电子是怎样发现的

英国科学家汤姆逊

中微子踪迹极为诡秘，为了发现它科学家们耗费几十个寒暑，原因是什么呢？我们必须首先看看其他的基本粒子是如何发现的。电子是人们发现的第一个基本粒子，其发现应归功于英国物理学家汤姆逊。说来奇怪，汤姆逊并不擅长实验操作，他的一位早期助手在回忆中说：“汤姆逊的手指很笨拙，我觉得没有必要鼓励他去操作仪器”他的天才在于他能够在任何时候都清楚：下一步要解决的问题在哪儿。对理论家和实验家来说，这是至关重要的才能。他在研究所谓阴极射线的放电时，发现阴极射线就是流动的电子。

什么是阴极射线呢？原来在19世纪中叶，科学家将玻璃管中的两块金属板用导线和强电源相连接，接到电源的正极的板称为阳极，接到电源的负极的板称为阴极。当玻璃板内的气体几乎抽为真空时，管内大部分的光消失了，仅仅在阴极附近管壁有浅绿色的辉光，看起来似乎有什么东西从阴极飞出来，穿过几乎是真空的空间，打到玻璃壁上，然后再会聚于阳极。几年后，尤金·戈德斯坦（1850～1930）把这种神秘的现象命名为：阴极射线。

克鲁克斯管示意图

在下图中，A是低压电源，提供阴极C加热的能量；B是高压电源，为覆磷的阳极P提供电压；M是蒙片，其电位与阴极相同，其图像显示在屏幕上磷不发光的部位。这一种神秘现象天才实验物理学家赫兹（1857～1894）认为是一种像光的波动，而英国物理学家威廉·克鲁克斯（1932～1919）则认为射线是由气体分子组成的。汤姆逊在阴极射线管加一磁铁场，发现磁铁可以使玻璃管壁上的辉光位置发生改变，证实法国物理学家佩兰（1870～1942）和戈德斯坦的发现，阴极射线偏向带正电的金属板，因而应该带负电。汤姆逊进一步给带电粒子施加电场和磁场，再测量阴极射线的偏离程度，由牛顿力学和当时已经知道的电磁学定律可以推断，阴极射线的粒子的质荷比，现在测量结果为0.56857×10﹣11千克/库仑。汤姆逊由此断定阴极射线粒子是所有物质普遍的基本成分，这个结论影响深远。如果知道阴极射线粒子的电量为1.6×10﹣9库仑，则容易得到该粒子的质量应为9.1110﹣31千克。

1899年科学家（包括汤姆逊）证明在光电效应中或从白炽金属表面发射出的带负电荷的粒子，其粒子的质荷比与阴极射线的也相同。汤姆逊并没有为他提出的基本粒子取一个专门名称。而在早些年，英裔爱尔兰物理和天文学家乔治·约翰斯通·斯托尼（1826～1911）曾建议，当原子变成带电的离子时，它所获得或丢失的电单位应当称为电子。在汤姆逊1897年的实验之后约10年，他的基本粒子的实在性已经得到广泛的承认，各地的物理学家开始称它为电子。

从上面可以看出，电子的发现实际上是由于电子具有电荷以及流动的电子具有磁性。现代基本粒子的探测手段当然已经大大完善，但是其原理仍要借助电磁相互作用。这一点与电子的发现在原理上基本一致。我们现在是如何观察基本粒子的呢？基本粒子的运动轨迹和速度（能量）如何确定？粒子的类型如何鉴别？尤其是，要发现一种非常罕见的粒子，往往在几亿个事例中才能“出现”一两次，这岂不是难于大海捞针么？

因此，无足为怪，在加速器技术蓬勃发展的同时，复杂、精巧和昂贵的粒子探测技术——微观世界的超级摄像机也日臻完善。