§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（Julius P1ücker，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。
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/千克至正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。
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。
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（Joseph John Thomson，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。
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。
