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約瑟夫·約翰·湯姆遜
英國(guó)物理學(xué)家
諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者
約瑟夫·約翰·湯姆遜（Thomson，Joseph John；1856年—1940年），英國(guó)物理學(xué)家，電子的發(fā)現(xiàn)者。
約瑟夫·約翰·湯姆遜是第三任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任，以其對(duì)電子和同位素的實(shí)驗(yàn)著稱。一幅他正在研究陰極射線管的肖像掛在實(shí)驗(yàn)室的麥克斯韋講演廳里。
1940年8月30日，湯姆遜逝世于劍橋。享年84歲。
基本信息
| 出生日期 | 1856年12月8日 |
| 出生地 | 英國(guó)曼徹斯特 |
| 去世日期 | 1940年8月30日 |
| 籍貫 | 英國(guó)曼徹斯特 |
| 國(guó)籍 | 英國(guó) |
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人物生平
約瑟夫·約翰·湯姆遜
1880年他參加了劍橋大學(xué)的學(xué)位考試，以第二名的優(yōu)異成績(jī)?nèi)〉脤W(xué)位，隨后被選為三一學(xué)院學(xué)員，兩年后又被任命為大學(xué)講師。他在數(shù)物理學(xué)方面具有很高修養(yǎng)。發(fā)表了《論渦旋環(huán)的運(yùn)動(dòng)》和《論動(dòng)力學(xué)在物理學(xué)和化學(xué)中的應(yīng)用》論文。
1884年，28歲的湯姆遜在瑞利的推薦下，擔(dān)任了卡文迪許實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)教授。
約瑟夫·約翰·湯姆遜
1940年8月30日，湯姆遜逝世于劍橋。終年84歲。
1876年，德國(guó)的戈?duì)柶澨固岢?，玻璃壁上的輝光是由陰極產(chǎn)生的某種射線所引起的，他把這種射線命名為陰極射線。陰極射線是由什么組成的？十九世紀(jì)末時(shí)，有的科學(xué)家說(shuō)它是電磁波；有的科學(xué)家說(shuō)它是由帶電的原子所組成；有的則說(shuō)是由帶陰電的微粒組成，眾說(shuō)紛紜，一時(shí)得不出公認(rèn)的結(jié)論。英法的科學(xué)家和德國(guó)的科學(xué)家們對(duì)于陰極射線本質(zhì)的爭(zhēng)論，竟延續(xù)了二十多年。
約瑟夫·約翰·湯姆遜
約瑟夫·約翰·湯姆遜
最后到1897年，湯姆遜的出色實(shí)驗(yàn)結(jié)果面前，真相才得以大白。湯姆遜的實(shí)驗(yàn)過(guò)程是這樣的，他將一塊涂有硫化鋅的小玻璃片，放在陰極射線所經(jīng)過(guò)的路途上，看到硫化鋅會(huì)發(fā)閃光。這說(shuō)明硫化鋅能顯示出陰極射線的“徑跡”。他發(fā)現(xiàn)在一般情況下，陰極射線是直線行進(jìn)的，但當(dāng)在射擊線管的外面加上電場(chǎng)，或用一塊蹄形磁鐵跨放在射線管的外面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)陰極射線一都發(fā)生了偏折。根據(jù)其偏折的方向，不難判斷出帶電的性質(zhì)。湯姆遜在1897年得出結(jié)論：這些“射線”不是以太波，而是帶負(fù)電的物質(zhì)粒子。但他反問(wèn)自己：“這些粒子是什么呢？它們是原子還是分子，還是處在更細(xì)的平衡狀態(tài)中的物質(zhì)？”這需要作更精細(xì)的實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)還不知道比原子更小的東西，因此湯姆遜假定這是一種被電離的原子，即帶負(fù)電的“離子”。他要測(cè)量出這種“離子”的質(zhì)量來(lái)，為此，他設(shè)計(jì)了一系列既簡(jiǎn)單又巧妙的實(shí)驗(yàn)：首先，單獨(dú)的電場(chǎng)或磁場(chǎng)都能使帶電體偏轉(zhuǎn)，而磁場(chǎng)對(duì)粒子施加的力是與粒子的速度有關(guān)的。湯姆遜對(duì)粒子同時(shí)施加一個(gè)電場(chǎng)和磁場(chǎng)，并調(diào)節(jié)到電場(chǎng)和磁場(chǎng)所造成的粒子的偏轉(zhuǎn)互相抵消，讓粒子仍作直線運(yùn)動(dòng)。這樣，從電場(chǎng)和磁場(chǎng)的強(qiáng)度比值就能算出粒子運(yùn)動(dòng)速度。而速度一旦找到后，單靠磁偏轉(zhuǎn)或者電偏轉(zhuǎn)就可以測(cè)出粒子的電荷與質(zhì)量的比值。湯姆遜用這種方法來(lái)測(cè)定“微?！彪姾膳c質(zhì)量之比值。他發(fā)現(xiàn)這個(gè)比值和氣體的性質(zhì)無(wú)關(guān)，并且該值比起電解質(zhì)中氫離子的比值（這是當(dāng)時(shí)已知的最大量）還要大得多。這說(shuō)明這種粒子的質(zhì)量比氫原子的質(zhì)量要小得多。前者大約是后者的二千分之一。
后來(lái)，美國(guó)的物理學(xué)家羅伯特·密立根在1913年到1917年的油滴實(shí)驗(yàn)中，精確地測(cè)出了新的結(jié)果，前者是后者的1836分之一。湯姆遜測(cè)得的結(jié)果肯定地證實(shí)了陰極射線是由電子組成的，人類首次用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了一種“基本粒子”----電子的存在?！半娮印边@一名稱是由物理學(xué)家斯通尼在1891年采用的，原意是定出的一個(gè)電的基本單位的名稱，后來(lái)這一詞被應(yīng)用來(lái)表示湯姆遜發(fā)現(xiàn)的“微?！?。自從發(fā)現(xiàn)電子以后，湯姆遜就成為國(guó)際上知名的物理學(xué)者。在這之前，一般都認(rèn)為原子是“不能分割的”的東西，湯姆遜的實(shí)驗(yàn)指出，原子是由許多部分組成的，這個(gè)實(shí)驗(yàn)標(biāo)志著科學(xué)的一個(gè)新時(shí)代。人們稱他是“一位最先打開(kāi)通向基本粒子物理學(xué)大門(mén)的偉人”。
1905年，他被任命為英國(guó)皇家學(xué)院的教授；1906年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1916年任皇家學(xué)會(huì)主席。他并沒(méi)有因此而停步不前，仍一如既往，兢兢業(yè)業(yè)，繼續(xù)攀登科學(xué)的高峰。湯姆遜既是一位理論物理學(xué)家，又是一位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他一生所做過(guò)的實(shí)驗(yàn)，是無(wú)法計(jì)算的。正是通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，他測(cè)定了電子的荷質(zhì)比，發(fā)現(xiàn)了電子；又在實(shí)驗(yàn)中，創(chuàng)造了把質(zhì)量不同的原子分離開(kāi)來(lái)的方法，為后人發(fā)現(xiàn)同位素，提供了有效的方法。湯姆遜在擔(dān)任卡文迪許實(shí)驗(yàn)物理教授及實(shí)驗(yàn)室主任的34年間，著手更新實(shí)驗(yàn)室，引進(jìn)新的教授法，創(chuàng)立了一個(gè)極為成功的研究學(xué)派。
曼徹斯特大學(xué)
重大貢獻(xiàn)
約瑟夫·約翰·湯姆遜以其對(duì)電子和同位素的實(shí)驗(yàn)著稱。他是第三任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任。一幅他正在研究陰極射線管的肖像掛在實(shí)驗(yàn)室的麥克斯韋講演廳里?？瓷先?，他不善于具體操作，但對(duì)儀器工作原理的理解卻是非常敏捷的。
J．J．湯姆遜聽(tīng)過(guò)一些麥克斯韋的講課，而且正是在作為卡文迪許教授的麥克斯韋的繼任者瑞利勛爵的指導(dǎo)下，湯姆遜完成了幾篇理論性論文，1884年，瑞利按照他原來(lái)的許諾（只擔(dān)任五年）辭去了卡文迪許教授職務(wù)。湯姆遜申請(qǐng)這個(gè)職位，他述說(shuō)：“沒(méi)有認(rèn)真考慮過(guò)這項(xiàng)工作和所要負(fù)的責(zé)任”就申請(qǐng)了。他只有28歲，沒(méi)有想到會(huì)當(dāng)選，但出乎他的意料，他當(dāng)選了。這些選舉人要么非常走運(yùn)要么是非常有遠(yuǎn)見(jiàn)的。湯姆遜說(shuō)：“我覺(jué)得自己像一個(gè)釣魚(yú)的人，用一只輕巧的釣魚(yú)具，在一個(gè)意想不到的地方拋出了一線釣絲，釣到了一條魚(yú)，這條魚(yú)太重而使這個(gè)釣魚(yú)的人不能把它吊到岸上來(lái)。我覺(jué)得接替一位像瑞利勛爵這樣享有盛名的人是困難的。”值得注意的是，他不提麥克斯韋，雖然在另外的地方湯姆遜談到了關(guān)于第一任卡文迪許教授的委任（1871年2月）：
劍橋大學(xué)
倫琴的X射線的發(fā)現(xiàn)使氣體電離有了一種新方法，提供了對(duì)氣體離子行為的一種新的洞察能力。湯姆遜開(kāi)始了那個(gè)方向的研究工作，這導(dǎo)致了對(duì)自由電子的研究。
在1897年，湯姆遜證實(shí)了陰極射線的微粒性，測(cè)量了粒子的速度和荷質(zhì)比。湯姆遜在他的實(shí)驗(yàn)中使用的二個(gè)管子，射線從管中左邊的陰極A發(fā)出，通過(guò)陽(yáng)極B的一條縫進(jìn)入第二個(gè)管子，可以用一磁鐵使射線偏轉(zhuǎn)而進(jìn)入一種法拉第籠。收集到的電荷是負(fù)的。因此證明了陰極射線是帶負(fù)電的粒子。類似的實(shí)驗(yàn)已被J佩蘭在法國(guó)做過(guò)。在一個(gè)第二種類型的管子中，C所產(chǎn)生的陰極射線穿過(guò)接地的縫A和B，形成了一束狹窄的射線直射到管子的另一端。射線擊中管子的電燈泡狀端面的地方會(huì)有一小塊磷光亮斑顯現(xiàn)出來(lái)。
劍橋大學(xué)
Ne=Q
然后，通過(guò)測(cè)量產(chǎn)生的熱的辦法來(lái)測(cè)量由粒子所傳輸?shù)哪芰縒，這個(gè)值必須等于質(zhì)量為m、速度為v的這些粒子的動(dòng)能
1/2Nmυ2=W
用磁學(xué)辦法使粒子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，他知道：
mv/e=Bp
這里p是軌道的曲率半徑，B是磁場(chǎng)。因?yàn)槟芰?，電量，磁?chǎng)和曲率半徑是可測(cè)量的，他能推論出
e/m=2W/(Q2B2p2)
具有值2.3×10（靜電單位電量/克），遠(yuǎn)大于電解法中離子的荷質(zhì)比e/m。
在他1897年的文章中，湯姆遜敘述了另一個(gè)令人注意的觀察結(jié)果：構(gòu)成陰極射線的微粒都是一樣的，與管內(nèi)陰極或?qū)﹃帢O或氣體的成分無(wú)關(guān)。這里有一個(gè)所有物質(zhì)的普適成分。
稍后，在1899年，他使用他過(guò)去的學(xué)生C．T．R．威爾遜發(fā)展起來(lái)的技術(shù)和思想，分別測(cè)量了電子的電荷和質(zhì)量。威爾遜已經(jīng)注意到在適宜的環(huán)境下，電荷起著過(guò)飽和蒸汽的凝結(jié)核的作用。因?yàn)樗畷?huì)在它們上面冷凝，這有助于霧的形成。在這樣一種由于電荷的存在而形成的霧里，人們可以根據(jù)小霧滴下落的速度而計(jì)量它們的體積，從沉淀的水的總量或根據(jù)最初的過(guò)飽和汽算出它們的數(shù)目。根據(jù)這個(gè)數(shù)據(jù)可以得到霧中所有的小滴子數(shù)。根據(jù)由霧所傳輸?shù)目傠姾桑ㄟ@是直接可測(cè)的）可以發(fā)現(xiàn)平均每一個(gè)小滴上的電荷與電子電荷相同。在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室做的這項(xiàng)工作，得到的電子電荷大約為3×10絕對(duì)靜電單位。根據(jù)測(cè)量到的e/m值可以求得電子質(zhì)量。
卡文迪許實(shí)驗(yàn)室
倫琴，由于他宣布了“一種新的射線”和表演了他的射線所能做的事情而使世界感到震驚。
電子概述
電子
電子所帶電荷為e=1.6×10的-19次方庫(kù)侖，質(zhì)量為9.10×10kg（0.51MeV/c2）。通常被表示為e。電子的反粒子是正電子，它帶有與電子相同的質(zhì)量，自旋和等量的正電荷。物質(zhì)的基本構(gòu)成單位——原子是由電子、中子和質(zhì)子三者共同組成。相對(duì)于中子和質(zhì)子組成的原子核，電子的質(zhì)量極小。質(zhì)子的質(zhì)量大約是電子的1840倍。當(dāng)電子脫離原子核束縛在其它原子中自由移動(dòng)時(shí)，其產(chǎn)生的凈流動(dòng)現(xiàn)象稱為電流。靜電是指當(dāng)物體帶有的電子多于或少于原子核的電量，導(dǎo)致正負(fù)電量不平衡的情況。當(dāng)電子過(guò)剩時(shí)，稱為物體帶負(fù)電；而電子不足時(shí)，稱為物體帶正電。當(dāng)正負(fù)電量平衡時(shí)，則稱物體是電中性的。靜電在我們?nèi)粘Ｉ钪杏泻芏鄳?yīng)用方法，其中例子有噴墨打印機(jī)。
電子是在1897年由劍橋大學(xué)的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的約瑟夫·湯姆遜在研究陰極射線時(shí)發(fā)現(xiàn)的。在都只能在核外摸索摸索，它被歸于叫做輕子的低質(zhì)量物質(zhì)粒子族，被設(shè)成具有負(fù)值的單位電荷。電子塊頭小重量輕（比μ介子還輕205倍），被歸在亞原子粒子中的輕子類。輕子是物質(zhì)被劃分的作為基本粒子的一類。電子帶有1/2自旋，滿足費(fèi)米子的條件（按照費(fèi)米—狄拉克統(tǒng)計(jì)）。電子在原子內(nèi)做饒核運(yùn)動(dòng)，能量越大距核運(yùn)動(dòng)的軌跡越遠(yuǎn)，有電子運(yùn)動(dòng)的空間叫電子層。第一層最多可有2個(gè)電子，第二層最多可以有8個(gè)，第n層最多可容納2n個(gè)電子，最外層最多容納8個(gè)電子，最后一層的電子數(shù)量決定物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)是否活潑，1、2電子為金屬元素，3、4、5、6、7為非金屬元素，8為稀有氣體元素。物質(zhì)的電子可以失去也可以得到，物質(zhì)具有得電子的性質(zhì)叫做氧化性，該物質(zhì)為氧化劑；物質(zhì)具有失電子的性質(zhì)叫做還原性，該物質(zhì)為還原劑。物質(zhì)氧化性或還原性的強(qiáng)弱由得失電子難易決定，與得失電子多少無(wú)關(guān)。
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