电子出身背后的故事
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专注不雅观察环球半导体最新资讯、技能前沿、发展趋势。欢迎订阅摩尔精英旗下"大众年夜众号：摩尔精英MooreElite、半导体芯闻、摩尔芯球。\公众 data-from=\公众0\"大众>1897 年 4 月 30 日，物理学家 JJ 汤姆森在伦敦皇家学院的一次演讲中宣告：“我们将这种粒子称为微粒（corpuscles）。”“普通元素的原子由微粒和空穴（holes）组成，空穴占主导地位。”他连续说。汤姆森描述了他用阴极射线进行的实验，以验证这些亚原子微粒的存在。这种原子模型被称为“plum pudding”模型，得名于盛行的英式甜点。在汤姆森的类比中，带负电荷的微粒就像悬浮在带正电荷的蛋糕中的葡萄干，产生中性原子。该模型也被称为 Thomson 模型，只管它的紧张支持者是 William Thomson（开尔文勋爵），而不是 JJ Thomson，他只是支持这个想法。The German physicist Karl Ferdinand Braun designed this cathode-ray vacuum tube to visually capture the oscillations in electrical circuits.
微粒和pudding 不是我们本日思考原子构造的办法。微粒是电子，1911 年，plum pudding模型让位于Ernest Rutherford的核模型。然而，根据 125 年前的那场演讲，JJ Thomson 常常被誉为电子的创造者。在 19 世纪即将结束之际，许多著名的思想家认为科学领域的所有重大创造都已经取得了。电力正在被驯服，热力学理论正在合并以阐明蒸汽机的事情事理。科学家们险些不知道原子理论即将颠覆科学并改变我们对物质的基本理解。JJ Thomson 是建立这一物理学新方向的关键人物。1876年，汤姆森得到奖学金进入剑桥大学三一学院学习，四年后他得到了数学学位。1884年，他被任命为卡文迪许实验物理学教授，开始了他对电磁学的终生研究。汤姆森的大部分研究都致力于理解阴极射线的性子。我们现在知道这些射线是从真空管的阴极（或负电极）射出的电子流。这是很多科学家数十年的调查结果，知识来之不易。Exactly 125 years ago, the British physicist J.J. Thomson gave a lecture detailing his and others’ experiments with the energetic beams inside cathode-ray tubes.这就引发了纯粹的科学问题——什么是阴极射线？——这也包含在国家认同中。许多德国物理学家认为，可见的阴极射线是与以太相互浸染的结果——以太是一种无色、无重量的物质，包裹着全体空间。以太是历史学家所说的古典天下不雅观的一部分，这是一种 19 世纪的物理学综合体，起源于亚里士多德和牛顿。与此同时，法国和英国的科学家开始辩论阴极射线是带电的亚原子粒子。这不完备符合古典天下不雅观，后者认为统统都是由不可变和不可分割的原子组成的。对付他的实验，汤姆森依赖一种称为克鲁克斯管（Crookes tube ）的专用真空管，他在个中不雅观察和拍摄了各种征象，包括磁力对高频放电的影响压力。他还比较了管内和管外阴极射线携带的电荷的实验。在汤姆森涉足阴极射线之前，业内已经进行了 200 多年的低真空球和管子的演示和实验。弗朗西斯豪克斯比（ Francis Hauksbee ）等早期实验者只是试图弄清楚管内发生了什么，并被它们可以产生的不同颜色的光迷住了。在 1850 年代，事情变得更加严重，当时波恩大学的物理学家和数学家 Julius Plcker 和他的玻璃吹制同事 Heinrich Geissler 不雅观察到高真空管玻璃上的绿色磷光是磁性的。当他们在阴极附近放置一块磁铁时，光芒以类似于磁铁周围的铁屑的办法扩散开来。Plcker 的学生 Johann Wilhelm Hittorf 展示了放置在阴极前面的物体在管的对面壁上投下阴影。Hittorf 的“辉光”（glow rays）开始了关于方向性的一系列研究，Eugen Goldstein 在 1870 年代开始研究这一方向，实验表明可以利用凹形阴极聚焦阴极射线。彷佛每个新玩家都对管子进行了轻微的修正。然后是威廉克鲁克斯。他设计了一系列用于研究阴极射线的真空管，并用他的真空管进行了精美的演示，在实验室中推广它们的利用，并使"大众年夜众理解这项研究。当汤姆森开始进行导致他 4 月 30 日演讲的调查时，他利用了克鲁克斯管。Karl Ferdinand Braun 如何制订示波器的根本知识在汤姆森演讲之前的几年里，盖斯勒管（Geissler tubes）、普吕克管（Plcker tubes）、希托夫管（Hittorf tubes）和克鲁克斯管（ Crookes tubes ）充满了实验室和演讲厅。它们大多用于显示阴极射线放电在不同磷光表面上的多彩效果，没有任何明确的实际运用。然后，威廉伦琴把稳到了一些不屈常的事情。只管他利用的克鲁克斯管被包裹在玄色硬纸板中，但全体房间的磷光屏幕开始发光。这导致他在 1895 年宣告他创造了 X 射线。这一创造掀起了新一轮的阴极射线实验。受伦琴事情启示的一位科学家是 Karl Ferdinand Braun。Braun1872 年从柏林大学毕业，并得到了博士学位。他的紧张事情时研究弦和弹性杆的振动（oscillations of strings and elastic rods），接下来的 20 年，他在马尔堡、卡尔斯鲁厄和蒂宾根大学担当不同职位。在伦琴被创造的时候，Braun是斯特拉斯堡物理研究所的所长。根据历史学家乔治希尔斯（George Shiers）的说法，在他 1974 年为《科学美国人》撰写的文章“Karl Ferdinand Braun和阴极射线管”中，Braun与许多 Rntgen 爱好者的不同之处在于，他对 X 射线的来源比对 X 射线的运用更感兴趣。Braun寻求一种新型仪器，可以直不雅观地捕捉电路中的振荡和瞬态征象。简而言之，他想绘制互换电图，这将成为示波器的先驱。他指示他的乐器制造商弗朗茨穆勒 (Franz Mller) 修正克鲁克斯管，在个中央添加一个限定性隔膜。隔膜聚焦阴极射线的细光束。一块涂有荧光粉的云母用作不雅观察屏。管外的线圈使阴极射线束与磁场成直角偏转。由于光束险些立即对电压或电流的变革做出反应，它可以用来在屏幕上追踪这些图案。Braun 在Annalen der Physik上揭橥了对他的管子的描述，包括一张日期为1897 年 2 月的图表，这比汤姆森演讲早 10 周。在 Karl Ferdinand Braun 的阴极射线管指示器中，电压被施加到阳极 (A) 和阴极 (K)，导致从阴极发射出带负电的光束。隔膜 (C) 将光束聚焦，然后撞击另一真个荧光涂层屏幕 (D)。如果汤姆森在 4 月 30 日的演讲中知道布劳恩的事情，然而他没有提及。汤姆森也没有选择用一个已经在利用的名称来称呼他的亚原子粒子：电子。1874 年，爱尔兰物理学家George Johnstone Stoney 为未知的亚原子粒子提出了电子的这个称号，后来在 1891 年将其改为电子。Stoney还估计了电子的电荷（结果非常靠近当代值），他感到沮丧的是Hermann von Helmholtz 一贯因这一创造而受到赞誉。汤姆森在追溯阴极射线实验的历史和命名为他的事情奠定根本的科学家和仪器制造商方面做得很好。（汤姆森演讲的正文揭橥在 1897 年 5 月 21 日的《电工》杂志上。）只有在演讲的末了一部分，他才提出了他的微粒假设并描述了他丈量微粒质量与其质量之比的实验。收费。但他没有对电子的创造做出明确的陈述。相反，他末了只是大略地指出，该比率与荷兰物理学家彼得塞曼（ Pieter Zeeman）前一年在钠光磁场实验中推断的值相同。Zeeman创造，当一种元素在强磁场的存不才燃烧时，谱线会分裂成规则的图案。本日我们将“塞曼效应”理解为电子自旋的结果，但电子尚未被创造。然而，塞曼的主管亨德里克洛伦兹已经推断出原子可能由带电粒子组成。塞曼和洛伦兹因这项事情得到了 1902 年的诺贝尔奖。然后谁创造了电子？Braun的发明和汤姆森的创造都建立在浩瀚科学家和仪器制造商数十年的事情之上，因此将功劳归于一个人彷佛是不公正的。不过，的确，Braun从未为他的发明申请专利，也没有做太多的推广事情。到 1897 年底，他放弃了对阴极射线的研究，转而从事无线电报，为此他与古列尔莫马可尼（Guglielmo Marconi）于 1909 年分享了诺贝尔物理学奖。Braun的 CRT 在他的生平中并没有看到太多的浸染，但在 20 世纪下半叶，这个设计的修正版主宰了电视机和电脑显示器，而Braun被誉为其最初的发明者。与此同时，汤姆森在他的微粒理论上更加努力，于 1906 年得到了诺贝尔奖。而且，只管他支持的plum pudding模型在几年后失落败了，但汤姆森是 125 年后公认的电子创造者。★ 点击文末【阅读原文】，可查看本文原文链接！
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