电子揭秘：从历史猜想到科学真相，带你看懂微观世界

<淘配网>电子揭秘：从历史猜想到科学真相，带你看懂微观世界

简介

电子（英语：）是一种带有负电的次原子粒子，通常标记为

。电子属于轻子类，以重力、电磁力和弱核力与其它粒子相互作用。轻子是构成物质的基本粒子之一，无法被分解为更小的粒子。

电子带有1/2自旋，是一种费米子。因此，根据泡利不相容原理，任何两个电子都不能处于同样的状态。

电子的反粒子是正电子（又称正子），其质量、自旋、带电量大小都与电子相同，但是电量正负性与电子相反。电子与正子会因碰撞而互相湮灭，在这过程中，生成一对以上的光子。

历史溯源

摩擦为什么能够起电？经过摩擦的物体为啥能吸引轻小的物体？三百多年前一些科学家认为电是一种看不见的奇妙液体。他们想象：在那些经过摩擦可以起电的物体中存在着一种看不见的无形流体，当麼擦物体时， 这种看不见的流体就悄悄地从被摩擦的物体中流了出来，吸引邻近轻小的东西。

这种见解现在看来甚至连小学生也会觉得可笑，但在电学的迷惘时期却被许多人认为是千真万确的其理，甚至连十七世纪最负盛名的大科学家牛顿也认为在带电的物体內部有一种特殊的液体在流动。

到了十八世纪时又有人提出电是一种神秘的“电素”的学说。正如那时风行的各种“素”理论一样，人们把一切都归结为“素”的作用——物体发热是因为物体内部积聚了“热素”的缘故；物体的弹性是由于它含有“弹性素”；物体的可燃烧性质是因它包含“燃素”，磁石或磁铁所显示的磁性则是由于所谓的“磁素”引起的……当然，由此推论，物体的带电应是“电素”引起的。

但是这些被称为“素”的东西究竟是什么东西呢？谁也不知道，因为无论是早期所提出的“热素”、“燃素”，还是新冒出来的“电素”，不仅从来沒有被人看见过和摸着过，更重要的，它们从未被实验发现或证实过。

因此，这些“素”的见解，与其说是解释现象的理论，还不如说是回避问题的挡箭牌和对事物懵然无知的代名词。

到了1733年，一个名叫杜·费的法国人通过多次实验的观察,他认为存在两种异性的电——一种是负性的（负电），另一种是正性的（正电）；这两种异性的电相互吸引，而同是负性或者同是正性的电却表现出相互推斥的现象。这就是现在大家都知道的异性电相吸、同性电相斥的现象。

时间又过去了十余年。到十八世纪四十年代，富兰克林进一步提出了物体所以会带正电或负电的原因。他认为这是由于带电物体相互之问进行电的分配而引起的。他并且提出了电的“粒子学说”，即一切电都是由无数个微小的荷电的粒子组成的，富兰克林管这种电的粒子称为“电荷”。这可以说是近代电子论的第一级梯子，因为在这里富兰克林已勾画出一个关于电子的模糊轮廓。

发展到了十九世纪初期电子揭秘：从历史猜想到科学真相，带你看懂微观世界，一些科学家们明确地提出了电子概念。他们认为在物体之中存在着一颗颗微小的带电粒子电子，电流就是电子的流动造成的。这一正确的见解更进一步迫近了近代电子论。

几千年来，在探索电的本质和寻找电的源由的迢迢征途上，人类就是这样一步一阶艰难地摸索前进。到十九世纪初，一个粗糙的电子概念终于首先被提出来了，这标志着电学研究的大突破。按理说人们完全可以通过这个已打开了的电的缺口，迳直的深入到电子世界中去，从而加速近代电子论的建立。但是在通向电子论的门槛上横踞着一个瓦大的障碍物。当时电的液体概念已根深蒂固地盘踞在许多人的脑海中，特别是由于提倡电的液体学说的人中包括了象牛顿那样万方景仰的伟大学者，因此信仰代替了科学，偏见拒绝了真理。有关电的正确的电子概念和学说竟遭受到众多人的反对和非议，早期的电子论即使在科学界中也未能引起应有的共鸣。

看来，在电的液体学说以君临一切的姿态统治当时科学界时，要想冲破旧理论的需束，使电学从液体学说中彻底解放出来，不拿出确凿的证据和活生生的实验结果来，是不行的。

于是人们想方设法用实验去证明电子的存在。

从十九世纪三十年代末期开始，人们陆续发现电流不仅可以通过金属导体或导线，而且它还可以从稀薄气体中通过。这就是所谓稀薄气体放电现象。

按照电的液体学说一一电是一种看不见的液体，那么根据观察到的许多稀薄气体放电现象，难道说液态的电可以无拘无束地飞越过空气稀薄的空间吗？

1879年，英国科学家克鲁克斯在前人实验的基础上做了一个很有趣的实验，这就是著名的克鲁克斯实验。

在一根抽成较高真空的玻璃管两端各封接一个金属电极（图2-1），当在两个电极之间施加近千伏的高压（加有负电压的一端称作阴极；连接正电压的电极则称为阳极）时，正对阴极的玻璃管壁上竟然出现了类同阴极面积大小的闪烁的光辉，好象是从阴极发射出了一种奇怪的射线。这种射线笔直地射到阴极对面的管壁上，使管壁出现亮光。人们把这种射线叫做阴极射线。

图2-1

为了验证阴极射线的存在和探明它的本质，人们在玻璃管内的阴极前面安置了一块“+”字形的云母片（图2-2）)， 看看是否真有什么东西从阴极射出来，打到管壁上。果然，当加置了云母片后，在玻璃上出现了很清晰的“+”暗形。于是人们才敢断言：从阴极确实射出了一股射线，而且射线是像光线那样直线进行的。

图2-2

许多人认为阴极射线就是一种看不见的光线(光波)，正如人眼看不见的红外线或柴外线那样；但又有人提出阴极射线是带电的微粒流(电子流)，还有人提出其他的见解。

众说纷耘，谁也说服不了对方。争论是马拉松式的，前后持续了二十年左右的时间。这场旷日持久的争论通过有名的汤姆逊实验而平息下来。争论的结果——发现了电子。

1897年，英国科学家汤姆逊（注：即约瑟夫·约翰·汤姆逊电子企业竞争战略论文，题目中所提的约瑟夫。一般称为汤姆逊）为了探明阴极射线和证实电子的存在，在克鲁克斯实验玻璃管的两旁分别设置了电场和磁场(图2-3)。这时发现原先管壁的辉光所在处移位了。这说明阴极射线在电场或磁场作用下发生了弯曲。

图2-3

汤姆逊的实验否定了阴极射线是光线(光波)的流行说法，因为许多实验已经反复表明，无论是在电场中，或是在磁场中，光线都不会拐弯。只有电流才会在电场或磁场中自行弯曲。因此毫无疑问，阴极射线是一股带电的射线。

汤姆逊根据阴极射线在不同电場和磁场中的偏转方向，很快地判断出了阴极射线是带负电的，而且这种带负电射线是由带负电的微粒组成的;他还进一步测得了这种带负电的微粒子的速度，以及每个微粒所带的电量与它的质量的比值。汤姆逊惊奇地发现，不管使用何种金属材料作为阴极，从阴极发射出来的微粒，其所带电量与质量的比值总是相同的。因此这种带负电的微粒是恒定不变地客观存在着的，电流现象就是由于这种微粒的运动而出现的。汤姆逊将此种带负电的微粒称为“电子”。

到了1911年，美国物理学家密里根等人经过长时期的实验，用精确的实验方法，测量出了单个电子所带的电量，以及单个电子的质量。奇怪的是，不管所使用的阴极材料多么不同，从阴极射出的每个电子都带有完全相同的电量和有着同样大小的质量，这更进-步显示电子是一种具有完全确定质量和带有恒定电量的不变微粒。

更使人惊讶的是，人们发现一切带电物体所带的电量总比电子具有的电量要大，而且总是电子具有电量的整数倍。这就告诉人们：电子具有的电量是最小的电量，电子是最微小的“电”的粒子，正如原子是物质存在的最小粒子一样（因此当时人们把电子称做电的“原子”）。

既然所有带电物体所带的电显总是电子具有电量的整数倍，那么就有理由认为，物体带电是由于该物体存在着电子的原故。

一个半世纪以前，电学先驱者富兰克林提出了电荷概念——他把电想象为一个个电的微粒，现在先驱者的预言证实了，富兰克林的见解在新的科学园地上开花结果了。经过几代人的前赴后继努力探索，古老的臆测终于变成科学的现实，人们终于发现并抓住了幽灵似的电，这也是人类第一次发现了基本粒子的存在。

参考资料维基百科赵保经. 电子的基本概念. 科学技术文献出版社, 1983.