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約瑟夫·約翰·湯姆遜（英國物理學家）

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約瑟夫·約翰·湯姆遜

英國物理學家

諾貝爾物理學獎獲得者

約瑟夫·約翰·湯姆遜（Thomson，Joseph John；1856年—1940年），英國物理學家，電子的發(fā)現(xiàn)者。

約瑟夫·約翰·湯姆遜是第三任卡文迪許實驗室主任，以其對電子和同位素的實驗著稱。一幅他正在研究陰極射線管的肖像掛在實驗室的麥克斯韋講演廳里。

1940年8月30日，湯姆遜逝世于劍橋。享年84歲。

基本信息

出生日期	1856年12月8日
出生地	英國曼徹斯特
去世日期	1940年8月30日
籍貫	英國曼徹斯特
國籍	英國

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人物生平

約瑟夫·約翰·湯姆遜

1856年12月18日生于英國曼徹斯特，父親是一個專印大學課本的商人，由于職業(yè)的關(guān)系，他父親結(jié)識了曼徹斯特大學的一些教授。湯姆遜從小就受到學者的影響，學習很認真，十四歲便進入了曼徹斯特大學。在大學學習期間，他受到了司徒華教授的精心指導，加上他自己的刻苦鉆研，學業(yè)提高很快。

1876年，即二十一歲時，他被保送進了劍橋大學三一學院深造。

1880年他參加了劍橋大學的學位考試，以第二名的優(yōu)異成績?nèi)〉脤W位，隨后被選為三一學院學員，兩年后又被任命為大學講師。他在數(shù)物理學方面具有很高修養(yǎng)。發(fā)表了《論渦旋環(huán)的運動》和《論動力學在物理學和化學中的應(yīng)用》論文。

1884年，28歲的湯姆遜在瑞利的推薦下，擔任了卡文迪許實驗室物理學教授。

約瑟夫·約翰·湯姆遜

1897年湯姆遜在研究稀薄氣體放電的實驗中，證明了電子的存在，測定了電子的荷質(zhì)比，轟動了整個物理學界。

1919年被選為科學院外籍委員會首腦。湯姆遜在擔任卡文迪許實驗物理教授及實驗室主任的34年，桃李滿天下。

1940年8月30日，湯姆遜逝世于劍橋。終年84歲。

1858年，德國的蓋斯勒制成了低壓氣體放電管。

1859年，德國的普呂克爾利用蓋斯勒管進行放電實驗時看到了正對著陰極的玻璃管壁上產(chǎn)生出綠色的輝光。

1876年，德國的戈爾茲坦提出，玻璃壁上的輝光是由陰極產(chǎn)生的某種射線所引起的，他把這種射線命名為陰極射線。陰極射線是由什么組成的？十九世紀末時，有的科學家說它是電磁波；有的科學家說它是由帶電的原子所組成；有的則說是由帶陰電的微粒組成，眾說紛紜，一時得不出公認的結(jié)論。英法的科學家和德國的科學家們對于陰極射線本質(zhì)的爭論，竟延續(xù)了二十多年。

約瑟夫·約翰·湯姆遜

最后到1897年，湯姆遜的出色實驗結(jié)果面前，真相才得以大白。湯姆遜的實驗過程是這樣的，他將一塊涂有硫化鋅的小玻璃片，放在陰極射線所經(jīng)過的路途上，看到硫化鋅會發(fā)閃光。這說明硫化鋅能顯示出陰極射線的“徑跡”。他發(fā)現(xiàn)在一般情況下，陰極射線是直線行進的，但當在射擊線管的外面加上電場，或用一塊蹄形磁鐵跨放在射線管的外面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)陰極射線一都發(fā)生了偏折。根據(jù)其偏折的方向，不難判斷出帶電的性質(zhì)。湯姆遜在1897年得出結(jié)論：這些“射線”不是以太波，而是帶負電的物質(zhì)粒子。但他反問自己：“這些粒子是什么呢？它們是原子還是分子，還是處在更細的平衡狀態(tài)中的物質(zhì)？”這需要作更精細的實驗。當時還不知道比原子更小的東西，因此湯姆遜假定這是一種被電離的原子，即帶負電的“離子”。他要測量出這種“離子”的質(zhì)量來，為此，他設(shè)計了一系列既簡單又巧妙的實驗：首先，單獨的電場或磁場都能使帶電體偏轉(zhuǎn)，而磁場對粒子施加的力是與粒子的速度有關(guān)的。湯姆遜對粒子同時施加一個電場和磁場，并調(diào)節(jié)到電場和磁場所造成的粒子的偏轉(zhuǎn)互相抵消，讓粒子仍作直線運動。這樣，從電場和磁場的強度比值就能算出粒子運動速度。而速度一旦找到后，單靠磁偏轉(zhuǎn)或者電偏轉(zhuǎn)就可以測出粒子的電荷與質(zhì)量的比值。湯姆遜用這種方法來測定“微粒”電荷與質(zhì)量之比值。他發(fā)現(xiàn)這個比值和氣體的性質(zhì)無關(guān)，并且該值比起電解質(zhì)中氫離子的比值（這是當時已知的最大量）還要大得多。這說明這種粒子的質(zhì)量比氫原子的質(zhì)量要小得多。前者大約是后者的二千分之一。

后來，美國的物理學家羅伯特·密立根在1913年到1917年的油滴實驗中，精確地測出了新的結(jié)果，前者是后者的1836分之一。湯姆遜測得的結(jié)果肯定地證實了陰極射線是由電子組成的，人類首次用實驗證實了一種“基本粒子”----電子的存在。“電子”這一名稱是由物理學家斯通尼在1891年采用的，原意是定出的一個電的基本單位的名稱，后來這一詞被應(yīng)用來表示湯姆遜發(fā)現(xiàn)的“微粒”。自從發(fā)現(xiàn)電子以后，湯姆遜就成為國際上知名的物理學者。在這之前，一般都認為原子是“不能分割的”的東西，湯姆遜的實驗指出，原子是由許多部分組成的，這個實驗標志著科學的一個新時代。人們稱他是“一位最先打開通向基本粒子物理學大門的偉人”。

1905年，他被任命為英國皇家學院的教授；1906年榮獲諾貝爾物理學獎；1916年任皇家學會主席。他并沒有因此而停步不前，仍一如既往，兢兢業(yè)業(yè)，繼續(xù)攀登科學的高峰。湯姆遜既是一位理論物理學家，又是一位實驗物理學家，他一生所做過的實驗，是無法計算的。正是通過反復(fù)的實驗，他測定了電子的荷質(zhì)比，發(fā)現(xiàn)了電子；又在實驗中，創(chuàng)造了把質(zhì)量不同的原子分離開來的方法，為后人發(fā)現(xiàn)同位素，提供了有效的方法。湯姆遜在擔任卡文迪許實驗物理教授及實驗室主任的34年間，著手更新實驗室，引進新的教授法，創(chuàng)立了一個極為成功的研究學派。

曼徹斯特大學

接二連三的新發(fā)現(xiàn)像潮水般地從卡文迪許實驗室涌出：電子云霧室，成就中的一部分。該實驗室培養(yǎng)了眾多的人才。盧瑟福，C．T．R．威爾遜（C．T．R．Wilson），R．J．斯特拉特（R．J．Strutt），F(xiàn)．W．阿斯頓（F．W．Aston），G．I．泰勒（G．I．Taylor），以及兒子G．P．湯姆遜（G．P．Thomson），都是湯姆遜的學生，他們都成了著名的科學家。在他的學生中，有九位獲得了諾貝爾獎金。湯姆遜對自己的學生要求非常嚴格，他要求學生在開始做研究之前，必須學好所需要的實驗技術(shù)。進行研究所用的儀器全要自己動手制作。他認為大學應(yīng)是培養(yǎng)會思考、有獨立工作能力的人才的場所，不是用“現(xiàn)成的機器”投影造成出“死的成品”的工廠。因此，他堅持不讓學生使用現(xiàn)成的儀器，他要求學生不僅是實驗的觀察者，更是做實驗的創(chuàng)造者。湯姆生的著作很多。如《電與磁的現(xiàn)代研究》、《電與磁數(shù)學基本理論》等。在他成名之后，好多國家邀他去講學，但他從不輕易應(yīng)允。如美國著名的普林斯頓大學曾幾度請他去講學，最后他才答應(yīng)去講六個小時。他講授的內(nèi)容相當重要，對核物理有一定的價值。這足以說明他治學十分嚴謹，不講則已，講則要有新的創(chuàng)見。倫琴由于他宣布了“一種新的射線”和表演了他的射線所能做的事情而使世界感到震驚。

1940年8月30日，湯姆遜逝世于劍橋。他的骨灰被安葬在西敏寺的中央，與牛頓、達爾文、開爾文等偉大科學家的骨灰安放在一起。

重大貢獻

約瑟夫·約翰·湯姆遜以其對電子和同位素的實驗著稱。他是第三任卡文迪許實驗室主任。一幅他正在研究陰極射線管的肖像掛在實驗室的麥克斯韋講演廳里。看上去，他不善于具體操作，但對儀器工作原理的理解卻是非常敏捷的。

J．J．湯姆遜聽過一些麥克斯韋的講課，而且正是在作為卡文迪許教授的麥克斯韋的繼任者瑞利勛爵的指導下，湯姆遜完成了幾篇理論性論文，1884年，瑞利按照他原來的許諾（只擔任五年）辭去了卡文迪許教授職務(wù)。湯姆遜申請這個職位，他述說：“沒有認真考慮過這項工作和所要負的責任”就申請了。他只有28歲，沒有想到會當選，但出乎他的意料，他當選了。這些選舉人要么非常走運要么是非常有遠見的。湯姆遜說：“我覺得自己像一個釣魚的人，用一只輕巧的釣魚具，在一個意想不到的地方拋出了一線釣絲，釣到了一條魚，這條魚太重而使這個釣魚的人不能把它吊到岸上來。我覺得接替一位像瑞利勛爵這樣享有盛名的人是困難的。”值得注意的是，他不提麥克斯韋，雖然在另外的地方湯姆遜談到了關(guān)于第一任卡文迪許教授的委任（1871年2月）：

劍橋大學

據(jù)信學校首先同威廉·湯姆遜爵士（后來的開耳芬勛爵）商談，然后同偉大的德國物理學家與生物學家馮·亥姆霍茲商議，但他們都認為無法接受這個職位。在麥克斯韋當選時，他的工作只為很少的人了解，他對物理學至高無上的貢獻——電磁場理論——的真實性仍是一個懸而未決的問題。湯姆遜著手更新實驗室，引進新的教授法，創(chuàng)立了一個極為成功的研究學派。接二連三的新發(fā)現(xiàn)像潮水般地從卡文迪許實驗室涌出：電子，云霧室，關(guān)于放射性的早期重要工作以及同位素，是這些最精彩的盧瑟福，C．T．R．威爾遜（C．T．R．Wilson），R．J．斯特拉特（R．J．Strutt，瑞利勛爵的兒子），J．S．E．湯森（J．S．E．Townsend），C．G．巴克拉（C．G．Barkla），O．W．里查生（O．W．Richardson），F(xiàn)．W．阿斯頓（F．W．Aston），G．I．泰勒（G．I．Taylor），以及G．P．湯姆遜（G．P．Thomson），都是他的學生，他們都成了著名的科學家。

倫琴的X射線的發(fā)現(xiàn)使氣體電離有了一種新方法，提供了對氣體離子行為的一種新的洞察能力。湯姆遜開始了那個方向的研究工作，這導致了對自由電子的研究。

在1897年，湯姆遜證實了陰極射線的微粒性，測量了粒子的速度和荷質(zhì)比。湯姆遜在他的實驗中使用的二個管子，射線從管中左邊的陰極A發(fā)出，通過陽極B的一條縫進入第二個管子，可以用一磁鐵使射線偏轉(zhuǎn)而進入一種法拉第籠。收集到的電荷是負的。因此證明了陰極射線是帶負電的粒子。類似的實驗已被J佩蘭在法國做過。在一個第二種類型的管子中，C所產(chǎn)生的陰極射線穿過接地的縫A和B，形成了一束狹窄的射線直射到管子的另一端。射線擊中管子的電燈泡狀端面的地方會有一小塊磷光亮斑顯現(xiàn)出來。

劍橋大學

當湯姆遜將兩塊金屬板E和D與電池的兩端連結(jié)起來時，磷光斑移動了，證明了陰極射線被電場偏轉(zhuǎn)。用一個與電場垂直的磁場，于是他能夠用磁學的辦法將射線偏轉(zhuǎn)。磁偏轉(zhuǎn)在以前曾被觀察到過，但是，J．J．湯姆遜是第一個觀察到電偏轉(zhuǎn)的人。明顯地缺少了陰極射線的電偏轉(zhuǎn)，這是促使J．J．湯姆遜進行這項研究的首要因素。為什么在陰極射線被研究的幾十年中沒有人發(fā)現(xiàn)過電的偏轉(zhuǎn)？原因是簡單的：除非在陰極射線管里有一個好的真空，否則就建立不起電場。低真空是電導體，其中，靜電場建立不起來。但是湯姆遜成功了，不僅用如圖1．6的裝置而且用其他兩個裝置也成功了。1897年8月，他描述了“為了檢驗荷電粒子的理論”所做的實驗，將他的測量結(jié)果應(yīng)用到確定組成陰極射線的粒子的荷質(zhì)比上去。從同樣的實驗中，他也導出了粒子的速度。這里是他的推理的一個摘要：由一給定電流攜帶的總電量Q等于它所有的粒子數(shù)N乘每一個粒子的電荷e：

Ne=Q

然后，通過測量產(chǎn)生的熱的辦法來測量由粒子所傳輸?shù)哪芰縒，這個值必須等于質(zhì)量為m、速度為v的這些粒子的動能

1/2Nmυ2=W

用磁學辦法使粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，他知道：

mv/e=Bp

這里p是軌道的曲率半徑，B是磁場。因為能量，電量，磁場和曲率半徑是可測量的，他能推論出

e/m=2W/(Q2B2p2)

具有值2.3×10（靜電單位電量/克），遠大于電解法中離子的荷質(zhì)比e/m。

在他1897年的文章中，湯姆遜敘述了另一個令人注意的觀察結(jié)果：構(gòu)成陰極射線的微粒都是一樣的，與管內(nèi)陰極或?qū)﹃帢O或氣體的成分無關(guān)。這里有一個所有物質(zhì)的普適成分。

稍后，在1899年，他使用他過去的學生C．T．R．威爾遜發(fā)展起來的技術(shù)和思想，分別測量了電子的電荷和質(zhì)量。威爾遜已經(jīng)注意到在適宜的環(huán)境下，電荷起著過飽和蒸汽的凝結(jié)核的作用。因為水會在它們上面冷凝，這有助于霧的形成。在這樣一種由于電荷的存在而形成的霧里，人們可以根據(jù)小霧滴下落的速度而計量它們的體積，從沉淀的水的總量或根據(jù)最初的過飽和汽算出它們的數(shù)目。根據(jù)這個數(shù)據(jù)可以得到霧中所有的小滴子數(shù)。根據(jù)由霧所傳輸?shù)目傠姾桑ㄟ@是直接可測的）可以發(fā)現(xiàn)平均每一個小滴上的電荷與電子電荷相同。在卡文迪許實驗室做的這項工作，得到的電子電荷大約為3×10絕對靜電單位。根據(jù)測量到的e/m值可以求得電子質(zhì)量。

卡文迪許實驗室

這個“落滴”法后來被R．A．密立根（R A Millikan)（1910）在美國加以改進。他不觀察霧，而觀察單個的微滴；他將此法變革為一個精確的方法，得到值為4.78×10esu的電子電荷。許多年以來，這一直是一個最好的直接測量值。然而在1929年，出乎每個人的意料，發(fā)現(xiàn)它竟然有百分之一的誤差，比估計可能有的誤差大得多。這個差異的起源在于對空氣粘滯性的測量有毛病。今天所知的電子電荷值精確度為百萬分之三，即4.803242×10esu；已知的精確度為百萬分之六的e/m是5.272764×10esu/g。

倫琴，由于他宣布了“一種新的射線”和表演了他的射線所能做的事情而使世界感到震驚。

電子概述

電子

電子是一種基本粒子，重量為質(zhì)子的1/1836。電子圍繞原子核做高速運動。電子通常排列在各個能量層上。當原子互相結(jié)合成為分子時，在最外層的電子便會由一原子移至另一原子或成為彼此共享的電子。這是由愛爾蘭物理學家喬治·丁·斯通尼于1891年根據(jù)電的electric+-on“子”造的字，電子屬于亞原子粒子中的輕子類。輕子被認為是構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子之一，即其無法被分解為更小的粒子。它帶有1/2自旋，即又是一種費米子（按照費米—狄拉克統(tǒng)計）。

電子所帶電荷為e=1.6×10的-19次方庫侖，質(zhì)量為9.10×10kg（0.51MeV/c2）。通常被表示為e。電子的反粒子是正電子，它帶有與電子相同的質(zhì)量，自旋和等量的正電荷。物質(zhì)的基本構(gòu)成單位——原子是由電子、中子和質(zhì)子三者共同組成。相對于中子和質(zhì)子組成的原子核，電子的質(zhì)量極小。質(zhì)子的質(zhì)量大約是電子的1840倍。當電子脫離原子核束縛在其它原子中自由移動時，其產(chǎn)生的凈流動現(xiàn)象稱為電流。靜電是指當物體帶有的電子多于或少于原子核的電量，導致正負電量不平衡的情況。當電子過剩時，稱為物體帶負電；而電子不足時，稱為物體帶正電。當正負電量平衡時，則稱物體是電中性的。靜電在我們?nèi)粘Ｉ钪杏泻芏鄳?yīng)用方法，其中例子有噴墨打印機。

電子是在1897年由劍橋大學的卡文迪許實驗室的約瑟夫·湯姆遜在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)的。在都只能在核外摸索摸索，它被歸于叫做輕子的低質(zhì)量物質(zhì)粒子族，被設(shè)成具有負值的單位電荷。電子塊頭小重量輕（比μ介子還輕205倍），被歸在亞原子粒子中的輕子類。輕子是物質(zhì)被劃分的作為基本粒子的一類。電子帶有1/2自旋，滿足費米子的條件（按照費米—狄拉克統(tǒng)計）。電子在原子內(nèi)做饒核運動，能量越大距核運動的軌跡越遠，有電子運動的空間叫電子層。第一層最多可有2個電子，第二層最多可以有8個，第n層最多可容納2n個電子，最外層最多容納8個電子，最后一層的電子數(shù)量決定物質(zhì)的化學性質(zhì)是否活潑，1、2電子為金屬元素，3、4、5、6、7為非金屬元素，8為稀有氣體元素。物質(zhì)的電子可以失去也可以得到，物質(zhì)具有得電子的性質(zhì)叫做氧化性，該物質(zhì)為氧化劑；物質(zhì)具有失電子的性質(zhì)叫做還原性，該物質(zhì)為還原劑。物質(zhì)氧化性或還原性的強弱由得失電子難易決定，與得失電子多少無關(guān)。

人物關(guān)系

喬治·佩吉特·湯姆森

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