电子的发现和研究

物理学史电子的发现和研究薛凤家(河北省廊坊师范学院物理系,河北廊坊065000)(收稿日期:2003-06-09)摘要本文简要、系统地回顾了电子的发现和研究历程.电子的发现使人们理解和解释了众多的物理现象,人们对电子的研究形成了物理学中许多重要的理论和实验方法,从而加深了人们对微观世界的认识.关键词经典电子论;量子力学;量子电动力学电子的发现是19世纪和20世纪之交物理学三个重大发现之一,也是人类最早发现并认识的第一个基本粒子.没有任何一个发现能象发现电子一样使人们能理解并解释众多的物理现象.人们对电子的研究形成了物理学中许多重要的理论和实验方法,有力地推动了人们对微观世界的认识.人类对电磁现象及其本质的认识和研究经历了漫长而曲折的历程.从1600年吉尔伯特的电磁研究到1873年麦克斯韦电磁理论的建立,人们花费了近300年才揭示了电磁之间的联系和规律并发展成一门科学,即电磁学.其原因主要是由于电磁学的研究需要借助较精密的仪器设备和精确的实验技术方法,而这些条件只有在生产和科技发展到一定水平后才能具备.正如恩格斯所说,/我们只能在我们时代的条件下认识事物,而且这些条件达到什么程度,我们便认识到什么程度.0(5自然辩证法6人民出版社,1955年版202页).1经典电子论1892年荷兰人洛伦兹发表了关于电子论的第一篇文章.他把麦克斯韦电磁理论和物质的粒子假设结合起来,对这个十分困难的问题做了详尽而透彻的分析,麦克斯韦理论中没有用任何原子性的假设,而洛伦兹却假设一切物体中都含有电子.从这个假设出发,他不仅解释了物质一系列电磁现象,而且克服了以前电磁理论和某些重大缺陷.1902年12月11日,洛伦兹在授予他和塞曼诺贝尔物理学奖的颁奖会上,以/电子理论和光的传播0为题做了讲演,详细地讲述了他的/电子论0.他从/在有重物之中包含着可被光振荡带动的微粒0的前提出发,指出它们应该是带电的,他把这些带电粒子称为/电子0,并指出电子具有一定质量,比原子要小,金属中的电流就是这些微粒的真实流动,电子在白炽物体中振动并引起光辐射等等.进而他还提出/原子是一个复杂的结构,它可以包含许多电子,某些电子是可动的,某些电子是固定的.原子所带的电子或许不集中于一点,而是有别的分布方式0等一系列推论.洛伦兹的电子论在解释/塞曼效应0时取得了圆满的成功.1896年荷兰人塞曼从实验中发现光辐射在磁力影响下会改变性质,辐射的谱线会分裂成几部分,证实了磁场对光和带电粒子的影响遵循着相同的规律.塞曼以/光振荡是由电子的振动引起的0洛伦兹假设为前提,分析了辐射源中电子在平衡位置附近的受力,提出/电子的全部振动可以分成三种,当不加磁场时,所有这些振动的周期都相同,但是当电子被置于磁场的影响下,它们的运动就会发生变化.0在垂直磁力线方向上,/对应于电子的三种运动,有三种振荡.因此,当把光源置于磁场中时,我们看到的不是一条非偏振的谱线,而是三条谱线.0从而正确地解释了塞曼效应.此外塞曼还得出/振动的电子带负电0、/在光源中振动着的东西和在阴极射线中运动着的东西是相同的0、/每一个热源都充满着电子,这些电子不断地和无休止地振动着0等结论.这些不但对洛伦兹电子论提供了令人信服的实验验证,而且也为人们了解光谱构造和物质结构做出了贡献.电子发现后,洛伦兹在1904年又进一步提出/当电子在以太中运动时,电子在沿运动方向上的半径将变短,会从圆球变成椭球0,并系统严密地论证了/洛伦兹变换0.1909年他又提出/当电子和带电粒子运动时,就在自己周围产生磁场,而带电粒子作加速或减速运动时就会辐射出电磁波.电磁场本身也影响电子和带电粒子的行迹.0进而引入了/洛伦兹力0的概念.这些假设后来经人们用实验验证并完善,形成了经典电子论.1898年黎开等人提出了金属电子论.他们认为金属的导热和导电特性是由于金属中存在自由电子而引起的.自由电子在外电场作用下定向运动形成电流,自由电子间相互碰撞形成电阻.他们还解释了欧姆定律,推导出导电率和电子的关系式等等.经典电子论和金属电子论经相对论和量子力学的修改补充和完善,现已成为原子物理学和固体物理学的理论基础.2电子的发现和电子的性质电子是真实的客观存在这一论断是英国人汤姆逊在1897年发现并证实的.他是在勒纳等人研究阴极射线工作的基础上得到这一结果的.他通过改进实验装置,用磁铁使阴极射线偏转进入金属筒,再次证明阴极射线是带负电的.他还让阴极射线只受电场作用,通过测定阴极射线撞击玻璃管壁产生的荧光斑点位移,计算出粒子的荷质比,而且用不同方法得到了相同的结果.他还测得阴极射线粒子质量约为氢原子质量的1/1700,说明了自然界中有比原子更小的实物粒子存在.汤姆逊还证实了从不同金属的阴极射线发射出来的粒子都是相同的,说明了粒子是普遍存在的,是组成一切物质的基本部分.通过一系列卓有成效的实验,汤姆逊获得了电子特性的信息.他的发现证实了电子的存在,彻底打破了原子不可分的传统观念,也为人们打开了一个崭新的世界.人们在对电的本质、电磁现象、物质结构等新的认识基础上,对电子的性质、运动规律、电子和其他物质的相互作用等进行了深入研究,取得了许多成果,有力地推动了科学技术的发展.1909年美国人密立根为了确定电子电荷的基本单位,设计了/油滴实验0.通过实验他发现油滴带电荷量恒为基本电荷量e的整数倍.也就是说,电荷只能以e的大小为单位存在于自然界中,这就是电子的电荷量,进而也证实了电荷的分立性.他的实验测得的自然界中电荷单位值为e=(1.591?0.003)@ 10-19C.法国人德布罗意在获得1929年度诺贝尔物理学奖时,是以/电子的波动性0为题来报告他的得奖工作的.他是在没有得到任何已知事实支持的情况下,仅通过类比就断言物质不仅具有粒子性,而且具有波动性.1924年他建立了波和粒子间的对应关系,即德布罗意关系式.并且提出可以通过电子来验证.后来1925年美国人戴维逊通过镍对电子的散射实验、1927年英国人G#汤姆逊通过高能电子束对金箔的干涉实验完全地证实了电子具有波动性,证实了德布罗意物质波动理论的正确.波粒二象性也成为电子和其他微观粒子的一个主要性质.1925年荷兰人乌仑贝克和古德斯密为解释碱金属光谱的双重谱线,曾提出过两个假设:一是电子具有自旋,其行为好像一个绕自己对称轴旋转的带电小球,并且具有量子化的自旋角动量.二是电子具有磁偶极矩,即玻尔磁子.1928年英国人狄拉克从量子力学最普遍的条件出发,根据相对论建立了一个描述单个电子运动的相对论性量子力学方程)))狄拉克方程.这个方程不仅对氢原子能级精细结构和高速运动电子的性质作出与实验相符的解释,而且很自然地得到电子自旋和电子磁矩的结果.斯特恩)盖拉赫实验不但直接显示了原子具有磁矩的性质,而且为原子角动量空间取向量子化和电子自旋提供了直接的实验根据.1947年美籍德国人库什通过实验发现,电子的磁偶极矩并不严格地等于一个玻尔磁子,而是(1.00119? 0100005)个玻尔磁子.人们称为/电子的反常磁矩0,这为以后的量子电动力学提供了精确的实验验证.1930年狄拉克又从该方程中大胆地预言有质量和电荷量都与电子相同的正电子的存在,并且提出了正负电子的湮灭过程.美国人安德森在1932年从宇宙射线中发现正电子.中国人赵忠尧在1930年,英国人布拉开特在1933年先后发现正负电子对的产生和湮没过程.正电子的发现,使人们对/基本粒子0的认识又产生了一次质的飞跃.3研究电子的理论电子的发现激励着人们探究原子内部的结构.1907年英国人卢瑟福通过A粒子散射实验提出:氢原子是由一个体积极小的带正电的核和一个在核周围有轨道运动的电子组成.但这个核式模型和经典电磁理论有着严重矛盾,丹麦人玻尔从原子只发出线状光谱这一实验事实出发,假设电子只能处在某些特定的轨道上,电子在这些轨道上运动时并不发光,只有电子从一个轨道跃迁到另一个轨道上时才会发光.1913年他提出了定态量子跃迁和轨道量子化的崭新思想.他的理论不但能正确解释氢原子光谱的规律,而且能直接算出里德堡常数,精度达万分之二.他还提出周期表中元素的序数,即原子序数应等于中性原子中绕原子核运动的电子数.他还正确地预言到,在复杂原子中电子必须以/壳层0的形式出现.对于某一具体元素,其原子的化学性质取决于最外层的电子数等等.玻尔理论为人们提供了一个动态的原子结构模型,揭示了光谱线与原子结构的内在联系,推动了物质结构理论的发展,为量子力学的诞生奠定了基础.奥地利人薛定谔根据物质波的思想提出电子可以位于任何一个周长为其物质波波长整数倍的轨道上,用驻波运动取代了电子的圆周运动.又因为电子是传播波的原始,所以他认为对电子的运动应能找到一个波动方程,人们可以通过解这个波动方程来决定原子内部的振荡.1926年他成功地确定了电子的波动方程,即薛定谔波动方程,并且方程的解取代了玻尔理论中电子轨道能量量子化的假设.他还将方程用于光和电子碰撞、原子在电场和磁场中运动等问题中,得到了比以前理论更符合实际的结果.薛定谔的波动方程和德国人海森伯在1927年提出的矩阵力学及不确定关系(由于粒子波函数的概率性质,要想同时精确确定电子和其他微观粒子的位置和动量等成对物理量是不可能的)、泡利在1925年提出的不相容原理(原子中不可能有2个电子具有相同的4个量子数)等一起形成了量子力学.它标志着人们对微观世界规律的深刻认识,成为近代物理两大基础理论之一,大大促进了象激光、超导、微电子学等近代科学技术的发展,也导致了一系列新理论的出现.元素的放射性现象是1891年法国人贝克勒尔首先发现的.后来人们进一步得知在不稳定原子核自发放出的A、B、C射线中,B射线是能量可达兆电子伏的高能电子束.1933年美国人费米建立了B衰变的理论,阐明了B 衰变的种类,解释了B衰变的连续能谱,揭示了B衰变的弱相互作用实质.后来人们通过实验证实了泡利预言的B衰变中中微子的存在,为弱电统一理论奠定了基础.美国人费曼、许温格和日本人朝永振一朗在1943年共同完善了描述电子、正电子、光子及相互作用的量子电动力学理论.他们构建了它的大部分理论基础和直接计算物理可观测量的简单规则.他们将基本粒子之间的相互作用以及可能的转化用/费曼图0来表示.他们建立了如何处理量子场论出现的所谓/发散困难0的有效的数学方法,其中之一就是要考虑电子的质量和电荷由于场的作用而改变的事实,因而要/重整化0.他们的工作使得该理论与测量到的电子性质至少符合到小数点后面第6位,使得量子电动力学成为结构完整且内容最为简单的理论,并将诸如原子结构、辐射与吸收、粒子的产生与湮灭、固体物理、激光、微波波谱学、电子学、等离子体学等若干不同现象都优美地统一在为数不多的非常一般的原理之中.1911年荷兰人昂纳斯首次发现了物质的超导现象.1959年美国人巴丁、库珀、施里弗三人共同建立了关于超导的BCS理论,圆满地解释了超导体的各种现象.根据泡利不相容原理,巴丁提出超导体就是在其中存在能隙的正常金属.库珀则证明了由于金属中晶格正离子的影响会使两个带有反向自旋的电子形成一种共振态,即库珀电子对.施里弗则将库珀电子对推广到与晶格相互作用的所有电子的多体问题,进而得到一个能正确描述超导体的波函数.他们的工作使得BCS理论被认为是自量子理论发展以来对理论物理学最重要的贡献之一,也大大推动了人们对超导体的研究和应用.隧道贯穿是粒子波动性的奇特结果.日本人江崎玲於奈在1957年观察到半导体的P)N结中的电子隧道效应,发明了隧道二极管.1960年美籍挪威人贾埃弗发现了超导体的隧道效应,并大大简化了以前对超导体能隙的复杂测量.1962年英国人约瑟夫森则从理论上预言了电子隧道超导电流的直流、交流约瑟夫森效应.他们的发现对固体微波技术和测量技术的发展起到了推动作用.早在1932年美国人范弗莱克就提出了晶格和电子配位场的概念,用以解释原子团的化学行为,从而揭示了磁性之谜,发展了晶格中磁相互作用的量子理论.1933年英国人莫特提出在过渡金属中电子对导电性的贡献有两种方式,一类电子主要负责形成电流,另一类电子是/懒惰0的,是磁性的起因.美国人安德逊则在1958年证明了在象玻璃这种无序的或非晶态系统中的电子要么在系统中运动,或者实际上被束缚于某一特定位置,即/安德逊定域性0.他们三人由于对磁性和无序系统中电子结构的基础研究,已经影响到现代物理学的重要分支)))凝聚态物理学的每一部分.4电子的应用电子的发现证实了1883年发现的爱迪生效应是一种热电子发射现象.在这基础上, 1904年弗莱明发明了二极电子管,1906年德福雷斯特发明了具有放大能力的电子三极管,后来又出现了四极管、五极管等等.英国人理查逊经过15年的热电子发射实验研究,在1910年提出了热离子辐射的基本方程.对无线电电子学、真空学和热离子学的诞生和发展做出了贡献.电子管作为第一代电子器件,对人类社会产生了难以估量的作用.其后如电视、雷达、计算机的发明都是和电子管分不开的.晶体管是一个放大或处理电信号的半导体元件.它的发明是在1948年,起源于美国人肖克利、巴丁、布拉顿对半导体的基础研究.他们证明通过外加电场来控制半导体中运动电子的数量是可能的,进而发现了晶体管效应.晶体管的发明将无线电电子学推向了一个新的阶段,并使电子器件发生了革命性的变化.由晶体管发展起来的集成电路、微处理器和微型计算机现已极大地改变了人类社会生活的各个方面.美国人汤斯、苏联人巴索夫和普罗霍罗夫根据爱因斯坦在1924年提出的电子受激辐射理论,在1954年制成了微波激射器. 1960年美国人梅曼研制成第一台红宝石脉冲激光器.激光器的出现是现代物理学的一项重大成果,是量子理论、无线电电子学、微波波谱学和固体物理学的产物,也是科学与技术、理论与实践紧密结合的辉煌成果.它不但在各个学科中得到广泛应用,而且带动了一批新兴学科的迅速发展.人们通过研究发现,电子在通过不均匀电场和磁场时其运动规律类似于几何光学的规律.1932年德国人鲁斯卡据此让电子通过静电透镜、磁透镜折射后重新聚焦成像并达到放大的方法,制成世界上第一台电子显微镜,为人们研究微观物质结构提供了强有力的工具.现在最先进的电子显微镜分辩本领达1.0nm~ 1.5nm,放大16万倍.1982年德国人宾尼和瑞士罗雷尔利用电子隧道效应研制出扫描隧道电子显微镜,使人们观察到了样品表面的原子排列图像,并成功地观察到了DNA的双螺旋结构.电子显微镜和扫描隧道电子显微镜的发明为人类揭示微观世界的奥秘又提供了新的强有力的手段,成为表面现象研究科学技术的又一次革命.5电子的实验研究对电子性质的研究使得人们有可能利用它和其他微粒的碰撞和相互作用去探索微观世界的奥秘.1913年德国人夫兰克和G.赫兹通过电子和原子的碰撞证明了原子内部的能量是量子化的.这一开创性工作建立了电子与原子的碰撞规律.而且对于玻尔理论中能量量子化以及电子吸收的能量和发射光频率之间关系给予了直接证明.他们的实验方法也成为人们利用电子来研究原子、离子、分子和分子群的有效手段之一.为了能有效地实现电子与其他粒子的碰撞,粒子加速器应运而生.1931年人们制成了利用电子在不太高的电压下连续加速获得高能的/直线加速器0,由于电子在作直线运动时不会损失能量,因此能达到1G电子伏的能量.美国霍夫斯坦特等从1950年开始,用斯坦福大学直线加速器将高能电子打在金、铍等原子核靶上.电子穿过核时,组成核的粒子通过它们的磁场使这些电子偏转,按能量和电子偏离原路径角度将电子分类,就可得知核的电荷分布,进而获得核结构的概貌.用这种方法他们在1957年发现质子和中子有相仿的大小和形状,获得了第一个较为相容的核结构图像.由于核力的作用,当电子猛烈地撞击原子核并被弹回时,左旋电子与右旋电子的数目会有明显差别.这种/宇称破坏01978年在斯坦福大学直线加速器的实验中确实发现了.这就证实了美国人温伯格、格拉肖和巴基斯坦人萨拉姆在1967年提出的弱电统一理论是正确的.弱电统一理论把自然界两种基本力(电磁力和弱力)统一起来,在把所有的物理规律纳入单一的/统一场论0的方向上迈出了一大步,成为现代物理的重大突破之一.1967年美国人弗里德曼、肯德尔和加拿大人泰勒用斯坦福大学20GeV电子直线加速器进行了电子与质子及束缚中子深度非弹性散射实验研究.他们发现,当电子以极大能量深入到质子内部后,遇到的不是/软0的质子靶,而是和电子类似的点状/硬0核.它证实了美国盖尔曼在1964年预言的/夸克0确实存在.他们的工作开辟了一个新的研究方向,后来的L子深度非弹性散射实验、电子-正电子碰撞实验、质子-反质子碰撞实验、强子喷注实验都显示了夸克的存在和夸克间的相互作用,也使人们对基本粒子的认识又深入到了一个新的层次.近年来发展较快的是/对撞机0,其原理是美国人开斯特和奥尼耳在1956年提出的.根据动量和能量守恒定律,粒子碰撞的有效能量只取决于粒子的相对速度.例如两束2.8万MeV的质子相互对撞,相当于用160万MeV能量的质子去轰击静止质子.这种对撞效果对于更高能量和更轻的粒子(如电子)更为显著.中国于1988年10月16日建成能量为2.2M eV的大型正负电子对撞机,成为世(下转第59页)[2]全林.科学史简编[M].北京:科学出版社,2002[3]郭奕玲,沈慧君.物理学史[M].北京:清华大学出版社,1993[4]梁灿彬等.电磁学[M].北京:高等教育出版社,1980[5]乔际平,刘甲珉.物理创造思维能力的培养[M].北京:首都师范大学出版社,1998(上接第51页)对等温膨胀过程a y c y b,吸收热量,Q >0,则熵变$S bÃa>0.对可逆绝热过程a y d y b,吸收热量为零,则熵变$S bÃa=0.此结论与熵是态函数相矛盾,故原假设不成立.4用数学方法求证我们将等温过程和绝热过程分别用下面的数学式来表示:p V=k1(1)p V C=k2(2)其中k1及k2为常数,则两方程式求解的情况,决定了等温线与绝热线相交的情况.解由(1)式与(2)式组成的方程组,得到惟一解为p0=k C1k2k11C-1V0=k2k11C-1说明一条等温线与一条绝热线只能相交于一点.这道典型热力学习题的求证,综合应用了热力学定律及熵的概念,还应用到了数学方法,是一道不可多得的典型习题.参考文献[1]张三慧.大学物理学第二册热学.北京:清华大学出版社,1999(上接第56页)界上拥有这种先进设备的4个国家之一,为我国加速研究原子结构等创造了良好的条件.电子的发现,使人们对电的本质及物质结构有了深入的认识.人们通过各种实验方法对电子进行的研究,进一步加深了对微观世界奥秘的理解.随着科学技术的发展,实验条件的改善,人们对电子的研究将会进入到更深层次(如电子是否有内部结构、分数电荷是否存在等),将会产生更新的理论更好的描述电子的性质和微观世界的规律.参考文献[1]诺贝尔物理学奖获得者.李应刚等译.上海:上海翻译出版公司,1985[2]物理学史.祁关泉等译.上海:上海教育出版社,1986[3]邬学文等编.新物理学辞典.上海:上海科学技术出版社,1993[4]张瑞琨主编.物理学的进展和前沿.上海:上海教育出版社,1996[5]郭奕玲等编著.近代物理学著名实验简介.济南:山东教育出版社,2001。