湯姆遜：發現電子，終結20年原子物理大討論

情人節的時候，物理界的一對明星「情侶」電子和正電子，向單身的小夥伴們撒了一把狗糧，那沒有情侶之前的電子又是怎麼生活的呢？

上過初中的人都知道，原子是由帶正電的質子、不帶電的中子和帶負電的電子構成。然而，在140年前，人們一直以為原子就像一個小得不能再小的玻璃實心球。後來，有科學家提出異議，並引發了一場關於原子物理的討論。20年後，一位科學家發現了比原子更小的單位——電子，從而結束了這場討論，打開了人類通往原子科學的大門……

從陰極射線說起

「陰極射線是由帶電的原子構成的嗎？可是，原子應該不帶電呀。」公元1886年夏季的一天深夜，英國劍橋大學東邊的一棟小樓里，燈依然亮著。一位邋裡邋遢的年輕人手拄實驗桌，認真觀察著實驗。

陰極射線示意圖（網路圖）

他叫約瑟夫·約翰·湯姆遜，年僅29歲。他研究的這個關於陰極射線的實驗，著名科學家赫茲在10年前已經做過。湯姆遜很清楚，陰極射線只有28年歷史，與自己的年齡差不多。公元1858年，德國科學家普呂克把一個玻璃試管中的空氣抽得非常稀薄後，再在試管兩頭裝上電極板；當極板上加入幾千伏的電壓時，陰極對面的試管壁上閃爍著綠色的輝光。「陰極沒有任何東西發射出來。這輝光是怎麼來的，又由什麼組成的呢？」普呂克一直沒找到答案。

青年湯姆遜（網路圖）

公元1876年冬，德國科學家戈爾茲坦認真研究普呂克的實驗後，提出「玻璃壁上的輝光是由陰極產生的某種射線所引起的」的觀點，他把這種射線命名為陰極射線。陰極射線是由什麼組成的呢？有的科學家說是電磁波，有的科學家說是由帶電的原子，有的則認為是帶陰電的微粒組成。一時間，歐洲的科學家們眾說紛紜，並通過開展討論活動或發表文章來證明自己的觀點。

德國科學家赫茲深入研究後，做了一個實驗：他將一塊塗有硫化鋅的小玻璃片，放在陰極射線所經過的路徑上，結果硫化鋅閃光。這充分說明硫化鋅能顯示出陰極射線的「徑跡」。遺憾的是，赫茲只簡單而錯誤地得出以下結論：陰極射線是不帶電的。許多科學家們知道這個實驗，但沒有人關注。只有湯姆遜例外。

德國科學家赫茲（網路圖）

事實上，湯姆遜關注這個關於陰極射線本質的討論已經有些時間了。他於1870年進歐文學院學習，受到老師奧斯本雷諾茲的悉心指導，並在那裡養成了獨立思考的習慣。後來，他進入劍橋大學三一學院學習攻讀研究生課程。1884年，他被聘為劍橋大學卡文迪許實驗室物理學教授。作為優秀的留校畢業生，湯姆遜在學校站住腳跟後，便雄心勃勃地發誓，要通過自己的實驗來結束這場爭論。

結束討論真不容易

可是，當湯姆遜沉下心來研究陰極射線時，才發現要在這方面有所建樹很不容易。一方面，人們當時對電學、磁學的認識不足，可供參考的資料和實驗記錄不多；另一方面，當時科學界一致認為，物體是由原子構成的，原子就像一個小得不能再小的玻璃實心球，無法打開。這便是「原子不能分割」的思想。

「很顯然，陰極射線不是分子，也不是原子，它好像是生在原子內部或依附原子外面。它沒產生磁力，似乎也不是電磁波。」湯姆遜陷入沉思中。

作用極大的陰極射像管（網路圖）

從此，這位踏上工作崗位兩年不到的年輕人，沉醉於陰極射線的研究中。找資料、做實驗、寫報告；再找資料、做實驗、寫報告……和所有科學家一樣，在科學攀登的路上，日復一日，年復一年，不知疲倦！

石破天驚的小實驗

轉眼到了1897年9月上旬，年過40的湯姆遜在劍橋大學東邊的同一棟小樓的同一個實驗室里，正緊張是做著一個他認為是此生最重要的實驗。

之所以說最重要，是因為在四個月前，他在皇家學會的演講中介紹了自己10多年來研究和試驗的結果：「在氣體中的電荷載體，一定比普通的原子和分子要小。」一石激起千層浪，當同行們問他，這種載體到底比原子小多少，到底帶不帶電，有何實驗報告時，他徹底無語了。最後，他當眾表態，在半年內做出一個實驗，解答他們提出的問題。

會後，湯姆遜夜以繼日地開始實驗。經過反覆考慮，他決定還是從赫茲那個實驗入手。於是，他同樣將一塊塗有硫化鋅的小玻璃片放在陰極射線所經過的路徑上，也發現硫化鋅閃光。接著，通過實驗，他發現在一般情況下，陰極射線是直線行進的，但在射擊線管的外面加上電場後，或用蹄形磁鐵跨放在射線管的外面，陰極射線將發生了偏折。根據其偏折的方向，不難判斷出其帶電的性質。

湯姆遜在做關於電子的實驗（人文網）

「既然這些射線是由帶負電的物質粒子構成，那這些粒子到底是什麼呢？怎麼才能測出它比原子小多少呢？」想到這裡，他決定做更精細的實驗：首先，單獨的電場或磁場都能使帶電體偏轉，而磁場對粒子施加的力是與粒子的速度相關，然後他對粒子同時施加一個電場和磁場，並調節到電場和磁場所造成的粒子的偏轉互相抵消，讓粒子仍作直線運動。這樣，從電場和磁場的強度比值就能算出粒子運動速度；速度找到後，靠磁偏轉或者電偏轉就可以測出粒子的電荷與質量的比值。經過多次實驗，湯姆遜終於測出粒子電荷與質量的比值，並推測出這種粒子的質量是氫原子的質量的二千分之一。

碳原子示意圖（網路圖）

同年9月下旬，湯姆遜再次站在皇家學會的講台上，向同行們詳細介紹了自己的實驗，並宣讀了題為《陰極射線》的實驗報告。後來，大量的物理學成果反覆證明，湯姆遜關於比原子小的「粒子」的假說是完全正確的。幾年後，根據著名物理學家斯托尼的提議，科學家們將湯姆遜發現的「粒子」稱為電子。

電子的發現，不但終結了持續20年的關於陰極射線本質的討論，還開闢了原子物理學的嶄新研究領域。在後代科學家的努力下，原子物理學已成為研究原子的結構、運動規律及相互作用的物理學分支，其主要研究內容有原子的電子結構、原子光譜、原子之間或與其他物質的碰撞過程等。後來，不少研究原子物理學的科學家都獲得了諾貝爾物理學獎。

湯姆遜因為發現電子，獲得1906年諾貝爾物理獎（網路圖）

而湯姆遜本人，因為發現電子，獲得1906年諾貝爾物理獎；兩年後，為表彰他在氣體放電的理論和實驗研究方面所作的貢獻，英國皇室授予他爵士頭銜。

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人物小檔案：

約瑟夫·約翰·湯姆遜（1856年—1940年），英國物理學家，電子的發現者。1856年12月18日生於英國曼徹斯特。第三任卡文迪許實驗室主任，以其對電子和同位素的實驗著稱。1940年8月30日，湯姆遜逝世於劍橋。他的骨灰被安葬在西敏寺的中央，與牛頓、達爾文、開爾文等偉大科學家的骨灰放在一起。

參考資料：

1、《影響世界的100項發明》，學林出版社出版的圖書，2010年。

2、《影響世界的大科學家》，2008年北方婦女兒童出版社出版。