beaver.ncnu.edu.tw/projects/emag/article/200006/.../sdEquation.doc
電子的發現 - 科學與藝術的對話
pei.cjjh.tc.edu.tw/~pei/history/history_56.htm
原子結構的探討
www.muh123.idv.tw/930203/atom/01/94020301.htm
[PDF]原子與陰極射線
www.shs.edu.tw/works/essay/2007/03/2007031809043925.pdf
電子的發現
【資料來源：數理化通俗演義 理藝出版社】
第五十六回
巧設計 是光是電見分曉
細測算 質量電量全找到
－電子的發現
花開兩朵，各表一枝。自從放電管問世以來，人們紛紛研究真空放電，無意中生出許多課題。那倫琴從管中陰極發出的射線發現了X射線，貝克勒爾又從對X射線的研究發現了鈾的天然放射性，居里夫婦又進一步從對鈾礦的研究發現了鐳。鐳可以自己發光發熱，這又給物理學提出了一個無法解釋的大難題。從陰極射線引出的一個鏈條，環環相扣，續續而生，未有窮盡。但是陰極射線本身到底是甚麼呢？自然有人會考慮這個問題，這個人就是英國物理學家湯姆生(1856－1940)。
湯姆生1856年12月18日生於英國的曼徹斯特。他父親本是一個擺攤賣書報的小販，後來靠著自己的奮鬥成了一名專印大學課本的著名的書商。他從自己的切身經歷中深知沒有知識的苦衷，但發誓要教子成材，請了家庭教師指導兒子的學業，並注意培養他的藝術素養。老湯姆生雖是一名書商，可是因職業關係平時來往的卻都是曼徹斯特大學的教授，屋裏也還有點書香氣。湯姆生有嚴父督教，又有這樣一個環境薰陶，學業大進，十四歲便考進了曼徹斯特大學，二十歲被保送到劍橋大學三一學院，二十七歲就被選為皇家物理學會的會員。1884年卡文迪許實驗室主任瑞利年老體表宣佈辭職，大家都等著看誰來繼任這個全歐洲學術界最引人注目的職位，結果瑞利卻推荐了湯姆生，這年他才剛滿28歲。
這時一場曠日持久的大爭論正在等待他的加入。六十年代英國物理學家克魯克斯發明了一種管子－－克魯克斯管，在一個玻璃管裏嵌上相對的兩塊金屬板，兩板各與一條電路相聯，一塊是陰極，一塊是陽極，管內空氣抽得越來越稀薄時，就會出現種種不同的顏色，這種光是由陰極發出的。它到底是甚麼呢？以德國物理學家赫茲、林納德為首的一派認為陰極射線是類似於光的東西，是電磁波，以英國物理學家克魯克斯為首的一派認為這是一束帶負電的粒子流。赫茲說，既然是粒子流為甚麼它能順利通過放在管內它們路徑上的各種屏障，而又不給屏上穿出洞呢？只有波才有這種特性；克魯克斯說，既然是光一類的波，為甚麼我把一塊磁鐵靠近管子時，它就發生偏轉呢？只有帶電粒子才會受磁場的影響。這簡直就像當年牛頓和胡克、惠更斯爭論光的波粒性一樣，又是一場難斷的官司。雙方都是當時最知名的權威，這場辯論竟持續了20多年沒有結果。就在1896年，湯姆生正好40歲時；英國科學促進會最高委員會將湯姆土召來要他的實驗室來解決這樁懸案。
好個湯姆生，由他來坦當此任真是再合適不過了，他在電磁學方面有極扎實的功底，又有一手高超的實驗技術。接受任務後他先將以往的研究成果仔細回顧一番，發現其實早在1834年法拉第總結電解定律時已經初步涉及到這個問題。實驗證明，所有化合價為一價的元素，電解出一克化學當量的物質，都需要96,493庫侖的電量。而一克當量物質所含的粒子數正是阿弗加德羅常數，即6.0238×1023個。這樣就可算出每個粒子上所帶的電量為4,802×10-10絕對靜電量，它是電的最小單位。就是說電是由這麼一點點的小東西集結而成的，揭示了電的粒子性。阿弗加德羅常數是1870年才確定的，七十年代、八十年代，對這個問題的研究更加深入。1874年英國物理學家斯通尼明確提出用"電子"一詞來表示電的一個最小單位。但是為甚麼還是爭論不休呢？因為到此為止也還只是一種理論計算，就像當初居里夫婦發現鐳的放射性，但並沒有測出鐳的原子量，化學家就直搖頭一樣。現在只推算出電子，而不知道他的重量、性質，物理學家們自然不服，於是湯姆生毅然決定要秤秤電子的重量。
這可真是異想天開，你要捉一個原子來放在天平上都不可能，一個電子又如何秤法？這個主意只有湯姆生想得到，也只有他能做到。他既是一個理論物理學家，又是一個實驗物理學家，設計實驗是他的拿手好戲。他立即把學生們叫到一起，準備好一個陰極射線管，射線從陰極一端發出後，穿過兩個很窄的縫，成一細束，打在管子的底部，而底部已準備好精確的刻度，以便觀察射線的偏轉。在射線經過的路上，上下各準備兩塊金屬電極板，形成一個電場。當金屬板不通電時射線沿直線打在管底一個點上，通電後射線受電場的影響發生偏轉，並且根據偏轉的方向可知它是帶負電的粒子束。這時再加一個磁場，使它沿相反方向偏轉，又校正到原來的位置。這真是一個極妙的實驗，一絲陰極射線隨著電場和磁場的強弱變化忽上忽下，就像有兩隻無形的手來回爭著將它拉過來拉過去。湯姆生最後讓它固定在正中的位置上，對他的學生說："現在我們可以來稱電子的重量了。這時磁場力和電場力的大小正好相等，方向相反。根據這個條件我們先來求出陰極射線微粒的飛行速度。知道了速度就可進一步測其他物理量。比如，我現在撤掉電場，粒子只受磁場力作曲線運動，我們就可求得它的電荷與質量之比。有了這許多數據我們就可以去推算質量。只是那法拉第等人當初是通過電解定律來推算每個粒子上所帶的電量，為了證明這個數據我們最好另換一種方法。"
這時在座的一位學生應聲答道："我這裏有一種辦法可以一試。"
湯姆生一看，說話的正是威爾遜(1869－1959)。原來，這湯姆生身邊高徒滿座，他們一個個都年輕聰明，基礎扎實又各有所長。現在說話的這個威爾遜對大氣電學有特殊的興趣，1894年他到海拔4000多米的尼維斯山頂旅遊，被那裏奇麗的霧景所吸引，便深入鑽研，終於弄懂這是氣壓低的緣故。於是他就在實驗室裏人工造霧，先是讓水分凝結在空氣中的塵粒上，後來X射線的發現使他想到空氣中離子的存在可能導致雲霧的形成。威爾遜想陰極射線若真是電子粒，雖然這電子粒看不見，可是造成一個條件使帶電粒子和水一起凝結成霧珠，不就可見而且可以測算了嗎？威爾遜當即向老師裝好一個簡單的儀器。一個大玻璃筒，下面有一個底盤與驗電器相連接，筒內充進潮濕空氣後將筒上的活塞突然向上提，空氣膨脹造成雲霧，水滴開始緩緩地向底盤上落去。就是這麼個簡單的裝置卻演示出一個很了不起的成果。他們可以根據雲霧向圓盤降落的速度來求霧滴的大小，又根據霧滴的大小和蒸氣的總量來求出霧滴的總數，再以驗電器收到的總電量除以霧滴的總數，就得出每個霧滴上的電荷值，與法拉第電解定律的求法殊途同歸。這真是拐著彎兒作學問。
好了，現在我們來看湯姆生對電子的稱量結果：陰極射線是由帶負電的粒子組成，這種粒子的飛行速度是每秒十萬公里；它的質量是氫原子的1840分之一；它的電荷是4.8×10-10個靜電單位。湯姆生還不放心，又把陰極材料幾次更換，結果都可以發出同樣的粒子流。他還發現：不只在陰極射線中，在其他情況下，如將金屬加熱到一定高的溫度，金屬或其他物質受光，特別是受紫外線照射時，也都能放出電子。後來威爾遜不斷改進他的雲霧室，居然實實在在地觀察到了電子的軌跡。現在的問題就不只是一個簡單的陰極射線是甚麼了，它又導出了一個偉大的發現－－任何元素中都含有電子。
這電子的質量極小，只有9×10-28克，就是只有一萬億億億分之一克。這麼小的東西湯姆生也將他稱出來了，妙就妙在他能迂迴曲折，借助電場、磁場、霧滴，正如本生借光譜識元素，居里夫婦借電流強度識別射線強度一樣，善於抓住事物間的聯繫，步步摸索，終於達到目的。不過這回湯姆生繞的圈子也實在夠大了，他的這個實驗在科學史上也就特別的著名。
正是：
曲徑通幽處，科學無近路。
目的難直達，請君繞幾步。
卻說湯姆生終於捕捉到電子後，他的學生們圍著他七嘴八舌地問道："這個方法也不算太難，為甚麼過去爭吵了二十多年就沒有人去做個實驗呢？"
"事情並不這樣簡單，我剛開始實驗時，曾在兩塊金屬板之間加上一個電場，射線並不偏轉。這是由於有氣體的存在壓力太高。要解決這個問題就先要解決真空條件，而當時真空技術才剛剛使用，很不完善。可知一項研究總是和當時的技術發展水平相聯繫的。所以，電子的發現並不是我個人特別聰明，這是前人經過許多知識和技術方面的積累，到現在才水到渠成了。
"老師，這個積累是全社會共享的，為甚麼同一個時間，同一個實驗室，有人能夠利用它去實現新的突破，有的人就做不到呢？"
"所以，我要給你們立兩條規矩：第一，接受一個新題目後，首先要將這方面的知識系統複習，特別要注意前人已有的成果，這樣既避免重複勞動，又可站在巨人的肩膀上登攀。第二，必須學習好實驗技術，全套儀器都要親手製作，盡且不使用現成的。"
學生中不知誰怯生生地說了一句，"這樣不是太費時間了嗎？"
"不，費點時間有利於培養你們的創造力。實驗室是培養會思考、有獨立工作能力的人，不是要造就一些死成品。你們不僅是實驗的觀察者，更重要的是實驗的創造者。老師不能教給你所有的知識，兩你們掌握了創造能力後卻可以得到前人都得不到的知識。"
這些本就十分聰明的高材生們畢恭畢敬地圍在湯姆生身邊聆聽師訓，他們以後牢記這一教誨，刻苦讀書，勇敢創造，這一批學生中竟出了50多名卓有成績的大物理學家，其中便有威
爾遜、玻爾、盧瑟福等九人獲得諾貝爾獎金。湯姆生在卡文迪許實驗室任教授和主任辛苦執教34年，桃李滿天下，育人成果早超過了那些具體的物理發現。
再說湯姆生發現電子，一時名聲大震，許多國家紛紛請他去講學。但他有個習慣，就是多做少說，輕易不願登台報告。美國著名的普林斯頓大學幾次懇求，他才去講了六小時，而內容卻極為精煉。英國皇家物理學會規定每星期五晚上要舉行一次學術報告會。委員會早就為他安排好了講演時間，他埋頭電子的研究竟拖了三年。直到1897年4月30日晚上，他終於登台了。這天大廳裏燈火輝煌，他將關於發現電子的實驗一一講給同行們，在座的物理學家無論是克魯克斯派的還是赫茲派的人無不點頭嘆服，一個比原子還小的基本粒子發現了，湯姆生被譽為"一位最先打開通向基本粒子物理學大門的偉人"。1906年榮獲諾貝爾物理學獎。電子的發現，和X光、放射性一起，成為十九世紀末物理學的二大發現。湯姆生在那個晚上的演講中說，電子是世界上最輕量級的運動員，它如此輕微卻聯合成一支龐大的隊伍，形成了近代工業中最重要的動力源泉。
電子是發現了，但是它在原子中的位置呢？有帶負電荷的電子必定還有一種帶正電荷的粒子與之相平衡，它們兩者是誰繞著誰運動呢？這又是一個新問題。湯姆生構想了一個原子模型，就像一塊西瓜瓤或者是一塊來有葡萄乾的麵包。電子就像西瓜籽或葡萄乾一樣均勻地分佈在帶正電的粒子中，這就是有名的"均勻模型"。現在無論是居里夫婦發現鐳的自動放熱還是湯姆生發現電子，問題都集中到原子內部來了，一個原子物理的時代就要到來。湯姆生最先設計的"均勻模型"到底對不對呢？且聽下回分解。
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