著名的英国物理学家、电子发现者约瑟夫·约翰·汤姆逊出生
刀鱼
2016-12-08
1856年12月18日著名的英国物理学家，电子发现者约瑟夫·约翰·汤姆逊出生。
约瑟夫·约翰·汤姆逊（Thomson，Joseph John；1856年—1940年），著名的英国物理学家，以其对电子和同位素的实验著称。他是第三任卡文迪许实验室主任。一幅他正在研究阴极射线管的肖像挂在实验室的麦克斯韦讲演厅里。
约瑟夫·约翰·汤姆逊以其对电子和同位素的实验著称。他是第三任卡文迪许实验室主任。一幅他正在研究阴极射线管的肖像挂在实验室的麦克斯韦讲演厅里。看上去，他不善于具体操作，但对仪器工作原理的理解却是非常敏捷的。
J．J．汤姆逊听过一些麦克斯韦的讲课，而且正是在作为卡文迪许教授的麦克斯韦的继任者瑞利勋爵的指导下，汤姆逊完成了几篇理论性论文，1884年，瑞利按照他原来的许诺（只担任五年）辞去了卡文迪许教授职务。汤姆逊申请这个职位，他述说：“没有认真考虑过这项工作和所要负的责任”就申请了。他只有28岁，没有想到会当选，但出乎他的意料，他当选了。这些选举人要么非常走运要么是非常有远见的。汤姆逊说：“我觉得自己像一个钓鱼的人，用一只轻巧的钓鱼具，在一个意想不到的地方抛出了一线钓丝，钓到了一条鱼，这条鱼太重而使这个钓鱼的人不能把它吊到岸上来。我觉得接替一位像瑞利勋爵这样享有盛名的人是困难的。”值得注意的是，他不提麦克斯韦，虽然在另外的地方汤姆逊谈到了关于第一任卡文迪许教授的委任（1871年2月）：
据信学校首先同威廉·汤姆逊爵士（后来的开耳芬勋爵）商谈，然后同伟大的德国物理学家与生物学家冯·亥姆霍兹商议，但他们都认为无法接受这个职位。在麦克斯韦当选时，他的工作只为很少的人了解，他对物理学至高无上的贡献——电磁场理论——的真实性仍是一个悬而未决的问题。汤姆逊着手更新实验室，引进新的教授法，创立了一个极为成功的研究学派。接二连三的新发现像潮水般地从卡文迪许实验室涌出：电子，云雾室，关于放射性的早期重要工作以及同位素，是这些最精彩的卢瑟福，C．T．R．威尔逊（C．T．R．Wilson），R．J．斯特拉特（R．J．Strutt，瑞利勋爵的儿子），J．S．E．汤森（J．S．E．Townsend），C．G．巴克拉（C．G．Barkla），O．W．里查生（O．W．Richardson），F．W．阿斯顿（F．W．Aston），G．I．泰勒（G．I．Taylor），以及G．P．汤姆逊（G．P．Thomson），都是他的学生，他们都成了著名的科学家。
伦琴的X射线的发现使气体电离有了一种新方法，提供了对气体离子行为的一种新的洞察能力。汤姆逊开始了那个方向的研究工作，这导致了对自由电子的研究。
在1897年，汤姆逊证实了阴极射线的微粒性，测量了粒子的速度和荷质比。汤姆逊在他的实验中使用的二个管子，射线从管中左边的阴极A发出，通过阳极B的一条缝进入第二个管子，可以用一磁铁使射线偏转而进入一种法拉第笼。收集到的电荷是负的。因此证明了阴极射线是带负电的粒子。类似的实验已被J佩兰在法国做过。在一个第二种类型的管子中，C所产生的阴极射线穿过接地的缝A和B，形成了一束狭窄的射线直射到管子的另一端。射线击中管子的电灯泡状端面的地方会有一小块磷光亮斑显现出来。
当汤姆逊将两块金属板E和D与电池的两端连结起来时，磷光斑移动了，证明了阴极射线被电场偏转。用一个与电场垂直的磁场，于是他能够用磁学的办法将射线偏转。磁偏转在以前曾被观察到过，但是，J．J．汤姆逊是第一个观察到电偏转的人。明显地缺少了阴极射线的电偏转，这是促使J．J．汤姆逊进行这项研究的首要因素。为什么在阴极射线被研究的几十年中没有人发现过电的偏转？原因是简单的：除非在阴极射线管里有一个好的真空，否则就建立不起电场。低真空是电导体，其中，静电场建立不起来。但是汤姆逊成功了，不仅用如图1．6的装置而且用其他两个装置也成功了。1897年8月，他描述了“为了检验荷电粒子的理论”所做的实验，将他的测量结果应用到确定组成阴极射线的粒子的荷质比上去。从同样的实验中，他也导出了粒子的速度。这里是他的推理的一个摘要：由一给定电流携带的总电量Q等于它所有的粒子数N乘每一个粒子的电荷e：
Ne=Q
然后，通过测量产生的热的办法来测量由粒子所传输的能量W，这个值必须等于质量为m、速度为v的这些粒子的动能
1/2Nmυ²=W
用磁学办法使粒子发生偏转，他知道：
mv/e=Bp
这里p是轨道的曲率半径，B是磁场。因为能量，电量，磁场和曲率半径是可测量的，他能推论出
e/m=2W/(Q²B²p²)
具有值2.3×1017（静电单位电量/克），远大于电解法中离子的荷质比e/m。
在他1897年的文章中，汤姆逊叙述了另一个令人注意的观察结果：构成阴极射线的微粒都是一样的，与管内阴极或对阴极或气体的成分无关。这里有一个所有物质的普适成分。
稍后，在1899年，他使用他过去的学生C．T．R．威尔逊发展起来的技术和思想，分别测量了电子的电荷和质量。威尔逊已经注意到在适宜的环境下，电荷起着过饱和蒸汽的凝结核的作用。因为水会在它们上面冷凝，这有助于雾的形成。在这样一种由于电荷的存在而形成的雾里，人们可以根据小雾滴下落的速度而计量它们的体积，从沉淀的水的总量或根据最初的过饱和汽算出它们的数目。根据这个数据可以得到雾中所有的小滴子数。根据由雾所传输的总电荷（这是直接可测的）可以发现平均每一个小滴上的电荷与电子电荷相同。在卡文迪许实验室做的这项工作，得到的电子电荷大约为3×10-10绝对静电单位。根据测量到的e/m值可以求得电子质量。
这个“落滴”法后来被R．A．密立根（R A Millikan)（1910）在美国加以改进。他不观察雾，而观察单个的微滴；他将此法变革为一个精确的方法，得到值为4.78×10-10esu的电子电荷。许多年以来，这一直是一个最好的直接测量值。然而在1929年，出乎每个人的意料，发现它竟然有百分之一的误差，比估计可能有的误差大得多。这个差异的起源在于对空气粘滞性的测量有毛病。今天所知的电子电荷值精确度为百万分之三，即4.803242×10-10esu；已知的精确度为百万分之六的e/m是5.272764×10-17esu/g。
伦琴，由于他宣布了“一种新的射线”和表演了他的射线所能做的事情而使世界感到震惊。
