电子和原子

电子和原子

就在人们不再考虑电子也许存在于物质之中这一问题时，问题却一下子明朗了。假设我们考虑一下早期（即人们还是简单地通过摩擦玻璃棒或琥珀块形成电荷的时候）对电的研究。这时人们也许不会认为这是因为电子从被摩擦物体传到摩擦物体，或者是反过来传的吧？任何物质，若被强迫获得多余电子时，就会积累负电荷；而任何物质，若失去其部分电子，则会积累正电荷。如果真是这样，那么电子开始时必定是在物质之中，通过某种方式被转移。

另外，电流也许是由穿过有电流存在的物质的电子组成的。因此，在阴极射线管中，当电流到达阴极时，电子就在那里积聚（给它负电荷，这就是为什么它会变成阴极)，并以阴极射线粒子流的形式被强行推入真空区域。

电脉冲以光速行进，因此如果你用导线将纽约的一部电话与洛杉矶的一部电话连接起来，那么纽约的一个声音能调制成电流，在大约1/60秒之后，在洛杉矶就会再现这个声音。然而，电子本身是从一个原子撞向另一个原子的，行进速度要慢得多。

这与你对着一长排相同的棋子弹另一枚棋子时所发生的情况类似。随着你弹的那枚棋子撞击到一长排棋子中的第一枚棋子，位于这一长排棋子中的另一端的最后一枚棋子几乎会立即飞出去。处于中间的那些棋子几乎没有动，但是压缩和伸展的脉冲则以音速沿着这一排棋子运动，并将最后一枚棋子弹出。

尽管电子极有可能存在于物质之中，但是，不知怎么，人们总还是认为这些电粒子的存在似乎与被描述成无明显特征而且不可分割的原子有相当大的距离，并独立于原子而存在。

根据19世纪头10年的化学实验积累的资料，似乎可以肯定原子是不可分割的，但认为其无明显特征还只是一种假设。不过科学家也是人，在科学上也与人类思想的其他方面一样，一种假设如果已经在人们头脑中保持了足够长的时间，有时会具有宇宙定律那样的力量。人们会忘记这只是一种假设，并且发现不大容易考虑到这种假设也许是错的这种可能性。

在这一点上，考虑到电流能通过某些溶液而不能通过另一些溶液，法拉第首先系统地研究了这种现象。

比如，就像伏打在制造第一个电池时发现的那样，食盐（氯化钠)溶液就能导电。因此氯化钠是一种电解质。电流不能通过糖溶液，因此糖是非电解质。

法拉第根据他的实验确定，溶液中的某些东西能沿一个方向传递负电荷，而沿另一个方向传递正电荷。他还不能确切地知道究竟是什么东西在传递电荷，但可以给它起个名字。他把这种传递电荷的东西叫做离子（ion，源自一个意为“徘徊者”的希腊语单词)。

19世纪80年代，一名年轻的瑞典化学专业学生阿伦尼乌斯（Svante August Arrhenius，1859—1927)采用了一种新奇的方法来处理这一问题。他发现纯水具有固定的冰点0℃。如果在水中溶入非电解质（如糖)，则冰点会略低于0℃。溶入水中的糖愈多，则冰点愈低。事实上冰点降低的量是与溶入水中的糖分子数成比例的。这种规律对于其他非电解质也一样。任何一种非电解质，只要在溶液中所含分子数相同，那么溶液冰点降低的量也相同。

但对电解质而言情况就不同了。如果将氯化钠溶入水中，按照溶液中所含分子数考虑，溶液冰点的降低量刚好是预期值的2倍。为什么会是这样的呢？

氯化钠的分子由1个钠原子（Na)和1个氯原子（Cl)组成，因此其分子式为NaCl。阿伦尼乌斯认为，当氯化钠溶入水中时，它会分裂或离解成2个原子，即Na和Cl。因此可以说，对于溶液外的每个NaCl分子，在溶液中分成了2个一半的分子：Na和Cl。这样，在溶液中存在的粒子数量就会是原先认为的数量的2倍，因而冰点的下降量也是2倍。（由2个以上原子组成的分子也许会分裂成3个甚至4个部分，因而也可能使冰点的降低量是预期的3倍，甚至4倍。)

普通糖分子的每个分子由12个碳原子、22个氢原子和11个氧原子组成，或者说总共由45个原子组成。当溶于水中时，它不会离解而仍然保持完整的分子形式。因此，在溶液中只有预期数量的分子，冰点也只降到预期值。

然而，当氯化钠离解时不可能分裂成普通的钠原子和氯原子。钠原子和氯原子的性质是已知的，而在溶液中却无法发现这些性质。因此这中间肯定发生了什么，使得从氯化钠中离解出来的钠和氯与普通的钠和氯不同。

对阿伦尼乌斯而言，答案似乎是每个氯化钠分子的离解碎片携带一个电荷，它们就是法拉第曾经说过的离子。根据电流通过氯化钠溶液的实验结果，显然可以说，通过离解形成的每个钠微粒均携带正电荷，是钠离子，可以用符号Na^＋表示，而每个氯微粒则携带负电荷，是氯离子，可以用符号Cl^-表示。它们之所以是电解质并能传导电流，是因为电解质有离解成这种带电碎片的趋势。

钠离子和氯离子所具有的性质与不带电的钠原子和氯原子有很大差别。这就是为什么食盐溶液是一种中性溶液，而钠和氯本身都会危及人的生命。而像糖那样的非电解质不会离解，也没有能携带电荷的带电碎片，因此不能传导电流。

1884年，阿伦尼乌斯准备以他的离子离解理论作为哲学博士学位论文。但考试委员会对他的这篇论文很冷淡，因为他们不打算接受任何说原子能带电的理论。在认为原子是无明显特征而且不可改变的时期，原子怎么可能会带电呢？（它们对理解这种假设没有帮助。)

委员会也不能完全拒绝这篇论文，因为它论证得相当严密，还因为论文解释了如此多的用其他任何方法都无法解释的事情。尽管如此，他们还是以最低能够通过的等级让论文通过了。

13年之后，当J·J·汤姆孙发现电子时，人们突然觉得，显然原子有可能，只是可能，携带的电子数会比正常情况下携带的电子数多或少一两个。此后每过一年都会有新发现，使这种可能性看起来更加肯定，而在1903年，阿伦尼乌斯就是因为这篇在19年前只获得通过等级的论文赢得了诺贝尔奖。

当然，仅仅根据电解质的特性推断出原子中电子的存在，还不能令人完全满意。那么有没有什么方法能直接看到原子中的电子呢？例如，是否有人能把电子从原子中撞击出来并探测到它们呢？

1887年，也就是赫兹用他的探测装置证明无线电波存在的第二年，他在用这套装置做实验时发现，无论何时，只要有电越过他的探测装置的间隙，就会出现一个火花穿过间隙。他还观测到一些稀奇古怪的事，那就是当光线照在间隙上时，火花更容易出现。

显然，光对放电有影响，因此这种现象逐渐被称为光电效应（photoelectric effect，前缀photo源自意为“光”的希腊语单词)。

就在第二年，即1888年，另一位德国物理学家哈尔瓦克斯（Wilhelm Hallwachs，1859—1922)发现，光电效应对于两种类型的电荷会产生不同影响。一片带负电荷的金属锌在紫外线照射下会失去所带电荷。而同样是这个锌片，若带正电荷则根本不受紫外线辐射的影响，仍保持其所带电荷。对此人们无法解释，直至J·J·汤姆孙发现了电子以后才得以明白，而且在物质中也许存在电子这一点也开始清楚起来。

在那种情况下，由于间隙处的金属片中有一个金属片的电子被迫放出，因而形成穿过间隙的火花。如果光以某种方式使电子释放出来，那么就会更容易形成火花。此外，带负电荷的锌片会携带一些多余的电子，如果光使那些电子被释放出去，那么锌片就会失去那些电荷。而带正电荷的锌缺少电子，由于不能指望光会提供电子来弥补缺少的电子，正电荷将不会受到影响。

这样至少能比较容易地解释早期观测到的光电效应。然而，应对一部分科学家提出适当的忠告，不要过于轻率地朝着这种容易解释的方向急进。有时候这样做会使人掉入陷阱（就像当时有人只是因为阴极射线能穿过金属薄膜，就认定它们不会是由粒子组成的一样)。

因此，单凭电子能从物质中被撞击出来并不意味着它们必定存在于物质之中。1905年，爱因斯坦指出，质量是能量的一种形式，这是他的狭义相对论的一部分论点。质量能转换成能量，能量也能转换成质量。

光包含了能量。那么会不会是撞击金属的光能在某些特定情况下转换成了一个具有质量的小碎片——电子——就是它带走了原先属于金属的一点负电荷呢？若是这样，电子看来绝对不是金属的一部分。

然而，爱因斯坦的理论不仅仅说明质量与能量是可以相互转换的，他还给出了一个简单的方程式，明确指出多少质量会转换成多少能量，反之亦然。结果是，即使是很小的质量也能转换成非常巨大的能量；反之，即使只形成一个很小的质量也需要非常大的能量。

电子的质量非常小，但是即便如此，在紫外线中也显然不存在足以形成电子的能量，这一点很快就明确了。因此，光电效应不可能是由能量转换成电子的结果；而必定是已经存在于金属原子中的电子被释放出来的结果。

放出已经存在的电子所需的能量远比重新生成一个电子所需的能量小得多。若是这样，那就表明前面那种较简单的解释是正确的（这的确是一件令人愉快的事情，在科学上有时候是会发生这种事情的)。

当然，也许从金属中出来的不是电子，这种可能性还是存在的。它们也许是一些带负电荷的其他类型的粒子。然而，1899年，J·J·汤姆孙让这些从金属中出来的粒子进入磁场和电场，他发现它们具有与电子相同的质量和相同的负电荷。由于这两种性质均相符，显然光电粒子就是电子，从此这种观点就再也无法动摇了。