互动科普

物质由分子组成，分子由原子组成。从古希腊哲学家德谟克利特（约公元前460〜前370）最早提出“万物由原子构成”的原始原子论，到英国科学家约翰·道尔顿（1766〜1844）提出“原子学说”的近代原子论，2000多年来人们一直认为原子是组成物质的最小微粒。1897年严复翻译《天演论》时，曾将原子译为“莫破尘”也是取原子不能再分的意思。

1897年，电子的发现使人类对物质结构的认识深入到了原子的内部（电子、质子、中子和光子等）。电子是构成原子的基本粒子之一，质量极小，带负电，在原子中围绕原子核旋转。不同的原子拥有的电子数目不同，例如，每一个碳原子中含有6个电子，每一个氧原子中含有8个电子。

图. 汤姆孙是第一个发现电子的人

电子发现始末

古希腊和古代中国很早就发现了电现象。近代对电的研究始于18世纪美国科学家富兰克林，他意识到闪电与摩擦起电是相似的，并且用风筝实验加以证实。他认为在正常状况下，每一种物质都含有固定比例的电量。1800年，意大利科学家伏打发明了伏打电池，解决了平稳电流的问题；1831年，英国科学家法拉第发现电磁感应现象，用电动机可以更方便地产生电流。到19世纪中叶，人们对于电已经有了相当的认识，如静电、导电、电的种类等。

尽管对电现象有了相当的了解，但对电的本质深刻了解是从放电现象开始的。1858年，德国的盖斯勒制成了低压气体放电管。1859年，德国的普吕克尔利用盖斯勒管进行放电实验时看到了正对着阴极的玻璃管壁上产生出绿色的辉光。1876年，德国的高德斯坦将不同的气体释入真空管，并且用不同的金属做电极，但都得到同样的实验结果。于是，他认为这种辉光与具体的物质无关，是由阴极产生的某种射线所引起的，他把这种射线命名为阴极射线。阴极射线是由什么组成的？19世纪末，有的科学家说它是电磁波；有的科学家说它是由带电的原子所组成；有的则说是由带阴电的微粒组成，众说纷纭，一时得不出公认的结论。科学家们对于阴极射线本质的争论，竟延续了20多年。

最后到1897年，在汤姆孙的出色实验结果面前，真相才得以大白。汤姆孙的实验过程是这样的，他将一块涂有硫化锌的小玻璃片，放在阴极射线所经过的路途上，硫化锌会发出闪光。这说明硫化锌能显示出阴极射线的“径迹”。他发现在一般情况下，阴极射线是直线行进的，但当在射线管的外面加上电场，或用一块蹄形磁铁跨放在射线管的外面，结果发现阴极射线都发生了偏折。根据其偏折的方向，不难判断出阴极射线带电的性质。

于是，汤姆孙得出结论：这些“射线”是带负电的物质粒子。但他反问自已：“这些粒子是什么呢？它们是原子还是分子，还是别的什么物质？”这需要作更精细的实验。当时还不知道比原子更小的东西，因此汤姆孙假定这是一种被电离的原子，即带负电的“离子”。他要测量出这种“离子”的质量来，为此，他设计了一系列既简单又巧妙的实验：首先，单独的电场或磁场都能使带电体偏转，而磁场对粒子施加的力是与粒子的速度有关的。汤姆孙对粒子同时施加一个电场和磁场，并调节到电场和磁场所造成的粒子的偏转互相抵消，让粒子仍作直线运动。这样，从电场和磁场的强度比值就能算出粒子的运动速度。而速度一旦找到后，单靠磁偏转或者电偏转就可以测出粒子的电荷与质量的比值（称为荷质比）。他发现这个比值和气体的性质无关，并且该值比起电解质中氢离子的比值（这是当时已知的最大量）还要大得多。这说明这种粒子的质量比氢原子的质量要小得多。前者大约是后者的2000分之1。汤姆孙称这种极小质量的带负电的粒子为电子。

1897年汤姆孙对电子的发现，使人类认识了第一个基本粒子，这在物理学史上具有划时代的意义。汤姆孙也被称为“电子之父”。1906年，汤姆孙由于电子的发现和在气体导电方面的理论以及实验研究而荣获诺贝尔物理学奖。

放射性现象发现后，物理学家发现放射性元素发射出的β射线，也会被电场偏转；而且β射线和阴极射线都有同样的荷质比。这些证据使得物理学家认为阴极射线就是β射线，电子是原子的组成部分。

1909年，美国物理学家密立根做了一个著名实验，称为油滴实验，可以准确地测量出电子的带电量。至此，对电子有了全面的认识。

汤姆孙其人

英国物理学家约翰·汤姆孙（John Thomson, 1856〜1940）出生于英国曼彻斯特郊区，父亲是苏格兰人，以卖书为业，是一个专印大学课本的商人。由于职业的关系，他父亲结识了曼彻斯特大学的一些教授。汤姆孙从小就受到学者的影响，学习很认真，14岁便进入了曼彻斯特大学欧文学院学习工程。在大学学习期间，他受到了司徒华教授的精心指导，加上自己的刻苦钻研，学业提高很快。

1876年，20岁的汤姆孙被保送到剑桥大学三一学院深造。1880年，他参加了剑桥大学的学位考试，以第二名的优异成绩取得学位，随后被选为三一学院学员，两年后又被任命为讲师。他在数学物理学方面具有很高造诣，发表了《论涡旋环的运动》和《论动力学在物理学和化学中的应用》等论文。

1884年，28岁的汤姆孙在瑞利教授的推荐下，担任了卡文迪许实验室物理学教授。1897年，汤姆孙在研究稀薄气体放电的实验中，证明了电子的存在，测定了电子的荷质比，轰动了整个物理学界。1905年，他被任命为英国皇家学院的教授；1906年荣获诺贝尔物理学奖；1916年任英国皇家学会主席。但他并没有因此而停步不前，仍一如既往，兢兢业业，继续攀登科学的高峰。汤姆孙既是一位理论物理学家，又是一位实验物理学家，他一生所做过的实验，是无法计算的。正是通过反复的实验，他测定了电子的荷质比，发现了电子；又在实验中创造了把质量不同的原子分离开来的方法，为后人发现同位素提供了有效的方法。汤姆孙在担任卡文迪许实验室物理教授及实验室主任的34年间，着手更新实验室，引进新的教授法，创立了一个极为成功的研究学派，桃李满天下。

1940年8月30日，84岁的汤姆孙在剑桥逝世。他的骨灰被安葬在西敏寺威斯敏斯特大教堂的国葬陵墓中央，与牛顿、达尔文、开尔文等伟大科学家的骨灰安放在一起。

（本文发表于《科学世界》2012年第7期）