陰極射線的發現和爭論

 

陰極射線是低壓氣體放電過程出現的一種奇特現象。早在1858年就由德國物理學家普呂克爾(Julius Plucker18011868)在觀察放電管中的放電現象時發現。當時他看到正對陰極的管壁發出綠色的熒光。1876年,另一位德國物理學家哥爾茨坦(Eugen Goldstein18501930)認為這是從陰極發出的某種射線,並命名為陰極射線。他根據這一射線會引起化學作用的性質,判斷它是類似於紫外線的以太波。這一觀點後來得到了赫茲等人的支持。赫茲在1881年曾發現電磁波,就把陰極射線看成是電磁輻射,實驗上和哥爾茨坦的主張是一樣的,這樣就形成了以太說。贊成以太說的大多是德國人。

1871年,英國物理學家瓦爾利(C.F.Varley18281883)從陰極射線在磁場中受到偏轉的事實,提出這一射線是由帶負電的物質微粒組成的假設。他的主張得到本國人克魯克斯(William Crookes18321919)和舒斯特的贊同。於是在19世紀的後30年形成了兩種對立的觀點:德國學派主張以太說,英國學派主張帶電微粒說。雙方爭持不下,誰也說服不了誰。為了找到有利於自己觀點的證據,雙方都做了許多實驗。克魯克斯證實陰極射線不但能傳遞能量,還能傳遞動量。他認為陰極射線是由於殘餘氣體分子撞到陰極,因而帶上了負電,又在電場中運動形成「分子流」。以太論者不同意這一說法,用實驗加以駁斥。哥爾茨坦做了一個很精確的光譜實驗。他用一根特製的L形放電管,電極AB可以互換,輪流充當陰極,用光譜儀觀測譜線。如果陰極射線是分子流,它發出的光應產生都卜勒效應,即光的頻率應與分子流速度方向有關。可是,不管是從那一端發出的陰極射線,譜線的波長都沒有改變。這就證明了分子流之說站不住腳。以太論者認為這是對以太說的一個支持。

舒斯特則將帶電微粒解釋成氣體分子自然分解出來的碎片,帶正電的部分被陰極俘獲,電極間只留下帶負電的部分,因而形成陰極射線。1890年,他根據磁偏轉的半徑和電極間的電位差估算帶電微粒的荷質比,得到的結果在5×106coul/kg1×1010coul/kg之間,與電解所得的氫離子的荷質比108coul/kg相比,數量級相近。

赫茲和他的學生勒納德(Philipp Lenard18621947)也做了許多實驗來證明自己的以太理諭。赫茲做的真空管中電流分布的實驗,「證明」陰極射線的走向與真空管中電流的分布無關。他還在陰極射線管中加垂直於陰極射線的電場,卻沒有看到陰極射線受到任何偏轉。這兩個實驗不成功的原因是因為當時不了解低壓狀態下氣體導電機制的複雜性。遺憾的是,赫茲以此作為陰極射線不帶電的證據,更加堅持以太說。赫茲做的另一實驗則是成功的。

1891年,他注意到陰極射線可以像光透過透明物質那樣地透過某些金屬薄片。1894年,勒納德發表了更精細的結果。他在陰極射線管的末端嵌上厚僅0.000265cm的薄鋁箔作為窗口,如右圖所示。發現從鋁窗口會逸出射線。在空氣中穿越約1cm的行程。他們認為這又是以太說的有力證據,因為只有波才能穿越實物。

微粒說者也在積極尋找證據。1895年法國物理學家佩蘭(Jear Baptiste Perrin18701942)將圓桶電極安裝在陰極射線管中,用靜電計測圓桶接收到的電荷。結果確是負電。他支持帶電微粒說,發表論文表示了自己的觀點。但是他的實驗無法作出判決性的結論。因為反對者會反駁說:佩蘭測到的不一定就是陰極射線所帶的電荷。

對陰極射線的本性作出正確答案的是英國劍橋大學卡文迪西實驗室教授J.J.湯姆生(Joseph John Thomson18561940)。他從1890年起,就帶領自己的學生研究陰極射線。克魯克斯和舒斯特的思想對他很有影響。他認為帶電微粒說更符合實際,決心用實驗進行周密測量,找出確鑿證據。為此,他進行了以下幾方面的實驗:

1.直接測陰極射線攜帶的電荷。J.J.湯姆生將佩蘭實驗作了一些改進。他把聯到靜電計的電荷接受器(法拉第圓桶)安裝在真空管的一側。平時沒有電荷進入接收器。用磁場使射線偏折,當磁場達到某一值時,接收器接收到的電荷猛增,說明電荷確是來自陰極射線。

2.使陰極射線受靜電偏轉。J.J.湯姆生重複了赫茲的靜電場偏轉實驗,起初也得不到任何偏轉。後來經仔細觀察,注意到在剛加上電壓的瞬間,射束輕微地擺動了一下。他馬上領悟到,這是由於殘餘氣體分子在電場的作用下發生了電離,正負離子把電極上的電壓抵消掉了。顯然這是由於真空度不夠高的原因。於是,他在實驗室技師的協助下努力改善真空條件,並且減小極間電壓,終於獲得了穩定的靜電偏轉。這樣,J.J.湯姆生就獲得了駁斥以太說的重要證據。

3.用不同方法測陰極射線的荷質比。一極方法是在管子兩側各加一通電線圈,以產生垂直於電場方向的磁場。然後根據電場和磁場分別造成的偏轉,計算出陰極射線的荷質比。e/m與微粒運動的速度。
另一種方法是測量陽極的溫升,因為陰極射線撞擊到陽極,會引起陽極的溫度升高。J.J.湯姆生把熱電偶接到陽極,測量它的溫度變化。根據溫升和陽極的熱容量可以計算粒子的動能,再從陰極射線在磁場中偏轉的曲率半徑,推算出陰極射線的荷質比與速度。
兩種不同的方法得到的結果相近,荷質比都是e/m1011coul/g

4.證明電子存在的普遍性。J.J.湯姆生還用不同的陰極和不同的氣體做實驗,結果荷質比也都是同一數量級,證明各種條件下得到的都是同樣的帶電粒子流,與電極材料無關,與氣體成份也無關。

1897430日,J.J.湯姆生向英國皇家研究所報告了自己的工作,隨即又以(論陰極射線)為題發表論文,其中寫道:

「陰極射線的載荷子比起電解的氫離子,m/e值小得多。m/e小的原因可能是m小,也可能是e大,或兩者兼而有之。我想,陰極射線的載荷子要比普通分子小。這可從勒納德的結果看出。」

這裡指的就是勒納德的薄窗實驗,只有把陰極射線的載荷子看成比普通分子小得多,才能解釋陰極射線透過薄鋁片的事實。

接著,J.J.湯姆生和他的學生們用幾種方法直接測到了陰極射線載荷子所帶的電量,證明的確與氫離子的帶電量相同。1899年,J.J.湯姆生採用斯坦尼(G.T.Stoney18261911)的「電子」一詞來表示他的「載荷子」。「電子」原是斯坦尼在1891年用於表示電的自然單位的。

就這樣電子被發現了。但是J.J.湯姆生並不到此止步,他進一步又研究了許多新發現的現象,以證明電子存在的普遍性。

光電效應是1887年赫茲發現的,但時隔十幾年,光電流的本質仍未搞清楚。1899年,J.J.湯姆生用磁場偏轉法測光電流的荷質比,得到的結果與陰極射線相近,證明光電流也是由電子組成的。

熱電發射效應是1884年愛迪生(Thomas Edison18471931)發現的,所以也稱愛迪生效應。愛迪生當時正在研究白熾燈泡,發現燈泡裡的白熾碳絲加熱後有負電逸出。1899年,J.J.湯姆生同樣用磁場截止法測其荷質比,證明這一負電荷也是電子。

β射線是拉塞福(Ernest Rutherford18711937)1898年發現的,不久,貝克勒爾(Henri Becquerel18521908)用磁場和電場偏轉法測得β射線的荷質比和速度,證明β射線是高速電子流。

J.J.湯姆生掌握了大量的實驗事實,果斷地作出判斷:不論是陰極射線、β射線還是光電流,都是電子組成的;不論是由於強電場的電離、正離子的撞擊、紫外光的照射、金屬受灼熱還是放射性物質的自發輻射,都會發射出同樣的帶電粒子——電子。這種帶電粒子比原子小千倍。故電子是原子的組成部分,是物質的更基本的單元。這是一個非常重要的結論。原子不可分的傳統觀念徹底破滅了。