一、证实阴极射线是带负电的粒子流

1895年法国年轻物理学家J.佩兰在阴极射线管内放入一个静电计,由静电计显示接收到的电荷的电性和电量,结果表明阴极射线是带负电的粒子流。电子的发现是和阴极射线的实验研究联系在一起的,而阴极射线的发现和研究是从真空管中放电现象开始的。早在1858年,德国物理学家普吕克(J.Plucker,1801-1868)在利用放电管研究气体放电现象时发现了阴极射线。当时,水银真空泵发明不久,利用真空泵,普吕克发现随着玻璃管内空气稀薄到一定程度时,管内放电逐渐消失,这时在阴极对面的玻璃管壁上出现了绿色荧光。当变化管外所加的磁场,荧光的位置也会发生变化,可见这种荧光是从阴极所发出的电流撞击玻璃管所产生的。阴极射线究竟是什么呢?

最初以为阴极射线是电磁辐射。1890年前后,J.J.汤姆生特制了一支15米长的真空管,并且用旋转镜测定时间,测得阴极射线的速度是1.9×105 m/s。实验结果使他怀疑阴极射线的传播是电磁辐射的说法(电磁辐射速度为3×108m/s)。

二、荷质比的测量

1897年初,J.J.汤姆生设计了新的阴极射线管,在电场作用下由阴极C发出的阴极射线,通过A和B聚集,从另一对电极D和E间的电场中穿过。右侧管壁上贴有标尺,供测量偏转用。他重复了赫兹的电场偏转实验,开始也和赫兹一样,没见到任何偏转,但他分析了不发生偏转的可能原因是电场建立不起来。于是,他利用了当时最先进的真空动技术,获得高真空,终于使阴极射线在电场中发生了稳定的电偏转,从偏转方向也明确说明阴极射线是带负电的粒子。他在管外加上了一个与电场和射线速度都垂直的磁场,此磁场由管外线圈产生。当电场力Ee与磁场产生的偏转力evB相等时,可使射线不发生偏转,打到管壁中央,由此可较精确得到粒子的速度v=E/B。再根据阴极射线在电场下引起的荧光斑点的偏转半径,就可以推算出阴极射线粒子的荷质比e/m。汤姆生当时所测得的e/m≈1011库仑/千克。要比氢离子的荷质比大一千多倍,由于在这个实验中观察到荧光斑点,J.J.汤姆生得出结论:"阴极射线也是物质的粒子。"e/m很大,可能是由于m小,也可能是e大或者两者兼有。他进而猜想,阴极射线的载荷子要比普通的分子小。

三、电子的发现(1897年)

J.J.汤姆生在判断阴极射线的带电粒子的基本性质时,其实验方法颇有独到之处。他为判明粒子荷质比的测量值是否受到管内残存气体的影响,就在管内分别充以各种气体来做实验。结论是没有影响。他为判明阴极射线的粒子是否属于同一种粒子,就利用铅和铁等不同金属材料做电极。结果,测得的荷质比的数值都相同。他从管内气体,电极材料与阴极射线粒子的荷质比无关。断定这种粒子是所有物质都共同具有的带电物质粒子。他当时(1897年)把它叫做"微粒"(corpnscle)后来被称为"电子"。

四、电子电荷的测定

1898年,汤姆生又和他的学生们继续做直接测量荷电粒子的电量的研究。其中一种方法是采用威尔生所发明的云室,即在饱和水蒸气中带电粒子可以作为一个核心,使它周围的水蒸气凝成小水滴(成为雾滴),测定了雾滴的数目和电荷的总量,可以算出电子电荷的平均值。当时测得的电子电荷是1.1×10-19库仑,同电解中所得到的氢离子的电荷是同一数量级,从而直接证明了电子的质量约是氢离子的千分之一。由此,J.J.汤姆生完全确认了电子的存在,且证明电子是所有材料元素中的普适成分。于是,J.J.汤姆生最终解开了阴极射线之谜。从电子发现的历史可见,正如英国著名科学家贝尔纳所说:“发现的最大困难,在于摆脱一些传统的观念。”

在这以后,不少科学家不断努力以较精确地测量电子的电荷值,其中最有代表性的是美国科学家密立根(R.A.Milliken,1868-1953),以他的严谨的科学态度和追求精确的测量受到人们的赞誉。

1906年第一次测到电子电荷量为e=1.34×10-19库仑,后来他不断改进,到1913年最后测利电子电荷量为e=1.59×10-19库仑。在当时条件来说,这是一个高精度的测量值。近代精确的电子电荷值是:e=1.60217733(49)×10-19库仑 ,括号中的值是测量误差。密立根当时还发现电荷量是量子化的,e是最小的电荷量,即粒子所带电荷都是e的整数倍。

五、到处都有电子

J.J.汤姆生还以大量实验结果阐明电子的普遍存在:阴极射线,β射线和光电流等都是电子流;电场可以激发出电子,紫外光可以从金属中击出电子,加热的金属可发射电子,放射性物质镭还可以自发放射出电子。由此可见,电子是原子的组成部分而且比原子小得多,它是带电物质的最小荷电体。

电子是第一个被发现的微观粒子,电子的发现,对原子组成的了解起了极为重要的作用,因为它是构成所有物质中的普适成分。正由于电子的发现,汤姆生被后人誉为"一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人"。