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就跟著電子一起流動 探索原子的小小宇宙—《物理雙月刊》

文/余海峯|馬克斯.普朗克地外物理研究所博士後研究員

牛頓曾說過,他之所以有如此科學成就,是因為他站在巨人的肩上。

1906 年的諾貝爾物理獎頒給量度出電子電荷、證明電子是比原子更細小的次原子粒子的約瑟.湯姆森(Joseph Thomson)。上次我們討論過 1905 年的得奬者萊納證明了陰極射線是由電子所構成的,但仍未能量度出電子的電荷和質量。一路回看科學的發展史,就能夠讓我們了解每個重大發現是如何環相扣,互相影響。

湯姆森的諾貝爾獎官方照片。圖/nobelprize.org

當時大部分科學家測量電荷數值都是靠氣體動力學的幫助。略去實驗細節,其原理就是首先產生出一個足夠大、能夠被直接測量的總電荷,然後想辦法計算出粒子(電子或原子)的數量。把總電荷除以粒子數量,就得到每個粒子的電荷大小了。這個方法不但迂迴,誤差也很大。

湯姆森則利用一個當時已知的現象:電荷會吸引空氣中的水蒸汽。他利用 X 光產生出許多電子,並放出水蒸汽。這些電子就會各自吸引水蒸汽,形成可見的水蒸汽粒子。湯姆森通過測量這些水蒸汽粒子受重力影響而下降的速度,就能計算出每個水蒸汽粒子的大小。由於湯姆森知道空氣中有多少水蒸汽,他就能算出有多少個水蒸汽粒子。

最後,因為湯姆森知道實驗中的總電荷,假設每個水蒸汽粒子裡只有一個電子,他就可以計算出一個電子的電荷了。

 

湯姆森在1934年時拍攝了一支講解他如何發現電子的影片,可以到諾貝爾獎官網觀賞。

湯姆森的計算發現電子的電荷為 -1.1×10^-19 C,與用氣體動力學算出的範圍吻合。現代的測量數值為 -1.602×10^-19 C,比湯姆森的數值大 30% 左右。現在看來,雖然湯姆森的實驗結果並不非常準確,他仍把當時的大範圍誤差收窄到允許進一步發展理論的程度。

然而,湯姆森的研究並未停止於此。得到了電子的電荷,他繼續測量電子的質量。原來,就是湯姆森發明了我們在初中科學學過的質譜分析法(mass spectrometry)。利用電場加速電子然後再用磁場使其偏轉,就能得出電子的質荷比(mass-to- charge ratio)。由於湯姆森已經算出電子的電荷大小,他就得出電子的質量小於原子質量千分之一的結論。

因此,湯姆森證明了電子是比原子更小的次原子粒子。他更發展了原子與電子的理論模型,認為電流的成因是電中性的原子失去了帶負電的電子,剩下了帶有同樣數值正電荷的原子核。換句話說,湯姆森證明電流是負電荷的流動而非正電荷。事實上,早於18世紀,著名的班傑明.富蘭克林(Benjamin Franklin)已經提出過這個理論,但一直要等到百多年後才被湯姆森證實。科學發展,就是如此耐人尋味。

圖/Max Pixel

讀科學發展史,往往能把從前學到的科學概念連繫起來。把科學知識與科學家的故事放回一起,更有趣味之餘,也更能豐富理科學生的人文面向。至少,我是這麼認為的,這也是我寫科普文章的原因。


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本文摘自《物理雙月刊》38 卷 12 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

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