诸葛亮有三顾茅庐 汤姆孙有三测质荷比

作者:张憬来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-05-19

电子的发现者英国人J·J·汤姆孙,则是新里程探索的领路人。那么汤姆孙是如何发现电子的呢?据说还有一段曲折的故事。
  X射线、元素放射性和电子是为现代科学揭开序幕的三大发现。其中电子的发现最为重要,因为电子比原子还要小,发现电子意味着人们对微观物质的探索进入了新的里程碑。而电子的发现者英国人J·J·汤姆孙,则是新里程探索的领路人。

J·J·汤姆孙(网络图)

  那么汤姆孙是如何发现电子的呢?还有一段曲折的故事,诸葛亮有三顾茅庐,而汤姆孙有三测质荷比。

  汤姆孙的研究始于对前人成果的学习。在此之前,舒斯特也探索过微观世界,他的研究自然也引起了汤姆孙的注意。在研究生卢瑟福的协助下,汤姆孙首先验证了前人的发现:阴极射线粒子带负电。

  接下来,汤姆孙打算测一测这种带负电的粒子,看看它的质荷比是多少。他对学生说:“我们用舒斯特的方法测量!让阴极射线在磁场中偏转,然后推算出质荷比。”

  不料,在测试的过程中出现了意外——

  “教授,我们测出的结果和舒斯特测出的结果不一样……根据我们的结果……这种粒子的质荷比跟氢原子相差1000多倍呢!”卢瑟福喃喃道。

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卢瑟福(网络图)

  要知道,质荷比相当于粒子的“户口”,科学家可以通过质荷比推测一种粒子是原子、分子还是其他物质。舒斯特认为,阴极射线粒子不是分子就是原子,因为在他的测量下,这种粒子和氢分子的质荷比差不多。也就是说,户口显示,这种粒子跟氢分子是兄弟。

  如果舒斯特错了,而汤姆孙和卢瑟福的结果是对的,那么这种粒子就万万不可能是分子、原子,因为它实在是太小了,蚂蚁怎么可能是大象的亲戚呢?

  “会不会测错了呢?”第一次测量得到这样的结果,汤姆孙并没有太在意。实验是可能出现错误的,一次测量不能说明问题。汤姆孙指导着卢瑟福用同样的方法又进行了很多次测试。

  可是反复的测试,仍然否定了舒斯特的结果!

汤姆孙做实验(资料图)

汤姆孙做实验(网络图)

  那么,会不会是测试过程的问题呢?汤姆孙想,归根到底,测量是用人为的方法找出真相。人的操作,人做的机器,怎么能保证没有半点误差呢?我们要测量的,是非常小非常小的物质,一点点的不留意,就有可能差之千里……可是,我们已经多次审视了操作细节,机器也经过了很多次检验和调试……

  汤姆孙说:“不如我们换一种方法,看看测量结果会不会不同。任何一种测量方法,多少都会有误差。但是,只要测量过程没有问题,不同测量方法得出的结果应该相差无几,可以相互印证。”

  汤姆孙照着前人绘制的地图,走到了一个前人没有见过的地方。究竟是他自己走错了,还是前人的地图画错了呢?汤姆孙决定,目标不变,他要改换线路,重走这场科学之旅,看看能不能看到舒斯特眼中的风景。

  “我们可以把阴极射线打到热电偶上。热电偶可以将电转化成热。然后我们根据热,倒着推算出粒子的动能,再由动能推算出质荷比。”

  又是一番忙碌,又是反复的测验。他们得出的依然是和舒斯特不一样的结论!这是不是足够说明,舒斯特的结论存在问题呢?

  不能这样着急,汤姆孙想,科学研究要严谨,严谨,再严谨。真相是能够经受住反复检验的。如果确实是舒斯特的结论有问题,那么我们再换一种方法,再多测几次又怕什么?我宁可再小心一点,再挑剔一点。

  “我们还可以让阴极射线通过互相垂直的磁场和电场,调整这两个场中阴极射线偏转角相等,然后计算阴极射线粒子质荷比。”

  第三种方法,第三轮反复测试之后,依旧表明舒斯特的结论是错的。

  “三种测试的结果相差无几,我们得出的阴极射线粒子质荷比约为氢原子的1000倍,这就是说,阴极射线由小于氢原子质量约1000倍的粒子组成……这么小的物质,它会是什么呢?这应该是一种前人没有提及过的物质……”再三验证,一步一步扎实地迈进,汤姆孙即将接近真相!

  这种很小很小的物质,正是电子!

汤姆孙的实验工具(资料图)

汤姆孙的实验工具(资料图)

  电子的发现几乎掀翻了科学界。在19世纪,关于微观世界的真谛,科学界存在两种解释:一种是牛顿提出的粒子说,另一种是笛卡尔提出的以太漩涡说,前者风靡英国,后者占领德法。到底哪一种说法才是对的呢?两派学者争得不可开交。

  1897年,汤姆孙发现电子,恰恰映证了粒子学说的正确思路。这场争端有了恰当的裁决。

  事实上,在汤姆孙之前,有几位德国科学家在实验室里也测到过类似的现象,但他们理所当然地套用了笛卡尔的理论,认为自己发现的是“以太”,因此错失良机。

  汤姆孙27岁就破格当选为剑桥大学卡文迪什实验物理教授。很多人以此为依据,说他如何如何聪慧,所以自然而然就成功了。其实在发现电子这件事上,帮助汤姆孙成功的并不是他的智商,而是他严谨求实的态度,追问真相的精神。

  秉承科学精神,寻找扎实的证据,认真学习前人的成果而不迷信前人的结论,这就是汤姆孙成功的秘诀。

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