電子學103-Chapter1-2 發現電子，輔仁大學物理系張敏娟

1. 1
物理系光電組⼆二年級 電⼦子學
授課⽼老師：輔仁⼤大學物理系 副教授 張敏娟
單元⼆二 發現電⼦子
2015 spring

2. 1
物理系光電組⼆二年級 電⼦子學
單元⼆二 發現電⼦子
J.J.湯姆森

3. 英國物理學家J.J.湯姆森，在英國劍橋⼤大學的卡
⽂文迪許實驗室(Cavendish Laboratory)，以
陰極射線管實驗發現電⼦子。
J.J.湯姆森

4. 4
英國物理學家J.J.湯姆森
Prize in Physics 1906
約瑟夫·湯姆森爵⼠士，（Joseph John Thomson，
1856年12⽉月18⽇日－1940年8⽉月30⽇日），英國物理學
家，『電⼦子』的發現者。

5. 作研究，需要經費。
5

6. J.J.湯姆森如何獲得經費？
6

7. 倒冰⽔水在頭上？7
https://www.youtube.com/watch?v=TKeG08hC8gk

8. 透過群眾募資平台？
8

9. 寫科技部計劃？
9

10. 10
都不⽤用...

11. 11
J.J.湯姆森，有英國劍橋⼤大
學三⼀一學院⽀支持
都不⽤用...

12. 12
劍橋⼤大學三⼀一學院（英語：Trinity
College, Cambridge）是劍橋⼤大學規模最
⼤大、財⼒力最雄厚的學院之⼀一。

13. 劍橋⼤大學三⼀一學院13
由英國國⺩王亨利⼋八世於1546年所建

14. 14
J.J.湯姆森進
⼊入劍橋⼤大學
三⼀一學院，
獲得數學學
⼠士（1880年）與
碩⼠士(1883年)學
位

15. 15
愛德華·勞思爵
⼠士，劍橋⼤大學
數學教授。
指導⽼老師
愛德華·勞思爵⼠士（ Edward
John Routh，1831年1⽉月20
⽇日－1907年6⽉月7⽇日），英國
數學家。
J.J.湯姆森拿
劍橋⼤大學數
學學⼠士（1880
年）與碩⼠士
(1883年)學位

16. 16
J.J.湯姆森碩
班畢業後隔年，
1884年成為劍
橋⼤大學物理教
授（28歲）及
卡⽂文迪許實驗
室主任。

17. 數學碩⼠士班畢業就當劍橋⼤大學物理教授
＋卡⽂文迪許實驗室主任？
17
太厲害了吧？！
Wait a second…

18. 那個時代（⼗十九世紀），有這種經歷已經
很了不起了。
18
除了他很聰明、⽤用功之外

19. 19
約翰·斯特拉特爵⼠士
約翰·斯特拉特
爵⼠士，也是劍橋
⼤大學數學系與數
學碩⼠士班畢業。
!
指導教授跟J.J.湯
姆森相同。

20. 20
約翰·斯特拉特爵⼠士
不過，約翰·斯特拉特畢
業後，26歲回家做研
究。
!
1873年，31歲當選
英國皇家學會院⼠士。
!
1879年，37歲奉命
擔任劍橋⼤大學物理教授
及卡⽂文迪許實驗室第⼆二屆
主任，於是指導J.J.湯
姆森。

21. 21
指導⽼老師
指導⽼老師
愛德華·勞思爵⼠士
約翰·斯特拉特爵⼠士
J.J.湯姆森爵⼠士
1880年、
1883年 1865年、
1868年

22. 22 愛德華·勞思爵⼠士
約翰·斯特拉特爵⼠士
J.J.湯姆森爵⼠士
物理指導⽼老師

23. 23
接班⼈人
約翰·斯特拉特爵⼠士
J.J.湯姆森爵⼠士

24. 24
1879年，約翰·斯特
拉特爵⼠士，擔任劍橋⼤大
學物理教授及卡⽂文
迪許實驗室主任。
1884年，J.J.湯姆
森爵⼠士接任劍橋⼤大學
物理教授及卡⽂文迪
許實驗室主任。
J.J.湯姆森順利接班

25. 25
1884年，約翰·斯特拉特爵⼠士回到⾃自⼰己別墅
做研究
約翰·斯特拉特爵⼠士

26. 26
約翰·斯特拉特爵⼠士才回家三年，⼜又出來當教授
1887年⾄至1905年
他在英國皇家
研究所擔任
⾃自然哲學教
授。

27. 他與『威廉·拉姆⿑齊』合作發現氬元素，並因此獲得
1904年諾⾙貝爾物理學獎。
27
1887年⾄至1905年
他在英國皇家
研究所擔任
⾃自然哲學教
授。

28. 約翰·斯特拉特爵⼠士只好繼續當會⻑⾧長、校⻑⾧長
28
1905年⾄至1908年
擔任皇家學會
會⻑⾧長
1887年⾄至1905年
他在英國皇家
研究所擔任
⾃自然哲學教
授。
1908年直到逝世
（1919年）
劍橋⼤大學
校⻑⾧長

29. 回到1884年的J.J.湯姆森。
29

30. J.J.湯姆森是劍橋⼤大學物理教
授及卡⽂文迪許實驗室第三屆主
任。
30

31. 當時最熱⾨門的研究題⺫⽬目之⼀一
（Hot Topic），是『陰極射線』。
31

32. 32
Crookes tube
要研究『陰極射線』，最夯儀器：
Crookes tube（克拉克管）

33. 33
威廉·克拉克爵⼠士，
（William Crookes,
1832年6⽉月17⽇日－1919年
4⽉月4⽇日）。英國物理學
家、化學家。他是真空
管的先驅，發明
Crookes tube。
Crookes tube

34. 34
Crookes tube
Crookes tube：施加⾼高電壓在⾦金屬極板
上，『陰極』會發出螢光

35. 35
Crookes tube
『陰極』發出的螢光，『直線』前進。
關鍵：『影⼦子』

36. 36
http://www.junyiacademy.org/junyi-chemistry/root/junyi-atomic-structure/v/sNMX5GYoa08
均⼀一教育平台影⽚片：克拉克管

37. 『陰極』發出的螢光，除了『直線』
前進之外，還能轉動⼩小⾵風扇。
37
J.J.湯姆森推論陰極射線
應該是『微粒』。

38. 38
放了磁鐵在旁邊，影⼦子會彎曲
Crookes tube

39. Why Crookes tube外加『磁
場』後，『影⼦子彎曲』?外加
『電場』影⼦子也會彎曲嗎？
39

40. J.J.湯姆森覺得，這道光不
單純。。。它⼀一定帶『電』。
40

41. 41
J.J.湯姆森修改Crookes tube

42. 42
『陰極射線』從 陰極C，通過 狹縫A (陽極)
以及狹縫B (接地)，接著通過由兩⽚片⾦金屬板D
和 E產⽣生的電場， 最後在遠端表⾯面顯像。
Crookes tube的三個修改

43. 43
Crookes tube中，『陰極射線』 (藍線)被電
場影響⽽而轉彎(⿈黃⾊色區域)。
讓『陰極射線』轉彎是關鍵

44. J.J.湯姆森：它果然帶『電』。
⽽而且是帶『負電』。
44

45. 45
接著，J.J.湯姆森量測『陰極射線』受電
場、磁場影響偏轉的偏移⾓角度。

46. 『微粒』受到的電⼒力＝磁⼒力時，
偏轉⾓角度恰可互相抵消。
46
eE = evB
v =
E
B
速度求出(1)

47. 將電場關掉，剩下磁場。讓『微
粒』在磁場作⽤用下，形成⼀一圓弧。
47
~F = e~v ⇥ ~B
|~F| = ma =
mv2
r
mv2
r
= evB
e
m
=
v
Br
(3)
(4)
將（1）帶⼊入（4）
e
m
=
E
B2r

48. J.J.湯姆森研讀發⾏行於1873年，由⾺馬克⼠士威
親⾃自著作的電磁學教科書:《電磁通論》。以
此討論陰極射線受到電⼒力與磁⼒力的偏轉，推
出陰極射線的『荷質⽐比』。
48
e/m=-1.76x1011 C/kg

49. 49
http://www.junyiacademy.org/junyi-chemistry/root/junyi-atomic-structure/v/sNMX5GYoa08
均⼀一教育平台影⽚片：荷值⽐比
http://www.junyiacademy.org/junyi-chemistry/root/junyi-atomic-structure/v/4Zmwy6uO6Y4

50. 『普物實驗』求電⼦子的質荷⽐比實
驗
50
http://physlab.ep.nctu.edu.tw/files/archive/952_d4b36f42.pdf

51. 51
K.E. = eV =
1
2
mv2
~F = e~v ⇥ ~B
電⼦子動能
磁⼒力
|~F| = ma =
mv2
r
(1)
(2)
加『磁場』就可以求出。

52. 52
mv2
r
= evB
磁⼒力
e
m
=
v
Br
(3)
(4)
eV =
1
2
mv2
e
m
=
v2
2V
電⼦子動能
(5)
(1)
(4)=(5) v
Br
=
v2
2V

53. 53
e
m
=
2V
B2r2
(4)=(5)
v
Br
=
v2
2V
v =
2V
Br
e
m
=
v
Br
代回（4）
關鍵：不需電場也可求出電⼦子速度

54. 求荷質⽐比，只需要知道三個數值：
電壓、磁場、半徑。
54
e
m
=
2V
B2r2

55. 普物實驗，是諾⾙貝爾物理獎等級的實驗55

56. 56
延伸：J.J.湯姆森拿出⾺馬克⼠士威
（Maxwell）親⾃自著作的電磁學教科書:
《電磁通論》。
詹姆斯·克拉克·⾺馬克⼠士威
（James Clerk Maxwell，1831年6
⽉月13⽇日－1879年11⽉月5⽇日），蘇
格蘭數學物理學家。其最⼤大功績
是提出了將電、磁、光統歸
為電磁場現象的⾺馬克⼠士威
⽅方程組。

57. 57
指導⽼老師
愛德華·勞思爵⼠士
J.J.湯姆森爵⼠士
詹姆斯·克拉克·⾺馬克⼠士威
班上第⼀一名 班上第⼆二名
同學

58. 58
詹姆斯·克拉克·⾺馬克⼠士威
於1871年創⽴立卡⽂文迪許實
驗室，『⾸首位』卡⽂文迪
許實驗室主任。

59. 59
1879年，約翰
·斯特拉特爵
⼠士，擔任劍橋
⼤大學物理系卡
⽂文迪許實驗室
主任。
1871年，詹姆
斯·克拉克·⾺馬
克⼠士威，擔任
劍橋⼤大學物理
系卡⽂文迪許實
驗室主任。
1884年，J.J.
湯姆森爵⼠士接
任劍橋⼤大學物
理系卡⽂文迪許
實驗室主任。
第⼀一任 第⼆二任 第三任

60. J.J.湯姆森提出新的原⼦子模型：
葡萄乾布丁模型。
60

61. 葡萄乾布丁模型：原⼦子本⾝身帶正電
（布丁），但帶負電的微粒均勻分佈其
中（葡萄乾）。原⼦子為電中性。
61

62. 62
J.J.湯姆森推翻道⽿耳頓的原⼦子模型。關
鍵就是提出“次原⼦子（葡萄乾）”。

63. 63
約翰‧道⽿耳頓（John
Dalton，1766年9⽉月6
⽇日－1844年7⽉月27
⽇日，⼜又譯道⽿耳吞），
英國化學家、物理學
家。
1803年12⽉月與1804年1⽉月
道⽿耳頓（37歲）在英國
皇家學會作關於原⼦子論
的演講。
!
道⽿耳頓的原⼦子模
型：化學元素均
由不可再分的微
粒組成。這種微
粒稱為原⼦子。

64. 64
1904年，J.J.湯姆森發表葡萄乾
布丁模型在期刊上，推翻100年
前道⽿耳頓的原⼦子模型。

65. 65
1906年，J.J.湯姆森獲得諾⾙貝爾物理
獎。因為『發現電⼦子』。
Prize in Physics 1906

66. 66
https://www.youtube.com/watch?v=60CENvZWQjI
北⼀一⼥女 電⼦子荷質⽐比實驗影⽚片

67. ⼩小問題(⽤用zuvio回答)67
01
03
Options
Options
02Options
J.J.湯姆森篇
irs.zuvio.tw
04

68. 68
問答題:請問J.J.湯姆森『發現或發明
了什麼』，所以獲得諾⾙貝爾物理獎？

69. 69
問答題:請問J.J.湯姆森是在英國劍橋
⼤大學物理系的『哪⼀一個實驗室』做陰
極射線的研究？

70. 70
問答題:請問J.J.湯姆森做陰極射線的
研究時，『使⽤用的儀器』名稱是？

71. 71
問答題:請問J.J.湯姆森提出的『原⼦子
模型』是什麼？

72. 72
問答題:請描述J.J.湯姆森做出的『電
⼦子荷質⽐比（e/m）』的⽅方法。

73. 73
第⼆二單元 結束