阴极射线的研究

一百多年前，手艺高超的德国玻璃工人会制造一种能发出绿光的管子，有钱人家将它悬挂在客厅里做装饰品，以炫耀他们的富有。这种管子曾引起过很多科学家的兴趣，一位英国皇家学会会员化学家兼物理学家威廉·克鲁克斯(William.Crookes)(左图)对这种能发光的管子着了迷，很想弄清楚这些光线究竟是什么，他做了一根两端封有电极的玻璃管，将管内的空气抽出，使管内的空气十分稀薄，然后将高压加到两块电极上，这时在两极中间出现一束跳动的光线，这就是很多科学家潜心研究的稀薄气体中的放电现象。玻璃管内的空气越稀薄，越容易产生自激放电现象。但是，当玻璃管内的空气稀薄到一定程度时，管内的光线反而渐渐消失，而在阴极的对面玻璃管壁上出现了绿色荧光。这种阴极发射出来的射线，肉眼看不见，但能在玻璃管壁上产生辉光或荧光。科学家们称这个神秘的绿色荧光叫“阴极射线”，称这些发光的管子叫“阴极射线管”，又称“克鲁克斯管”（右图）。

克鲁克斯为了搞清楚阴极射线究竟是什么，他制作了各种形状的阴极射线管，并进行了很多实验，其中有一个现象使他异常激动。他在1879年英国的一次物理学讨论会上演示了他的这一{zx1}发现（右图是他的阴极射线管的示意图）。玻璃管中是高度稀薄的空气，带负电的阴极产生阴极射线，一个用薄云母片制成的十字放在射线的途中，射线在阴极对面的玻璃管壁上出现了形状清晰的十字形，这是十字形云母片投下的影子。影子的形状证明了荧光是由于阴极沿直线发射出的某种东西引起的，而薄云母片把它们挡住了。这些都是在场的物理学家们早就知道的。就在这时，克鲁克斯爵士拿起一块马蹄形磁铁跨置在管子的中部，奇迹出现了，十字形的阴影发生了偏移！克鲁克斯爵士得意地说：“由此可见，阴极射线根本不是光线，而是一种带电的原子。否则，它们怎么会受到磁场的影响呢? ”阴极射线不是光线而是带电粒子!在座的科学家们都震惊了。很多人将信将疑。

由此，对阴极射线的本质有了两种xx不同的概念，德国物理学家认为阴极射线像普通的光线一样是以太中的波动，以克鲁克斯为代表的在英国物理学家中流行另一种观点，认为阴极射线是由阴极发射的带负电的粒子所组成。

要判断两种理论究竟哪种正确，需要更多的实验研究，然而实验遇到了很大的困难。在那时，人们只限于观察玻璃管内的现象，因为阴极射线到达管壁就被停止了。若能将阴极射线引出放电管外，就可以更方便地进行观察和测量，进一步研究在放电管内无法进行的实验。

1889年德国物理学家勒纳（Philipp Lenard ）(Heinrich Hertz )经观察到过这样一个现象：阴极射线能够穿过置于放电管内的金属筒。在赫兹教授的启发下，勒纳做了一个特制的玻璃放电管，在管子的末端用一个很薄的铝片封口，他发现阴极射线能够穿过铝片继续在管外的空气中行进（右下图）。实验表明，从铝窗发出的射线和放电管内的射线具有相同的性质，即它们都能激发荧光，都可被磁铁偏转等等。（右图）曾（左图）做到了这一点。勒纳的老师、xx的物理学家赫兹

这个发现 使勒纳取得了一系列丰硕的实验成果。他进一步证明了阴极射线有某些化学效应，例如使照相底片感光、使空气变成臭氧、使气体电离导电等等。还发现射线在气体中散射，散射随气体的密度而增加；射线对不同物体的穿透本领不同，吸收率和物体密度有直接的关系。勒纳证明了阴极射线即使在真空中也带负电，还发现阴极射线有不同的类型，它们在磁场中偏转的程度不同。

勒纳对阴极射线的研究成果，不仅增加了人们对这些现象的了解，而且在许多方面都成为以后电子论发展的基础。尤其是勒纳关于阴极射线可存在于放电管外的这一发现，开辟了物理学研究的新领域，它促进了对其它远未弄清的类似射线源的研究。鉴于勒纳的研究工作的科学价值和它的开创性意义，瑞典皇家科学院决定授予他1905年的诺贝尔物理学奖。

有关阴极射线的谜引起了xx的卡文迪什试验室主任汤姆逊（Joseph John Thomson，1856-1940）（左图）的浓厚兴趣。他思索着用什么方法可以解开这个谜呢?要是真像克鲁克斯所说的那样，阴极射线是一种带电的原子，那么它不仅能在磁场中偏转，也应该在电场中偏转。汤姆逊认为更重要的是应该设法测出阴极射线中那些原子的质量。

人们都知道，原子是非常非常轻的东西，在汤姆逊那个时代，世界上还没有人发明出一种可以称原子质量的“秤”，没有人知道该怎样测量出如此微小的质量。年轻的汤姆逊凭着他顽强的探索精神和扎实的实验技巧，一次又一次地改进自己的装置，克服重重困难，{zh1}终于实现了自己的目标。（右图为汤姆逊和他的阴极射线管）

汤姆逊特制了一只克鲁克斯阴极射线管（左下图，右下图为示意图），在管子的中间添了一对金属电极D和E，在管子端部的管壁上贴了一张标有刻度的标尺。当克鲁克斯管接通电源后，从阴极C发出的阴极射线穿过两个狭缝A和B，使阴极射线成为细束，然后穿过金属板D和E之间的空间，{zh1}打在管壁标尺的中心，并发出荧光。然后，他在中间的那对电极D和E上加上一定的电压，于是，和克鲁克斯的实验一样，看到了同样奇妙的现象：阴极射线被电场推向一边，不再到达标尺的中心。如果将D和E板上的电压反向，发现阴极射线就偏离中点到达另一边，从偏转的方向清楚地表明：阴极射线是带负电的。

克鲁克斯实验观察的是阴极射线在磁场中的偏转，汤姆逊的实验观察到了阴极射线在电场中的偏转。这再一次证实了克鲁克斯的观点：阴极射线是带电的“原子流”，而不是什么光线，因为光线通过电场时是不会发生偏转的。

汤姆逊巧妙地将电场和磁场结合起来，首先测出了阴极射线的速度，并进一步测量出了阴极射线中带负电的“原子”所携带的电荷量和它的质量的比值，称为“荷质比”。

汤姆逊发现，不论射线是怎样产生的，对于射线中的粒子来说，都具有相同的荷质比值。例如，改变放电管的形状和管内气体的压力，可使粒子的速度发生很大的变化，但荷质比值不变。荷质比值不仅与速度无关，更令人惊奇的是，它与使用的阴极物质种类无关，也与管内气体的种类无关。阴极射线中的粒子应该来自电极或者来自管中的气体，但汤姆逊的实验证明，用任何一种物质作电极，用任何气体充入放电管中，测得的荷质比值不变。而且，测得的阴极射线粒子的荷质比值比以前已知的任何系统的荷质比都大得多，它比带电氢原子的荷质比值大1700倍。

这么大的差别十分令人惊奇。原因何在呢?不是阴极射线粒子的质量与氢原子相比很小，就是它的电荷比氢原子的电荷大得多。汤姆逊又采用英国物理学家威尔逊（Charles Thomson Rees Wilson）。（左图）发明的云室，即带电粒子可以作为一个核心使它周围的水蒸汽凝成小水滴的方法（右图），测量了阴极射线粒子所带的电荷值，发现它与稀溶液电解中一个氢原子所携带的电荷是相等的。这样，{zh1}确定了阴极射线粒子——人们给它起了一个名字叫“电子”

电子的质量仅仅是氢原子质量的1/1700，而且不管什么来源得到的电子，都具有相同的性质。汤姆逊由此得出了明确的结论：原子并不是物质可分性的{zh1}极限，从原子中可以进一步分出电子。从此，人们打开了神秘的原子世界的大门，物理学进入了微观世界的新纪元。汤姆逊教授的业绩受到了人们的称颂，瑞典皇家科学院决定授予他1906年的诺贝尔物理学奖。

汤姆逊的实验设计得很巧妙，然而其物理思想其实很简单：如果射线是带负电的，它们不仅能被磁铁偏转，也应该在电场中偏转。为什么当时很多xx的物理学家想不到呢?事实上，当时有很多人想到了，还做了许多实验。xx科学家，电磁波的发现者赫兹就曾做过类似的实验，但他在实验中没有观察到阴极射线在电场中的偏转，因而得出了阴极射线是不带电的错误结论。

汤姆逊是从重复赫兹的实验开始的，他制作了一个类似于赫兹实验用的克鲁克斯管，把偏转金属板放在放电管内，金属板上加一个电压形成电场，当阴极射线通过电场时，没有观察到任何持续而稳定的偏转。但细心的汤姆逊没有放过实验中出现的非常细微的异常现象。他发现在金属板上外加电压的瞬间阴极射线出现短暂的偏转，然后很快地回到管壁标尺的中点。

汤姆逊抓住这瞬间的异常，分析出现这种现象的可能原因。他认为，克鲁克斯的实验是正确的话?在电场中也应该观察到阴极射线的偏转。而现在的装置中没有观察到持续而稳定的偏转很可能是由于放电管内气体的存在。他认为，当阴极射线穿过气体时会使气体变成导电体，射线将被导电体包围起来，屏蔽了电的作用力，就像金属罩把验电器屏蔽起来一样，使它不受外部的电作用。由此，他给自己的实验提出了新的要求，实验必须在更高的真空中进行。

汤姆逊利用了当时{zxj}的真空技术，将放电管内的空气一直抽到只剩下极小量的空气时，终于排除了电离气体的屏蔽作用，使阴极射线在电场中发生了稳定的电偏转，偏转的方向表明射线带的是负电荷，取得了前人没有得到的新的物理测量结果。（上图）由此可见，物理实验的成果常常是和新的技术发展分不开的。没有当时高真空技术的发展，也许汤姆逊无法确定电子的存在。

从1869年德国科学家希托夫（Johann Wilhelm Hittorf，1824－1914）（右一）发现阴极射线以后，很多科学家，如克鲁克斯、赫兹、勒纳、汤姆逊等一大批人研究了阴极射线，历时二十余年。在许多科学家的实验成果的基础上，汤姆逊最终发现了电子的存在。汤姆逊成为{zx0}打开通向基本粒子物理学大门的伟人。

高能所科研处制作 内容来自郁忠强编著的《从原子到夸克》）