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约瑟夫约翰汤姆逊

约瑟夫约翰汤姆逊(Thomson,Joseph John;1856年1940年),英国物理学家,电子的发现者。

约瑟夫约翰汤姆逊是第三任卡文迪许实验室主任,以其对电子和同位素的实验著称。一幅他正在研究阴极射线管的肖像挂在实验室的麦克斯韦讲演厅里。

1856年12月18日生于英国曼彻斯特,父亲是一个专印大学课本的商人,由于职业的关系,他父亲结识了曼彻斯特大学的一些教授。汤姆逊从小就受到学者的影响,学习很认真,十四岁便进入了曼彻斯特大学。在大学学习期间,他受到了司徒华教授的精心指导,加上他自己的刻苦钻研,学业提高很快。

1876年,即二十一岁时,他被保送进了剑桥大学三一学院深造。

1880年他参加了剑桥大学的学位考试,以第二名的优异成绩取得学位,随后被选为三一学院学员,两年后又被任命为大学讲师。他在数物理学方面具有很高修养。发表了《论涡旋环的运动》和《论动力学在物理学和化学中的应用》论文。

1884年,28岁的汤姆逊在瑞利的推荐下,担任了卡文迪许实验室物理学教授。

1897年汤姆逊在研究稀薄气体放电的实验中,证明了电子的存在,测定了电子的荷质比,轰动了整个物理学界。

1905年,他被任命为英国皇家学院的教授;

1906年荣获诺贝尔物理学奖

1916年任皇家学会主席。

1919年被选为科学院外籍委员会首脑。汤姆逊在担任卡文迪许实验物理教授及实验室主任的34年,桃李满天下。

1940年8月30日,汤姆逊逝世于剑桥。终年84岁。

1858年,德国的盖斯勒制成了低压气体放电管。

1859年,德国的普吕克尔利用盖斯勒管进行放电实验时看到了正对着阴极的玻璃管壁上产生出绿色的辉光。

1876年,德国的戈尔兹坦提出,玻璃壁上的辉光是由阴极产生的某种射线所引起的,他把这种射线命名为阴极射线。阴极射线是由什么组成的?十九世纪末时,有的科学家说它是电磁波;有的科学家说它是由带电的原子所组成;有的则说是由带阴电的微粒组成,众说纷纭,一时得不出公认的结论。英法的科学家和德国的科学家们对于阴极射线本质的争论,竟延续了二十多年。

最后到1897年,汤姆逊的出色实验结果面前,真相才得以大白。汤姆逊的实验过程是这样的,他将一块涂有硫化锌的小玻璃片,放在阴极射线所经过的路途上,看到硫化锌会发闪光。这说明硫化锌能显示出阴极射线的“径迹”。他发现在一般情况下,阴极射线是直线行进的,但当在射击线管的外面加上电场,或用一块蹄形磁铁跨放在射线管的外面,结果发现阴极射线一都发生了偏折。根据其偏折的方向,不难判断出带电的性质。汤姆逊在1897年得出结论:这些“射线”不是以太波,而是带负电的物质粒子。但他反问自己:“这些粒子是什么呢?它们是原子还是分子,还是处在更细的平衡状态中的物质?”这需要作更精细的实验。当时还不知道比原子更小的东西,因此汤姆逊假定这是一种被电离的原子,即带负电的“离子”。他要测量出这种“离子”的质量来,为此,他设计了一系列既简单又巧妙的实验:首先,单独的电场或磁场都能使带电体偏转,而磁场对粒子施加的力是与粒子的速度有关的。汤姆逊对粒子同时施加一个电场和磁场,并调节到电场和磁场所造成的粒子的偏转互相抵消,让粒子仍作直线运动。这样,从电场和磁场的强度比值就能算出粒子运动速度。而速度一旦找到后,单靠磁偏转或者电偏转就可以测出粒子的电荷与质量的比值。汤姆逊用这种方法来测定“微粒”电荷与质量之比值。他发现这个比值和气体的性质无关,并且该值比起电解质氢离子的比值(这是当时已知的最大量)还要大得多。这说明这种粒子的质量比氢原子的质量要小得多。前者大约是后者的二千分之一。

后来,美国的物理学家罗伯特密立根在1913年到1917年的油滴实验中,精确地测出了新的结果,前者是后者的1836分之一。汤姆逊测得的结果肯定地证实了阴极射线是由电子组成的,人类首次用实验证实了一种“基本粒子”----电子的存在。“电子”这一名称是由物理学家斯通尼在1891年采用的,原意是定出的一个电的基本单位的名称,后来这一词被应用来表示汤姆逊发现的“微粒”。自从发现电子以后,汤姆逊就成为国际上知名的物理学者。在这之前,一般都认为原子是“不能分割的”的东西,汤姆逊的实验指出,原子是由许多部分组成的,这个实验标志着科学的一个新时代。人们称他是“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。

1905年,他被任命为英国皇家学院的教授;1906年荣获诺贝尔物理学奖;1916年任皇家学会主席。他并没有因此而停步不前,仍一如既往,兢兢业业,继续攀登科学的高峰。汤姆逊既是一位理论物理学家,又是一位实验物理学家,他一生所做过的实验,是无法计算的。正是通过反复的实验,他测定了电子的荷质比,发现了电子;又在实验中,创造了把质量不同的原子分离开来的方法,为后人发现同位素,提供了有效的方法。汤姆逊在担任卡文迪许实验物理教授及实验室主任的34年间,着手更新实验室,引进新的教授法,创立了一个极为成功的研究学派。

接二连三的新发现像潮水般地从卡文迪许实验室涌出:电子云雾室,成就中的一部分。该实验室培养了众多的人才。卢瑟福,C.T.R.威尔逊(C.T.R.Wilson),R.J.斯特拉特(R.J.Strutt),F.W.阿斯顿(F.W.Aston),G.I.泰勒(G.I.Taylor),以及儿子G.P.汤姆逊(G.P.Thomson),都是汤姆逊的学生,他们都成了著名的科学家。在他的学生中,有九位获得了诺贝尔奖金。汤姆逊对自己的学生要求非常严格,他要求学生在开始做研究之前,必须学好所需要的实验技术。进行研究所用的仪器全要自己动手制作。他认为大学应是培养会思考、有独立工作能力的人才的场所,不是用“现成的机器”投影造成出“死的成品”的工厂。因此,他坚持不让学生使用现成的仪器,他要求学生不仅是实验的观察者,更是做实验的创造者。汤姆生的著作很多。如《电与磁的现代研究》、《电与磁数学基本理论》等。在他成名之后,好多国家邀他去讲学,但他从不轻易应允。如美国著名的普林斯顿大学曾几度请他去讲学,最后他才答应去讲六个小时。他讲授的内容相当重要,对核物理有一定的价值。这足以说明他治学十分严谨,不讲则已,讲则要有新的创见。伦琴由于他宣布了“一种新的射线”和表演了他的射线所能做的事情而使世界感到震惊。

1940年8月30日,汤姆逊逝世于剑桥。他的骨灰被安葬在西敏寺的中央,与牛顿、达尔文、开尔文等伟大科学家的骨灰安放在一起。

约瑟夫约翰汤姆逊以其对电子和同位素的实验著称。他是第三任卡文迪许实验室主任。一幅他正在研究阴极射线管的肖像挂在实验室的麦克斯韦讲演厅里。看上去,他不善于具体操作,但对仪器工作原理的理解却是非常敏捷的。

J.J.汤姆逊听过一些麦克斯韦的讲课,而且正是在作为卡文迪许教授的麦克斯韦的继任者瑞利勋爵的指导下,汤姆逊完成了几篇理论性论文,1884年,瑞利按照他原来的许诺(只担任五年)辞去了卡文迪许教授职务。汤姆逊申请这个职位,他述说:“没有认真考虑过这项工作和所要负的责任”就申请了。他只有28岁,没有想到会当选,但出乎他的意料,他当选了。这些选举人要么非常走运要么是非常有远见的。汤姆逊说:“我觉得自己像一个钓鱼的人,用一只轻巧的钓鱼具,在一个意想不到的地方抛出了一线钓丝,钓到了一条鱼,这条鱼太重而使这个钓鱼的人不能把它吊到岸上来。我觉得接替一位像瑞利勋爵这样享有盛名的人是困难的。”值得注意的是,他不提麦克斯韦,虽然在另外的地方汤姆逊谈到了关于第一任卡文迪许教授的委任(1871年2月):

据信学校首先同威廉汤姆逊爵士(后来的开耳芬勋爵)商谈,然后同伟大的德国物理学家与生物学家冯亥姆霍兹商议,但他们都认为无法接受这个职位。在麦克斯韦当选时,他的工作只为很少的人了解,他对物理学至高无上的贡献电磁场理论的真实性仍是一个悬而未决的问题。汤姆逊着手更新实验室,引进新的教授法,创立了一个极为成功的研究学派。接二连三的新发现像潮水般地从卡文迪许实验室涌出:电子,云雾室,关于放射性的早期重要工作以及同位素,是这些最精彩的卢瑟福,C.T.R.威尔逊(C.T.R.Wilson),R.J.斯特拉特(R.J.Strutt,瑞利勋爵的儿子),J.S.E.汤森(J.S.E.Townsend),C.G.巴克拉(C.G.Barkla),O.W.里查生(O.W.Richardson),F.W.阿斯顿(F.W.Aston),G.I.泰勒(G.I.Taylor),以及G.P.汤姆逊(G.P.Thomson),都是他的学生,他们都成了著名的科学家。

伦琴的X射线的发现使气体电离有了一种新方法,提供了对气体离子行为的一种新的洞察能力。汤姆逊开始了那个方向的研究工作,这导致了对自由电子的研究。

在1897年,汤姆逊证实了阴极射线的微粒性,测量了粒子的速度和荷质比。汤姆逊在他的实验中使用的二个管子,射线从管中左边的阴极A发出,通过阳极B的一条缝进入第二个管子,可以用一磁铁使射线偏转而进入一种法拉第笼。收集到的电荷是负的。因此证明了阴极射线是带负电的粒子。类似的实验已被J佩兰在法国做过。在一个第二种类型的管子中,C所产生的阴极射线穿过接地的缝A和B,形成了一束狭窄的射线直射到管子的另一端。射线击中管子的电灯泡状端面的地方会有一小块磷光亮斑显现出来。

当汤姆逊将两块金属板E和D与电池的两端连结起来时,磷光斑移动了,证明了阴极射线被电场偏转。用一个与电场垂直的磁场,于是他能够用磁学的办法将射线偏转。磁偏转在以前曾被观察到过,但是,J.J.汤姆逊是第一个观察到电偏转的人。明显地缺少了阴极射线的电偏转,这是促使J.J.汤姆逊进行这项研究的首要因素。为什么在阴极射线被研究的几十年中没有人发现过电的偏转?原因是简单的:除非在阴极射线管里有一个好的真空,否则就建立不起电场。低真空是电导体,其中,静电场建立不起来。但是汤姆逊成功了,不仅用如图1.6的装置而且用其他两个装置也成功了。1897年8月,他描述了“为了检验荷电粒子的理论”所做的实验,将他的测量结果应用到确定组成阴极射线的粒子的荷质比上去。从同样的实验中,他也导出了粒子的速度。这里是他的推理的一个摘要:由一给定电流携带的总电量Q等于它所有的粒子数N乘每一个粒子的电荷e:

Ne=Q

然后,通过测量产生的热的办法来测量由粒子所传输的能量W,这个值必须等于质量为m、速度为v的这些粒子的动能

1/2Nmυ²=W

用磁学办法使粒子发生偏转,他知道:

mv/e=Bp

这里p是轨道的曲率半径,B是磁场。因为能量,电量,磁场和曲率半径是可测量的,他能推论出

e/m=2W/(Q²B²p²)

具有值2.3×1017(静电单位电量/克),远大于电解法中离子的荷质比e/m。

在他1897年的文章中,汤姆逊叙述了另一个令人注意的观察结果:构成阴极射线的微粒都是一样的,与管内阴极或对阴极或气体的成分无关。这里有一个所有物质的普适成分。

稍后,在1899年,他使用他过去的学生C.T.R.威尔逊发展起来的技术和思想,分别测量了电子的电荷和质量。威尔逊已经注意到在适宜的环境下,电荷起着过饱和蒸汽的凝结核的作用。因为水会在它们上面冷凝,这有助于雾的形成。在这样一种由于电荷的存在而形成的雾里,人们可以根据小雾滴下落的速度而计量它们的体积,从沉淀的水的总量或根据最初的过饱和汽算出它们的数目。根据这个数据可以得到雾中所有的小滴子数。根据由雾所传输的总电荷(这是直接可测的)可以发现平均每一个小滴上的电荷与电子电荷相同。在卡文迪许实验室做的这项工作,得到的电子电荷大约为3×10-10绝对静电单位。根据测量到的e/m值可以求得电子质量。

这个“落滴”法后来被R.A.密立根(R A Millikan)(1910)在美国加以改进。他不观察雾,而观察单个的微滴;他将此法变革为一个精确的方法,得到值为4.78×10-10esu的电子电荷。许多年以来,这一直是一个最好的直接测量值。然而在1929年,出乎每个人的意料,发现它竟然有百分之一的误差,比估计可能有的误差大得多。这个差异的起源在于对空气粘滞性的测量有毛病。今天所知的电子电荷值精确度为百万分之三,即4.803242×10-10esu;已知的精确度为百万分之六的e/m是5.272764×10-17esu/g。

伦琴,由于他宣布了“一种新的射线”和表演了他的射线所能做的事情而使世界感到震惊。

电子是一种基本粒子,重量为质子的1/1836。电子围绕原子核做高速运动。电子通常排列在各个能量层上。当原子互相结合成为分子时,在最外层的电子便会由一原子移至另一原子或成为彼此共享的电子。这是由爱尔兰物理学家乔治丁斯通尼于1891年根据电的electric+-on“子”造的字,电子属于亚原子粒子中的轻子类。轻子被认为是构成物质的基本粒子之一,即其无法被分解为更小的粒子。它带有1/2自旋,即又是一种费米子(按照费米狄拉克统计)。

电子所带电荷为e=1.6×10的-19次方库仑,质量为9.10×10-31kg(0.51MeV/c2)。通常被表示为e-。电子的反粒子是正电子,它带有与电子相同的质量,自旋和等量的正电荷。物质的基本构成单位原子是由电子、中子和质子三者共同组成。相对于中子和质子组成的原子核,电子的质量极小。质子的质量大约是电子的1840倍。当电子脱离原子核束缚在其它原子中自由移动时,其产生的净流动现象称为电流。静电是指当物体带有的电子多于或少于原子核的电量,导致正负电量不平衡的情况。当电子过剩时,称为物体带负电;而电子不足时,称为物体带正电。当正负电量平衡时,则称物体是电中性的。静电在我们日常生活中有很多应用方法,其中例子有喷墨打印机

电子是在1897年由剑桥大学的卡文迪许实验室的约瑟夫汤姆逊在研究阴极射线时发现的。在都只能在核外摸索摸索,它被归于叫做轻子的低质量物质粒子族,被设成具有负值的单位电荷。电子块头小重量轻(比μ介子还轻205倍),被归在亚原子粒子中的轻子类。轻子是物质被划分的作为基本粒子的一类。电子带有1/2自旋,满足费米子的条件(按照费米狄拉克统计)。电子在原子内做饶核运动,能量越大距核运动的轨迹越远,有电子运动的空间叫电子层。第一层最多可有2个电子,第二层最多可以有8个,第n层最多可容纳2n2个电子,最外层最多容纳8个电子,最后一层的电子数量决定物质的化学性质是否活泼,1、2电子为金属元素,3、4、5、6、7为非金属元素,8为稀有气体元素。物质的电子可以失去也可以得到,物质具有得电子的性质叫做氧化性,该物质为氧化剂;物质具有失电子的性质叫做还原性,该物质为还原剂。物质氧化性或还原性的强弱由得失电子难易决定,与得失电子多少无关。

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