揭開原子秘密的新起點

現(xiàn)代生活中，人們對“電”這個名稱并不陌生。一切現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)和科學技術都離不開電，它已經(jīng)成為人們最常用的能源。然而，對電的本質和特性的了解，還是在1897年發(fā)現(xiàn)“電子”以后才得以實現(xiàn)的。

　　早在十八世紀時，人們就從電性質的研究中發(fā)現(xiàn)，電不僅能在導體中傳遞，還能促使物質產(chǎn)生重大變化。1832年，英國物理學家法拉第在研究電流通過導電溶液時，發(fā)現(xiàn)液體中的不同原子或原子團能朝相反方向移動，并分別在電極上析出，這一過程被稱作電解。

　　后來，法拉第又定量地分析了許多元素的電解過程，并總結為法拉第電解定律，即一定量的電總是能析出同樣多的原子數(shù)目，而某些元素析出的原子數(shù)恰好是電量數(shù)的一半或三分之一。于是科學家們就推測在電解過程中，不同元素的原子，它們從電極上析出時所吸收的電量是不一樣的，而電量本身是由許多“電單元”組成的。人們發(fā)現(xiàn)以此來解釋法拉第的電解定律可得到圓滿的結果。

　　但是電單元畢竟是一種看不見、摸不著的帶電微小單元，因此研究起來要比物質的原子單元要困難得多，所以最初人們對它的性質知道得很少。不過到了1891年，為了對電解現(xiàn)象能有更深的理解，愛爾蘭物理學家斯托尼提出了把電單元命名為“電子”，以它的電量作為電量的最基本單位。從此以后，電子這個名字一直沿用到現(xiàn)在。

　　后來，人們在有關電性質的研究中，又進一步發(fā)現(xiàn)電流不僅能在導電材料所構成的閉合回路中流動。而且即使電路上有一不太寬的缺口，只要電壓足夠高，電流仍能跳過缺口繼續(xù)流動。與此同時，由于電流與缺口處的空氣分子相互作用，以及空氣被迅速加熱，能產(chǎn)生光亮的電火花和霹啪的爆裂聲。光和聲都不是電，而在缺口處那些暫時離開導線的電流，在同空氣分子作用后，仍能傳到另一端的導線中，在閉合回路中流動。如果缺口太大，那么電流就中止(即斷路)。

　　科學家們?yōu)榱四軐﹄娺M行單獨探測，就設法讓電通過一個空無一物的空間，即把導線封入空氣被抽掉的玻璃管中。當時，要做到這一點也是很不容易的。直到1854年，由于電真空技術的發(fā)展，德國的吹玻璃工匠兼發(fā)明家蓋斯勒制成了第一根這樣的玻璃管，并取名為“蓋斯勒管”或陰極射線管。

　　然而，世界上第一個研究陰極射線管的是德國物理學家普呂克爾。他在1858年發(fā)現(xiàn)，當電流經(jīng)過真空管時，在陰極對面的玻璃壁上出現(xiàn)了帶綠色的輝光。許多科學家曾對這種輝光產(chǎn)生的原因進行了廣泛探索，后來由另一位德國物理學家戈德斯坦在1876年斷定，產(chǎn)生輝光的原因是從陽極上發(fā)射出了某種射線(即陰極射線)，落在面對陰極的管壁上所致。

　　由于真空管中基本不存在其它物質，所以陰極射線很可能是電流本身。因為在管中有電流流過，而電流本身是由金屬導線運載的，這樣陰極射線只能來自金屬導線。如果這種預測是正確的話，那末一旦確定了陰極射線的本質后，就能在很大程度上揭示出電流的本質。于是人們就進一步想像，陰極射線會不會是由某種細小的波所組成的類似于光的東西，或是一束具有質量的粒子流。

　　由于在實驗中看到了光，所以上述兩種看法都曾得到了某些物理學家的贊同。到了1885年，英國物理學家克魯克斯在真空管內巧妙地安上一個小葉輪，并讓陰極射線打在小葉輪的一側，結果發(fā)現(xiàn)小葉輪轉動了起來。這就表明陰極射線是有質量的微粒子流，而不是沒有質量的光束。

　　同時，克魯克斯還發(fā)現(xiàn)磁鐵能使陰極射線向一旁偏轉。這就進一步說明，陰極射線既不同于光，也不同于中性原子，它是帶有電荷的粒子流。實際上這已經(jīng)到達了發(fā)現(xiàn)電子的意境。

　　整個十九世紀后期，關于陰極射線特性的研究已成為科學家們廣泛爭論的課題。其中有一位英國物理學家湯姆遜，他也支持陰極射線是由帶電粒子流構成的觀點。湯姆遜在仔細觀察陰極射線管玻璃壁上所產(chǎn)生的熒光時，又反復思考陰極射線移動的情況，他想陰極上的“電”是怎樣移動到對面管壁上去的。

　　為了證明管中的電是直線傳播的某種射線，湯姆遜在玻璃管中間安上一個小物體。這樣一來，小物體能阻擋住部分射線，在管壁上投射出清晰的陰影，這就證明了管內的射線確是直線傳播的。

　　為了進一步弄清管中射線的性質，湯姆遜又在玻璃管旁射線所經(jīng)過的地方放上一根磁棒，磁棒的一極*近真空管。由于磁場的作用，本來直線傳播的射線發(fā)生了彎曲現(xiàn)象，結果再次證明射線決不可能是光線，因為光線的路徑在磁場中決不會發(fā)生彎曲。

　　那末它到底是由什么東西組成的呢？湯姆遜不愧是一位杰出的物理學家，他把實驗結果總結成兩點想法：1、通過真空管的不是什么射線，而是實體的微粒流；2、如果真是微粒流，那末這些微粒一定是帶電的。

　　湯姆遜為了用實驗來驗證自己的想法，又在直空管中另加一電場。這樣當射線從兩塊帶電的金屬板間通過時，微粒流發(fā)生了同用磁場做試驗時相同的彎曲。這就充分證明了，微粒流確是由帶電的微粒所組成，因為不帶電的微粒流在電場作用下是不會被排斥而產(chǎn)生彎曲的。此外，從微粒流在電場中所產(chǎn)生的偏轉方向上，可以看出構成陰極射線的微粒流是帶負電荷的。

　　至此，已有充分理由認為：真空管中的陰極射線是由帶負電荷的粒子流所組成的。而且它和陰極材料和放電氣體無關，即粒子流的質量和電荷量均不會改變。但它們的發(fā)射速率和數(shù)量因陰極材料的不同而異。

　　接著，湯姆遜進一步斷定，微粒子所帶的電荷，就是法拉第在研究電解液中所提到的電單元，并直接用斯托尼給電單元所起的名字“電子”來稱呼這些帶負電荷的粒子。1897年，湯姆遜在英國“科學知識普及會”上報告了他在發(fā)現(xiàn)電子方面所作的實驗工作，但當時都遭到很多極有聲望的物理學家們的懷疑，所以電子的發(fā)現(xiàn)一時未能引起足夠重視。即使這樣，湯姆遜仍堅持自己的論點，并在以后的實驗工作中，利用其它方法找到了和陰極射線性質完全相同的粒子。

　　例如，湯姆遜發(fā)現(xiàn)當紫外線照射在某些金屬上時，它能使金屬發(fā)射出帶負電荷的微粒子，這就是“光電效應”。另外，灼熱的金屬絲或炭絲也能發(fā)射出這種粒子，被稱為“熱離子效應”。上面所發(fā)射的這些粒子，都帶有等是的負電荷，現(xiàn)今都稱為“電子”。

　　湯姆遜為了對電子的性質能有更深的了解，又對電子的質量和電荷量進行了測量。按照電磁學的一般原理，電子在磁場或電場中運動時，其彎曲程度跟它的電荷數(shù)和質量有一定的關系。一般說來，帶電粒子愈重愈不易被偏轉，磁場愈強帶電粒子被彎曲得愈厲害。就這樣，湯姆遜根據(jù)電子在磁場中被彎曲所需磁力的大小，間接測得了電子的質量，并進一步求得電子所帶的電荷，最后獲得兩者的比值，即荷質比。

　　在此同時，湯姆遜又利用帶電的氫原子和電子進行比較來研究電子的特性。由于氫原子是自然界中質量最小的原子，所以認為氫原子所帶電荷和電子相同。但在實驗中發(fā)現(xiàn)，在電磁場中電子要比帶電的氫原子容易偏轉得多。由此可知，電子的質量遠比氫原子小得多。而今天我們已經(jīng)精確測出氫原子和電子的質量比值為1837.15。

　　就這樣，湯姆遜經(jīng)過堅持不懈、百折不撓的努力，最地后終于證明了電子是客觀存在于自然界的微小實體。他的這段艱辛而又光輝的歷程，被記錄在發(fā)表于1903年的著作《電在氣體中的傳導》一書中。為了表彰他在氣體放電現(xiàn)象方面的理論和實驗研究中所創(chuàng)建的偉大功勛，湯姆遜榮獲了1906年的諾貝爾物理獎。對此他曾寫下了這樣一段話：“……這對我的研究成果無疑是一項有力的證據(jù)，這證據(jù)來自那些素昧平生的外國人，而他們也沒有受到任何個人的因素所影響……”。

　　至此，人們已知道了兩種具有質量的粒子，一種是構成物質的原子；另一種是組成電流的電子。另外，電子的客觀存在也就否定了道爾頓所提出的原子是組成物質的最基本單元的學說，否定了原子是堅不可摧的，不能被破碎成更小粒子的假說。人們相信在原子中至少存在一種比它小得多、輕得多的粒子，即電子。這樣一來，物理學家們就開始對如何正確理解原子內部的結構產(chǎn)生了濃厚的興趣。

　　實際上，在湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子以前，已有不少科學家對原子內部結構進行過研究，其中包括1895年倫琴發(fā)現(xiàn) X射線；1896年貝克勒爾從鈾鹽中發(fā)現(xiàn)放射性；居里夫婦和盧瑟福等又從鐳、釙等放射性元素的射線中發(fā)現(xiàn)了α、β和γ射線等等。他們的發(fā)現(xiàn)都證明了原子是在不斷變化的。

　　湯姆遜根據(jù)已有的實驗事實，加上自己對“光電效應”和“熱離子效應”研究的結果，在1898年大膽地提出了原子構造的第一個模型。他設想，在原子里一般都包含著正負相反的兩種電荷。由于構成物質的原子通常是中性的，故認為原子中的正負電量是相等的。而多數(shù)原子不能放出帶正電的粒子，所以把原子中帶正電的部分看成是原子的主體結構，一般不能移動。相反，原子中很輕的電子是能較容易離開原子的。

　　為此湯姆遜把原子的主體結構看成是個帶正電荷的實體球，在原子中的電子被均勻分布在整個球體中，有人把此種原子結構模型形象地叫做“西瓜模型”。原子好像是西瓜一樣的實心球體，瓜瓤是帶正電荷的，而瓜子就好比是帶負電荷的電子被均布在西瓜瓤中。

　　湯姆遜的原子模型雖簡單，但能用來解釋原子的某些特性。例如，它能方便地解釋原子是電中性的。另外對陰極發(fā)射、光電效應和熱離子效應也能解釋。即原子中的電子由于受到正電云吸引，所以其運動受到阻滯，需在電、光或熱等外界條件作用下，才能發(fā)射電子。顯然如果外界作用不夠大時，就不能沖破正電云的束縛，故也不能發(fā)射電子。而電子所得能量只能以熱輻射或光輻射的形式釋放，通常所見的電加熱或電發(fā)光就是這種效應。

　　當然，湯姆遜的原子模型還存在著他自己也意識到的不足之處，如對原子質量的解釋。由于單個電子的質量即使同最輕的氫原子相比也要小很多，而其它原子和電子相比就顯得更重，這樣就難以想象原子的質量全部由電子所組成。

　　數(shù)以千計的電子怎么能容納在原子里呢？事實上，從氣體發(fā)光和 X射線特性的實驗中，已證明原子中的電子數(shù)目不可能很多，所以原子的質量勢必只能由帶正電的部分來決定。另外，在電子輻射發(fā)光時，必然要消耗能量，這樣電子就要減速，在一瞬間它們將會陷進帶正電的云霧中。

　　由于當時和原子結構模型直接有關的實驗依據(jù)很少，所以湯姆遜未能對上述這些問題作出回答。至于原子結構模型的正確描述，有待于他的最優(yōu)秀的學生—盧瑟福來完成。

　　即使這樣，湯姆遜仍然不愧是研究原子結構的啟蒙者，他引導人們對原子的質量和電荷進行更廣泛的研究，而電子的發(fā)現(xiàn)也就成為揭開原子結構秘密的新起點。