電子的發現

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簡介

電子 $\mathrm{([e^{-})]}$ 是原子粒子，就像原子是物質的亞結構一樣。這些原子不能被創造或毀滅。在電子 $\mathrm{([e^{-})]}$ 被發現之前，人們認為原子是粒子最小的單位。一些原子基本性質被用於發現電子的實驗所揭示。由於電子 $\mathrm{([e^{-})]}$ 是第一個被發現的亞原子粒子，因此它被認為是物理學的一個里程碑。事實證明，它對於描述當今化學和物理學中的化學鍵是最重要的之一。

湯姆遜陰極射線實驗

在 19 世紀 90 年代初，物理學家 J.J. 湯姆遜（J.J.T.）對陰極射線管 (CRT) 進行了研究。這是一種真空密封的玻璃管。在管的一側的兩個電極上施加高電壓，導致一束粒子從陰極移動到陽極。

由於粒子束起源於陰極，因此這些管被稱為陰極射線管 (CRT)。當光束撞擊熒光粉時，會產生火花或發出光。他（湯姆遜）透過在光束周圍環繞兩個帶相反電荷的電極來研究粒子的特性。光束從帶負電的電極偏轉到帶正電的電極。由此，光束是由帶負電的粒子組成的。

他還將兩個磁體放置在管的兩側，並發現磁場會使光束偏轉。他利用這些實驗的結果計算了光束粒子的荷質比，這導致了一個實驗，該實驗揭示了：單個粒子的質量遠小於任何已知原子的質量。他使用金屬元素作為電極材料進行了更多實驗，並觀察到陰極射線 (CR) 的特性是相同的，並且與陰極物質無關。

根據這些事實，得出了以下結論 -

• 陰極射線由帶負電的成分組成。

• 由於每個粒子的質量是 𝐻 原子的 1/2000，因此它們一定是原子的組成部分。

• 這些亞原子粒子可以在所有元素的原子中檢測到。

他的發現最初是有爭議的，但科學家們逐漸接受了它們。這些陰極射線 (CR) 粒子後來被稱為電子 $\mathrm{(e^{-})}$。

定義電子

電子 $\mathrm{(e^{-})}$ 是一種低質量的帶負電的粒子。因此，靠近另一個電子或原子正核很容易使其偏轉。它是第一個被發現的基本成分。它們是亞原子粒子，具有 -1 的基本電荷。電子的電荷與質子的電荷相同（但符號相反）。

電子電荷

雖然質子和電子具有相同的電荷量級，但電子的尺寸和質量比質子小得多。電子是帶負電的粒子。負電荷的大小為 1.602 ✕10−19 庫侖。電子的質量是質子的 1/1837。

電子質量

電子 $\mathrm{(e^{-})}$ 的質量為 9.10938356✕10−31 千克。與質子相比，電子的質量可以忽略不計。

電子的性質

• 電子是帶負電的粒子，圍繞原子中心由質子和中子組成的原子核執行。

• 與質子和中子不同，電子是原子中唯一不能進一步細分的組成部分。它們用字母 𝑒 或 𝑒− 表示。

• 電子具有不同的能級，可以透過吸收一些能量轉移到更高的能級。

• 由於電子的質量可以忽略不計（9.1094✕10−31 kg），因此它們對原子的總質量沒有貢獻。

• 電子具有 -1 的電荷，這與質子 +1 的電荷相反。由於帶負電的電子與帶正電的質子之間的吸引力，電子在原子核周圍的特定軌道上執行。

電子和化合物

1897 年發現了電子。然而，隨著 1911-1919 年發現質子和 1932 年發現中子，電子在意義和重要性方面得到了重新解釋。另外兩個亞原子粒子的發現建立了完整的原子結構概念。

質子是存在於原子核中的帶正電的亞原子粒子。電子的尺寸是質子的 99.86%，並且原子中質子的數量因元素而異。例如，氫 (𝐻) 具有 1 個質子，而氧 (𝑂) 具有 8 個，碳 (𝐶) 具有 6 個。

當盧瑟福發現質子時，他假設了中子的存在，但它們是由查德威克在 1932 年發現的。中子是電中性的亞原子粒子，因此得名。除了氫 (𝐻) 原子之外，元素週期表中的所有其他元素都由中子組成。中子的質量略大於質子的質量。

結論

J.J. 湯姆遜的發現得到了廣泛的認可，他的陰極射線粒子被稱為電子。他的實驗導致了新的原子模型的發展，以便更好地理解原子的結構。一位名叫羅伯特·密立根的美國物理學家確定了電子的電荷。他使用帶電的油滴計算了單個電子的電荷。根據他的計算，單個電子具有 1.602 ✕10−19 庫侖的電荷。密立根利用 J.J. 湯姆遜的荷質比和單個電子上的電荷計算了電子的質量。電子的質量為 9.1094✕10−31 kg。他因發現基本粒子電子而於 1906 年獲得諾貝爾物理學獎。

常見問題

1. J. J. 湯姆遜在發現電子或陰極射線時，他的放電管內部是什麼情況？

• 它必須具有非常低的壓力，為 0.01 毫米汞柱。

• 它應該配備真空。

• 應在端子上提供非常高的電壓。

2. 電場 (E.F.) 對陰極射線有什麼影響？

• 由於電場 (E.F.)，陰極射線偏離了其直線路徑。

• 由於它們的負電荷，它們被吸引到正電場並被排斥出負電場。

3. 給出兩個陰極射線的特性？

• 它們遵循直線並且帶負電。

• 它們可以透過物質，並使它們穿過的氣體粒子電離

4. X 射線是如何產生的？

當陰極射線束指向硬金屬材料（如鎢 (𝑊)）時，就會產生 X 射線。

5. 法拉第對靜電的研究在發現亞原子粒子方面發揮了什麼作用？

早些時候，道爾頓提出了原子理論，該理論指出原子是物質最基本的組成部分，因此是不可分割的，但法拉第在研究靜電時發現，由於帶電粒子，電流可以透過物質。許多研究甚至表明原子可以分解成更基本的粒子。因此，法拉第對靜電的研究為發現亞原子粒子鋪平了道路。