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电子诞生背后的故事

2022-11-25 21:14:50 1075

摘要:来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank)编译自IEEE,谢谢。1897 年 4 月 30 日,物理学家 JJ 汤姆森在伦敦皇家学院的一次演讲中宣布:“我们将这种粒子称为微粒(corpuscles)。”“普通元素的原子由微粒和空穴(h...

来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank)编译自IEEE,谢谢。

1897 年 4 月 30 日,物理学家 JJ 汤姆森在伦敦皇家学院的一次演讲中宣布:“我们将这种粒子称为微粒(corpuscles)。”“普通元素的原子由微粒和空穴(holes)组成,空穴占主导地位。”他继续说。汤姆森描述了他用阴极射线进行的实验,以验证这些亚原子微粒的存在。这种原子模型被称为“plum pudding”模型,得名于流行的英式甜点。

在汤姆森的类比中,带负电荷的微粒就像悬浮在带正电荷的蛋糕中的葡萄干,产生中性原子。该模型也被称为 Thomson 模型,尽管它的主要支持者是 William Thomson(开尔文勋爵),而不是 JJ Thomson,他只是支持这个想法。

The German physicist Karl Ferdinand Braun designed this cathode-ray vacuum tube to visually capture the oscillations in electrical circuits.

微粒和pudding 不是我们今天思考原子结构的方式。微粒是电子,1911 年,plum pudding模型让位于Ernest Rutherford的核模型。然而,根据 125 年前的那场演讲,JJ Thomson 经常被誉为电子的发现者。

当然,历史总是比这更混乱。

阴极射线、真空管和原子理论的诞生

在 19 世纪即将结束之际,许多著名的思想家认为科学领域的所有重大发现都已经取得了。电力正在被驯服,热力学理论正在合并以解释蒸汽机的工作原理。科学家们几乎不知道原子理论即将颠覆科学并改变我们对物质的基本理解。JJ Thomson 是建立这一物理学新方向的关键人物。

1876年,汤姆森获得奖学金进入剑桥大学三一学院学习,四年后他获得了数学学位。1884年,他被任命为卡文迪许实验物理学教授,开始了他对电磁学的终生研究。汤姆森的大部分研究都致力于了解阴极射线的性质。我们现在知道这些射线是从真空管的阴极(或负电极)射出的电子流。这是很多科学家数十年的调查结果,知识来之不易。

Exactly 125 years ago, the British physicist J.J. Thomson gave a lecture detailing his and others’ experiments with the energetic beams inside cathode-ray tubes.

这就引发了纯粹的科学问题——什么是阴极射线?——这也包含在国家认同中。许多德国物理学家认为,可见的阴极射线是与以太相互作用的结果——以太是一种无色、无重量的物质,包裹着整个空间。以太是历史学家所说的古典世界观的一部分,这是一种 19 世纪的物理学综合体,起源于亚里士多德和牛顿。与此同时,法国和英国的科学家开始争论阴极射线是带电的亚原子粒子。这不完全符合古典世界观,后者认为一切都是由不可变和不可分割的原子组成的。

对于他的实验,汤姆森依靠一种称为克鲁克斯管(Crookes tube )的专用真空管,他在其中观察和拍摄了各种现象,包括磁力对高频放电的影响压力。他还比较了管内和管外阴极射线携带的电荷的实验。

在汤姆森涉足阴极射线之前,业内已经进行了 200 多年的低真空球和管子的演示和实验。弗朗西斯·豪克斯比( Francis Hauksbee )等早期实验者只是试图弄清楚管内发生了什么,并被它们可以产生的不同颜色的光迷住了。在 1850 年代,事情变得更加严重,当时波恩大学的物理学家和数学家 Julius Plücker 和他的玻璃吹制同事 Heinrich Geissler 观察到高真空管玻璃上的绿色磷光是磁性的。当他们在阴极附近放置一块磁铁时,光线以类似于磁铁周围的铁屑的方式扩散开来。

Plücker 的学生 Johann Wilhelm Hittorf 展示了放置在阴极前面的物体在管的对面壁上投下阴影。Hittorf 的“辉光”(glow rays)开始了关于方向性的一系列研究,Eugen Goldstein 在 1870 年代开始研究这一方向,实验表明可以使用凹形阴极聚焦阴极射线。

似乎每个新玩家都对管子进行了轻微的修改。然后是威廉克鲁克斯。他设计了一系列用于研究阴极射线的真空管,并用他的真空管进行了精美的演示,在实验室中推广它们的使用,并使公众了解这项研究。当汤姆森开始进行导致他 4 月 30 日演讲的调查时,他使用了克鲁克斯管。

Karl Ferdinand Braun 如何制定示波器的基础知识

在汤姆森演讲之前的几年里,盖斯勒管(Geissler tubes)、普吕克管(Plücker tubes)、希托夫管(Hittorf tubes)和克鲁克斯管( Crookes tubes )充满了实验室和演讲厅。它们大多用于显示阴极射线放电在不同磷光表面上的多彩效果,没有任何明确的实际应用。

然后,威廉·伦琴注意到了一些不寻常的事情。尽管他使用的克鲁克斯管被包裹在黑色硬纸板中,但整个房间的磷光屏幕开始发光。这导致他在 1895 年宣布他发现了 X 射线。这一发现掀起了新一轮的阴极射线实验。

受伦琴工作启发的一位科学家是 Karl Ferdinand Braun。Braun1872 年从柏林大学毕业,并获得了博士学位。他的主要工作时研究弦和弹性杆的振动(oscillations of strings and elastic rods),接下来的 20 年,他在马尔堡、卡尔斯鲁厄和蒂宾根大学担任不同职位。在伦琴被发现的时候,Braun是斯特拉斯堡物理研究所的所长。根据历史学家乔治·希尔斯(George Shiers)的说法,在他 1974 年为《科学美国人》撰写的文章“Karl Ferdinand Braun和阴极射线管”中,Braun与许多 Röntgen 爱好者的不同之处在于,他对 X 射线的来源比对 X 射线的应用更感兴趣。

Braun寻求一种新型仪器,可以直观地捕捉电路中的振荡和瞬态现象。简而言之,他想绘制交流电图,这将成为示波器的先驱。他指示他的乐器制造商弗朗茨·穆勒 (Franz Müller) 修改克鲁克斯管,在其中间添加一个限制性隔膜。隔膜聚焦阴极射线的细光束。一块涂有荧光粉的云母用作观察屏。管外的线圈使阴极射线束与磁场成直角偏转。因为光束几乎立即对电压或电流的变化做出反应,它可以用来在屏幕上追踪这些图案。Braun 在Annalen der Physik上发表了对他的管子的描述,包括一张日期为1897 年 2 月的图表,这比汤姆森演讲早 10 周。

在 Karl Ferdinand Braun 的阴极射线管指示器中,电压被施加到阳极 (A) 和阴极 (K),导致从阴极发射出带负电的光束。隔膜 (C) 将光束聚焦,然后撞击另一端的荧光涂层屏幕 (D)。

如果汤姆森在 4 月 30 日的演讲中知道布劳恩的工作,然而他没有提及。汤姆森也没有选择用一个已经在使用的名称来称呼他的亚原子粒子:电子。1874 年,爱尔兰物理学家George Johnstone Stoney 为未知的亚原子粒子提出了电子的这个称号,后来在 1891 年将其改为电子。Stoney还估计了电子的电荷(结果非常接近现代值),他感到沮丧的是Hermann von Helmholtz 一直因这一发现而受到赞誉。

汤姆森在追溯阴极射线实验的历史和命名为他的工作奠定基础的科学家和仪器制造商方面做得很好。(汤姆森演讲的正文发表在 1897 年 5 月 21 日的《电工》杂志上。)只有在演讲的最后一部分,他才提出了他的微粒假设并描述了他测量微粒质量与其质量之比的实验。收费。但他没有对电子的发现做出明确的陈述。相反,他最后只是简单地指出,该比率与荷兰物理学家彼得·塞曼( Pieter Zeeman)前一年在钠光磁场实验中推断的值相同。

Zeeman发现,当一种元素在强磁场的存在下燃烧时,谱线会分裂成规则的图案。今天我们将“塞曼效应”理解为电子自旋的结果,但电子尚未被发现。然而,塞曼的主管亨德里克·洛伦兹已经推断出原子可能由带电粒子组成。塞曼和洛伦兹因这项工作获得了 1902 年的诺贝尔奖。

不同的发现理论

然后谁发现了电子?Braun的发明和汤姆森的发现都建立在众多科学家和仪器制造商数十年的工作之上,因此将功劳归于一个人似乎是不公平的。不过,的确,Braun从未为他的发明申请专利,也没有做太多的推广工作。到 1897 年底,他放弃了对阴极射线的研究,转而从事无线电报,为此他与古列尔莫·马可尼(Guglielmo Marconi)于 1909 年分享了诺贝尔物理学奖。Braun的 CRT 在他的一生中并没有看到太多的作用,但在 20 世纪下半叶,这个设计的修改版主宰了电视机和电脑显示器,而Braun被誉为其最初的发明者。

与此同时,汤姆森在他的微粒理论上加倍努力,于 1906 年获得了诺贝尔奖。而且,尽管他支持的plum pudding模型在几年后失败了,但汤姆森是 125 年后公认的电子发现者。

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