物理是一個很有意思的學科，大到無邊無際的宇宙，小到肉眼不可見的原子，這世間的一切都被物理籠絡包含進去。對于宏觀物理來說，發展的歷史就是地球、太陽系、銀河系和我們的宇宙，一級一級擴大我們對世界的認知；對于微觀物理來說，恰恰相反，細胞，細胞核，原子核。很長一段時間以來，人們都以為原子是最基本的粒子，無法再進行分割。這個觀點一直持續到1897年，英國科學家湯姆遜打破了僵局和原子最小的神話。

約瑟夫·約翰·湯姆遜

湯姆遜全名，約瑟夫·約翰·湯姆遜，簡稱JJ·湯姆遜，1856年冬天降生在英國的曼徹斯特。他可是一個天才級人物，在14歲就進入曼徹斯特大學。古今中外從來都不乏天才兒童，但大多數在他們成年之后，才華漸漸湮滅，淪為平庸大眾。但是湯姆遜卻一路高歌猛進，21歲就被保送進劍橋大學三一學院深造。三一學院是英國本土乃至全世界的高等學府，一直被莘莘學子殷切向往。1880年湯姆遜參加了劍橋大學的學位考試，以第二名的優異成績取得學位。他不僅在學業上成績斐然，運氣也非常好。1884年，瑞利安辭去卡文迪許教授職務，湯姆遜并沒有經過認真的考慮就申請了這個職位，他自己根本沒想到能從眾多競爭者中脫穎而出，順利當選了卡文迪許實驗室物理教授。他那年才28歲，教學經驗聊勝于無。當時很多人對他當選都不信服，覺得湯姆遜資歷不夠，還有一些人甚至等著看湯姆遜的笑話。

湯姆遜用自己的實力回擊了這些人，而他回擊的武器就是電子。

這里有一個很好玩的事情，那就是湯姆遜發現電子要追溯到1897年，但事實上，1881年愛爾蘭物理學家斯通尼就發明了“電子”這個名詞，用來定義一個電的基本單位。所以說電子是由湯姆遜發現的，但電子這個單詞卻不是由他創造的。

要說發現電子的事情，還要從1859年德國科學家普呂克爾利用蓋斯勒管進行放電實驗說起，他觀察到正對著陰極的玻璃管壁上泛出的綠色輝光。這一現象引起了很多科學家的注意，紛紛對此探索研究。1876年，德國科學家戈爾茲坦提出，玻璃壁上的輝光是由陰極產生的某種射線所引起的，因此將這種射線命名為陰極射線。

一時間，關于陰極射線形成的本質成了眾多科學家爭相研究的命題。有人說陰極射線是電磁波，也有說是由帶陰電的微粒組成，但這些說法都只是一家之言，沒有得到科學界權威的承認。持續時間越長，人們對這個問題的關注度就越高，整個物理學界都盯著揭開陰極射線面紗的人。

湯姆遜測量陰極射線荷質比實驗裝置示意圖

1890年，同樣是曼徹斯特大學教授的舒斯特在氫氣放電管中，通過對陰極射線偏離情況的測量，計算出陰極射線微粒的荷質比是氫離子的一千多倍，但他認為這種粒子跟原子大小相同而錯過了發現電子的機會。就在他之后的1897年，法國科學家考夫曼也做了相同的實驗，并且得出更加精確的荷質比，但是這個科學家更悲催，他不敢相信自己的計算結果，以為自己計算錯誤所以沒有發表出來。

同年，湯姆遜也向這個經典的問題發起了挑戰。

在實驗過程中，湯姆遜將一塊涂有硫化鋅的玻璃片覆蓋在陰極射線的必經之路上，對此進行觀察。通過實驗，他發現如果不進行任何干擾，陰極射線會沿著直線行進，但如果在射擊線管的外面加上電場或者磁場，陰極射線就會不可避免地發生偏折。根據其偏折的方向，湯姆遜輕而易舉就判斷出帶電粒子的性質。

“這些粒子到底是什么呢？它們是原子還是分子，還是處在更精細的平衡狀態中的物質？”湯姆遜不斷地反問自己，他知道如果想要知道問題的答案就需要作更進一步的實驗。為了方便稱呼，湯姆遜假定這是一種被電離的原子，即帶負電的“離子”。雖然無法直接測量出這種粒子的性質，但是可以測量出它的質量，也就是前文所提到的荷質比。湯姆遜匠心獨運采用橫向雙聚焦補償法來測量陰極射線粒子的荷質比。所謂雙聚焦補償法就是對粒子同時施加一個電場和磁場，并調節到電場和磁場所造成的粒子的偏轉互相抵消，讓粒子保持直線運動，以此測算出粒子運動速度。當速度確定之后，單靠磁偏轉或者電偏轉就可以測出粒子的電荷與質量的比值。湯姆遜用這種巧妙的方法測定出這種帶負電的“離子”的荷質比。結果非常驚人，這個比值比電解質中氫離子的比值還要大得多。顯而易見，這種粒子的質量比氫原子的質量要小得多（當時，人們普遍認為氫原子就是最輕的粒子）。經過計算，湯姆遜發現前者大約是后者的1/2000。經過后代人不斷努力，這個比值精確到1/1837。

 

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他敲開了基本粒子大門

圖文簡介

湯姆遜匠心獨運采用橫向雙聚焦補償法來測量陰極射線粒子的荷質比。