师：今天我们一起来学习高中物理，内容是人民教育出版社高二年级选修3 - 5第18章第一节“电子的发现”。每当夜幕降临，大街小巷亮起各式各样璀璨绚烂的霓虹灯，让城市的夜晚变得美丽而热闹。同学们是否知道，这里发光的其实是霓虹灯中通电的气体？19世纪电力工业大发展，电气照明开始应用，促使科学家们竞相研究低压气体放电和真空技术。1858年，德国物理学家盖斯勒发明了气体放电管。同年，另一位德国物理学家普吕克尔利用盖斯勒放电管研究气体放电现象时，发现在放电管正对阴极的管壁上发出绿色荧光，但他当时并未对这一现象进行解释。直到后来，德国物理学家哥德斯丹认为这是由于阴极发出了某种射线，并将其命名为阴极射线。阴极射线我们并不陌生，在研究磁场对运动电荷的作用力时就接触过。现在，我们一起通过实验来观察一下阴极射线。好，实验装置已经连好了，接通开关后，大家注意观察阴极射线管中有什么现象。
生：（观察后）我们可以观察到一条绿色的亮线，这个就是阴极射线。
师：实际上，阴极射线肉眼是看不到的，阴极射线管经过了一些处理，才能够显示出阴极射线的径迹。通过刚才的实验，我们观察到了阴极射线的径迹，那阴极射线的本质是什么呢？当时关于这个问题有两种观点，一种认为是电磁辐射，另一种认为是带电微粒。德国科学家大多认为阴极射线是电磁辐射，而英法科学家多数认为阴极射线是带电微粒。两种不同的观点都是基于各自的实验观察，双方争执不下，不断改进实验、设计新实验，并重复对方的实验加以改进，得到了越来越多的实验结果。这场争论持续了近40年，吸引大批物理学家参与对阴极射线的研究，人们对阴极射线的认识逐渐丰富、深化，研究工作也越来越深入。关于这两种观点，我们来介绍几位具有代表性的物理学家，看看他们所做的实验和观点。先看德国的物理学家戈德斯坦，他认为阴极射线是电磁辐射，依据是阴极射线能引起化学反应，与紫外线作用相同；在阴极和管壁间放置物体，管壁上会形成影像，并且阴影区的边界模糊，类似光的衍射效应。科学家赫兹也认为阴极射线是电磁辐射，他通过实验证明，阴极射线是连续射出的，不是脉冲性的。赫兹在阴极射线的路径上加垂直电场，发现阴极射线产生的荧光图形没有任何变化，所以他认为阴极射线不带电，实际上这次实验是失败的。阴极射线可以像光透过透明物质那样透过某些金属薄片，而当时人们知道的任何粒子都不能穿过金属薄片。
再到后来，1894年，赫兹的学生勒纳德对阴极射线管做了一个重大改进，发明了勒纳德窗，可以将阴极射线引出管外进行研究。勒纳德发现紫外线能够穿透厚为(2.65×10^{-4})厘米的金属薄膜到达管外，这一事实很难用粒子说进行解释。英法科学家的带电微粒观点，代表性的科学家有：1871年，瓦尔利发现阴极射线能被磁铁偏转，推测阴极射线由带负电的物质微粒构成。1878年，克鲁克斯改进真空玻璃管，达到(1/1,000,000)大气压，确认磁铁能使阴极射线偏转，说明阴极射线带电。另外，克鲁克斯还发现阴极射线具有热效应，阴极射线打击在金属箔上，打击处被加热到白炽状态。
1895年，法国物理学家佩兰设计实验测量阴极射线的电量，这就是佩兰的法拉第桶实验。阴极射线经过一个小孔进入阳极内的空间，打到收集电荷的法拉第筒，静电计显示出带负电。将阴极射线管放到磁极间，射线偏转，继电器上的电信立即消失，说明电荷由阴极射线携带，佩兰通过实验支持阴极射线是带负电的粒子流。舒斯特通过实验确定阴极射线的荷质比的上限和下限，但错误地将阴极射线解释为气体分子分解出的碎片。考夫曼通过实验测量发现荷质比与真空管中的气体种类无关，认为这一结论很难从理论上做出解释，因为如果做最可取的假设，即运动粒子是离子的话，那么对于各种气体应该有不同的比荷值。
我们介绍了几位代表性的物理学家及其对这个问题的认识，同学们认为阴极射线的本质是什么呢？请大家思考这两种观点的区别是什么？带电粒子带有电荷。那么同学们能否根据我们之前学过的知识设计一个实验，验证你们自己的猜想呢？可能有同学想到了带电粒子可以在电场中偏转，也可能想到了带电粒子还可以在磁场中偏转。我们在前面研究磁场对运动电荷的作用力时，就发现带电粒子在磁场中能够偏转。好，我们一起再来回顾一下这个实验。接通开关，我们观察到了阴极射线的径迹，当我加上磁场后，同学们可以观察到阴极射线发生了弯曲。那这个实验就说明了阴极射线是带电的粒子流，我们还可以加电场观察阴极射线在电场中是否发生偏转。同学们，这个想法和英国物理学家汤姆森不谋而合，汤姆森深受克鲁克斯和舒斯特的影响，认为带电微粒说更符合实际，决心用实验进行周密考察，找出确凿证据。
汤姆森开展了多方面的实验工作，研究阴极射线的本质。我们一起来经历汤姆孙发现电子的过程。汤姆森首先直接测量阴极射线携带的电荷。他对佩兰实验装置进行了改进，将电荷接收器安装在真空管的一侧，平时没有电荷进入接收器。用磁场使射线偏折，当磁场达到某一值时，接收器接收到的电荷猛增，说明电荷的确来自阴极射线，证明阴极射线带电，使阴极射线受静电偏转。
汤姆生重复赫兹的静电偏转实验，起初也发现阴极射线不偏转。经过仔细观察，汤姆生发现这是由于气体真空度不高导致的。汤姆生在实验室技师的帮助下获得更高的真空度，发现阴极射线被静电场偏转，这成为阴极射线是带电粒子流而非电磁辐射的重要证据。接下来测阴极射线的荷质比，实验装置：气体放电管由阴极K发出的带电粒子通过小孔A、B形成一束细细的射线，它穿过两片平行的金属板D1、D2之间的空间，到达右端带有标尺的荧光屏上。我们来了解一下汤姆生实验装置各部分的作用：CA部分产生阴极射线，A、B只让水平运动的阴极射线通过，D1、D2之间加电场或磁场检测阴极射线是否带电和带电性质，荧光屏显示电子射线到达的位置，对电子射线的偏转做定量的测定。请同学们阅读教材48页“思考与讨论”栏目，推导阴极射线荷质比的表达式。
好，我们一起来分析一下“思考与讨论”的几个问题。第一个问题，金属板D1、D2之间未加电场时，射线不偏转射在屏上的P1点。按图示方向施加电场E后，射线发生偏转并射到屏上的P2处。由此可以推断阴极射线带有什么性质的电荷？我们转化成平面图来分析，加了如图所示的电场以后，阴极射线向下偏，说明阴极射线在电场中受到向下的电场力，所受电场力方向与电场方向相反，所以我们可以推断阴极射线带负电。