才的場(chǎng)所，不是用“現(xiàn)成的機(jī)器”投影造成出“死的成品”的工廠。因此，他堅(jiān)持不讓學(xué)生使用現(xiàn)成的儀器，他要求學(xué)生不僅是實(shí)驗(yàn)的觀察者，更是做實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)造者。

湯姆生的著作很多。如《電與磁的現(xiàn)代研究》、《電與磁數(shù)學(xué)基本理論》等。在他成名之后，好多國(guó)家邀他去講學(xué)，但他從不輕易應(yīng)允。如美國(guó)著名的普林斯頓大學(xué)曾幾度請(qǐng)他去講學(xué)，最后他才答應(yīng)去講六個(gè)小時(shí)。他講授的內(nèi)容相當(dāng)重要，對(duì)核物理有一定的價(jià)值。這足以說(shuō)明他治學(xué)十分嚴(yán)謹(jǐn)，不講則已，講則要有新的創(chuàng)見(jiàn)。電子的發(fā)現(xiàn)，按當(dāng)時(shí)實(shí)際情況來(lái)說(shuō)是重要的。但是，它卻被發(fā)生在1895年底的另一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)沖淡了。這項(xiàng)偉大的發(fā)現(xiàn)是由W．C．倫琴（1845—1923）取得的。倫琴由于他宣布了“一種新的射線”和表演了他的射線所能做的事情而使世界感到震驚。1940年8月30日，湯姆遜逝世于劍橋。他的骨灰被安葬在西敏寺的中央，與牛頓，達(dá)爾文、開(kāi)爾文等偉大科學(xué)家的骨灰安放在一起。2．重大貢獻(xiàn)約瑟夫·約翰·湯拇遜以其對(duì)電子和同位素的實(shí)驗(yàn)著稱。他是第三任卡文迪許實(shí)險(xiǎn)室主任。一幅他正在研究陰極射線管的肖像掛在實(shí)驗(yàn)室的麥克斯韋講演廳里?？瓷先?，他不善于具體操作，但對(duì)儀器工作原理的理解卻是非常敏捷的。J．J．湯姆遜聽(tīng)過(guò)一些麥克斯韋的講課，而且正是在作為卡文迪許教授的麥克斯韋的繼任者瑞利勛爵的指導(dǎo)下，湯姆遜完成了幾篇理論性論文，1884年，瑞利按照他原來(lái)的許諾（只擔(dān)任五年）辭去了卡文迪許教授職務(wù)。湯姆遜申請(qǐng)這個(gè)職位，他述說(shuō)：“沒(méi)有認(rèn)真考慮過(guò)這項(xiàng)工作和所要負(fù)的責(zé)任”就申請(qǐng)了。他只有28歲，沒(méi)有想到會(huì)當(dāng)選，但出乎他的意料，他當(dāng)選了。這些選舉人要么非常走運(yùn)要么是非常有遠(yuǎn)見(jiàn)的。湯姆遜說(shuō)：“我覺(jué)得自己象一個(gè)釣魚(yú)的人，用一只輕巧的釣魚(yú)具，在一個(gè)意想不到的地方拋出了一線釣絲，釣到了一條魚(yú)，這條魚(yú)太重而使這個(gè)釣魚(yú)的人不能把它吊到岸上來(lái)。我覺(jué)得接替一位象瑞利勛爵這樣享有盛名的人是困難的。”值得注意的是，他不提麥克斯韋，雖然在另外的地方湯姆遜談到了關(guān)于第一任卡文迪許教授的委任（1871年2月）：據(jù)信學(xué)校首先同威廉·湯姆遜爵士（后來(lái)的開(kāi)耳芬勛爵）商談，然后同偉大的德國(guó)物理學(xué)家與生物學(xué)家馮·亥姆霍茲商議，但他們都認(rèn)為無(wú)法接受這個(gè)職位。在麥克斯韋當(dāng)選時(shí)，他的工作只為很少的人了解，他的威望也不能與現(xiàn)在（1936）相比……的確，即使在他死時(shí)，他對(duì)物理學(xué)至高無(wú)上的貢獻(xiàn)——電磁場(chǎng)理論——的真實(shí)性仍是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。

劍橋大學(xué)湯姆遜著手更新實(shí)驗(yàn)室，引進(jìn)新的教授法，創(chuàng)立了一個(gè)極為成功的研究學(xué)派。接二連三的新發(fā)現(xiàn)象潮水般地從卡文迪許實(shí)驗(yàn)室涌出：電子，云霧室，關(guān)于放射性的早期重要工作以及同位素，是這些最精彩的成就中的一部分。盧瑟福，威爾遜（），.斯特拉特，瑞利勛爵的兒子），湯森（），．巴克拉（），.里查生（），.阿斯頓(F．W．Aston），.泰勒（），以及.湯姆遜（），都是他的學(xué)生，他們都成了著名的科學(xué)家。倫琴的X射線的發(fā)現(xiàn)使氣體電離有了一種新方法，提供了對(duì)氣體離子行為的一種新的洞察能力。湯姆遜開(kāi)始了那個(gè)方向的研究工作，這導(dǎo)致了對(duì)自由電子的研究。在1897年，湯姆遜證實(shí)了陰極射線的微粒性，測(cè)量了粒子的速度和荷質(zhì)比。湯姆遜在他的實(shí)驗(yàn)中使用的二個(gè)管子，射線從管中左邊的陰極A發(fā)出，通過(guò)陽(yáng)極B的一條縫進(jìn)入第二個(gè)管子，可以用一磁鐵使射線偏轉(zhuǎn)而進(jìn)入一種法拉第籠。收集到的電荷是負(fù)的。因此證明了陰極射線是帶負(fù)電的粒子。類似的實(shí)驗(yàn)已被J佩蘭在法國(guó)做過(guò)。在一個(gè)第二種類型的管子中，C所產(chǎn)生的陰極射線穿過(guò)接地的縫A和B，形成了一束狹窄的射線直射到管子的另一端。射線擊中管子的電燈泡狀端面的地方會(huì)有一小塊磷光亮斑顯現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)湯姆遜將兩塊金屬板E和D與電池的兩端連結(jié)起來(lái)時(shí)，磷光斑移動(dòng)了，證明了陰極射線被電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)。用一個(gè)與電場(chǎng)垂直的磁場(chǎng)，于是他能夠用磁學(xué)的辦法將射線偏轉(zhuǎn)。磁偏轉(zhuǎn)在以前曾被觀察到過(guò)，但是，JJ．湯姆遜是第一個(gè)觀察到電偏轉(zhuǎn)的人。明顯地缺少了陰極射線的電偏轉(zhuǎn)，這是促使J．J．湯姆遜進(jìn)行這項(xiàng)研究的首要因素。為什么在陰極射線被研究的幾十年中沒(méi)有人發(fā)現(xiàn)過(guò)電的偏轉(zhuǎn)?原因是簡(jiǎn)單的：除非在陰極射線管里有一個(gè)好的真空，否則就建立不起電場(chǎng)。低真空是電導(dǎo)體，其中，靜電場(chǎng)建立不起來(lái)。但是湯姆遜成功了，不僅用如圖1．6的裝置而且用其他兩個(gè)裝置也成功了。

劍橋大學(xué)1897年8月，他寫(xiě)下了現(xiàn)在仍然十分有名的文章。在這篇論文里，他描述了“為了檢驗(yàn)荷電粒子的理論”所做的實(shí)驗(yàn)，將他的測(cè)量結(jié)果應(yīng)用到確定組成陰極射線的粒子的荷質(zhì)比上去。從同樣的實(shí)驗(yàn)中，他也導(dǎo)出了粒子的速度。這里是他的推理的一個(gè)摘要：由一給定電流攜帶的總電量Q等于它所有的粒子數(shù)N乘每一個(gè)粒子的電荷e：Ne=Q然后，通過(guò)測(cè)量產(chǎn)生的熱的辦法來(lái)測(cè)量由粒子所傳輸?shù)哪芰縒，這個(gè)值必須等于質(zhì)量為m、速度為v的這些粒子的動(dòng)能1/2Nmυ²=W用磁學(xué)辦法使粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，他知道：mv/e=Bp這里p是軌道的曲率半徑，B是磁場(chǎng)。因?yàn)槟芰?，電量，磁?chǎng)和曲率半徑是可測(cè)量的，他能推論出e/m=2W/(Q²B²p²)具有值（靜電單位電量/克），遠(yuǎn)大于電解法中離子的荷質(zhì)比e/m。在他1897年的文章中，湯姆遜敘述了另一個(gè)令人注意的觀察結(jié)果：構(gòu)成陰極射線的微粒都是一樣的，與管內(nèi)陰極或?qū)﹃帢O或氣體的成份無(wú)關(guān)。這里有一個(gè)所有物質(zhì)的普適成份。稍后，在1899年，他使用他過(guò)去的學(xué)生C．T．R．威爾遜發(fā)展起來(lái)的技術(shù)和思想，分別測(cè)量了電子的電荷和質(zhì)量。威爾遜已經(jīng)注意到在適宜的環(huán)境下，電荷起著過(guò)飽和蒸汽的凝結(jié)核的作用。因?yàn)樗畷?huì)在它們上面冷凝，這有助于霧的形成。在這樣一種由于電荷的存在而形成的霧里，人們可以根據(jù)小霧滴下落的速度而計(jì)量它們的體積，從沉淀的水的總量或根據(jù)最初的過(guò)飽和汽算出它們的數(shù)目。根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)可以得到霧中所有的小滴子數(shù)。根據(jù)由霧所傳輸?shù)目傠姾桑ㄟ@是直接可測(cè)的）可以發(fā)現(xiàn)平均每一個(gè)小滴上的電荷與電子電荷相同。

卡文迪許實(shí)驗(yàn)室在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室做的這項(xiàng)工作，得到的電子電荷大約為3x10-10絕對(duì)靜電單位。根據(jù)測(cè)量到的e/m值可以求得電子質(zhì)量。這個(gè)“落滴”法后來(lái)被R．A．密立根（RAMillikan)（1910）在美國(guó)加以改進(jìn)。他不觀察霧，而觀察單個(gè)的微滴；他將此法變革為一個(gè)精確的方法，