诺贝尔物理学奖史演义系列(六)——汤姆逊

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2020-01-02

汤姆逊发现电子的故事,要从他28岁那年说起。

1906年,美国籍物理学家约瑟夫· 约翰·汤姆逊获得第六届诺贝尔物理和化学奖,得奖理由是表彰他在“气体导电方面的理论和实验研究”。

气体导电方面,有没有搞错?这个理由汤姆逊本人很不感冒。虽然他是在研究关于气体导电及电离现象,但是他觉得与通过对电离现象的研究证实“阴极射线是由电子构成”这个理论相比,实在不值一提。

电子?这个名字不但拉开了原子物理学研究的序幕,其理论还促使激光、半导体等现代科学技术的诞生。时至今日,“电子”设备充盈于我们周围,比如电子表、电子琴、电子计算机等。

汤姆逊发现电子的故事,要从他28岁那年说起。

1884年夏,英国著名学术研究中心——剑桥大学卡文迪许实验室公布了一则消息:聘请实验员汤姆逊为实验室主任!

很多英国人都不能接受。卡文迪许实验室前两任主任分别是电磁学大师麦克斯韦和泰斗级人物瑞利勋爵(后来获1904年诺贝尔物理学奖),才毕业四年的汤姆逊算哪根葱?可是,有前主任瑞利勋爵和剑桥大学前辈开尔文爵士、小达尔文等大咖联合举荐,不服不行!

剑桥大学卡文迪许实验室

剑桥大学卡文迪许实验室(来源:百度)

话虽如此,但年轻的汤姆逊内心还是有些忐忑。出入卡文迪许实验室者都是科学家或著名学者,没点真东西人家怎会服你?新官上任三把火,他第一把火“烧”向阴极射线。当时研究阴极射线的物理学家分成两派:一派认为它是由许多微粒子构成的,另一派认为它是一种像光一样的电磁波。两派为此争论多年,没有定论。汤姆逊暗想,如果能把阴极射线的本质弄清楚,那自然稳坐主任的宝座。

“如果说阴极射线是粒子流的话,那它经过电场和磁场时就会改变运动方向,否则它就是电磁波。”封闭的实验室里,汤姆逊一边准备着真空管,一边喃喃自语。

可是,汤姆逊试了好几次,发现阴极射线经过电场和磁场时运动方向只是轻微改变,很难测量出来。经过反复思考,他知道是真空管里真空程度不够,影响实验的结果。后来,花几年时间改良真空管,才使其准确度达到要求。

射线管

射线管(来源:百度)

接着,他用一种新方法测量出阴极射线在真空管中的传播速度,其结果是(1.9×10的7次方)厘米/秒。这个速度远低于光速,阴极射线不可能是电磁波。

虽然证明阴极射线不是电磁波,但也不能说明它就是微粒子流!汤姆逊分析后,决定测试阴极射线在电场和磁场中的运动路径。通过实验,他发现在磁场和电场的作用下,阴极射线和负电荷都有相同的运动路径。于是,大胆推断:阴极射线是由带负电荷的粒子流组成的。

阴极射线里到底是哪种微粒子呢?汤姆逊决定用更直接的证据来证明它是一种未知粒子,这个证据就是粒子质量和电荷的准确值。

测量阴极射线的粒子质量和电荷?这可是个高难度工作,因为像铅笔尖大小的阴极射线里就有上千亿个高速运动的微粒子。汤姆逊充分发挥自己导师的优势,根据学生莱纳德所测阴极射线在大气中射程约半厘米的结果,推断出未知粒子的质量比氢离子小得多,甚至不足千分之一;又改进另一位学生汤森德所做测试气体离子电荷的实验,测出了未知粒子的电荷量。

实验中的汤姆逊(来源:尚书坊)

实验中的汤姆逊(来源:尚书坊)

1897年,早已不再是“新官”的汤姆逊在卡文迪什实验室里,用先进的科学方法测出了未知粒子的电荷与质量的比值。为了记录的方便,他最先把阴极射线粒子称为“阴极微粒”,后来又受物理学家斯托尼继称电荷最小单位为电子的启发,把阴极微粒称为“电子”。从精益求精的角度出发,汤姆逊再次测算出电子的质量,其结果与目前所知单个电子质量(9.109×10的-31次方千克)相差不远。

电子!多么贴切的名字。经过一系列准备,汤姆逊对外公布:电子带负电,是任何原子的基本组成部分之一,原子不再是物质的最小单位。电子的存在,不但终结了各国科学家关于“阴极射线到底是微粒还是电磁波”的大讨论,还引导科学家们对原子构成及电子运动等进行深层次的研究,从而打开了原子物理学的大门。现在,学过高中理科的人都知道,原子由原子核和电子构成,原子核带正电,电子带负电,电子按规律分布在原子核的外面。电子总是在高速运动,最高速度可达2000公里每秒。导体和绝缘体的区别在于价电子,导体能导电是因为价电子脱离原子核成为自由电子,绝缘体则没有自由电子。这些理论的基础,都跟汤姆逊发现的电子有关。鉴于这个伟大的发现,后人称他为“电子之父”。

氢原子模型

氢原子模型(来源:搜狐网)

与电子的发现相比,汤姆逊对卡文迪许实验室的贡献毫不逊色。他从上任伊始,便想法购置新的设备,引进先进的实验方法。一个个科学新发现喷涌而出:电子、云雾室、同位素……20世纪末,卡文迪许实验室成为当时最大的科研中心,上百位科学家在此接受训练。在八位获得诺贝尔奖的学生中,有七位曾在他的指导下工作,这里也包括他的独生子乔治·汤姆逊。这些学生的名字为后人所熟知,永载史册。(敬请期待)

汤姆逊父子(左,约瑟夫·约翰·汤姆逊;右,乔治·汤姆逊。来源:搜狐网)

汤姆逊父子(左,约瑟夫·约翰·汤姆逊;右,乔治·汤姆逊。来源:搜狐网)

鉴于他的杰出贡献,卡文迪许实验室把汤姆逊研究阴极射线管的肖像挂在麦克斯韦讲演厅的墙壁上,供来宾们瞻仰和怀念。

汤姆逊的贡献,大家都看在眼里,诺贝尔物理和化学奖委员会岂会不知?然而,委员会1906年给他颁奖时,获奖原因却是“气体导电方面的理论和实验研究”,对他证实电子存在和发现电子这一功绩只字不提。不是不提,是不敢提,毕竟西方科学界对“原子是物体构成的最小单位,就像实心玻璃球一样”的理论深信了两千多年,电子理论太过先进,委员会没胆量也没必要冒这个风险。由此可知在当时,一个新观点甚至一个新的科学理论要让人们接受并非易事。

汤姆逊发现电子,让物理界对阴极射线的研究暂告一个段落。诺贝尔物理和化学奖把目光投向了物理学的光学领域。经过多轮筛选,1907年诺贝尔物理学奖花落给一位研究光学的美国科学家。欲知后事如何,且听下回分解。

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【参考资料】

1、 图书《诺贝尔物理学奖一百年》,2002年上海科学普及出版社出版,作者是郭奕玲、沈慧君。

2、 论文《20世纪物理学的伟大缩影》,作者清华大学郭奕玲,《物理研究》2009年第2期。

3、 论文《纪念汤姆逊发现电子一百周年》,作者林鸿溢等,《今日电子》1997年12期。

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