第五章  突破常规束缚（13）

    在近20年时间里，关于阴极射线是粒子或是射线的争论一直都未停止。这场争论最终由英国物理学家汤姆逊所解决。自19世纪80年代起，汤姆逊就进行了放电现象方面的研究。关于阴极射线本质的争论自然引起了他的注意，经过认真的研究之后，他认为真空管中的阴极射线是带负电的微粒子流，这种带电粒子有很大的速度，并是沿直线运行的。1894年，他从更精巧的实验中坚信，阴极射线绝不是一种电磁辐射。

    阴极射线粒子性的最终确证是在汤姆逊重复了赫兹的实验之后。汤姆逊发现，赫兹当年的失败主要是由于真空度不够高，引起残余气体的电离，静电场建立不起来所导致的。他说：“我重复这一实验时，起初也得到和他同样的结论，但后来发现不偏转的原因是由于阴极射线使稀薄的气体产生导电性。我在对电流进行测量时，发现真空度提高时导电性消失得很快。显然，在很高的真空度下做赫兹实验，有可能观察到阴极射线受静电力偏转的现象。”

    汤姆逊从实验结果中完全证实了阴极射线是带负电的粒子流的结论。阴极射线是带负电的粒子流的结论已是确定无疑的了。但这些粒子是原子、分子，还是更小的微粒呢?汤姆逊对此作了更进一步的研究。汤姆逊通过计算，发现克鲁克斯使小风轮转动的实验，不能用分子流的作用来加以解释，这个作用力太小。

    汤姆逊用了两种方法测定阴极射线微粒的荷质比e/m值。第一种方法是将一束阴极射线通过强磁场使其偏转后撞击已知热容的固体，使其动能转化为热，测出热量可算得动能，代入数学公式可求得e/m值。第二种方法则是用电场和磁场使阴极射线发生偏转去测得e/m值。他测得的荷质比e/m之数量级为107单位／克，这要比在众所周知的电解过程中测得的氢离子的荷质比大上千倍。汤姆逊认为，这可能是阴极射线中的粒子质量很小，也可能是其电荷较大造成的。进一步的分析使汤姆逊断定，阴极射线是由质量比氢离子小得多的粒子组成的。他最初把这些粒子称为带负电的“微粒”。

    1897年，汤姆逊测定了紫外光射到锌片上的光电效应和炽热金属的热电过程中带负电粒子的e/m值，得到同阴极射线中“微粒”一样的数值。汤姆逊坚信：“这些粒子具有相同的质量并带有相同的负电荷，无论它们是从哪种原子里所得到的。它们是一切原子的一个组成部分。”汤姆逊始以“电子”这一名称命名这种微粒。

    电子的发现，在较长时间内并未得到科学界的承认。甚至到了1906年，授予汤姆逊诺贝尔物理学奖时都没有明确提到他发现电子的功绩，他获奖的原因是由于他“在气体导电方面的理论和实验研究”。当时的许多物理学家都坚持电的连续性观念，而排斥电的粒子性的新思想。对于原子有更小的组成部分，人们感到不可思议，难以接受。汤姆逊的一些同事对他的工作不予支持，甚至有人贬低他的工作，说是给科学“拖了后腿”。

    然而新的科学思想的确立却是历史的必然。美国物理学家密立根在1917年前利用油滴实验，经过多次精密测量，得出了电子电荷的数值。他观察到，每个油滴携带的电量都是电子电荷的整数倍。他的工作结论性地证明了：电是分为单个单元的，每个单元电荷都是相等的；这个单元电荷并不是一个统计平均值，而是电的原子性结构的真实表现。电子的存在终于得到了科学界的公认。电子是人类认识的第一个基本粒子，它的发现将原子不可分的传统观念打破了，揭示出原子是有内部结构的，探索原子内部结构成为20世纪最激动人心的科学研究活动之一，汤姆逊的名字和他的杰出贡献一起载入科学史册当中。</p>

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