【种花家务·物理】4-8-01电子的发现『数理化自学丛书6677版』

【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』，此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版，并于1977年正式再版的基础自学教材，本系列丛书共包含17本，层次大致相当于如今的初高中水平，其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材，很多概念已经与如今迥异，因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我写的注解。

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版，即80年代的改开版，改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容，直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版，首先是因为6677版保留了很多古早知识，让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小，即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材，不该被埋没在故纸堆中，是故才打算利用业余时间，将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。 

第八章原子的结构

【山话||  本系列专栏中的力单位达因等于10⁻⁵牛顿；功的单位尔格等于10⁻⁷焦耳；热量的单位卡路里等于4.186焦耳；电荷的单位静库（1库伦=3×10⁹静库）；电势的单位静伏等于300伏特。另外这套老教材中力的单位常用公斤、克等，但如今是不允许的，力是不能使用质量单位的。】 

§8-1电子的发现

【01】早在古代的希腊和罗马就已经有了原子论的萌芽。古希腊的著名思想家德莫吉利特，在公元前 420 年左右曾经说过：“自然界中无穷多的事物，只是由很少几组相同的原子构成的，它们占据着空间不同的位置和作着各种不同的运动。”但是由于缺乏实验证据，还不能正式成为一种系统的学说，所以后来，这种古代原子论者的思想就长期地被人们遗忘了。

【02】直到十九世纪初，英国学者道尔顿根据物质在化学变化中所表现出来的性质，正式提出了原子-分子学说。他认为一切元素都是由一些极为微小的粒子——原子构成的，原子是物质存在的最小单元，是不可分割的【原子atoms在希腊文中是不可分割的意思】。每一种元素都有一种和它相对应的原子。同种元素的原子具有相同的性质，例如它们的形状、大小和质量等都是相同的；不同元素原子的性质各不相同。由这些原子的互相结合可以构成无穷多种分子，其中每一个分子都是由一种或几种原子在一定的比例下彼此结合而成的。

【03】到了十九世纪末叶和二十世纪初期，由于电气工业的发展，促进了对电现象的研究，科学家们先后发现了电子、X 射线和放射性元素。这不仅证实了原子的存在，而且还表明，原子的结构十分复杂，它并不是不可分割的。

【04】原子物理学就是研究各种原子复杂结构的一门学科。由于原子是构成物质的基本单元，物质的一切特性都是和原子的结构分不开的，因此要想彻底了解物质的特性，首先必须对原子结构有所了解。此外，我们还知道，在这些渺小的原子中却蕴藏着极大的能量，它是现今所知道的最大的能源，要想利用它，也必须先了解原子的结构。

【05】下面我们就来看看，原子的复杂结构是怎样被发现的。

【06】在没有讨论阴极射线以前，先介绍一下稀薄气体中的放电现象。

【07】我们知道，在一般情况下，气体是不导电的，即是很好的绝缘体。但是如果外来的作用使气体分子本身电离，那么气体就导电了。例如用点燃的火柴靠近带电的验电器，验电器上的金箔就会下垂，表示验电器上的电荷通过空气跑掉了；又如在紫外线或伦琴射线的照射下，气体也能因电离而导电。象这种只有当使气体电离的作用存在时才发生气体放电的现象叫做被激放电。

【08】此外，实验表明，在相当强的电场作用下，即使没有任何外来的使气体电离的作用，气体也会发生放电现象。例如电闪就是在云间或云和地间存在着很强的电场时大气中所发生的火花放电现象。象这种单靠电场的作用而发生的气体放电现象叫做自激放电。实验还表明，气体自激放电需要多大的电场强度是跟气体本身的性质以及气体的压强有关的。一般说来，在稀薄气体中发生自激放电现象所需要的电场强度较小。

【09】图8·1所示的就是一个专门用来研究气体自激放电的装置。其主要部分就是一根两端封闭的长玻璃管；管的下端与真空泵相通，这主要是为了控制管内气体的压强；管旁还有一个压强计，我们可以随时读出管内气体的压强。由于两电极间的距离是固定不变的，因此可以根据伏特计读数测出管内的电场强度。

【10】实验前，先把两电极跟高压电源连接起来，（跟起电机的放电球连起来，或者跟感应线圈副线圈的两端连起来）假设管内空气的压强等于 1 个大气压，那么只有当两极间的电场强度增大到 30,000 伏特/厘米时，管内才会产生猛烈的火花放电。如果切断电源，用真空泵抽去管内的部分空气，再重复上述实验，就会发现，当电极间的距离不变时，空气自激放电所需要的电压将随着管内气压的降低而减小，这也就是说，管内空气越稀薄，越容易产生自激放电现象。但是当空气的压强降低到 2 毫米高水银柱以下时，自激放电所需要的电压反而随压强的降低而增大，并且放电的性质也有所改变。这一关系可以用图8·2上的曲线表示。

【11】为什么在相当强的电场作用下气体会产生自激放电现象呢？这可以用电离学说来解释。我们知道，在气体中总有一些带电的离子存在，随着电场强度的增强，气体离子运动的速度也逐渐增大，因而它的动能也就增大了。当电极间的电场强度超过一定大小时，某些离子就可以获得足够大的动能，在和中性分子碰撞时使气体分子电离。继续增大电场强度，能使中性分子电离的离子数也跟着增加，这样一来，由于一个离子的运动就可以产生很多的离子，而且产生得非常迅速，终于使全部气体电离而发生放电现象。由此可见，在电极间存在的强电场本身就具备了使气体放电的必要条件。

【12】又为什么管内气体越稀薄，就越容易产生自激放电现象呢？原来离子的动能不仅随电场强度的增加而增加，而且随离子的自由路程的增大而增大【分子或离子在连续两次跟其他分子碰撞间所通过的直线距离叫做分子或离子的自由路程】。因为离子在电场力作用下运动的加速度是一定的，自由路程越长，到达终点时的速度就越大，它所获得的动能也就越大。这样即使管内的电场强度较小，离子所受到的电场力较小，只要自由路程足够长，离子也可以获得足以撞开中性分子使它电离的动能。管内气体越稀薄，离子运动的自由路程就越长，因此产生自激放电现象所需要的电场强度也就越小，也就是说越容易产生自激放电现象。

【13】但是上述规律是具有一定限度的。如果我们把管内的气压降低到 2 毫米高水银柱以下，则放电的性质改变了，这时增大两极间的电压，管内就会出现一条跨越两极的光带；它随着管内气压下降而变粗，继而充满全管，使整个放电管发出美丽的紫色光辉。霓虹灯就是利用这一现象设置而成的。【霓虹灯原来是指在高电压低气压的情况下会发出红光的装有氖气的放电管，后来把凡是能发出彩色光的放电管都叫做霓虹灯，其实放电管发出光辉的颜色主要决定于管内气体的性质，例如管内充以空气就发紫光，充以氦气就发黄光，充以水银蒸汽就发蓝光。此外它还跟玻璃管本身的颜色有关，如在用黄色玻璃制成的放电管内装上水银蒸汽就发绿光。】

【14】继续降低管内气压到 0.1 毫米高水银柱以下，管内气体发光的现象就完全消失；如果把管内气压降低到 10⁻³ 毫米高水银柱以下（这种玻璃管叫做克鲁克斯管），那么在对着阴极的玻璃管壁有绿色的荧光出现。

【15】为了研究玻璃管壁所发出的绿色荧光是从哪里来的，我们可以把克鲁克斯管内的阳极制成五角星形，在通电后，对着阴极的玻璃管壁并不全部发光，而出现了和阳极形状相同的较大的阴影（图8·3）。这就表明管壁发光是由于受到从阴极发出的一种射线照射的结果，我们把这种射线叫做阴极射线；这种放电管叫做阴极射线管。

【16】阴极射线是属于哪一种性质的射线呢？如果在阴极射线管内装上一个象风车似的小叶轮，就会发现，小叶轮在阴极射线的推动下旋转起来（图8·4），它表明阴极射线是一股微粒流。进一步的实验还发现，阴极射线在电场和磁场里都会发生偏转，如果在阴极射线管内沿着射线的方向装上一块荧光屏【荧光屏是涂有发光物质的屏，在阴极射线、X 射线或紫外光的照射下会发出荧光。通常用的发光物质是含有微量锰杂质的硅化锌，它在上述射线的照射下会发出绿色的荧光，此外钨化钙也是常用的发光物质，它在阴极射线的照射下会发出蓝色的荧光。严格说来，荧光是指在射线停止照射后只能维持相当短的时间（约 10⁻¹ 秒）的发光现象，如果它能保持相当长的时间（几秒甚至几小时），那就叫做磷光。影响发光性质的因素很多，其中最重要的是杂质的影响，有些发光物质在很纯净的时侯不发光，只有在加入微量的杂质后才能发光；而发光的颜色也跟杂质的性质有关，例如在硫化锌中加入微量的银杂质时发蓝光，加入铜时发绿光，加入锰时发橙色光】，射线的偏转情况就能看得十分清楚。图8·5所示的是阴极射线在磁场里发生偏转的情况；图8·6是阴极射线在电场中发生偏转的情况。根据阴极射线在磁场和电场中的偏转情况，可以肯定阴极射线是带负电荷的微粒流，这种带电微粒就叫做电子。

【17】英国物理学家汤姆逊在对阴极射线作了仔细研究后，于1897年指出，用不同物质作阴极都能产生阴极射线；一切阴极射线都具有相同的性质。他还根据阴极射线在电场和磁场中的偏转程度，测出电子的荷质比以及它的速度【带电微粒的电荷跟它的质量之比 q/m 叫做这种带电微粒的荷质比】，并且指出电子的荷质比是个常数，而电子的速度跟加在阴极射线管两极上的电压有关：所加的电压越高，电子的速度就越大。

【18】进一步的实验还表明，阴极射线在通过气体时，可以使气体电离，并使气体发出微光；阴极射线射到照象底片上可以引起化学作用；此外，它还可以引起一种特殊的射线，即伦琴射线（X 射线）。

【19】既然用任何物质作阴极都能产生阴极射线，这就表明任何元素的原子中都有电子存在，即原子并不是组成物质的最小单元，并且原子并不是不可分割的。

例1.已知汤姆逊所测得的电子的荷质比 e/m＝1.759×10¹¹ 库仑/公斤；后来经过实验又直接测出电子所带的电量 e＝1.602×10⁻¹⁹ 库仑。试根据这些数据计算电子的质量，并且跟氢原子的质量进行比较。

【汤姆逊测得的电子的荷质比很大，比当时（1897年）认为最大的氢离子的荷质比还要大2000倍左右。由于当时人们以为原子是组成物质存在的最小单元，因此很多科学家都认为电子具有跟最轻的原子——氢原子一样的质量，而所带的电荷却相当于氢离子所带的电荷（基本电荷）的2000倍。但是汤姆逊指出电子所带的电荷不可能有这么大，电子的荷质比大是因为它的质量只有氢原子的 1/2000 的缘故。这一论断不久就被其他实验所证实。】

【解】

        ∵ 电子所带的电荷 e＝1.602×10⁻¹⁹ 库仑，而电子的荷质比 e/m＝1.759×10¹¹ 库仑/公斤，∴ 电子的质量 。

        在第二册中，我们已经学过用原子量和阿伏加德罗常数计算原子质量的方法。根据氢的原子量为 1.008 可知 1 克原子氢的质量为1.008克，∴ 氢原子的质量 。

        比较氢原子和电子的质量可知 ，即电子的质量大约是最轻的原子——氢原子质量的  。