电子的发现

这个是对物理讨论小组的笔记的一点点整理.

Joseph John Thomson

虽然他得了诺贝尔奖, 但是不是因为发现电子, 而是因为别的东西. (气体和导电的关系? )

in recognition of the great merits of his theoretical and experimental investigations on the conduction of electricity by gases.

实际上, Thompson 发现电子的成就实际上离不开技术的发展, 其中有真空技术, 高电压技术等等. 可以说电子的发现是一种天时地利人和的事情.

(嘿, 你瞧, 倒叙手法. )

历史上的认知的铺垫

根据赵爹(我的力学老师)的说法, 伟大人物之所以能够有所成就, 很多时候是因为他们有很好的”哲学”素养, (用马克思的说法就是”有科学的指导思想”? )

然而相对于宏观的(经典)力学世界, 围观的粒子是那样的微小, 以至于虽然我们身边到处都有电现象, 但是我们很难从微观认识他们的元凶: 电子等. 甚至, 在很早之前, 人们连原子论都没有, 认为世界是由元素组成的概念估计都算是一种很接近现代的观点了. (虽然, 各种和宗教信仰相比, 可以说几乎无法区别, 所以很难说是科学. )

对电的认识虽然有很久的历史, 但是现代的认识直到很晚才形成:

  • 古希腊的Thales of Miletus (立了一根柱子就测出了金字塔高度的牛人) 发现了毛皮摩擦可以吸引轻小的物体
  • 中国古代也有对静电现象和磁现象的记述, 比如王充(古代的无神论者, 牛啊) 就认为静电的吸引和磁铁的吸引是同一件事 (虽然这样歪打正着说明了电磁统一, 但是这只是因为当时对电磁的认识太薄弱了而已)

然后对电现象的推进就要经历一个很长的间隔时期了.

  • William Gilbert (1544?-1603) 第一次区分了电磁现象, 发明了拉丁语词汇electricus, 意为”像琥珀”.
    (题外话: 我想到了哲学里的一种”可指”, 大概这位大佬就为电的”可指” 做了一大贡献了, 假如我们无法”指”, 那么要怎么认识它呢? )
  • 1722 Charles Francois de Cisternay du Fay 发现有两种电荷
  • 1747 Benjamin Franklin 发明了避雷针, 引入了正极和负极的名词
    (诶, Franklin可没有在雷雨天手拿风筝线放风筝, 那只是骗人的把戏. 用脑子想一想也对啊, 无论他的反应力有多强, 要像故事里一样把电放进瓶子里, 唯一的方式就是自己被雷劈. 这不是作死吗? 实际上他是用”莱顿瓶”来干这件事的. )
    (题外话: 这个大佬卷得很. 认为欧洲人太懒了, 于是 提出了夏令时和冬令时, 让美国人利用时间好好工作. 怪不得, 在Ruby Time和Date类里面有夏令时的选项. 中国以前也有这样丧心病狂的行为, 中国曾经甚至还有大礼拜以及小礼拜(每周工作6天和5天轮换交替) 不过现在中国停止了这样的操作, 只有美国还在用. )
  • 1833 Faraday 提出了法拉第电解定律:
    1. 在電解過程中, 物質在電極生成的質量, 與通過電極的電量成正比.
    2. 在電解過程中, 使用相同的電量, 不同物質在電極生成的質量, 與該物質的當量重量成正比.

    (但是在当时有两个问题: 原子序数和原子质量没有很好地区分, 所以法拉第很困惑不知道氧元素该是8还是16. 并且人们还不知道电流是电子定向移动产生的. )

  • 1846 Wilhelm Eduard Weber 将电动力学现象归结为运动电流的作用

历史上技术的铺垫 - 阴极射线

理论的认识还要有实验的观测来佐证.

(说到这一点, 那些做弦论的就有一点很惨, 因为就算他们真的完成了弦论, 但是他们的有生之年是不可能看到实验上的印证了, 所以, 他们得不到诺奖, 因为诺奖必须是要实验验证的. 但是他们可以去拿菲尔兹. )

为了能够看到”电子的现象”, 研究电子, 自然我们需要仪器. 也就是阴极射线管. 但是在阴极射线的发展过程中, 主要的两个问题是如何把电子搞出来, 如何让电子拉出来走一圈. 这样的话就会涉及到高压电技术和真空技术.

不过相比于原子物理学, 这里的高压电技术中, 把电子从原子里面弄出来所需要的能量还是比较小的, 我们只需要比较”低”的电压, 这个”低”是相对于原子物理学里面的高电压啦, 当然不是12V的安全电压那么低的东西.

真空技术这是用来保证电子在拉出来之后, 在运动的过程中不会因为撞到, 比如说撞到空气中的一些气体分子, 然后就会导致电子还没到达就都撞没了. 真空技术

辉光现象 - 阴极射线的前身?

辉光管就是在一个玻璃管中放上一些气体, 然后接上较高的电压, 电子在电场的作用跑出来, 打到气体上发生跃迁产生了光. 如果把气体换成稀有气体, 就是我们熟知的霓虹灯么?

  • 1675 Jean-Felix Picard 他发现了气压计发光现象, 即英文的 Barometric Light.
    我们都知道, 气压计就是一个玻璃管里面放上水银, 然后在玻璃管上端有一部分的真空. 这位大佬在暗室里面轻轻地晃了下气压计, 然后发现: 在摇晃气压计时, 气压计上的真空部分会微微发光. (妙极? )
    原因是因为在摩擦中, 汞原子和玻璃管上的原子(分子)相互交换电子, 在电子来回的过程中就放出了光.
  • 1838 Faraday 发现了辉光现象中的 Faraday Dark Space.

假如辉光管中放的不是气体, 而是什么也没有(真空)的话? 又会怎么样? 那不就相当于得到了一个电子枪了么? 但是历史上的真空很难得到. 可以说, 辉光管中的气体分子阻碍了阴极射线的发展

真空技术

真空技术 17AC~19AC中叶 真空泵技术得到了发展, 如马德堡半球实验.

实际上, 真空技术和高中物理题里面的抽气机模型是一样的: (或者说, 有点像是稀释模型)

\[\rho = \frac{N}{V}\]

所以把体积扩大后再截取一部分, 再把体积扩大, 如此往复, 密度就变小了. 所以就可以很接近真空了.

(实际上理论上很轻松呢, 实践起来却有各种各样的漏气等的问题. )

  • Hauksbee真空泵 当时一般只有 10mmHg 水平, 达不到阴极射线的要求. 原理是机械的活塞抽气机. 就是用单向阀和活塞组成抽气机.
  • 盖斯勒泵 (0.1mmHg) 由 Johann Heinrich Willhelm Geissler 发明, 原理类似于用液体(水银做活塞(增加气密性), 用玻璃气塞来做阀门.

高压电技术

说白了就是变压器. (但是感觉也不是很容易. )

  • Ruhmkorff 线圈 0.1 MeV

阴极射线

说起来阴极射线的发展还真是一种缘分和巧合. 在1869年, Plucker 的学生 Hittorf 第一个发现并命名了辉光射线. (辉光射线也就是后来说的阴极射线. )

而之所以 Hittorf 可以做到这一点, 有一部分的原因离不开他的老师. 因为 Plucker 的和 Geissler 有交情, 所以可以得到真空泵. 并且(妙得很) Geissler 又是一个吹玻璃大师, 在制作阴极射线所用的玻璃管时也发挥了很大的贡献.

天时地利人和, 可以起飞了

有了前面这么多的铺垫, 电子的发现就开始了繁荣的状态.

  • 1874 Stoney 测量了法拉第常数$F$, 阿伏伽德罗常数$N_A$, 单位电荷$e$
  • 1876 Goldstein 将前面的辉光射线命名为 Cathode rays (大概是因为知道了阴极射线是从阴极发出来的吧)
  • 1869-1875 Crookes Tube (Crookes-Hittorf Tube) 在阴极射线管中放了一个可以旋转的十字(小风车?), 发现十字可以旋转, 于是认为阴极射线算是一种粒子(1879)
  • 1891 Stoney 命名 电子
  • 1894 Thompson 阴极射线的速度低于光速

(为什么这里会断了一段时间呢? 因为这之间出了一个别的诺奖, 很多物理学家都跑去做那个方向了. )

(按赵爹的说法, 诺奖实际上是奖励对过去做出重大贡献的人, 而不是奖励对未来有开创的人. 所以跟风做做研究的人就太盲目了, 真正得奖还是那些耐得住寂寞的, 做不流行的研究的人. )

  • 1897 Emil Wiechert 测量电子荷质比
    研究这个荷质比的做法实际上的原理是很”简单的”:
    通过测量电子磁场中的回转半径, 然后用估计动能的方式来得到电子的荷质比
    \(m \frac{v^2}{r} = e v B\)
    在估计电子动能的时候, 有一个问题: 电子动能怎么知道? 所以只好采取”猜的做法”(不是), 首先可以确定的是, 电子的动能最大只有$U eV$, $U$是阴极射线电压. (因为要把电子打出来, 肯定要越过一道能量的势垒. )
  • 1897 Kaufmann 用另外一种方式测量了荷质比:
    考虑电子经过和路径垂直的磁场, 通过测量偏移量来得到电子荷质比.
    \(m \frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d}t^2} z = e v_x B\)
    考虑时间很短的情况下, $\Delta z =\frac{e B v_x}{2 m} (\frac{\Delta x}{v_x})^2$ Kaufmann实际上对动能的估计直接就认为 $U eV$ 就是电子动能. 唯一可惜的是, 虽然他做对了, 但是他认为电子不是粒子, 只是气体分子的作用.
  • 1897 Thompson (大佬出场了) 和前面两位的做法不一样, Thompson的做法是利用一个速度选择器, 避免了动能无法测量的尴尬.
    \(e E = e v B \Rightarrow v = \frac{E}{B}\)
  • 1999 光电效应和阴极射线是同一种粒子
  • 1899 Thompson 和学生 Wilson 用云室测e
  • 同年(1899), 测定电子质量$3 \times 10^{-29} kg$

(实际上也不是真的一帆风顺的, 比如在1883年, Hertz 观察到静电场”不”影响阴极射线的现象, 就得出了错误的结论. 实际上是因为他的静电场不够强. )