诺贝尔物理学奖史演义系列（六）——汤姆逊

1906年，美国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊因其“气体传导的理论和实验研究”获得第六届诺贝尔物理化学奖。

传导气体有什么错误吗？出于这个原因，汤姆森本人并不十分冷淡。尽管他正在研究气体传导和电离现象，但他觉得与电离研究证实的“阴极射线由电子组成”的理论相比，这一点不值一提。

电子学？这个名字不仅开始了原子物理学的研究，而且促进了现代科学技术如激光和半导体的诞生。今天，“电子”设备，如电子表、电子键盘、电子计算机等。都在我们周围。

汤姆森发现电子学的故事始于他28岁的时候。

1884年夏天，英国著名的学术研究中心剑桥大学卡文迪许实验室宣布了一个消息:实验室技术员汤姆森被聘为实验室主任！

许多英国人不能接受它。卡文迪什实验室的前两位主任是电磁学大师麦克斯韦和领军人物瑞利勋爵(后来获得1904年诺贝尔物理学奖)。四年前毕业的汤姆森是谁？然而，前董事赖利勋爵和剑桥大学的资深同事，如开尔文爵士和小达尔文，共同提出了他们的建议。他们不满意。

剑桥大学卡文迪许实验室(来源:百度)

话虽如此，年轻的汤姆森仍然感到不安。进出卡文迪什实验室的人是科学家或著名学者。没有真实的东西，人们怎么能接受你？新官员上任三次，他的第一把火“烧”成了阴极射线。当时，研究阴极射线的物理学家被分成两组:一组认为它是由许多微粒组成的，另一组认为它是一种类似光的电磁波。双方就此争论了多年，但仍未达成最终结论。汤姆森心想，如果阴极射线的性质能被清楚地理解，那么他自然会担任导演一职。

如果阴极射线是粒子流，它在通过电场和磁场时会改变方向，否则就是电磁波在封闭的实验室里，汤姆森一边准备真空管一边喃喃自语。

然而，汤姆森已经尝试了几次，发现阴极射线通过电场和磁场时，其运动方向只有微小的变化，这是很难测量的。经过反复思考，他知道真空管中的真空度不够，这影响了实验的结果。后来，花了几年时间来改进真空管，使其精度达到要求。

射线管(来源:百度)

接着，他用一种新的方法测量了阴极射线在真空管中的传播速度，结果是(1.9×10 7次方)厘米/秒。这个速度远低于光速。阴极射线不可能是电磁波。

虽然已经证明阴极射线不是电磁波，但这并不意味着它是粒子流！经过汤姆森的分析，他决定测试阴极射线在电场和磁场中的运动路径。通过实验，他发现在磁场和电场的作用下，阴极射线和负电荷有相同的运动路径。因此，大胆地推断出阴极射线是由带负电的粒子流组成的。

阴极射线中有什么样的微粒？汤姆森决定用更直接的证据来证明它是一个未知的粒子，这个证据就是粒子质量和电荷的准确值。

测量阴极射线的粒子质量和电荷？这是一项艰巨的任务，因为有数千亿个微粒在铅笔尖大小的阴极射线中高速运动。汤姆森充分发挥了他导师的优势，根据学生伦纳德在大气中测量出的阴极射线大约半厘米范围的结果，推断出未知粒子的质量比氢离子小得多，甚至不到千分之一。他还改进了另一名学生汤森的实验，测试气体离子的电荷，并测量未知粒子的电荷。

实验中的汤姆逊(资料来源:尚书广场)

1897年，不再是“新官员”的汤姆森在卡文迪许实验室使用先进的科学方法测量未知粒子的荷质比。为了便于记录，他首先称阴极射线粒子为“阴极粒子”，后来受物理学家斯托尼的启发称它们为“电子”，斯托尼继续称最小的电荷单位为电子。从不断改进的角度出发，汤姆逊再次计算了电子质量，结果与已知的单电子质量(9.109×10 -31千克)相差不远。

电子产品！多么贴切的名字。经过一系列准备之后，汤姆森宣布电子带负电荷，是任何原子的基本组成部分之一，原子不再是最小的物质单位。电子的存在不仅结束了世界各地科学家关于阴极射线是粒子还是电磁波的大讨论，还促使科学家对原子组成和电子运动进行深入研究，从而打开了原子物理学的大门。现在，研究高中和高中科学的人知道原子是由原子核和电子组成的。原子核带正电荷，电子带负电荷。电子有规律地分布在原子核外。电子总是高速运动，最高速度为每秒2000公里。导体和绝缘体的区别是价电子。导体可以导电，因为价电子脱离原子核变成*电子，而绝缘体没有*电子。这些理论的基础都与汤姆森发现的电子有关。鉴于这一伟大发现，后者称他为“电子之父”。

氢原子模型(来源:Sohu.com)

与电子的发现相比，汤姆森对卡文迪许实验室的贡献不亚于前者。从任期一开始，他就试图购买新设备，引进先进的实验方法。新的科学发现一个接一个涌现出来:电子、云室、同位素...20世纪末，卡文迪许实验室成为当时最大的科学研究中心，数百名科学家在那里接受培训。八位诺贝尔奖获得者中，有七位在他的指导下工作，包括他的独子乔治·汤姆森。这些学生的名字为后代所熟知，并将永远载入史册。(请期待)

汤姆森夫妇(左，约瑟夫·约翰·汤姆逊；对，乔治·汤姆森。资料来源:Sohu.com)

鉴于他的杰出贡献，卡文迪什实验室在麦克斯韦报告厅的墙上挂了一幅汤姆森研究阴极射线管的肖像，供客人欣赏和怀念。

每个人都可以看到汤姆森的贡献。诺贝尔物理和化学委员会会知道吗？然而，当委员会在1906年授予他这个奖时，他获奖的原因是“气体传导的理论和实验研究”，他没有提到他在证实电子的存在和发现方面的成就。更不用说，就是不敢提，毕竟，西方科学界对“原子是组成物体的最小单位，就像一个实心玻璃球”的理论相信了2000多年，电子理论太先进了，委员会没有勇气也不必冒这个险。这表明，在那个时候，人们不容易接受一个新的观点，甚至一个新的科学理论。

汤姆森对电子的发现暂时结束了物理学中对阴极射线的研究。诺贝尔物理学和化学奖聚焦于物理学的光学领域。经过几轮筛选，一位研究光学的美国科学家获得了1907年诺贝尔物理学奖。如果你想知道事情的结果，请听下一期的解释。

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[参考]

1.《诺贝尔物理学奖一百年》一书于2002年由上海科普出版社出版，作者是和沈。

2.论文《20世纪物理学的伟大缩影》，清华大学郭怡伶，2009年第2期，物理研究。

3.论文《纪念汤姆逊发现电子学一百周年》，易等著，《今日电子学》1997年第12期。