约瑟夫·约翰·汤姆逊生平简介:电子的发现人

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约瑟夫·约翰·汤姆逊生平简介

约瑟夫·约翰·汤姆逊,1856年12月18日生于英国曼彻斯特,英国物理学家,电子的发现者,世界著名的卡文迪许实验室第三任主任。

汤姆逊的父亲是一个专门印制大学课本的商人,由于职业的关系,结识了曼彻斯特大学的一些教授。汤姆逊从小学习很认真,14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,汤姆逊20岁,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。他在数学和物理学方面具有很高修养,先后发表了《论涡旋环的运动》和《论动力学在物理学和化学中的应用》等论文。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。从此汤姆逊开始潜心研究电学课题。

当时还没有“电子”这个概念,人们甚至都没有意识到它的存在。早在1858年,德国的盖斯勒制成了低压气体放电管,即盖斯勒管。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?19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,延续了20多年。

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1897年汤姆逊也开始研究这种射线。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,阴极射线都发生了偏折。根据其偏折的方向,不难判断出带电的性质。

汤姆逊通过这个实验得出结论:这些“射线”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?”这需要做更精细的实验,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。汤姆逊发现这个比值和气体的性质无关,并且该值比起电解质中氢离子的比值还要大得多,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。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的来临,所以人们称汤姆逊是“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。

1905年,汤姆逊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。正是通过反复地实验,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。

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。在他的学生中,有9位获得了诺贝尔奖。

汤姆逊的著作很多,如《电与磁的现代研究》《电与磁基本理论》等。在他成名之后,好多国家邀请他去讲学,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6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。

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。

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电子是一种基本粒子,重量为质子的1/1836,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。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。

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