历史

电现象

大约2500年前，古希腊哲学家泰勒斯已经发现用丝绸或法兰绒摩擦琥珀（古希腊语：ήλεκτρον ，"ēlektron"）能吸引轻小物体。“electric（电）”这个词就是起源于希腊语中的“ελεκτρον（琥珀）”。

东汉时期（约公元一世纪），王充所著书籍《论衡》中有关于静电的记载：“顿牟掇芥”。顿牟就是琥珀，当琥珀经摩擦后，即能吸引像草芥一类的轻小物体。西元三世纪，晋朝张华的《博物志》中也有记载：“今人梳头，解着衣，有随梳解结，有光者，亦有吒声”。这里记载头发因摩擦起电发出的闪光和劈啪之声。

生于十八世纪，富兰克林对于电学贡献良多。

查尔斯·笃费主张，大自然有两种不同的“电流体”（electric fluid），它们分别为玻璃电（正电）与树脂电（负电），摩擦的动作可以将它们分离， 合并后会相互中和对方。这理论称为“双流体理论”。稍后，美国科学家埃柏奈泽·肯纳斯理也独立获得相同的结论。

美国人本杰明·富兰克林意识到闪电与摩擦起电涉及到相同的自然要素——后来称之为电，并且做风筝实验证实这一观点。如同那个时期的大多数科学家，富兰克林认为，电效应是一种弥漫于所有物体内部的奥妙流体所产生的作用。假设经过某种程序，促使物体得到更多这种流体，则称此物体带正电；假设经过另一种程序，促使物体失去这种流体，则称此物体带负电。若这两个物体互相接触到对方，流体会从带正电物体流往带负电物体。流体的这种重新分布规定了电流方向（与后来观测到的电子流动方向正好相反）。这是一种“单流体理论”。

在1838年至1851年期间，英国医生理查·莱敏提议，原子是由核心物质与以同心圆样式包围在四周的带有单位电荷的次原子粒子所组成；精简地说，他猜想大自然存在带有单位电荷的次原子粒子。在1846年，德国物理学者威廉·韦伯建议，原子的结构类似行星系统，很多带正电的次原子粒子环绕着一个带负电的核心物质转动，次原子粒子的质量非常微小，核心物质的质量非常大。1874年，爱尔兰物理学者乔治·斯桐尼建议，在电解现象里，大自然揭示了电的确切单一数量，这数量与电所作用的物体的种类无关。他又于1891年提议，将这些基本电量（基本电荷）命名为“electron ”（电子），他还尝试使用法拉第电解定律来估算其数值。斯桐尼的电子永久束缚在原子内部，无法被移除，每一个原子的化学键都会伴随着电子。这些电子的震动造成周围以太的电磁应力。1881年，德国物理学者赫尔曼·冯·亥姆霍兹强调，从法拉第电解定律的结果可以总结，不论是正电或是负电，它们都可被分割为确切的基本单位，其物理行具有粒子性质。

阴极射线

电子束被磁场偏转成圆形。

德国物理学者尤利乌斯·普吕克研究盖斯勒管内的稀薄气体里的放电现象。他在1858年发现，假设使用白金为阴极的材料，则会有小粒子从阴极剥离。他猜想，剥离的白金粒子因白炽而发出辉光。他还观测到，在放电时，在阴极附近的玻璃管壁会出现磷光，其位置会随着磁场而改变。普吕克的学生约翰·希托夫于1869年进一步发现，假设在阴极与磷光之间置入一个物体，则辉光会被限制在阴极与物体之间，玻璃管壁会因为物体的遮挡而在磷光曲面内出现一块阴影，这意味着辉光不会转弯，只会以直线传播。1876年，德国物理学者欧根·戈尔德斯坦将希托夫的实验加以扩展，他使用面积较大的阴极，而不是希托夫的点阴极，他发现，辉光的光线并不是朝着所有方向发射，而是朝着垂直于表面的方向发射。他将辉光的光线命名为阴极射线。阴极射线的发射方式与坎德拉不同，这是一个很大的区别，但希托夫与戈尔德斯坦仍旧认为，阴极射线是某种传播于以太的电磁波。尽管如此，他们的研究成果已为未来关于阴极射线本质的辩论撒下了种子。

英国人威廉·克鲁克斯在1878年利用一种水银真空泵，制造出了气体含量仅为盖斯勒管1/75000的真空管，被称作克鲁克斯管。克鲁克斯注意到，当逐渐抽出克鲁克斯管内的气体时，阴极附近开始出现黑暗区域，随着真空度的增加，这黑暗区域也会扩张。克鲁克斯提议，这黑暗区域的宽度与阴极粒子的平均自由程有关；黑暗区域与辉光区域的界面，即为粒子与气体分子相互碰撞的起始面；在黑暗区域内，没有什么碰撞；而在辉光区域，发生了很多碰撞事件；在管面的萤光，则是因为粒子与管面发生碰撞。

克鲁克斯等英国物理学家认为阴极射线并不是射线，而是一种带电粒子。这观点遭到了以海因里希·赫兹为首的德国物理学家的反对。赫兹的学生德国物理学家菲利普·莱纳德在1889年进行了一个实验：他在阳极安装了薄铝箔窗，这样就能把阴极射线导出到空气中。赫兹提出，阴极射线能够穿过薄金属箔，因此它不可能是粒子。同时，赫兹还在真空管的两侧施加了电场，结果发现并没有观察到预期的偏转，这更加坚定了他的信念。

发现电子

约瑟夫·汤姆孙，电子的发现者。

1895年，让·佩兰发现阴极射线能够使真空管中的金属物体带上负电荷，支持了克鲁克斯的理论。1897年，剑桥大学卡文迪许实验室的约瑟夫·汤姆孙重做了赫兹的实验。使用真空度更高的真空管和更强的电场，他观察出阴极射线的偏转，并计算出了阴极射线粒子（电子）的荷质比，因此获得了1906年的诺贝尔物理学奖。汤姆孙采用1891年乔治·斯托尼所起的名字——电子来称呼这种粒子。至此，电子作为人类发现的第一个亚原子粒子和打开原子世界的大门被汤姆孙发现了。

于1896年，在研究天然发萤光矿石的时候，法国物理学家亨利·贝克勒尔发现，不需要施加外能源，这些矿石就会自然地发射辐射。这些放射性物质引起许多科学家的兴趣，包括发现这些放射性物质会发射粒子的新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福。按照这些粒子穿透物质的能力，卢瑟福替这些粒子分别取名为阿尔法粒子和贝塔粒子（“阿尔法”是希腊字母的第一个字母“α”，“贝塔”是第二个字母“β”）。于1900年，贝克勒尔发现，镭元素发射出的贝塔射线，会被电场偏转；还有，贝塔射线和阴极射线都有同样的荷质比。这些证据使得物理学家更强烈地认为电子本是原子的一部分，贝塔射线就是阴极射线。

于1909年，美国物理学家罗伯特·密立根做了一个著名实验，称为油滴实验，可以准确地测量出电子的带电量。在这实验里，他使用电场的库仑力来抵销带电油滴所感受到的重力。从电场强度，他计算出油滴的带电量。他的仪器可以准确地测量出含有1到150个离子的油滴的带电量，而且实验误差可以限制到低于0.3%。他发现每一颗油滴的带电量都是同一常数的倍数，因此，他推论这常数必是电子的带电量。汤姆孙和学生约翰·汤森德使用电解的离子气体来将过饱和水蒸气凝结，经过测量带电水珠粒的带电量，他们也得到了相似结果。于1911年，亚伯兰·约费使用带电金属微粒，独立地得到同样的结果。但是，油滴比水滴更稳定，油滴的蒸发率较低，比较适合更持久的精准实验。

二十世纪初，实验者发现，快速移动的带电粒子会在经过的路径，使过冷却、过饱和的水蒸气凝结成小雾珠。于1911年，查尔斯·威耳逊应用这理论设计出云室仪器。这奇妙的发明使得实验者能够用照相机拍摄到快速移动电子的轨道，成为早期研究基本粒子的重要方法。