湯姆森的電子實驗裝置圖

① 電子是如何發現的

電子是在1897年由劍橋大學卡文迪許實驗室的約瑟夫·約翰·湯姆森在研究陰極射線時發現的。

1897年，英國劍橋大學卡文迪許實驗室的約瑟夫·約翰·湯姆森重做了赫茲的實驗。使用真空度更高的真空管和更強的電場，他觀察出負極射線的偏轉，並計算出負級射線粒子（電子）的質量-電荷比例，因此獲得了1906年的諾貝爾物理學獎。

湯姆遜採用1891年喬治·斯托尼所起的名字——電子來稱呼這種粒子。至此，電子作為人類發現的第一個亞原子粒子和打開原子世界的大門被湯姆遜發現了。

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1、電子的應用

電子的應用領域很多，像電子束焊接、陰極射線管、電子顯微鏡、放射線治療、激光和粒子加速器等等。在實驗室里，精密的尖端儀器，像四極離子，可以長時間約束電子，以供觀察和測量。大型托卡馬克設施，像國際熱核聚變實驗反應堆，借著約束電子和離子等離子體，來實現受控核聚變。

在一次美國國家航空航天局的風洞試驗中，電子束射向太空梭的迷你模型，模擬返回大氣層時，太空梭四周的游離氣體。

2、電子的發現過程

19世紀末，許多科學家都研究陰極射線。原因是對它的本質還沒搞清。這么多的科學家研究陰極射線，為什麼他們不能發現陰極射線是帶負電的顆粒呢？原因是，只要在陰極射線管內有一定的氣體，當陰極射線通過時，這些氣體就變成導體而使陰極射線受到屏蔽，令它不受電場或磁場的影晌。

1897年湯姆森把陰極射線管內抽到殘留的氣體很少，當陰極射線通過時把原來過多氣體變成導體的屏蔽效應消除。他就可以看見陰極射線受到磁場（電場）的偏轉。這表示陰極射線是帶負電的粒子。這樣，湯姆森研究陰極射線實際就是研究帶負電顆粒的遠動。

1899年湯姆森從電（磁）場的強度，顆粒運動的速度和偏轉的角度，就可以測出電子的質量以及它所帶的電荷。湯姆森得出結論是，他所發現的帶負電的顆粒比最輕的原子都要輕一千倍，它是原子的組成元素。後來，科學家把它稱為電子。湯姆森提出，電子是分布在正電的海中的「葡萄乾布丁」原子模型。

② 湯姆森發現電子實驗 具體實驗是怎樣的 想了解實驗過程

電子束射到熒光物質上時能讓它發光,湯姆森在陰極射線實驗中就用了熒光物質,結果真的發光了,由此斷定這是電子.

③ α粒子散射實驗的盧瑟福α粒子散射實驗

直線運動的α 和β 粒子在碰到物質原子時，運動方向會發生偏轉。β 粒子的散射數目要比α 粒子更多，因為β 粒子的動量和能量要小得多。似乎已沒有疑問，如此迅速移動的粒子以其原來的路徑穿過了原子，而觀察到的偏轉是由於遍布於原子系統內強電場作用的結果。一般假設，一束α 或β 粒子射線在通過薄片物質時的散射，是物質原子來回多次小散射的結果。然而，Geiger 和 Marsden 對α射線散射的觀察顯示，某些α 粒子在單次碰撞時，一定會發生大於正常角度的偏轉。例如，他們發現，一小部分入射α 粒子，大約 20000 個中有1 個，在穿過厚度約為 0.00004cm的金箔時平均偏轉了 90°的角度，如此厚度的金箔阻止α 粒子的能力相當於1.6mm厚度的空氣。Geiger 接著指出，一束α 粒子穿過以上厚度金箔最可能偏轉的角度是 0.87°。基於概率理論的一個簡單計算表明，粒子偏轉 90°的機會是微乎其微的。此外，稍後可以看出，如果這種大角度偏轉是由許多小的偏轉組成，那麼，這種大角度偏轉的α 粒子對各種角度的分布並不遵守預期的概率定律。大角度偏轉是由於單次原子碰撞的設想似乎是有道理的，因為第二次同樣碰撞而產生大角度偏轉的概率在大多數情況下是很小的。一個簡單的計算顯示，原子必須具有強電場的核心，才能在單次碰撞中產生如此大的偏轉。
J. J. Thomson（湯姆森）提出了一種理論來解釋帶電粒子在通過很薄的物質時產生的散射。他假設原子是由帶 N個負電荷的粒子構成，伴隨著相同數量的正電荷，均勻地分布在整個球內。負電荷粒子（如β 粒子）在穿過原子時的偏轉歸結為兩個原因——（1）分布在原子內負電荷的斥力， （2）原子內正電荷的吸引力。粒子在經過原子時的偏轉假設是很小的，盡管在與一個很大質量m碰撞後的平均角度為 m θ ⋅ ， 其中θ是對於單個原子的平均偏轉。這表明，原子內部的電子數N可以通過觀察帶電離子的散射推斷出來。這個混合散射理論的精確性在後來 Crowther 的一篇論文中做了實驗檢驗。 Crowther 的實驗結果明顯地確認了Thomson（湯姆森）理論的主要結論，而且 Crowther 基於正電荷的連續性假設推導出，原子中的電子數大約是原子重量的三倍。
J. J. Thomson（湯姆森）理論是基於「單次原子碰撞產生的散射是很小的」這個假設。而且對原子特殊結構的假設也不允許α 粒子在穿過單個原子時有很大的偏轉，除非假設正電荷球的直徑與原子球的直徑相比是極小的。
由於α 和β 粒子穿過了原子，通過對偏轉本質的密切研究而形成關於原子結構的某些看法，從而產生觀察到的效應，這是很有可能的。事實上，高速帶電粒子被物質原子散射就是解決這個問題最有希望的方法之一。開發出為單個α 粒子計數的閃爍法就提供了獨特的研究優勢，而 H.Geiger 正是通過這種方法的研究，已經為我們增加了很多關於α射線被物質散射的知識。 盧瑟福從1909年起做了著名的α粒子散射實驗，實驗的目的是想證實湯姆孫原子模型的正確性，實驗結果卻成了否定湯姆孫原子模型的有力證據。在此基礎上，盧瑟福提出了原子核式結構模型。
為了要考察原子內部的結構，必須尋找一種能射到原子內部的試探粒子，這種粒子就是從天然放射性物質中放射出的α粒子。盧瑟福和他的助手用α粒子轟擊金箔來進行實驗，如圖是這個實驗裝置的示意圖。
在一個鉛盒裡放有少量的放射性元素釙(Po)，它發出的α射線從鉛盒的小孔射出，形成一束很細的射線射到金箔上。當α粒子穿過金箔後，射到熒光屏上產生一個個的閃光點，這些閃光點可用顯微鏡來觀察。為了避免α粒子和空氣中的原子碰撞而影響實驗結果，整個裝置放在一個抽成真空的容器內，帶有熒光屏的顯微鏡能夠圍繞金箔在一個圓周上移動。 實驗結果表明，絕大多數α粒子穿過金箔後仍沿原來的方向前進，但有少數α粒子發生了較大的偏轉，並有極少數α粒子的偏轉超過90°，有的甚至幾乎達到180°而被反彈回來，這就是α粒子的散射現象。
發生極少數α粒子的大角度偏轉現象是出乎意料的。根據湯姆孫模型的計算，α粒子穿過金箔後偏離原來方向的角度是很小的，因為電子的質量不到α粒子的1/7400，α粒子碰到它，就像飛行著的子彈碰到一粒塵埃一樣，運動方向不會發生明顯的改變。正電荷又是均勻分布的，α粒子穿過原子時，它受到原子內部兩側正電荷的斥力大部分相互抵消，α粒子偏轉的力就不會很大。然而事實卻出現了極少數α粒子大角度偏轉的現象。盧瑟福後來回憶說：「這是我一生中從未有的最難以置信的事，它好比你對一張紙發射出一發炮彈，結果被反彈回來而打到自己身上……」盧瑟福對實驗的結果進行了分析，認為只有原子的幾乎全部質量和正電荷都集中在原子中心的一個很小的區域，才有可能出現α粒子的大角度散射。由此，盧瑟福在1911年提出了原子的核式結構模型，認為在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核(nucleus)，原子的全部正電荷和幾乎全部質量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間里繞著核旋轉。
按照這一模型，α粒子穿過原子時，電子對α粒子運動的影響很小，影響α粒子運動的主要是帶正電的原子核。而絕大多數的α粒子穿過原子時離核較遠，受到的庫侖斥力很小，運動方向幾乎沒有改變，如圖14-2(b)中的1、3、4、6、7、9，只有極少數α粒子可能與核十分接近，受到較大的庫侖斥力，才會發生大角度的偏轉，如圖14-2(b)中的2，5，8。
根據α粒子散射實驗，可以估算出原子核的直徑約為10-15米～10-14米，原子直徑大約是10-10米，所以原子核的直徑大約是原子直徑的萬分之一，原子核的體積只相當於原子體積的萬億分之一。 結果：大多數散射角很小，約1/8000散射大於90°； 極個別的散射角等於180°。
結論：正電荷集中在原子中心。
大多數α粒子穿透金箔：原子內有較大空間，而且電子質量很小 。
一小部分α粒子改變路徑：原子內部有一微粒，而且該微粒的體積很小，帶正電。
極少數的α粒子反彈：原子中的微粒體積較小，但質量相對較大。

④ 約瑟夫·湯姆生如何發現電子

湯姆生（１８５６～１９４０）湯姆生，英國物理學家，出生於英格蘭曼徹斯特。

１８８０年他畢業於劍橋大學三一學院。１９１８年他任三一學院的院長，後辭去卡文迪許實驗室教授職務，任名譽教授，繼續在卡文迪許實驗室工作，並指導青年研究生。

湯姆生在氣體放電方面進行過不少研究。１８９７年，通過對陰極射線的研究，他測定了電子的荷質比（電荷ｅ／質量ｍ），從實驗中發現了電子的存在，這是湯姆生在科學上的最大貢獻。後來他又發現電子的許多性質，指出電子既像氣體中的導電體，又像原子中的組分。１９１２年，他通過對某些元素的極隧射線研究，指出存在同位素。湯姆生由於在物理學方面有重大貢獻，於１９０６年獲諾貝爾物理學獎。人類對基本粒子的認識可以追溯到２４００多年前。從古希臘的「原子論」到近代道爾頓的「新原子論」，都認為原子是構成物質的最小單位，是永恆不變而且不可分割的。千百年來，人們對此深信不疑。

然而，１８７９年，英國物理學家約瑟夫·湯姆生卻發現了比原子更小的單位——電子。這一石破天驚的發現，打開了人類通往原子科學的大門，標志著人類對物質結構的認識進入了一個新的階段。

在湯姆生發現電子之前，物理學家們在研究真空放電現象時發現了陰極射線。當時，對於陰極射線的本質是「光波」還是「微粒」，科學界展開了激烈的爭論。２０多年之後，湯姆生以其傑出的實驗令人信服地表明陰極射線是帶負電的微粒。因為它在真空管中產生了偏移，被負極板排斥，為正極板所吸引。

１８７９年，湯姆生在皇家學會講演中，介紹了他的實驗背景。

首先，湯姆生認為「在氣體中的電荷載體一定比普通的原子或分子要小」，因為它們比起原子或分子來更容易且更多地穿過氣體。

其次，湯姆生認為「放電管中不管用什麼氣體，而電荷載體卻都是一樣的」。這一點也為事實所證明，不論真空管里是什麼氣體，射線在標准磁場作用下產生的偏移是一樣的。

根據這些假說，湯姆生大膽推測，陰極射線中的電荷載體是一種普通的物質成分，它比元素原子還要小。

同年，湯姆生創造性地設計了一個傑出的實驗。這項實驗包括一個陰極作為射線源，兩個金屬栓帶縫隙，以便產生良好的射線來。然後，通過保險絲連接玻璃管和兩個金屬板以及電池，使兩板之間形成電場，並在玻璃管的圓球形一端產生陰極射線沖擊的閃光。

實驗的核心是測出了陰極射線的電荷與質量的比值（後來被稱為電子的「荷質比」）。他所得到的數值比法拉第所測的最輕原子的荷質比大２０００倍。這就一舉結束了長達２０多年的對陰極射線本質的爭論，並合理地做出假說：存在著比元素原子還要小的一種物質狀態。

湯姆生將這種帶負電的陰極射線粒子稱為「原始原子」，它的質量僅為氫離子質量的千分之一。

後來的物理學成果證明，湯姆生關於「比原子小」的「原始原子」的假說是對的。另一位著名的物理學家盧瑟福對此做了更科學具體的闡述，他用「核化原子」來解釋，正電荷集中在原子的中心，形成沉重的原子核，而電子則環繞著它沿軌道旋轉。最後，根據斯托尼的建議，將湯姆生發現的「物質的原始電子」普遍稱做「電子」。

電子的發現，打開了現代物理學研究領域的大門，標志著人類對物質結構的認識進入了一個新的階段。這不僅是物理學發展史上的一項劃時代的重大發現，而且還具有極其深遠的哲學意義。

電子的發現，使湯姆生獲得了１９０６年度諾貝爾物理學獎。

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⑤ J.J.Thomson（約瑟夫 約翰 湯姆森）的陰極射線管實驗怎麼得出電子的速度 求圖及解答

在陰極射線管上加反向電壓，逐漸增加電壓的大小，到恰好使迴路中電流為0，這時的電壓是截止電壓，即由光電效應發射的電子恰好不能到達另一極板，則若以經典力學的模型考慮電子，則由動能定理U*e=