巧设计是光是电见分晓细测算质量电量全找到

第十八回　巧设计是光是电见分晓细测算质量电量全找到——电子的发现

花开两朵，各表一枝。自从放电管问世以来，人们纷纷研究真空放电，无意中生出许多课题。那伦琴从管中阴极发出的射线发现了X射线，贝克勒尔又从对X射线的研究发现了铀的天然放射性，居里夫妇又进一步从对铀矿的研究发现了镭。镭可以自己发光发热，这又给物理学提出了一个无法解释的大难题。从阴极射线引出的一个链条，环环相扣，连续而生，未有穷尽。但是阴极射线本身到底是什么呢？自然有人会考虑这个问题，这个人就是英国物理学家汤姆孙（1856—1940）。

汤姆孙1856年12月18日生于英国的曼彻斯特。他父亲本是一个摆摊卖书报的小贩，后来靠着自己的奋斗成了一名专印大学课本的书商。他从自己的切身经历中深知没有知识的苦衷，便发誓要教子成材，请了家庭教师指导儿子的学业，并注意培养他的艺术素养。老汤姆孙虽是一名书商，可是因职业关系平时来往的却都是曼彻斯特大学的教授，屋里也还有点儿书香气。汤姆孙有严父督教，又有这样一个环境熏陶，学业大进，14岁便考进了曼彻斯特大学，20岁被保送到剑桥大学三一学院，27岁就被选为皇家物理学会的会员。1884年卡文迪许实验室主任瑞利年老体衰宣布辞职，大家都等着看谁来继任这个全欧洲学术界最引人注目的职位，结果瑞利却推荐了汤姆孙，这年他才刚满28岁。

这时一场旷日持久的大争论正在等待他的加入。19世纪60年代英国物理学家克鲁克斯（1832—1919）发明了一种管子——克鲁克斯管，在一个玻璃管里嵌上相对的两块金属板，两板各与一条电路相连，一块是阴极，一块是阳极，管内空气抽得越来越稀薄时，就会出现种种不同的颜色，这种光是由阴极发出的。它到底是什么呢？以德国物理学家赫兹、林纳德为首的一派认为阴极射线是类似于光的东西，是电磁波；以英国物理学家克鲁克斯为首的一派认为这是一束带负电的粒子流。赫兹说，既然是粒子流为什么它能顺利通过放在管内它们路径上的各种屏障，而又不给屏上穿出洞呢？只有波才有这种特性；克鲁克斯说，既然是光一类的波，为什么我把一块磁铁靠近管子时，它就发生偏转呢？只有带电粒子才会受磁场的影响。这简直就像当年牛顿和胡克、惠更斯争论光的波粒性一样，又是一场难断的官司。双方都是当时最知名的权威，这场辩论竟持续了二十多年没有结果。就在1896年，汤姆孙正好40岁时，英国科学促进会最高委员会将汤姆孙召来，要他的实验室来解决这桩悬案。

好个汤姆孙，由他来担当此任真是再合适不过了，他在电磁学方面有极扎实的功底，又有一手高超的实验技术。接受任务后，他先将以往的研究成果仔细回顾一番，发现其实早在1834年法拉第总结电解定律时已经初步涉及这个问题。实验证明，所有化合价为一价的元素，电解出l克化学当量的物质，都需要96493库仑的电量。而1克当量物质所含的粒子数正是阿伏伽德罗常数，即6.0238×1023个。这样就可算出每个粒子上所带的电量为4.802×10-10绝对静电量，它是电的最小单位。就是说电是由这么一点点的小东西集结而成的，揭示了电的粒子性。阿伏加德罗常数是1870年才确定的。之后，对这个问题的研究更加深入。1874年英国物理学家斯通尼明确提出用“电子”一词来表示电的一个最小单位。但是为什么还是争论不休呢？因为到此为止也还只是一种理论计算，就像当初居里夫妇发现镭的放射性，但并没有测出镭的原子量，化学家就直摇头一样。现在只推算出电子，而不知道它的质量、性质，物理学家们自然不服，于是汤姆孙毅然决定要称称电子的质量。

各位读者，这“想”和“做”，是科学研究的左右腿。想一想，再做一做，规律就发现了，创造就实现了。想和做，是理论与实践的转换，一部科学史就是这样一步一步走过来的。这里敢想、善于想尤其重要。思想这个东西，可以是最薄最薄的刀片，能深入到事物的最细的缝隙之中；也可以是最大的一张网，能囊括宇宙，捕捉星球。当年道尔顿为了称称原子的质量，就先设想氢的原子量为1，其他元素按此倍数来计算，果然界定了原子，确立了原子论。现在汤姆孙又将物质上每个粒子的带电量推算出来，从而又确立了“电子”的新概念。这样细微的事实只有先通过想像、假设，定下一个思路后才可能通过实验、推理去实现。反过来那些最大的天体实验也是这样。

J.J.汤姆孙测量电子质量的方法。（a）阴极射线在电场中向上偏转。（b）阴极射线在磁场中向下偏转。同时加电场和磁场时，使阴极射线受电力和磁力相等，在此条件下可测出电子的速度，然后撤去电场即可测出。（c）由气体离子上形成的水滴的下降速度，可以测出，知道和以后，就容易求出。

这可真是异想天开，你要捉一个原子来放在天平上都不可能，一个电子又如何称法？这个主意只有汤姆孙想得到，也只有他能做到。他既是一个理论物理学家，又是一个实验物理学家，设计实验是他的拿手好戏。他立即把学生们叫到一起，准备好一个阴极射线管，射线从阴极一端发出后，穿过两个很窄的缝，成一细束，打在管子的底部，而底部已准备好精确的刻度，以便观察射线的偏转。在射线经过的路上，上下各准备两块金属电极板，形成一个电场。当金属板不通电时射线沿直线打在管底一个点上，通电后射线受电场的影响发生偏转，并且根据偏转的方向可知它是带负电的粒子束。这时再加一个磁场，使它沿相反方向偏转，又校正到原来的位置。这真是一个极妙的实验，一丝阴极射线随着电场和磁场的强弱变化忽上忽下，就像有两只无形的手来回争着将它拉过来拉过去。汤姆孙最后让它固定在正中的位置上，对他的学生说：“现在我们可以来称电子的质量了。这时磁场力和电场力的大小正好相等，方向相反。根据这个条件我们先来求出阴极射线微粒的飞行速度。知道了速度就可进一步测其他物理量。比如，我现在撤掉电场，粒子只受磁场力做曲线运动，我们就可求得它的电荷与质量之比。有了这许多数据我们就可以去推算质量。只是那法拉第等人当初是通过电解定律来推算每个粒子上所带的电量，为了证明这个数据我们最好另换一种方法。”

这时在座的一位学生应声答道：“我这里有一种办法可以一试。”

汤姆孙一看，说话的是威尔逊（1869—1959）。原来，这汤姆孙身边高徒满座，他们一个个都年轻聪明，基础扎实又各有所长。现在说话的这个威尔逊对大气电学有特殊的兴趣，1894年他到海拔4000多米的尼维斯山顶旅游，被那里奇丽的雾景所吸引，便深入钻研，终于弄懂这是气压低的缘故。于是他就在实验室里人工造雾，先是让水分凝结在空气中的尘粒上，后来X射线的发现使他想到空气中离子的存在可能导致云雾形成。威尔逊想阴极射线若真是电子粒，虽然这电子粒看不见，可是造成一个条件使带电粒子和水一起凝结成雾珠，不就可见而且可以测算了吗？威尔逊当即为老师装好一个简单的仪器。一个大玻璃筒，下面有一个底盘与验电器相连接，筒内充进潮湿空气后将筒上的活塞突然向上提，空气膨胀造成云雾，水滴开始缓缓地向底盘上落去。就是这么个简单的装置却演示出一个很了不起的成果。他们可以根据云雾向圆盘降落的速度来求雾滴的大小，又根据雾滴的大小和水蒸气的总量来求出雾滴的总数，再以验电器收到的总电量除以雾滴的总数，就得出每个雾滴上的电荷值，与法拉第电解定律的求法殊途同归。这真是拐着弯儿做学问。

好了，现在我们来看汤姆孙对电子的称量结果：阴极射线是由带负电的粒子组成，这种粒子的飞行速度是每秒10万千米；它的质量是氢原子的1840分之一；它的电荷是4.8×10-10个静电单位。汤姆孙还不放心，又把阴极材料几次更换，结果都可以发出同样的粒子流。他还发现：不只在阴极射线中，在其他情况下，如将金属加热到一定高的温度，金属或其他物质受光，特别是受紫外线照射时，也都能放出电子。后来威尔逊不断改进他的云雾室，居然实实在在地观察到了电子的轨迹。现在的问题就不只是一个简单的阴极射线是什么了，它又导出了一个伟大的发现——任何元素中都含有电子。

这电子的质量极小，只有9×10-28克，就是只有一万亿亿亿分之一克。这么小的东西汤姆孙也将它称出来了。妙就妙在他能迂回曲折，借助电场、磁场、雾滴，正如本生借光谱识元素，居里夫妇借电流强度识别射线强度一样，善于抓住事物间的联系，步步摸索，终于达到目的。不过这回汤姆孙绕的圈子也实在够大了，他的这个实验在科学史上也就特别的著名。

正是：

曲径通幽处，科学无近路。

目的难直达，请君绕几步。

却说汤姆孙终于捕捉到电子后，他的学生们围着他七嘴八舌地问道：“这个方法也不算太难，为什么过去争吵了二十多年就没有人去做个实验呢？”

“事情并不这样简单，我刚开始实验时，曾在两块金属板之间加上一个电场，射线并不偏转。这是由于有气体的存在压力太高。要解决这个问题就先要解决真空条件，而当时真空技术才刚刚使用，很不完善。可知一项研究总是和当时的技术发展水平相联系的。所以，电子的发现并不是我个人特别聪明，这是前人经过许多知识和技术方面的积累，到现在才水到渠成了。”

“老师，这个积累是全社会共享的，为什么同一个时间，同一个实验室，有人能够利用它去实现新的突破，有的人就做不到呢？”

“所以，我要给你们立两条规矩：第一，接受一个新题目后首先要将这方面的知识系统复习，特别要注意前人已有的成果，这样既避免重复劳动，又可站在巨人的肩膀上登攀。第二，必须学习好实验技术，全套仪器都要亲手制作，尽量不使用现成的。”

学生中不知谁怯生生地说了一句：“这样不是太费时间了？”

“不，费点时间有利于培养你们的创造力。实验室是培养会思考、有独立工作能力的人，不是要造就一些死成品。你们不仅是实验的观察者，更重要的是实验的创造者。老师不能教给你所有的知识，而你们掌握了创造能力后却可以得到前人都得不到的知识。”

这些本来就十分聪明的高材生们毕恭毕敬地围在汤姆孙身边聆听师训，他们以后牢记这一教诲，刻苦读书，勇敢创造，这一批学生中竟出了50多名卓有成绩的大物理学家，其中便有威尔逊、玻尔、卢瑟福等9人获得诺贝尔奖金。汤姆孙在卡文迪许实验室任教授和主任辛苦执教34年，桃李满天下，育人成果早超过了那些具体的物理发现。

再说汤姆孙发现电子，一时名声大振，许多国家纷纷请他去讲学。但他有个习惯，就是多做少说，轻易不愿登台作报告。美国著名的普林斯顿大学几次恳求，他才去讲了6小时，而内容却极为精练。英国皇家物理学会规定每星期五晚上要举行一次学术报告会。委员会早就为他安排好了讲演时间，他埋头电子的研究竟拖了3年。直到1897年4月30日晚上，他终于登台了。这天大厅里灯火辉煌，他将关于发现电子的实验一一讲给同行们，在座的物理学家无论是克鲁克斯派的还是赫兹派的人无不点头叹服。一个比原子还小的基本粒子发现了，汤姆孙被誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。1906年荣获诺贝尔物理学奖。电子的发现，和X光、放射性一起，成为19世纪末物理学的三大发现。汤姆孙在那个晚上的演讲中说，电子是世界上最轻量级的运动员，它如此轻微却联合成一支庞大的队伍，形成了近代工业中最重要的动力源泉。

电子是发现了，但是它在原子中的位置呢？有带负电荷的电子必定还有一种带正电荷的粒子与之相平衡，它们两者是谁绕着谁运动呢？这又是一个新问题。汤姆孙构想了一个原子模型，就像一个西瓜或者是夹有葡萄干的面包。电子就像西瓜籽或葡萄干一样均匀地分布在带正电的瓜瓤或面团中，这就是有名的“均匀模型”。现在无论是居里夫妇发现镭的自动放热还是汤姆孙发现电子，问题都集中到原子内部来了，一个原子物理的时代就要到来。汤姆孙最先设计的“均匀模型”到底对不对呢？且听下回分解。