向原子世界靠拢

第二节　向原子世界靠拢

在19世纪末，汤姆孙发现了电子，这是人类认识的第一个基本粒子。

发现了电子是原子论发展史上的一件惊天动地的大事，它不但标志着人们结识了一个新的微观伙伴，而且明确地揭示了原子不是什么“不可分割的最小单元”。可以说，电子的发现是人们认识原子世界的开端。

在19世纪末的时候，物理学已经有了相当的发展，牛顿力学、热力学和统计力学、电磁理论，都已经建立了完整的理论体系，在推广应用上也取得了巨大的成就。这时，物理学家普遍认为，物理学已经发展到顶，物理学的伟大发现都已完成，以后的任务只是在细节上作些补充和修改，使公式里的常数测得更精确而已。

也就是在这个时候，通过实验科学界陆续出现了一系列重大发现，打破了物理学界沉闷的空气，把人们的注意力引向微观世界，揭开了现代物理学的序幕。从伦琴发现X射线的1895年开始，在以后不到十年的时间里，重大的发现不下十余项，而电子的发现是其中意义最大的一项。

19世纪50年代至60年代，气体放电实验所需要的仪器及零件已经日臻完备。1855年，德国的一名吹玻璃的工人盖勒斯发明了水银空气泵，从而可获得比较高的真空，并制成了一个能够以前所未有的真空度把金属电极封闭在里面的玻璃管。这是一个长约几十厘米，里面焊有相隔一定距离的电极的玻璃管。将管内空气抽出，使管内空气稀薄，当高压电加在两块电极板上时，管内将出现放电现象，此装置又叫放电管。1858年，人们在用放电管研究低压气体中的放电现象时，发现在管内气体足够稀薄的情况下，阴极会发出一种辐射，它与正对阴极的管壁相撞，就会在阳极附近的玻璃上产生绿色的荧光。若在管中放上一个物体，我们还可以直接看到这个物体的影子。由此人们推测，从阴极发射出来的，肉眼看不见的辐射（射线）是沿着直线飞行的，这种射线就称为“阴极射线”。

不过，这种射线究竟是什么东西，人们却并不了解。根据所观察到的现象，有人推测这恐怕是“光波”（即电磁辐射），因为在抽成真空的玻璃管里空气已不存在了，除了光线之外，还会有什么东西横贯其中呢？包括诸如戈尔兹坦，赫兹在内的一批德国学者这样认为。也有人认为这大概是一种带负电的“微粒”（即一种带电的“原子”）所组成，持这种观点的人有瓦利，克鲁克斯等一批英国物理学家。在长达二十多年的时间里，这两派各有所据，争论不休。促使人们进行了许多有重大意义的实验来研究阴极射线的性质。直到1897年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的约瑟夫·约翰．汤姆孙教授用实验发现电子，才把这一问题弄清楚。

汤姆孙是英国曼彻斯特一个书商的儿子，他自小就与书籍为友，1884年28岁时就担任了卡文迪许实验室的第三任主任。有关阴极射线究竟是光波还是带电微粒的争论，引起了他的注意。他倾向于克鲁克斯等人的观点，为了证明这一点，他决定通过实验来弄清放电管里所出现的未知粒子的性质，用精确的方法来测量阴极射线中那些粒子的质量。汤姆孙这位优秀的物理学家凭借他那丰富的科研经验和熟练的实验技巧，安排了一系列精密巧妙的实验。他叫助手特制了一只放电管，管子的中间添加了一对金属电极D和E（D在上，E在下），在和阴极相对的管壁上贴了一张纸做的标尺。他把放电管接通电源后，从阴极C发出的射线正好投在标尺的中心，并发出荧光。然后他使中间的那对电极D和E分别带上正、负电，这时，奇妙的现象出现了：阴极射线被电场推向一旁，不能到达标尺的中间。如D带正电，阴极射线就偏离中心朝上弯；反之，如果E带正电，阴极射线就往下弯。

这个实验证实了克鲁克斯等人的观点：阴极射线是带负电的微粒子流，因为光线通过电场后是不会发生偏折的。接着，汤姆孙再把一个线圈所产生的磁场加到D、E之间，结果也能使阴极射线发生偏折。

那时，人们已知道带电微粒在电场或磁场中运动时，微粒越重，它们就越不容易被偏折；粒子所带电荷越多，或外界的电场或磁场越强，它们就越容易被偏折。由此看来，粒子偏折的程度和它所带的电荷e成正比，而和它的质量m成反比。至于粒子偏折的程度则可以从标尺上量出来。汤姆孙利用这样的原理测定了阴极射线的“微粒”所带电荷e与它的质量m的比值e／m，这个比值称为“荷质比”，即电荷对质量之比的意思。有趣的是，汤姆孙发现不管怎样改变放电管中的气体（空气、氢气、二氧化碳等等），也不管怎样改变电极的材料（铝、铁、铂等等），阴极射线粒子的荷质比总是保持不变。而后，汤姆孙又把实验所得的荷质比与在电解过程中测定的氢离子的荷质比相比较，结果大吃一惊，前者比后者大得多，它们相差上千倍。氢离子是带负电的氢原子，汤姆孙用其他方法测定，阴极射线粒子所带的负电量和氢离子所带负电量是相等的。根据荷质比来看，既然e相等，那么两种带电粒子荷质比数值相差如此之大的原因，只能归结到两者质量不等。由此推算出阴极射线粒子的质量只有氢原子质量的1／1800。当时人们已知道氢原子是组成物质最轻、最小的单元，可是在放电管中出现了比氢原子还要轻将近2000倍的东西，真是不可思议。显然，在自然界中存在着一种非常轻的，带负电的粒子，它是基本电荷的负载者，即我们今天所说的“电子”。当汤姆孙发表他的实验结果时，已经是1897年四月份了。

就这样，汤姆孙实验不但肯定了阴极射线是一种带负电的粒子（电子），而且还揭示出原子里面含有带负电的部分及带正电的部分。至此，“原子不可分割”的观念彻底瓦解，看来宇宙的最基本砖块至少是由电子拼起来的，人们又面临着一场新的战斗。

汤姆孙由于发现电子的重大贡献而获得1906年诺贝尔物理学奖。后来，密立根又以实验的方法确定了基本电荷——电子所带电荷的值e。