电子的故事

1. 电子的故事 科学世界观系列讲座 李志兵

2. 话题 • 关于电子的猜想和证据 • 电子的发现 • 量子理论 • 真的和假想的实验 • 电子场致发射

3. 故事 • 1899, Thomson • 1911, Rutherford • 1913, Millikan • 1913, Bohr • 1923, de Broglie • 1925, Pauli, Heisenberg, Uhlenbeck, Goudsmit • 1926, Schroedinger, Born, Dirac, Jordan, Fermi • 1927, Davisson, Germer, Thomson • 1928, Dirac, Jordan, Wigner • 1929-1930，赵忠尧；1932，Anderson • 1943-1949，朝永振一郎，Schwinger, Feynman • 1950-, Moellenstedt et al, Akira et al,Merli et al

4. 1.关于电子的猜想和证据 • 电的现象 （汉代）“（王毒）瑁吸（木若）”， 《汉书》“矛端生火” • 电子的猜想 1729-1733，Gray（英）发现导体，du Fay（法）发现有两种电。 1747，Franklin（美）实验指出电荷守恒。他还发明了避雷针。 1867，Priestley（英）提出，1784, Coulomb（法）证实反平方律。

5. 电磁理论 James Clerk Maxwell (1831-1879,Scotland) Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928 Netherlands )

6. 电是一种流体？ 还是粒子？ 1858，Pluecker，1876，Goldstein（德），阴极射线，以太波； 受Hertz支持（于1887证实电磁波，但没有发现阴极射线的电偏转）。 1871，Varley（英）阴极射线在磁场中偏转（带负电），提出微粒说； 得到Crookes（英）的支持。 1897，Lord Kelvin(W. Thomson英): “电是一种连续的、均匀的液体”。

7. 2. 电子的发现 Sir Joseph John Thomson （1856-1940， 英） 1897：

8. Gas. Value of W/Q. I. m/e v. Tube 1. Air 4.6x1011 230 .57x10-7 4x109 Air 1.8x1012 350 .34x10-7 1x1010 Air 6.1x1011 230 .43x10-7 5.4x109 Air 2.5x1012 400 .32x10-7 1.2x1010 Air 5.5x1011 230 .48x10-7 4.8x109 Air 1x1012 285 .4x10-7 7x109 Air 1x1012 285 .4x10-7 7x109 Hydrogen 6x1012 205 .35x10-7 6x109 Hydrogen 2.1x1012 460 .5x10-7 9.2x109 Carbonic acid 8.4x1011 260 .4x10-7 7.5x109 Carbonic acid 1.47x1012 340 .4x10-7 8.5x109 Carbonic acid 3.0x1012 480 .39x10-7 1.3x1010 Tube 2. Air 2.8x1011 175 .53x10-7 3.3x109 Air 4.4x1011 195 .47x10-7 4.1x109 Air 3.5x1011 181 .47x10-7 3.8x109 Hydrogen 2.8x1011 175 .53x10-7 3.3x109 Air 2.5x1011 160 .51x10-7 3.1x109 Carbonic acid 2x1011 148 .54x10-7 2.5x109 Air 1.8x1011 151 .63x10-7 2.3x109 Hydrogen 2.8x1011 175 .53x10-7 3.3x109 Hydrogen 4.4x1011 201 .46x10-7 4.4x109 Air 2.5x1011 176 .61x10-7 2.8x109 Air 4.2x1011 200 .48x10-7 4.1x109 Tube 3. Air 2.5x1011 220 .9x10-7 2.4x109 Air 3.5x1011 225 .7x10-7 3.2x109 Hydrogen 3x1011 250 1.0[sic-CJG]x10-7 2.5x109

9. J.J. Thomson： 把原子拆开——带电。 1896，P. Zeeman（1865-1943，Lorentz的学生） 发现外磁场下钙原子光谱线一分为3。 Lorentz用他的电子论作了解释，并得到 Zeeman据此得到和Thomson一致的荷质比。

10. 原子中的电子 Sir Ernest Rutherford (1871-1937，英，J.J.Thomson的研究生） 1898-1899，发现铀衰变至少辐射两种射线，1899已有多人发现射线在电场和磁场中的偏转（包括Becquerel和居里夫妇，法）。 1911 α β

11. 电荷的数值 Robert Andrews Millikan (1868-1953美) 1906-1917，测量 e 1913 油滴实验测得 e = 0. 4774 电荷是量子化的！

12. 3. 量子理论 Max Planck (1858-1947)： 1901，黑体辐射——能量子 Albert Einstein（1879-1955）： 1905,黑体辐射、光电效应、荧光——光子； 1906， 固体比热

13. 原子中的电子行为 1901, Perin原子行星模型; 1903,长岗半太郎土星模型 1911, Rutherford证实行星模型。 原子为什么会稳定？ 1913，Niels Bohr (1885-1962 ) 1924, Wolfgang Ernst Pauli (1900-1958)

14. 自旋 反常Zeeman效应 1921，A. Sommerfeld, A. Lande: 碱金属原子实1/2角动量。 1924，W. Pauli :原子实没有角动量，而价电子有一个2值自由度——不相容原理。 自旋的提出： 1925年初， R. Kronig，被Pauli、Heisenberg否定。 1925，10月G.E. Ulenbeck和 S. Goudsmit，得到Bohr、Ehrenfest支持。 S = 1/2

15. 电子波 P. de Broglie （1892-1987法） 1923-1925 1926 Oxiford conf. 1921-1928,C.J. Davisson (1925 + H. Germer) M.Born, F. Hund, 1925, W.Elsasser 1928, G.P. Thomson

16. 量子力学 1925 1926 1928

17. 什么意思？ 实在性？概率性？

18. 4. 真的和假想的实验 态迭加 杨氏双缝干涉（1801）

19. 5 slits Claus Joesson Tuebingen大学的蜘蛛 1950‘s G. Moellenstedt & H. Dueker 1961 C. Joensson (Moellenstedt的研究生)

20. 单电子双缝衍射

21. 5. 场致电子发射

22. Dr. Meyyappan: NASA looks at new computing and data storage technologies – novel, innovative ones – which may pay off in 15 or 20 years. So, for that carbon nanotube is a candidate. And carbon nanotube in thatcase would replace silicon itself.（April 14, 2003） Nature，August2003 IBM

23. 逻辑门(Nature materials, November 2002)

24. 2.材料新型冷光源,场发射大屏幕显示器 像素管：NEC，中山大学 FED彩显:SAMSUMG, NORITAKE，LG，工研院（台湾）

25. 直接生长型碳纳米管FED（清华） CVD生长阴极 初步显示效果

26. 印刷型碳纳米管FED（三星） 阴极形貌 样机显示效果(5 inches)

27. 新型原子力显微镜探针 SEM TEM SEM W 哈佛大学 中山大学

28. 电子全息 杨氏干涉条纹——可望发展出量子图象显微镜 Oshima et al., Phys. Rev. Lett. 88, 2002 中山大学

29. Phys. Rev. Lett. 92, 246103,2004, B. Cho et al

30. 纳微场致发射器件中的Multiscale SEM DDF ab initio 差分，有限元

31. 碳纳米管尖端的电子分布

32. I-V曲线