来源:科学大院
k4-S:kVo + usB$=kJ 1808年,道尔顿(John Dalton)在他的《化学哲学新体系》中提出了近代原子论,认为化学元素由大量微小的、不可再分的原子组成 ,原子论在当时很好地解释了化学元素有固定质量比的难题。但直到19世纪末,一百年过去了,原子的观念非但没有被广泛接受,还成了科学家们争论不休的核心。马赫等科学家认为不能把从未被直接观测到的原子写入理论中。玻尔兹曼(Ludwig Edward Boltzmann)利用原子假说建立热现象的理论,结果遭到了马赫追随者的激烈抨击。普朗克(Max Karl Ernst Ludwig Planck)在《科学自传》中回忆:“人们对原子论不仅冷淡,在某种意义上甚至是抱着敌对的态度。”
7SJbrOL4Q- )&s9QBo{b 然而,19世纪末的三大发现,一下子改变了这一切。通过电子、X射线和放射性的发现,人们不但承认物质是由原子构成,甚至还动摇了原子不可分割的旧观念,原子内部的秘密被这三大发现撕开了一道口子。
I&wJK'GM` 2)MX<prH 汤姆逊发现电子 ?D_^ 8\R E;rS"'D: 英国剑桥大学有一个卡文迪许实验室(Cavendish Laboratory),于1871年由当时剑桥大学校长威廉·卡文迪许捐赠建立,是世界上最著名的实验室之一。这个实验室有多牛呢,我们来看看。卡文迪许实验室的第一任主任是麦克斯韦(James Clerk Maxwell),他建立的电磁理论是经典物理的重要支柱,也是19世纪最光辉的成果,使我们从蒸汽文明的时代,跨入了现代电气文明的时代。当我们在使用电脑、微波炉、5G手机、听着电视新闻的时候,都要感谢麦克斯韦的方程组。围绕麦克斯韦方程的争论,还导致了狭义相对论的产生。
`V2doV) HJ+Q7) 图1 左:卡文迪许实验室;中:麦克斯韦(sciencephoto.com);右:瑞利
v83@J~ 第二任主任是瑞利男爵三世(John Strutt, 3rd Baron Rayleigh),瑞利曾和拉姆赛一起发现了空气中的惰性气体,获得1904年诺贝尔奖。著名的“瑞利散射(Rayleigh scattering)”解释了晴朗的天空为何是蓝色的。
Eyq4w ~$jRn(2 第三任主任就是汤姆逊(Thomson,Joseph John)。在他担任实验室主任期间,卡文迪许实验室蓬勃
发展起来,大量优秀的年轻人来到实验室,并做出了很多伟大的科学发现。汤姆逊本人因为发现电子获得1906年诺贝尔奖。他还有个很有名的学生,叫卢瑟福(Ernest Rutherford),因为发现原子核、质子,以及其它放射性方面的贡献而获得1908年诺贝尔奖,被人们称为原子核物理之父。后来,查德威克(James Chadwick)发现中子获得了1935年的诺贝尔奖,这样原子的全部组分都是在卡文迪许实验室找到的。从1904年至1989年的85年间,卡文迪许实验室共产生了29位诺贝尔奖得主,占剑桥大学诺奖总数的三分之一,硕果累累的卡文迪许实验室对近代物理的发展做出了巨大的贡献。
V.-cm51I :Xs3Vh,V 实际上在汤姆逊发现电子的实验之前,“电子”的概念就已经提出来了。1881年斯通尼(George Johnstone Stoney)在研究法拉第电解定律时发现:1摩尔任何原子的单价离子带电量相同,这个电量被称为法拉第常数F。但1摩尔原子的数目也是常数——阿佛加德罗常数NA,两个常数相除,得到的就是每个单价离子的电荷量,它也是一个常数,这岂不就意味着存在一个“最小的基本电荷单位”—— e=F/NA。斯通尼把这个电荷的最小单位命名为“电子”。最后,是汤姆逊从实验上证明了电子确实存在。
=eyPo(B mfx-Ja_a 图2 汤姆逊1897年实验中使用的阴极射线管示意图
TXS{= 1897年,汤姆逊自己设计了一个阴极射线管(图2),在管子一头装上阴极和阳极,阳极上开一条细缝。通电后从阴极发出的射线穿过细缝A、B成为细细的一束,直射到玻璃管的另一端。这一端的管壁上再涂上荧光物质,或者装上照相底片。这套设备就能用来精确测定打到荧光屏上的阴极射线的位置。在射线管的中部装有两个电极板C、D,加上电压以后产生电场E。汤姆逊在实验中发现,阴极射线在电场作用下从荧光屏的P1偏到了P2,说明阴极射线带的是负电(我们在这里把阴极射线粒子的电量写为e)。
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"G* p|>m 2(| 汤姆逊还在管外加了一个与纸面垂直的磁场,磁感应强度为B。调节电场和磁场的强度,使电力和磁力正好相互抵消eE = evB,阴极射线又从P2又回到P1,不再偏转。因为电场E和磁场B都是已知的,这样汤姆逊就测出了阴极射线的速度 v = E/B。
;Sl%I+? bk|?>yd 当时汤姆逊得到的阴极射线速度大约为3万公里/秒,相当于光速的1/10。然后汤姆逊去掉电场或磁场,根据阴极射线偏转量可测出阴极射线粒子质量与电荷的比值。汤姆逊测得的质荷比均值约为1.3×10-11千克/库,而现代的值是0.56856×10-11千克/库。
!<vy!pXg /d*[za'0 汤姆逊又做了很多实验,看看不同材料的阴极或者不同的气体会不会产生不同的实验结果。他用金、银、铜、镍等各种金属作阴极,测量了不同阴极上射出的射线,又把不同的气体——空气、氢气、氧气、氮气等充到管内,阴极上射出的带电粒子的质荷比都是一样的。这就说明了一个非常重要的问题:不管阴极射线是由哪里产生的——是由电极产生的还是由管内气体产生的,结果都一样。这意味着,在各种物质中都有一种质量约为氢原子质量的1/2000(实际上是约1/1837)的带负电的粒子,它就是电子。
p5aqlYb6r $U4[a: 人们对阴极射线管的研究也有几十年了,汤姆逊的实验看起来也并不是太难,为什么直到汤姆逊才得以实现呢?最大的原因要归功于真空技术的进步。19世纪30年代法拉第做稀薄气体放电实验时,真空管中的气压为100托(1托=1毫米汞柱,一个标准大气压=760托)。到盖斯勒改进他的水银真空泵时,气压可以达到0.1托,而到汤姆逊做电子实验时,真空泵的改进已经可以达到10-6托的气压。赫兹(Heinrich Rudolf Hertz)之前曾经做过类似实验,但因为真空度不够没有观察到阴极射线有任何偏转。
Vtv~jJ{m ]YrgkC35 1899年,汤姆逊使用他的学生威尔逊(C.T.R.Wilson)发明的云室(Cloud Chamber),测量了电子的电荷和质量。威尔逊的云室,是在一个密闭容器里制造出大的温度差(图3),上板热,下板冷,用酒精之类的蒸汽充满容器,热蒸汽下降时突然遇到下板的低温
环境,变成过饱和蒸汽。这时若有高能带电粒子通过,会和空气分子碰撞,使空气分子电离。入射粒子的
运动路径上生成大量的正负离子对,过饱和的水蒸气就会以这些正负离子为核心凝成雾珠,雾珠我们是能看到的,这样高能粒子的前进轨迹就显现出来了。根据径迹的长短、浓淡以及在磁场中弯曲的情况,就可分辨粒子的种类和性质了。
9T_fq56Oh6 rtdEIk Pm"nwm 图3 左:云室原理;右:一小块铀矿石在云室中(图片来源:网络)
OK(xG3T 汤姆逊和威尔逊测到的电子的电荷是1×10-19库,质量在10-31千克量级。今天测到的电子电荷约为1.602 176 634×10-19库,质量9.109 383 7015(28)×10-31千克。
~X(2F#{<{ L0;XzZS 图4 左:密立根; 右上:密立根油滴实验示意图;右下:密立根油滴实验设备
~5o2jTNy`p 电子电荷的精确测定是在1910年由密立根(Robert Andrews Millikan)完成的,就是著名的“密立根油滴实验”。密立根的方法是汤姆逊和威尔逊方法的改进与发展,他不观察雾,而是观察单个液滴。他所使用装置如图4所示。仪器上层,用喷雾器喷出小液滴,一些小液滴通过小孔落入下层两块水平金属板之间的空间。一开始金属板之间不加电压。落入的小液滴一方面受到重力作用加速下落,同时受到空气的摩擦阻力,根据斯托克斯定理(Stokes‘ law),球形液滴受到的空气摩擦力和速度成正比,最终摩擦力等于重力,液滴匀速下落。如果知道空气的粘滞系数、液滴密度,通过测量无电场时液滴的末速度,可以得到液滴质量。然后密立根给两块金属板加上电压,形成一个均匀的电场,用X射线照射金属板之间的空气使部分空气电离,小液滴因此附着上带电粒子而带上电荷。通过观察带电液滴在电场中上升和下落,可以计算出液滴携带电荷的大小。密立根做了很多次实验,得到结果大致为:
F<4>g+Ag D]twid~OS Q = 1.6 × 10-19 库
K]&i9`>N }Ud'j'QMy Q = 3.2 × 10-19 库 = 2 × 1.6 × 10-19 库
Ce/D[% /V }Z,'+ Q = 8.0 × 10-19 库 = 5 × 1.6 × 10-19 库
FA{'Ki` meYGIP:n 他发现所有的电荷,都有一个公因数,e=1.6 × 10-19 库,任何电荷只能是e的整数倍,密立根认为这个数值就是电荷最小基本单位,也是电子带的电荷。经过几年反复测量,密立根测到电子电荷为 e = 1.592×10-19库,很多年来一直被认为值最精确的数值,直到1929年发现它低了1%,误差来自对空气粘性测量的偏差。密立根的实验结果说明,电荷是量子化的,存在一个最小电荷单位。为什么电荷是量子化的?到今天这仍然是一个没有解决的难题。1931年狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)根据量子力学,提出如果存在磁单极子,可以从理论上圆满地解释电荷量子化现象,但是磁单极子的存在至今未被证实,它也是当代物理学的一个重要研究课题。
}t*:EgfI +GEdVB 在汤姆逊的时代,人们知道的最小粒子是氢原子,而汤姆逊测到的电子质量远远小于氢原子,大家都认为汤姆逊是在“愚弄他们”。当时,德国的考夫曼(W.Kaufman)也做了类似的实验,并且得出的质荷比远比汤姆逊的精确,与现代值只差1%,但他没有勇气宣称自己发现了新的基本粒子。
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=I']$MH 汤姆逊勇敢地坚持“存在比原子小得多的微粒——电子”,他发现电子的实验是19世纪末最重要的实验之一,电子是人们发现的第一个亚原子粒子,新世纪基本粒子物理的大门从此被打开了。汤姆逊也因此获得了1906年诺贝尔奖,威尔逊因为云室和康普顿分享了1927年的诺贝尔奖。但是如此重要的实验被1895年底伦琴(W.Röntgen)的另一项伟大发现冲淡了,大家都争先恐后地去围观X射线的发现
=9;b|Y"aQ >VppM ` 能穿透身体的射线 +E']&v$ iXLH[uhO; 1895年11月,德国维尔兹堡的大学教授的伦琴对赫兹和莱纳德(Philipp Eduard Anton von Lénárd)用阴极射线穿透铝箔的实验非常感兴趣,他开始利用莱纳德改造的带铝箔的阴极射线管重复他们的实验。一次,实验中一个偶然事件吸引了伦琴的注意,在一片漆黑的房间里,阴极射线管外距离1米远的小桌上,一块涂了铂氰酸钡的荧光屏突然发出了闪光。他感觉很奇怪,就用黑纸把阴极射线管包裹起来,并把荧光屏移到更远
距离。但是荧光屏的闪光,仍随着放电节奏出现。伦琴取来各种不同的物品,包括书本、木板、铝片等等,放在阴极射线管和荧光屏之间,发现不同的物品遮挡效果很不一样,纸片和木板都无法阻挡这种射线,只有较厚的铅板才能把它完全挡住。伦琴一开始以为它是穿出放电管的阴极射线,但它在磁铁作用下不偏转,而且荧光屏离开放电管2米远依然会出现荧光现象,这些都说明这种射线不是阴极射线。伦琴意识到这可能是某种性质未知的新射线,它具有特别强的穿透力,就这样,他发现了很快为世人所知的X射线。
wpD}#LRfm eExI3"|Q 图5 左:X射线管示意图;右:伦琴
x^Zm:Jrw~ 面对这个新发现,伦琴激动无比,他一连好几天把自己关在实验室里集中全力进行研究。12月22日,他把夫人邀请到实验室,用他夫人的手拍下了第一张人手X射线照片(图6右)。当伦琴的妻子第一次看到自己手指骨骼的照片,手上戴的结婚戒指清晰可见,她大吃一惊。1895年12月28日伦琴把这项成果发布在维尔茨堡的物理医学协会杂志上,宣布自己发现了一种“新的射线”,伦琴把这种新射线用表示未知数的“X”来命名,人们也称它为“伦琴射线”。后来,伦琴改造了一种阴极射线管,正对着阴极安装了一个金属靶子,当阴极射线集中射到靶子上的时候,就会发出很强的X射线。这种装置现在就叫做X射线管,又叫做伦琴管(图5)。
48_( 'z*> }.D adV 图6 左:19世纪末,用早期的克鲁克斯管设备拍摄x射线照片,可以看到桌上的鲁姆科夫线圈,当时人们还不懂得X射线的伤害,并没有进行防护;右:伦琴给夫人拍的X射线照片
XZ<8M}Lg 伦琴当时并不知道,阴极射线实际上是电子流。由于阴极加热造成电子脱离原子束缚,在几千伏到几十万伏的高压电场作用下加速,然后穿过几乎是真空的空间,撞击到金属靶上时,产生X射线。
:Bi 4z( tB`IBuy9!" 图7 (上)左:韧致辐射;右:特征辐射
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!w86 F 图8(下)带有钨靶的x射线管在90千伏电压下发射的x射线光谱示意图。平滑连续的曲线是由于轫致辐射,尖峰是钨原子特征辐射
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J^ 伦琴实验中X射线产生的原因有两种: j8+>E?nm KMx
'( (1)经典电动力学告诉我们,带电粒子在加速或减速时,会辐射电磁波。高速运动的电子撞击到金属靶上时,受到原子核的散射突然减速,这个过程会发生韧致辐射(bremsstrahlung,也叫刹车辐射),其损失的动能会以X射线波段的光子形式发出(图7左)。随着入射电子与靶核的库仑场作用距离不同,入射电子的速度是连续变化的,所以这种机理产生的X射线频谱是连续变化的,也就是图8中像小山坡一样的部分。
uNca@xl' -^JPY)\R (2)叠加在图8小山坡上的宝塔似的尖峰,是由于加速电压大时,能量高的电子把金属原子内层电子撞出,内层形成空穴,于是外层电子跃迁回内层填补空穴,同时放出X射线(图7右)。在《亚原子物理的早期历史》我们说过,不同能级之间电子跃迁能量是量子化的,所以放出的光子波长也集中在某个波段,就形成了X射线中的特征辐射。
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