汤姆逊：发现电子，终结20年原子物理大讨论

情人节那天，物理学中的一对明星，即“夫妇”电子和正电子，向他们的单身伴侣扔了一把狗食。没有这对夫妇以前的电子，他们将如何生活？

每个上过初中的人都知道原子是由带正电荷的质子、不带电荷的中子和带负电荷的电子组成的。然而，140年前，人们总是认为原子就像一个不能再小的实心玻璃球。后来，一些科学家提出反对意见，并引发了关于原子物理学的讨论。二十年后，一位科学家发现了一个电子，一个比原子小的单位，从而结束了讨论，并为人类打开了原子科学的大门。

从阴极射线开始

“阴极射线是由带电原子组成的吗？然而，原子不应该带电。”1886年夏天的一个深夜，英格兰剑桥大学东边的一栋小楼里，灯还亮着。一个不整洁的年轻人靠在实验台上，仔细地看着实验。

阴极射线图(网络图)

他的名字叫约瑟夫·约翰·汤姆逊，只有29岁。他研究了关于阴极射线的实验，这是著名科学家赫兹十年前做的。汤姆森非常清楚阴极射线只有28岁，和他差不多大。公元1858年，德国科学家拉赫将空气泵入非常薄的玻璃试管，然后在试管两端安装电极板。当几千伏的电压加到极板上时，阴极对面的试管壁上会闪烁绿光。“阴极没有什么可发射的。这种光是怎么来的，它由什么组成？”勇气从未找到答案。

扬·汤姆森(网络图)

公元1876年冬天，德国科学家戈尔兹·谭在仔细研究了布莱的实验后，提出了“玻璃壁上的辉光是由阴极产生的某种辐射引起的”的观点。他把这种辐射称为阴极射线。阴极射线由什么组成？一些科学家说它是电磁波，一些人说它是由带电原子组成的，一些人认为它是由带负电的粒子组成的。当时，欧洲科学家有不同的观点，并通过讨论或文章来证明他们的观点。

经过彻底的研究，德国科学家赫兹做了一个实验:他把一个涂有硫化锌的小玻璃片放在阴极射线的路径上，硫化锌就会闪烁。这充分表明硫化锌可以显示阴极射线的“轨迹”。不幸的是，赫兹简单而错误地得出阴极射线不带电荷的结论。许多科学家知道这个实验，但是没有人注意它。除了汤姆森。

德国科学家赫兹(网络图)

事实上，一段时间以来，汤姆森一直在关注关于阴极射线性质的讨论。他于1870年进入欧文学院，在老师奥斯鲍恩·雷诺的精心指导下，他养成了独立思考的习惯。后来，他进入剑桥大学三一学院攻读研究生课程。1884年，他被任命为剑桥大学卡文迪许实验室的物理学教授。作为一名优秀的毕业生，汤姆森雄心勃勃地发誓，在学校站稳脚跟后，将通过自己的实验结束这场辩论。

结束讨论并不容易。

然而，当汤姆森开始研究阴极射线时，他发现很难在这个领域取得成就。一方面，当时人们对电学和磁学了解不够，参考资料和实验记录也不多。另一方面，科学界当时一致认为，物体是由原子组成的，原子就像一个玻璃实心球，不可能开得尽可能小。这就是“原子不能分离”的观点。

“显然，阴极射线既不是分子，也不是原子。它似乎生于原子内部或外部。它不产生磁力，也不是电磁波。”汤姆森陷入了沉思。

高效阴极显像管(网络图)

从那以后，这个工作不到两年的年轻人就一直沉浸在阴极射线研究中。寻找材料，做实验，写报告；寻找信息，做实验，写报告...像所有科学家一样，在科学攀登的道路上，日复一日，年复一年，不知疲倦！

开创性的实验

1897年9月的头十天，40多岁的汤姆森在剑桥大学东边同一栋小楼里的同一个实验室里做着他认为是他一生中最重要的实验。

最重要的原因是，四个月前，在皇家学会的演讲中，他介绍了过去10年的研究和实验结果:“气体中的电荷载体必须比普通原子和分子小。”一块石头激起千层浪。当同事们问他这个载体比原子小多少，它是否带电，以及他有什么实验报告时，他完全说不出话来。最后，他发表了一份公开声明，并在六个月内做了一次实验来回答他们的问题。

会后，汤姆森开始日夜进行实验。经过反复考虑，他决定从赫兹的实验开始。所以，他还把一小块涂有硫化锌的玻璃放在阴极射线通过的路径上，还发现硫化锌在闪烁。然后，通过实验，他发现在正常情况下，阴极射线沿直线传播，但是在电场施加到发射管的外部或者蹄形磁铁放置在管的外部之后，阴极射线会偏转。根据它的偏转方向，不难判断它的带电性质。

汤姆森正在做电子实验(人文网络)

“由于这些射线是由带负电的物质粒子组成的，这些粒子是什么？我们如何测量它比原子小多少？”想到这里，他决定做更精细的实验:首先，单一的电场或磁场可以使带电体偏转，磁场对粒子施加的力与粒子的速度有关。然后，他同时对粒子施加电场和磁场，并调整由电场和磁场引起的粒子偏转，使其相互抵消，从而使粒子仍沿直线运动。这样，粒子速度可以从电场和磁场的强度比中计算出来。一旦发现了速度，电荷与粒子质量的比率就可以通过磁偏转或电偏转来测量。经过多次实验，汤姆森最终测量了电荷与粒子质量的比率，并推测粒子的质量是氢原子质量的1秒。

碳原子示意图(网络图)

同年9月下旬，汤姆森再次站在皇家学会的讲台上，向他的同事们详细介绍了他的实验，并宣读了题为“阴极射线”的实验报告。后来，大量的物理结果反复证明，汤姆森关于“粒子”比原子小的假设是完全正确的。几年后，根据著名物理学家斯托尼的提议，科学家们称汤姆森发现的“粒子”为电子。

电子的发现不仅结束了长达20年的关于阴极射线本质的讨论，而且开辟了原子物理学的一个新的研究领域。经过后代科学家的努力，原子物理学已经成为研究原子结构、运动规律和相互作用的物理学的一个分支。其主要研究内容包括原子的电子结构、原子光谱、原子之间或与其他物质的碰撞过程等。后来，许多研究原子物理学的科学家获得了诺贝尔物理学奖。

汤姆森因发现电子而获得1906年诺贝尔物理学奖(网络图)。

汤姆森本人因发现电子而获得了1906年诺贝尔物理学奖。两年后，为了表彰他对气体放电理论和实验研究的贡献，英国王室授予他爵士头衔。

-

个人简介:

约瑟夫·约翰·汤姆逊(1851940)，英国物理学家和电子发现者。1856年12月18日出生于英国曼彻斯特。卡文迪什实验室的第三任主任以他的电子和同位素实验而闻名。汤姆森于1940年8月30日在剑桥去世。他的骨灰和牛顿、达尔文、开尔文以及其他伟大科学家的骨灰一起被埋葬在威斯敏斯特大教堂的中心。