19—20世纪之交物理学的新发现和物理学革命

19—20世纪之交物理学的新发现和物理学革命

§5.1 历史概述

19世纪末，物理学已经有了相当的发展，几个主要部门——力学、热力学和分子运动论、电磁学以及光学，都已经建立了完整的理论体系，在应用上也取得了巨大成果。这时物理学家普遍认为，物理学已经发展到顶，伟大的发现不会再有了，以后的任务无非是在细节上作些补充和修正，使常数测得更精确而已。

然而，正在这个时候，从实验上陆续出现了一系列重大发现，打破了沉闷的空气，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现代物理学革命的序幕。从伦琴发现X射线的1895年开始，到1905年爱因斯坦发表三篇著名论文为止，在这10年左右世纪之交的年代里，具有重大意义的实验发现如下页表。

这一系列的发现集中在世纪之交的年代里不是偶然的，是生产和技术发展的必然产物。特别是电力工业的发展，电气照明开始广泛应用，促使科学家研究气体放电和真空技术，才有可能发现阴极射线，从而导致了X射线和电子的发现，而X射线一旦发现，立即取得了广泛应用，又掀起了人们研究物理学的热潮。所以，随着X射线的发现而迅速展开的这一场物理学革命，有其深刻的社会背景和历史渊源。本章将分三个方面介绍与物理学革命关系最密切的一些实验发现。

§5.2 X射线和电子的发现

X射线、放射性和电子是世纪之交的三大发现。由于电子的发现直接与阴极射线的研究有关，我们先讲这件事。放射性的发现打开了核物理学的大门，因此留到第十一章再讲。

5.2.1 电子的发现

阴极射线是低压气体放电过程出现的一种奇特现象。早在1858年就由德国物理学家普吕克尔（JuliusPlücker，1801—1868）在观察放电管中的放电现象时发现。当时他看到正对阴极的管壁发出绿色的荧光。1876年，另一位德国物理学家哥尔茨坦（Eügen Goldstein， 1850—1930）认为这是从阴极发出的某种射线，并命名为阴极射线。他根据这一射线会引起化学作用的性质，判断它是类似于紫外线的以太波。这一观点后来得到了赫兹等人的支持。赫兹在1887年曾发现电磁波，就把阴极射线看成是电磁辐射，实际上和哥尔茨坦的主张是一样的。这样就形成了以太说。赞成以太说的大多是德国人。

1871年，英国物理学家瓦尔利（C.F.Varley，1828—1883）从阴极射线在磁场中受到偏转的事实，提出这一射线是由带负电的物质微粒组成的设想。他的主张得到本国人克鲁克斯（WilliamCrookes，1832—1919）和舒斯特的赞同。于是在19世纪的后30年，形成了两种对立的观点：德国学派主张以太说，英国学派主张带电微粒说。双方争持不下，谁也说服不了谁。为了找到有利于自己观点的证据，双方都做了许多实验。克鲁克斯证实阴极射线不但能传递能量，还能传递动量。他认为阴极射线是由于残余气体分子撞到阴极，因而带上了负电，又在电场中运动形成“分子流”。以太论者不同意这一说法，用实验加以驳斥。哥尔茨坦做了一个很精确的光谱实验。他用一根特制的L形放电管，电极A、B可以互换，轮流充当阴极，用光谱仪观测谱线，如图5-1。如果阴极射线是分子流，它发出的光应产生多普勒效应，即光的频率应与分子流速度方向有关。可是，不管是那一端发出阴极射线，谱线的波长都没有改变。这就证明了分子流之说站不住脚。以太论者认为这是对以太说的一个支持。

■图5-1哥尔茨坦的光谱实验

舒斯特则将带电微粒解释成气体分子自然分解出来的碎片，带正电的部分被阴极俘获，电极间只留下带负电的部分，因而形成阴极射线。1890年，他根据磁偏转的半径和电极间的电位差估算带电微粒的荷质比，得到的结果在5×106库仑/千克至1×1010库仑/千克之间，与电解所得的氢离子的荷质比108库仑/千克相比，数量级相近。

赫兹和他的学生勒纳德（Philipp Lenard， 1862—1947）也做了许多实验来证明自己的以太理论。赫兹做的真空管中电流分布的实验，“证明”阴极射线的走向与真空管中电流的分布无关。他还在阴极射线管中加垂直于阴极射线的电场，却没有看到阴极射线受到任何偏转。这两个实验不成功的原因是因为当时不了解低压状态下气体导电机制的复杂性。遗憾的是，赫兹以此作为阴极射线不带电的证据，更加坚持以太说。赫兹做的另一实验则是成功的。1891年，他注意到阴极射线可以象光透过透明物质那样地透过某些金属薄片。1894年，勒纳德发表了更精细的结果。他在阴极射线管的末端嵌上厚仅0.000265厘米的薄铝箔作为窗口，

如图5-2，发现从铝窗口会逸出射线。在空气中穿越约1厘米的行程。他们认为这又是以太说的有力证据，因为只有波才能穿越实物。

■图5-2勒纳德的铝窗实验

微粒说者也在积极寻找证据。1895年法国物理学家佩兰（Jean Baptiste Perrin，1870—1942）将圆桶电极安装在阴极射线管中，用静电计测圆桶接收到的电荷。结果确是负电。他支持带电微粒说，发表论文表示了自己的观点。但是他的实验无法作出判决性的结论。因为反对者会反驳说：佩兰测到的不一定就是阴极射线所带的电荷。

■图5-3佩兰测阴极射线的电荷（其中B是阳极，C是阴极，F是法拉第圆桶）

对阴极射线的本性作出正确答案的是英国剑桥大学卡文迪什实验室教授J.J.汤姆生（JosephJohnThomson，1856—1940）。他从1890年起，就带领自己的学生研究阴极射线。克鲁克斯和舒斯特的思想对他很有影响。他认为带电微粒说更符合实际，决心用实验进行周密考察，找出确凿证据。为此，他进行了以下几方面的实验：

1．直接测阴极射线携带的电荷。J.J.汤姆生将佩兰实验作了一些改进。他把联到静电计的电荷接受器（法拉第圆桶）安装在真空管的一侧，如图5-4。平时没有电荷进入接收器。用磁场使射线偏折，当磁场达到某一值时，接收器接收到的电荷猛增，说明电荷确是来自阴极射线。

■图5-4J.J.汤姆生测阴极射线所带电荷的实验装置

2．使阴极射线受静电偏转。J.J.汤姆生重复了赫兹的静电场偏转实验，起初也得不到任何偏转。后来经仔细观察，注意到在刚加上电压的瞬间，射束轻微地摆动了一下。他马上领悟到，这是由于残余气体分子在电场的作用下发生了电离，正负离子把电极上射线所带电荷的实验装置的电压抵消掉了。显然这是由于真空度不够高的原因。于是，他在实验室技师的协助下努力改善真空条件，并且减小极间电压，终于获得了稳定的静电偏转。这样，J.J.汤姆生就获得了驳斥以太说的重要证据。

3．用不同方法测阴极射线的荷质比。一种方法是在图5-5的管子两侧各加一通电线圈，以产生垂直于电场方向的磁场。然后根据电场和磁场分别造成的偏转，计算出阴极射线的荷质比e/m与微粒运动的速度。

■图5-5J.J.汤姆生静电偏转管

另一种方法是测量阳极的温升，因为阴极射线撞击到阳极，会引起阳极的温度升高。J.J.汤姆生把热电偶接到阳极，测量它的温度变化。根据温升和阳极的热容量可以计算粒子的动能，再从阴极射线在磁场中偏转的曲率半径，推算出阴极射线的荷质比与速度。

两种不同的方法得到的结果相近，荷质比都是e/m≈1011库仑/千克。

4．证明电子存在的普遍性。J.J.汤姆生还用不同的阴极和不同的气体做实验，结果荷质比也