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(shù)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(zhì)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(zhì)的研究中發(fā)現(xiàn)，電不僅能在導體中傳遞，還能促使物質(zhì)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(jié)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(jié)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(zhì)的原子單元要困難得多，所以最初人們對它的性質(zhì)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(guān)電性質(zhì)的研究中，又進一步發(fā)現(xiàn)電流不僅能在導電材料所構(gòu)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(shè)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(shù)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(zhì)，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(zhì)后，就能在很大程度上揭示出電流的本質(zhì)。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(zhì)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(nèi)巧妙地安上一個小葉輪，并讓陰極射線打在小葉輪的一側(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小葉輪轉(zhuǎn)動了起來。這就表明陰極射線是有質(zhì)量的微粒子流，而不是沒有質(zhì)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(zhuǎn)。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(guān)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(gòu)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(nèi)的射線確是直線傳播的。

　　為了進一步弄清管中射線的性質(zhì)，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(jié)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(jié)果總結(jié)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(zhuǎn)方向上，可以看出構(gòu)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(guān)，即粒子流的質(zhì)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(zhì)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(zhì)能有更深的了解，又對電子的質(zhì)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(zhì)量有一定的關(guān)系。一般說來，帶電粒子愈重愈不易被偏轉(zhuǎn)，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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhuǎn)得多。由此可知，電子的質(zhì)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(zhì)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(zhì)量的粒子，一種是構(gòu)成物質(zhì)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(zhì)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(nèi)部的結(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jié)果，在1898年大膽地提出了原子構(gòu)造的第一個模型。他設(shè)想，在原子里一般都包含著正負相反的兩種電荷。由于構(gòu)成物質(zhì)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)量的解釋。由于單個電子的質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu)模型直接有關(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的啟蒙者，他引導人們對原子的質(zhì)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(jié)構(gòu)秘密的新起點。