湯姆遜

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約瑟夫·約翰·湯姆遜

約瑟夫·約翰·湯姆遜
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原文名	Thomson，Joseph John
出生	1856年—1940年）
國籍	英國
職業	物理學家
知名於	諾貝爾物理學獎獲得者 發現電子
知名作品	《論渦旋環的運動》 《論動力學在物理學和化學中的應用》

約瑟夫·約翰·湯姆遜（Thomson，Joseph John；1856年—1940年），英國物理學家，電子的發現者。

約瑟夫·約翰·湯姆遜是第三任卡文迪許實驗室主任，以其對電子和同位素的實驗著稱。一幅他正在研究陰極射線管的肖像掛在實驗室的麥克斯韋講演廳里。

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約瑟夫約翰湯姆孫證明克魯克斯管中的粒子是電子

人物生平

1856年12月18日生於英國曼徹斯特，父親是一個專印大學課本的商人，由於職業的關係，他父親結識了曼徹斯特大學的一些教授。湯姆遜從小就受到學者的影響，學習很認真，十四歲便進入了曼徹斯特大學。在大學學習期間，他受到了司徒華教授的精心指導，加上他自己的刻苦鑽研，學業提高很快。

1876年，即二十一歲時，他被保送進了劍橋大學三一學院深造。

1880年他參加了劍橋大學的學位考試，以第二名的優異成績取得學位，隨後被選為三一學院學員，兩年後又被任命為大學講師。他在數物理學方面具有很高修養。發表了《論渦旋環的運動》和《論動力學在物理學和化學中的應用》論文。

1884年，28歲的湯姆遜在瑞利的推薦下，擔任了卡文迪許實驗室物理學教授。

1897年湯姆遜在研究稀薄氣體放電的實驗中，證明了電子的存在，測定了電子的荷質比，轟動了整個物理學界。

第二次科學革命的前沿：卡文迪什實驗室
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1905年，他被任命為英國皇家學院的教授；

1906年榮獲諾貝爾物理學獎；

1916年任皇家學會主席。

1919年被選為科學院外籍委員會首腦。湯姆遜在擔任卡文迪許實驗物理教授及實驗室主任的34年，桃李滿天下。

1940年8月30日，湯姆遜逝世於劍橋。終年84歲。

1858年，德國的蓋斯勒製成了低壓氣體放電管。

1859年，德國的普呂克爾利用蓋斯勒管進行放電實驗時看到了正對着陰極的玻璃管壁上產生出綠色的輝光。

1876年，德國的戈爾茲坦提出，玻璃壁上的輝光是由陰極產生的某種射線所引起的，他把這種射線命名為陰極射線。陰極射線是由什麼組成的？十九世紀末時，有的科學家說它是電磁波；有的科學家說它是由帶電的原子所組成；有的則說是由帶陰電的微粒組成，眾說紛紜，一時得不出公認的結論。英法的科學家和德國的科學家們對於陰極射線本質的爭論，竟延續了二十多年。

最後到1897年，湯姆遜的出色實驗結果面前，真相才得以大白。湯姆遜的實驗過程是這樣的，他將一塊塗有硫化鋅的小玻璃片，放在陰極射線所經過的路途上，看到硫化鋅會發閃光。這說明硫化鋅能顯示出陰極射線的「徑跡」。他發現在一般情況下，陰極射線是直線行進的，但當在射擊線管的外面加上電場，或用一塊蹄形磁鐵跨放在射線管的外面，結果發現陰極射線一都發生了偏折。根據其偏折的方向，不難判斷出帶電的性質。湯姆遜在1897年得出結論：這些「射線」不是以太波，而是帶負電的物質粒子。但他反問自己：「這些粒子是什麼呢？它們是原子還是分子，還是處在更細的平衡狀態中的物質？」這需要作更精細的實驗。當時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，即帶負電的「離子」。他要測量出這種「離子」的質量來，為此，他設計了一系列既簡單又巧妙的實驗：首先，單獨的電場或磁場都能使帶電體偏轉，而磁場對粒子施加的力是與粒子的速度有關的。湯姆遜對粒子同時施加一個電場和磁場，並調節到電場和磁場所造成的粒子的偏轉互相抵消，讓粒子仍作直線運動。這樣，從電場和磁場的強度比值就能算出粒子運動速度。而速度一旦找到後，單靠磁偏轉或者電偏轉就可以測出粒子的電荷與質量的比值。湯姆遜用這種方法來測定「微粒」電荷與質量之比值。他發現這個比值和氣體的性質無關，並且該值比起電解質中氫離子的比值（這是當時已知的最大量）還要大得多。這說明這種粒子的質量比氫原子的質量要小得多。前者大約是後者的二千分之一。

後來，美國的物理學家羅伯特·密立根在1913年到1917年的油滴實驗中，精確地測出了新的結果，前者是後者的1836分之一。湯姆遜測得的結果肯定地證實了陰極射線是由電子組成的，人類首次用實驗證實了一種「基本粒子」----電子的存在。「電子」這一名稱是由物理學家斯通尼在1891年採用的，原意是定出的一個電的基本單位的名稱，後來這一詞被應用來表示湯姆遜發現的「微粒」。自從發現電子以後，湯姆遜就成為國際上知名的物理學者。在這之前，一般都認為原子是「不能分割的」的東西，湯姆遜的實驗指出，原子是由許多部分組成的，這個實驗標誌着科學的一個新時代。人們稱他是「一位最先打開通向基本粒子物理學大門的偉人」。

約瑟夫·約翰·湯姆遜的質譜雛形
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1905年，他被任命為英國皇家學院的教授；1906年榮獲諾貝爾物理學獎；1916年任皇家學會主席。他並沒有因此而停步不前，仍一如既往，兢兢業業，繼續攀登科學的高峰。湯姆遜既是一位理論物理學家，又是一位實驗物理學家，他一生所做過的實驗，是無法計算的。正是通過反覆的實驗，他測定了電子的荷質比，發現了電子；又在實驗中，創造了把質量不同的原子分離開來的方法，為後人發現同位素，提供了有效的方法。湯姆遜在擔任卡文迪許實驗物理教授及實驗室主任的34年間，着手更新實驗室，引進新的教授法，創立了一個極為成功的研究學派。

接二連三的新發現像潮水般地從卡文迪許實驗室湧出：電子云霧室，成就中的一部分。該實驗室培養了眾多的人才。盧瑟福，C．T．R．威爾遜（C．T．R．Wilson），R．J．斯特拉特（R．J．Strutt），F．W．阿斯頓（F．W．Aston），G．I．泰勒（G．I．Taylor），以及兒子G．P．湯姆遜（G．P．Thomson），都是湯姆遜的學生，他們都成了著名的科學家。在他的學生中，有九位獲得了諾貝爾獎金。湯姆遜對自己的學生要求非常嚴格，他要求學生在開始做研究之前，必須學好所需要的實驗技術。進行研究所用的儀器全要自己動手製作。他認為大學應是培養會思考、有獨立工作能力的人才的場所，不是用「現成的機器」投影造成出「死的成品」的工廠。因此，他堅持不讓學生使用現成的儀器，他要求學生不僅是實驗的觀察者，更是做實驗的創造者。湯姆生的著作很多。如《電與磁的現代研究》、《電與磁數學基本理論》等。在他成名之後，好多國家邀他去講學，但他從不輕易應允。如美國著名的普林斯頓大學曾幾度請他去講學，最後他才答應去講六個小時。他講授的內容相當重要，對核物理有一定的價值。這足以說明他治學十分嚴謹，不講則已，講則要有新的創見。倫琴由於他宣布了「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。

1940年8月30日，湯姆遜逝世於劍橋。他的骨灰被安葬在西敏寺的中央，與牛頓、達爾文、開爾文等偉大科學家的骨灰安放在一起。

重大貢獻

約瑟夫·約翰·湯姆遜以其對電子和同位素的實驗著稱。他是第三任卡文迪許實驗室主任。一幅他正在研究陰極射線管的肖像掛在實驗室的麥克斯韋講演廳里。看上去，他不善於具體操作，但對儀器工作原理的理解卻是非常敏捷的。

J．J．湯姆遜聽過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勳爵的指導下，湯姆遜完成了幾篇理論性論文，1884年，瑞利按照他原來的許諾（只擔任五年）辭去了卡文迪許教授職務。湯姆遜申請這個職位，他述說：「沒有認真考慮過這項工作和所要負的責任」就申請了。他只有28歲，沒有想到會當選，但出乎他的意料，他當選了。這些選舉人要麼非常走運要麼是非常有遠見的。湯姆遜說：「我覺得自己像一個釣魚的人，用一隻輕巧的釣魚具，在一個意想不到的地方拋出了一線釣絲，釣到了一條魚，這條魚太重而使這個釣魚的人不能把它吊到岸上來。我覺得接替一位像瑞利勳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於第一任卡文迪許教授的委任（1871年2月）：

據信學校首先同威廉·湯姆遜爵士（後來的開耳芬勳爵）商談，然後同偉大的德國物理學家與生物學家馮·亥姆霍茲商議，但他們都認為無法接受這個職位。在麥克斯韋當選時，他的工作只為很少的人了解，他對物理學至高無上的貢獻——電磁場理論——的真實性仍是一個懸而未決的問題。湯姆遜着手更新實驗室，引進新的教授法，創立了一個極為成功的研究學派。接二連三的新發現像潮水般地從卡文迪許實驗室湧出：電子，雲霧室，關於放射性的早期重要工作以及同位素，是這些最精彩的盧瑟福，C．T．R．威爾遜（C．T．R．Wilson），R．J．斯特拉特（R．J．Strutt，瑞利勳爵的兒子），J．S．E．湯森（J．S．E．Townsend），C．G．巴克拉（C．G．Barkla），O．W．里查生（O．W．Richardson），F．W．阿斯頓（F．W．Aston），G．I．泰勒（G．I．Taylor），以及G．P．湯姆遜（G．P．Thomson），都是他的學生，他們都成了著名的科學家。

倫琴的X射線的發現使氣體電離有了一種新方法，提供了對氣體離子行為的一種新的洞察能力。湯姆遜開始了那個方向的研究工作，這導致了對自由電子的研究。

在1897年，湯姆遜證實了陰極射線的微粒性，測量了粒子的速度和荷質比。湯姆遜在他的實驗中使用的二個管子，射線從管中左邊的陰極A發出，通過陽極B的一條縫進入第二個管子，可以用一磁鐵使射線偏轉而進入一種法拉第籠。收集到的電荷是負的。因此證明了陰極射線是帶負電的粒子。類似的實驗已被J佩蘭在法國做過。在一個第二種類型的管子中，C所產生的陰極射線穿過接地的縫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有一小塊磷光亮斑顯現出來。

質譜儀最初是由約瑟夫·約翰·湯姆遜在1912年發明的
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當湯姆遜將兩塊金屬板E和D與電池的兩端連結起來時，磷光斑移動了，證明了陰極射線被電場偏轉。用一個與電場垂直的磁場，於是他能夠用磁學的辦法將射線偏轉。磁偏轉在以前曾被觀察到過，但是，J．J．湯姆遜是第一個觀察到電偏轉的人。明顯地缺少了陰極射線的電偏轉，這是促使J．J．湯姆遜進行這項研究的首要因素。為什麼在陰極射線被研究的幾十年中沒有人發現過電的偏轉？原因是簡單的：除非在陰極射線管里有一個好的真空，否則就建立不起電場。低真空是電導體，其中，靜電場建立不起來。但是湯姆遜成功了，不僅用如圖1．6的裝置而且用其他兩個裝置也成功了。1897年8月，他描述了「為了檢驗荷電粒子的理論」所做的實驗，將他的測量結果應用到確定組成陰極射線的粒子的荷質比上去。從同樣的實驗中，他也導出了粒子的速度。這裡是他的推理的一個摘要：由一給定電流攜帶的總電量Q等於它所有的粒子數N乘每一個粒子的電荷e：

Ne=Q

然後，通過測量產生的熱的辦法來測量由粒子所傳輸的能量W，這個值必須等於質量為m、速度為v的這些粒子的動能

1/2Nmυ²=W

用磁學辦法使粒子發生偏轉，他知道：

mv/e=Bp

這裡p是軌道的曲率半徑，B是磁場。因為能量，電量，磁場和曲率半徑是可測量的，他能推論出

e/m=2W/(Q²B²p²)

具有值2.3×1017（靜電單位電量/克），遠大於電解法中離子的荷質比e/m。

在他1897年的文章中，湯姆遜敘述了另一個令人注意的觀察結果：構成陰極射線的微粒都是一樣的，與管內陰極或對陰極或氣體的成分無關。這裡有一個所有物質的普適成分。

稍後，在1899年，他使用他過去的學生C．T．R．威爾遜發展起來的技術和思想，分別測量了電子的電荷和質量。威爾遜已經注意到在適宜的環境下，電荷起着過飽和蒸汽的凝結核的作用。因為水會在它們上面冷凝，這有助於霧的形成。在這樣一種由於電荷的存在而形成的霧裡，人們可以根據小霧滴下落的速度而計量它們的體積，從沉澱的水的總量或根據最初的過飽和汽算出它們的數目。根據這個數據可以得到霧中所有的小滴子數。根據由霧所傳輸的總電荷（這是直接可測的）可以發現平均每一個小滴上的電荷與電子電荷相同。在卡文迪許實驗室做的這項工作，得到的電子電荷大約為3×10-10絕對靜電單位。根據測量到的e/m值可以求得電子質量。

這個「落滴」法後來被R．A．密立根（R A Millikan)（1910）在美國加以改進。他不觀察霧，而觀察單個的微滴；他將此法變革為一個精確的方法，得到值為4.78×10-10esu的電子電荷。許多年以來，這一直是一個最好的直接測量值。然而在1929年，出乎每個人的意料，發現它竟然有百分之一的誤差，比估計可能有的誤差大得多。這個差異的起源在於對空氣粘滯性的測量有毛病。今天所知的電子電荷值精確度為百萬分之三，即4.803242×10-10esu；已知的精確度為百萬分之六的e/m是5.272764×10-17esu/g。

倫琴，由於他宣布了「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。