科学技术进化论阴极射线发现过程的逻辑分析.docx
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科学技术进化论阴极射线发现过程的逻辑分析
【1】阴极射线——电子发现过程的逻辑分析
发现实例：
1834年，法拉第在研究液体导电时，发现了电解定律。
1838年法拉第由研究气体导电开始转向对真空放电的研究。
他用自己制作的真空度仅有千分之七个大气压的真空放电管——法拉第管（将两根黄铜棒焊到一根玻璃管的两端作为电极并用空气泵抽去管里的空气。
由于当时实验技术的限制，只能获得较低的真空度）通电后，发现两极之间有暗区——法拉第暗区。
1851年，巴黎电学机械厂技师鲁姆柯夫发明了能把直流低电压（6伏）变成几千伏高电压的感应线圈。
1857年，德国波恩的仪器技工盖斯勒（H.Geissler,1814～1879）用自己发明的水银真空泵和鲁姆柯夫发明的高压线圈制成了真空度达万分之一个大气压的真空放电管——盖斯勒管（他利用托里拆利真空原理制成了水银真空泵,代替了以前的空气泵。
在一根玻璃管的两端封上两根白金丝，再用水银真空泵把玻璃管中的空气抽调，然后接上高压线圈）。
1858年，德国物理学家盖吕克（J.Plücker,1801～1868）在用盖斯勒管研究真空放电时，发现管中除了低压气体发光以外,正对着阴极的玻璃管壁也发出了绿色的荧光，当磁铁在管外晃动时,荧光也会随之晃动。
为了进一步观察放电管中的现象，1869年普吕克的学生希托夫（J.W.Hittorf,1824～1914）制作了一个真空度达10万分之一大气压的圆球状真空放电管（在球中间装了一片障碍物，而两个电极是垂直安装的）——希托夫管，他发现在两极之间放一片金属障碍物时，阴极对面的玻璃管壁上不仅发出荧光而且还出现了障碍物的影子；若改用透明的云母片作障碍物，同样会出现清晰的影子；在电场和磁场的作用下，障碍物的影子会发生移动。
这一实验表明玻璃管中从阴极发出了一种带负电的不可见射线，而不是光线，对面玻璃管壁在它的撞击下会发出荧光。
1876年，德国物理学家哥尔德斯坦（E.Goldstein,1850～1930）将这种由阴极发出的奇妙射线命名为“阴极射线”。
1878年，英国伦敦大学的化学教授克鲁克斯（W.Grookes,1832～1919）利用德国科学家本生的学生斯普伦发明的抽高真空的水银泵，设计制造了各种形状的真空度达到百万分之一个大气压的高真空放电管——克鲁克斯管。
发现通电后的放电管中处于一种闪烁的黑暗状态，阴极对面的玻璃管壁依然发出清晰的荧光。
克鲁克斯还制作了一个长长的高真空放电管，管中平行地安放着两根玻璃轨道，在玻璃轨道上放着一个云母片作的小风车。
当用阴极射线照射上侧风翼时，小风车就沿轨道滚动起来。
这表明阴极射线是一种高速带负电的粒子流。
1897年4月30日，时任卡文迪许实验室主任的汤姆逊向皇家学院做了题为《阴极射线》的报告，系统地阐述了他利用阴极射线是带电粒子、又能被电场和磁场偏转的特性来测定阴极射线粒子的速度、质量和电荷的实验：
他首先精心设计了一个阴极射线管——在管子的一端装上阴极和阳极，在阳极上开了一条细缝，通电后，阴极射线就会穿过阳极成为细细的一束，折射到玻璃管的另一端。
这一端的管壁上涂有莹光物质。
这一实验装置实际上就是电视显像管的前身。
汤姆逊在射线管的中部装有两个电极板用以产生电场，在射线管外面加了一个磁场。
调节电场和磁场的强度使它们对阴极射线的作用正好相互抵消，这样阴极射线就不会发生偏转。
汤姆逊据此来测量电场和磁场的强度。
他利用物理学有关定律计算出了阴极射线的速度为1.9×107cm/秒，并测出阴极射线带电粒子的电荷和质量的比值，发现这种粒子的质量非常小，仅是氢原子的质量的1/2000。
汤姆逊还用金、银、铜、镍等各种金属作阴极来测定不同阴极上射出来的带电粒子，发现它们的电荷和质量的比值都一样。
他又把不同的气体如H2 、 O2 、 N2……充到管内，阴极射出的带电粒子的电荷和质量的比值还是一样的。
这一系列实验表明不管阴极射线是由哪种物质产生的，是由电极产生的，还是管内的气体产生的，在各种物质中都有一种质量为氢原子质量的1/2000的带负电的粒子（后来人们更精密的测定其值为1/1837）。
1891年，英国物理学家斯通尼（G.J.Stoney,1826～1911）把阴极射线粒子称为“电子”
英国物理学家汤姆逊所发现的电子是人类发现的第一个基本粒子，这是物理学发展史上一项具有划时代意义的重大发现,它标志着人类对物质结构的认识进入到一个新的阶段。
创新逻辑分析：
①相似推理:
已知:
固体 → 可导电
联想:
固体～液体（相似关系）
推论:
液体 → 可导电
实验:
液体 → 可导电
②相似推理:
已知:
液体 → 可导电
联想:
液体～气体（相似关系）
推论:
气体 → 可导电
实验:
气体 → 可导电
③相反推理:
已知:
物质 → 导电
联想:
物质～真空（相反关系）
推论:
真空 → 不导电
实验:
真空（7 ‰大气压）→ 导电
（英国:
法拉第）
④相反推理：
已知：
法拉第管（7 ‰大气压） → 暗区
联想:
低真空～高真空（相反关系）
推论：
高真空管 → 新现象
实验：
盖斯勒管（万分之一个大气压） → 荧光
（德国:
普吕克）
⑤相反推理：
已知：
盖斯勒管（万分之一大气压）→ 荧光
联想：
低真空～高真空（相反关系）
推论：
高真空管 → 新现象 实验：
希托夫管（10万分之一大气压） → 射线
（德国:
希托夫:
）
⑥相反推理：
已知：
希托夫管（10万分之一个大气压）→ 射线
联想：
低真空～高真空（相反关系）
推论：
高真空管 → 新现象
实验：
克鲁克斯管（100万分之一个大气压）→ 粒子（ 电子）
（英国:
克鲁克斯）（英国:
汤姆逊）
人物简介:
汤姆逊（J.J.Thomson,1856～1940）是英国卡文迪许物理实验室主任，他一生从事物理学研究。
他出生于英国曼彻斯特，其父以售书为业，因生活拮据，无钱学工程而学物理学。
在剑桥大学读书期间，因父亲去世家境贫困，而只能靠助学金来维持学业，由于学习优秀先后于1876年、1880年多次获得数学奖金。
大学毕业后，他留在卡文迪许实验室作研究工作,1884年担任了该实验室主任。
在他的领导下，这个实验室曾培养了一批象卢瑟福、威尔逊、巴克拉、阿斯顿一样的优秀物理学家，。
1881年，汤姆逊（J.J.Thomson,1856～1940）通过对克鲁克斯实验中小风车转动作用力的数学计算，否定了克鲁克斯关于阴极射线是带负电的分子流的假说；同年，他在《带电体运动产生的电磁效应》的论文中，用麦克斯韦的电磁理论研究了带电体的运动，认为带电微粒的质量都源于电磁场；1894年汤姆逊用旋转镜法测量了阴极射线的速度为1.9×107cm/秒，从而证明了阴极射线不是电磁辐射。
1897年他发现了电子。
1906年，由于他在“气体导电方面的理论和实验”而获得诺贝尔物理学奖。
我很高兴以诺贝尔奖获得者的身份在这里履行义务，和大家谈一谈阴极射线。
我想大家一定希望我谈一些别人没有谈过的内容。
我将向大家描述这个课题的发展，包括有关电和物质的最新理论，在我看来，它们是以我的实验为基础的。
这给了我一个很好的机会，一方面谈一下我的工作是如何依靠了别人的工作，“另一方面谈一下后来的、或多或少是同时代的其他研究工作者的工作是如何在若干方面和我的工作相联系。
因此，用一个比喻，即你加我尊敬的瑞典科学院的同行们，在你们的院士证书的扉页上用过的比喻“，现在我不仅要讲得到的果实，而且要讲结出果实的果树和栽培它们的人。
这个比喻对我来说尤其合适，因为我决不是属于收获果实的人，我只是一个植树的人，照料果树的人或者只是对这些有帮助的人。
由于时间关系，我只能较详细地介绍这里讨论的这个领域中我所做的工作的几个方面．
这一工作的开始可追溯到二十六年前的克鲁克斯。
我读过他的文章《辐射物质》，这是她对阴极射线的称呼.在求学期间，我没有直接表现出对这些问题的兴趣。
气体放电对于初学者来说并不是一个合适的研究对象，事实的确是这样。
但甚至是成熟的研究家在克鲁克斯以后的年月中也没有取得真正有意义的成就。
他们没有取得开辟新前景的结果。
就实验条件的纯净而论，他们都没有超过克鲁克斯的工作。
只是在后来，当我在海德堡大学当昆克（Quincke）的助手时，我才有机会和便利制造了一个水银真空泵（它能产生非常高的真空），用来进行我自己的阴极射线实验。
当时这不算是物理研究所的标准实验工程。
我希望尽可能直接地取得进展，我想，如果能将这些射线从管中5！
到空气中该有多好：
那时就有可能用它们进行直接实验了。
为此，需要在管壁装一个可以让射线穿过的密封层。
四年后，即1892年，我有了另一个机遇。
当时我是赫兹的助手。
截兹发现金属箔可以让阴极射线通过（儿）。
他用的是很薄很软的有细孔的金箔。
银箔和包装用铝箔。
实验证明，阴极射线不仅能送过细孔。
而且可以通过金属箔材料本身。
一天他叫我去，遗憾的是当时这种机会不经常有，他给我看刚发现的现象：
在放电管中放着一块用铝箔覆盖的铀玻璃，当射线从上面发射时，铀玻璃就发亮。
他对我说。
“我们应该用铝箔把放电管分成两个室、在一个室中象通常那样产生阴极射线，在另一个室中可观察空前纯净的这种射线。
即使因为铝箔很软，两个室的气压差很小，也可数把观察室完全抽真空，看—下这样做是否妨碍阴极射线传播，换句话说，看二下阴极射线是物质中的现象还是以太中的现象。
”（这一点我做到了。
）他显然认为最后这个问题是最重要的问题。
我后来进行了实验，但我主要对我早年的问题，即在敞开的空气中的阴极射线感兴趣。
我没有因为赫兹所用的金属箔太软而不用它，我在合适的放电管中把越来越多的这种金属箔一层层叠起来，发现10层到15层还能让阴极射线很好地通过。
于是，我又找了几片较厚的薄铝片，看它们是否能经受得住空气压力。
情况果然如此，条件是铝箔的面积应该足够小。
然后，我重新用旧的管子，用金属板代替石英片，金属板上有一小孔，小孔用铝箔密封，将几颗碱土磷化物颗粒放在铝窗上，然后激发放电管，礁！
颗粒发亮了。
我又轻轻地拿起颗粒放在铝窗前，它们在这里同样也发亮。
这证明阴极射线能从放电管中出来，而过去它们一直被限制在管内。
此外，它们还通过了通常密度的空气，这是谁也没有预料到的。
于是很清楚，在我面前展现了一个新的广阔的研究领域，不仅包括迄今尚未看到的现象，而且有希望向未知的领域突破。
到目前为止一直难以解释的阴极射线的秘密终于被揭开了。
更重要的是现在首次能以最大的纯度进行实验。
让我们用另一种类型的辐射——光——来作类比。
如同到现在为止，除了在产生光线的炉子内部和火焰中外（就象阴极射线在放电管中），不可能研究光线。
那么伟大而详尽的光学就此止步了吗？
现在可以在炉子上装一个密封窗，纯的光线能通过密封窗出来，离开形成它的复杂而难以解释的过程，这个过程仍限制在放电管里面。
自从发现阴极射线以来，这个过程一直不能理解，除非对阴极射线本身进行充分的研究。
正如我们在历史回顾部分将看到的，这个研究还提供了有关X射线和放射性的许多其他知识（其中有些现在已成为常识），同时也加深了对电和物质的了解。
现在首先需要扩大新的知识领域的这个突破口，重要的是增大从窗口出来的射线的强度，并改进产生射线的条件（与第一个放电管相比）。
因此我制造了如图3所示的放电管，它曾在许多实验中使用过（18）。
这里可以看到射线产生室，其中有阳极（A），阴极（C），有小窗的密封层（mm），窗后是观察室，射线就进人该室。
尽管在这里最明显的或不太明显的现象都能观察到，但到目前为止，所有现象的结果都尚未充分地研究过。
必须指出，射线不能直接看见，用眼睛直接对着窗口是无用的，因为眼睛这个器官不能接收阴极射线。
另一方面，不加热就能发光的荧光物质可以使射线变成可见的。
最好是用几张涂有这种物质的纸对着射线作屏幕，例如某种酮、氰化铂或碱土磷化物。
如果屏幕发光，就表明有阴极射线撞击它。
还可以对射线直接摄影。
这些方法和使紫外线成为可见的方法相同。
紫外线是当时知道的不可见辐射的唯一例子。
当我们使用荧光屏时，发现靠近窗口处最亮，随着离窗距离的增加，射线的强度逐渐减弱，到离窗8厘M时屏幕就相当暗了。
常压下敞开的空气对阴极射线的穿透性不十分好，比光的穿透性要差得多。
我们有趣地发现，空气对这些射线来说是一种混浊媒质，就象牛奶对于光一样。
如果我们在离窗口合适的距离处置一块带孔的不透光的板，然后把屏的边缘对着孔，就会得到图文所示的图象。
图中虚线指示出细的射线束，这是直线传播时应有的情况。
但是我们在空气中的屏幕上实际上看到了宽的弯曲球状光束，就象我们让光通过一个盛有稀牛奶的罐子的相同小孔时所看到的现象。
是什么东西使空气变混浊呢？
在牛奶中是无数悬浮的脂肪小颗粒造成混浊，使透光性变差。
但纯净空气除了悬浮于以太中的气体分子外别无他物。
这些分子异常微小，比脂肪分子小一万倍，它不能阻挡光的传播而使透光性变差。
可见，阴极射线一定是非常精细，与之相比，物质的分子结构就显得粗糙了，尽管物质的分子结构和很精细的光波相比又显得极小。
因此有可能用这些射线去获得有关分子和原子本质的信息。
因此，我对研究不同物质的与阴极射线有关的性质特别感兴趣。
首先研究了穿透性。
在密封窗和屏幕之间放一薄层待研究的物质，就可对此有所了解。
十分清楚，一种物质的透光或不透光性与它对阴极射线的可穿透性没有任何关系。
图5是一个例子，是在铝窗处直接拍摄的已洗印的照片，。
照片上半部分是一个全透光的1／z毫M厚矩形石英片的浓黑影，下半部分象一块很淡的纱巾，这是不透光的普通铝箔的象，铝箔边缘不甚规则。
此图象占据了整个下半部。
必须充分注意投射阴影的薄片的厚度。
举例来说，此实验中使用的石英片，不穿透的简单厚因是它太厚。
为什么发现的唯一可穿透的薄片是金属箔呢？
原因是可以得到很薄的金属箔。
我们马上就能看到，大多数其他物质如果厚度相同，穿透性甚至比金和银还好。
不久我证明了任何物质对阴极射线的吸收象对光的吸收一样是一个逐渐变化的过程。
我测定了大量的固体和气态物质的吸收本领。
结果是令人惊奇的。
我们周围不同物质的所有复杂多样的性质全部消失了，唯一起决定作用的性质是物质的重量。
重量相同的一切物质，吸收率均相同。
物质越重，吸收就越多，物质越轻，吸收就越少；吸收总是正比于重量或质量。
在第一级近似中，可以完全不考虑物质的化学成分、聚集状态和其他性质，、塑秒意外的是，当时知道的其他辐射都不是这样。
在第2级近似中，十分细心地观察才能发现化学成分有轻微的影响。
例如，氢或一切含氢化合物的吸收率比与重量成正比的情况略高一些。
我不准备在这里详细讨论这些偏差及其意义。
现在让我们来看等厚的铝箔、银箔、金箔的阴影的直接照片（图7），这是阴极洛黝线的吸收正比于质量这一规律的一个图示。
该定律在第一级近似下成立。
从图中可以看到，银比铝重，银箔吸收阴极射线比铝多。
金最重，吸收阴极射线最多。
反之，如果用三种重量相同的金属箔，我们就得到吸收相同的同样浓的阴影。
事实上，与阴极射线有关的不仅是吸收，还有混浊度。
对此，我也用数种不同的物质作了对比研究，发现混浊度也只和被研究物质的重量或质量有关，正如牛顿所指出的那样，质量是物质的量，而不是材料的量。
如果我们现在回过来想，阴极射线在物质中传播时只受到物质的单个分子的影响，我们就能得出结论说，大多数不同物质的分子以及不同化学元素的原子彼此没有质的区别，而只有量的区别，即它们都由相同的基本物质组成，但所含基本物质的数量不同。
炼金术士的这个古老的因缺少正确的资料而几乎被遗忘的假设，现在重新明显地在我们心中出现。
然而这一次不会再消失，而是被证明了的。
我们可以引证拉姆赛（54）和卢瑟福（51）的最新研究成果作为证据，他们发现镭奇怪地转变成其他元素。
但为了使质量和阴极射线的吸收成正比这一规律成为得出有关物质结构的更详细结论的一个基础，首先必须了解阴极射线的一些性质。
我们现在就来讨论这个问题，这是我在整个研究过程中一直注意的问题。
当我们用抽气机将观察室完全抽成真空时，里面就不含任何物质，只有以太存在于空中。
我们早已知道，声音是不能通过这种真空室的一个例子，而光、电力或磁力可以通过。
因此
毫无疑问，声音是物质中的现象，光、电力、磁力是以太中的现象。
过去我们不能在普通的放电管中对阴极射线进行相应的实验，因为一旦抽去所有的空气，管子里就停止产生阴极射线。
然而我们可以把铝窗另一侧的观察室完全抽成真空而丝毫不影响射线的产生，并观察阴极射线是否能在该真空室中传播。
我们发现，它在超高真空中传播得特别好，由气体分子引起的吸收和混浊全部消失了，阴极射线穿过的路程可长达数M，而且射线束非常细直，通常只有光线才能达到这种细直程度（18）。
所以阴极射线是以太中的现象。
尤其是以我们前面提到的假设为基础时，我们可以说，阴极射线不象在英国特别流行的看法那样，它们不是辐射物质或发射的气体分子“。
我们还不清楚它们是以太中的什么类型的现象。
我的许多读者非常错误地认为我事先已断定阴极射线是“以太中的波动”。
但我并没有想这样说。
换句话说，事实上我什么也不想说，除非我的实验中证明是这样，并提供了一种解释。
我的办法是进一步做实验，每天都从大自然本身发现新的东西，至少我希望这样或想这样做。
因此我很遗憾，我刚进行到这一步时我的实验却中断了很长的时间，首先是由于H，赫兹的过早去世，我意外地承担了一项繁重的任务，即《力学原理》一书的出版工作。
其次是当时我被任命为理论物理教授。
在这次中断之前，我设计了一种更方便的新型放电管，虽然这不值一提，但对于我们这个课题的发展并非不重要。
我尽可能对这种新型放电管进行了实验推广，使它可以普遍适用。
图9给出了一个示意图。
密封窗置于钻管的一端，铂管再馆接在玻璃管上，就是说可以不使用大量的油灰，因为油灰常常使放电管难以使用。
这种放电管还有着当时不可能预见到的特殊优点。
管内密集的阴极射线撞击着大面积的拍，正如我们现在所知，铂这种金属能最有效地把阴极射线转变为当时还未发现的x射线。
因此这种管子能产生大量的x射线，它们或与阴极射线混在一起，或与阴极射线分开，通过密封窗进人观察室。
在以前的放电管中这是不可能实现的，因为在射线途径中有很厚的金属盖（27）。
此后不久，最早研究X射线的伦琴就用上面描述的这种放电管发现了X射线。
这一发现通常被看作是一次幸运的发现。
但是，既然有了管子，观察者的注意力已从管内转到了管外，并且有了管外的荧光屏，因为这也是设计新管子的目的。
所以在我看来，到了这个发展阶段时发现X射线是必然的．
当我重新开始实验时，赫兹和许斯特提出的思想占满了我的头脑。
在我看来，关于阴极射线性质的问题从一开始就非常重要，在我的第一阶段实验中就开始研究了。
从希托夫时代以来就知道阴极射线可被磁铁偏转
（2）。
同样，戈德斯坦发现的阴极射线偏转（4）可解释成电力对射线的作用。
现在，射线的磁偏转和电偏转表明，阴极射线是由射出的带负电物质组成的。
此外，根据实验测量的磁和电对射线作用的大小，甚至可以计算出假设中的这些物质的速度和单位质量的电荷（即荷质比）。
这就是赫兹和许斯特所做的工作，但他们得到的结果却是相矛盾的．赫兹发现他的观察不符合喷射气体分子的理论，而许斯特则发现自己的结果可纳人这个理论的范畴，并且认为这是对该理论的一个支持。
这个矛盾并不使我感到惊奇。
由于两位科学家都是观察放电管的内部，他们可能被射线产生过程和存在气体的复杂情况迷惑了，事实上他们都有保留地承认了这个事实。
到了现在，应当在明确的实验条件下进行这些重要的实验，即应该在放电管外部的高真空中进行实验，才能得到一些激动人心的结果。
如果我们已知射线是以太现象而不是物质现象，那么，它们的行为仍然与喷射的带负电气体分子相类似，这是令人不解的。
以前还不知道如何才能解决分子流和以太现象这个进退两难的问题。
这些实验或许能解决这个问题，无论如何它们将会揭示出一些全新的东西。
当我还在为实验作准备时，我听说其他科学家也注意到了这个问题的重要性。
J．J．汤姆逊第一个发表了关于这个课题的详尽的论著（25）。
他的实验同赫兹和许斯特的实验一样，是在放电管内进行的。
他想到了用防护装置来避免放电时的相互作用所造成的混乱，大大改变了实验条件，弥补了因存在气体而造成的不可靠的缺陷。
我很清楚，此后出现的一切都将是我从赫兹和许斯特的矛盾中感到有疑问的中心问题。
看来，在它正式成为科学的一个组成部分之前，应该尽我们的可能去直接和精确地进行验证。
因此，我进行了实验，实验的结果如下8）。
上面假设的物质，其速度约为光速的三分之一，荷质比约为电解中氢原子荷质比的一千倍。
氢原子是我们已知的最轻的带电物质。
因此，假如阴极射线是流动的氢原子，它们所带的电荷就应是电解时的一千倍。
这种可能性无论如何被我早年的实验排除了。
那些实验已证明，阴极射线不是物质组成的物体。
看来很明显，我发现了以太的迄今未知的部分，它代表电荷，象惯性质量那样运动．测得它的惯性很小，在电荷相等的条件下是氢离子惯性的千分之＿加上以太的这些部分的其他性质（30），我们不难看出，它们正是早先所说的所谓“电流体”。
我们现在对这个新内容已了解得很多，它在许多方面和早年提出的观念显然很不相同。
这里应该注意，我们的所有论述都只适用于负电，而不适用于正电。
至于是否有正电，即使到今天也说不出什么。
我们不能宣布认识了正电。
我们只能承认有带正电的物质，它可以是原子、分子或是分子团D。
因此我们只能用统一的表述方式说，当一块物质失去负电时，它就带正电。
现在让我们考虑在我们的实验中出现的负电。
我们对它的自由运动感到惊奇，迄今我们相信它只能在金属导体的内部存在。
我们在放电管内部的电极上加电压，使电在气体中加速运动，它的速度立刻变成光速的三分之一，即100，000公里／秒。
这就是阴极射线。
现在它撞击到铝窗上。
根据以往的知识人们会说；“它将附着在铝窗上，然后流人大地”。
事实远非如此；射线穿过金属极。
据我检测，它的速度丝毫没有减小。
它能穿过铝窗进入几乎完全的真中，并在真空巾继续直线前进。
这是在空的以太中的电流。
这是我们早先认为不可能的观点。
当它最后击中一块厚的金属板时，它穿进金属板并留在里面，在经过这样一个不寻常的程之后，它才最终作为普通的电荷出现在金属表面上。
电是否连续充满空间和它有没有结构的问题特别令人感兴趣。
我曾观察过两束阴极射线从相反方向射进同一观察窒。
对此现象的定量研究发现，两束射线彼此丝毫互不干扰，这表明射线的电是由分立的和极小的部分组成的，它们被体积很大的自由空间隔开。
我们可以认为这些部分本身或多或少是互不穿透的，因为根据库
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