许多的物理现象显明了原子是含有电荷的,而电解(electrolysis)的事实更证明了原子是为电力所影响。因此,由假定物质之原子性的结果而发生电子之原子性。福兰克林(Benjamin Franklin)首先建议电力之原子论。他说:“有电力的东西包含许多非常敏锐的粒子,因为它能这样自由而安闲的透过普通的物件,甚至于最浓厚的物件而若无所阻碍。”这个建议只是一种猜测而已,电力原子性之首先有实验上的证明当为法拉弟(Faraday)之电解律(1833)。此电解律是这样的:“在经过各种电解物而分解的时候一量及同量之电常常是自由分离为在化学上均等数量之许多游离的产物。”由此我们知道在一个电解物里面每一游子(ion)含有一个或几个原形的电荷,而这些游子的原形电荷都是数量上相等,大小上相同,换句话说,电荷有一种根本的单位,电是原子性的。海姆霍兹(Helmholtz)与史东奈(Stoney)先后阐发此意。史东奈主张每一游子上之电荷量无论其为正荷或负荷皆名之曰“电子”。惟“电子”一辞在今日之物理学中已付与负电荷之粒子,而正电荷者已名之曰“质子”。
海姆霍兹于一八八一年讲法拉弟之电解律,他说:“若是我们假定化学原素的原子,我们亦不能不进而推论电力,无论其为正为负亦是分解为若干原形原子,此即为电之原子。每一游子当其游离于液体中之际,其原子单位必有相等之电力。”故海氏亦极力以阳电荷之单位为电原子。而且电子已成为一切物质组织之根本原素。
若是我们要知道电子的形式,根本上我们就只能说电子只是许多电力线从各方面聚会拢来的中心点。若是电子是在静态中,那末这些电力线是从各方面一致的直射进的,如第一图。所谓“游子”就是电解作用的从电解物里面游离出去的成分。譬如氢的正游子的式样也是和电子的一样,但是电力线是由正荷发出,故电力线所指的箭头是与电子的线之箭头相反。游子与电子所不同的,游子有一定之大小而电子则无,如第二图。
第一图 电子在静态时电力线射进现象
第二图 氢游子
从电力经过气体之传导作用的考察,电子之性质愈得彰明。而栾琴(Rontgen)之发明X光尤为物理学家实验之利器。因为它从实验中得易于产生气体中之电力传导作用。实验给我们证明了传导作用乃是由于有电荷粒子或游子的存在。于一九〇六~一九一六年之内密立根(Milikan)潜心努力于此实验之中以电子之电荷性质。他的实验是油类的细粒以计算电荷。他的结论是:两个电子和两个质子一样,以完全相同之力量互相抵触。电子与质子有相反之电荷,而两者均为绝对相同之价值。原形电荷之价值,无论为正荷或负荷均为:
e=±(4.770±0.005)×10-10e.s.u.
=(1.590±0.0016)×10-19coulomb
这是电荷的根本价值的数目,无论用什么方法把电子从原来的原子中分解出来总是一样的。例如我们用alpha,beta,gamma光线和X光线去使气体发射;增热金属使之灼炽而射出电子,或以紫外光使之明亮而射出电子,从这些实验中我们可以知道原形电荷的大小无论在固体、气体、液体都是一定不变的。电荷价值是一个普遍的常数。(www.xing528.com)
电子与质子的质量(mass)是若干呢?电子与质子两者的质量各不相同。质子的质量大概和氢原子一样大小。氢原子的质量是:
Mass of Proton = Mass of Hydrogen = 0.000000,000000,000000,00000017 grams.
而电子之质量较质子的质量小一八五〇倍,因为
Mass of Electron = 0.000000,000000,000000,000000,0009 grams.
这个质量的数目我们所要注意的只是关乎在静态中的电子,或以较为速度为小的运动中的电子。这种质量可以名之曰静量。若是电子运动的速度极高,高过光的速度,那末此电子之电荷或质量则依其速度为定。质量因运动之速度而变迁不定,这层关系乃是从相对论的公式中说明的。相对论及其种种的证明把质量和速度列成这样一个方式:
从这个公式里面我们知道质量和能有互相连带的关系。每一质量乃代表极大数量之能,而每一能力必有其质量。我们没有无能的质量,也决没有无质量的能。我们只有量能(mass-energy)。光的速度极大,假若照上面的公式,一件东西运动的速度有光那么大的时候,则必需有无限大的质量和无穷尽的动能。但是这是不可能的。所以没有物体比光还运动得快些。但是设若物体不能比光运动得更快,那末照旧物理学,质量就不会有所变动。然而新物理学以为质量与能有不可分离的关系。故若运动愈速,能乃愈增。由动能加入静能。则由此混合之能的增加,质量必大。是以物体由运动速度之增加而变大。旧物理学主张能加而质量不变。相对论则反是。欲证明相对论之理由必需极大速度之抛射。自然界即一大实验室。在它里面就有如光那样速度的抛射物。电子就有这样高的速度,而有射发作用的东西的原子就是以极高速度放出抛射线的电池。beta光线就含有惊人的速度之电子。故电子之质量乃为其速度所决定。
“电子是一切物质组织之普遍原素。”商美费德(Sommerfeld)在其伟著《原子之结构及景线》论及电力之原子性时这样说:“不论其在电流中很慢的流动,或如阴极光线在空间以极高速率的奔驰;不论其在发射作用之分裂中放射,或在光电历程中射出;不论其在灯里面振动,或在望远镜的光程中效应,它仍旧是这同一物理单位,凡显现其同一电荷量及同一质量,尤以保持其电荷与质量比率之常数者,皆足以证明此单位之同一性。”故电力之原子性已为定论。
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