湯姆森誕辰｜科學史上的今天：12/18

2015/12/18 |

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十九世紀末，即使週期表已大致建立、電磁感應已被發現、科學家已能熟練地做電解實驗，但沒有人知道電流是什麼，也仍然不知原子是什麼。原子依然只是理論上的想像之物，代表組成物質的最基本單位，一個無法再切割的概念而已。直到英國物理學家湯姆森出現，才在1897年用巧妙的實驗吹散些許迷霧，揪出電子這個基本粒子。

約瑟夫·湯姆森（J. J. Thomson）。圖片來源：wikimedia

其實湯姆森作此實驗是為了釐清幾十年來的爭論不休：陰極射線究竟是以太波還是帶電的微粒？如果把這爭議簡化成兩派的辯論，大概會是這樣，

以太派：「不是已經證明光是一種波嗎？這螢光當然也是一種波。」
微粒派：「螢光都出現在陽極這一端，可見是帶負電的微粒。」
以太派：「那為什麼施加電場不會造成陰極射線偏折？」
微粒派：「可是我們用靜電計明明有接收到帶負電的粒子。」
以太派：「那可能是陰極射線穿越氣體造成的副產品，而不是陰極射線本身。」
微粒派：「施加磁場會使陰極射線偏折，所以是負電粒子。」
以太派：「陰極射線可以穿透鋁箔，只有波才辦得到。」
……（繼續各執一詞）

最後我們的男主角湯姆森終於跳出來，喊道：「閃開，讓專業的來。」他將靜電計放在有狹縫的金屬圓柱內，用磁場控制陰極射線的偏移，發現唯有射線穿過狹縫時，靜電計才測到負電荷，證明負電荷與陰極射線兩者是一體的，不可能是以太派指稱的副產品。

接著他將真空管內的氣體抽出直到接近真空，果然陰極射線就會受電場影響而偏折。之前的實驗是因為真空管內的氣體太多，抵銷了電場的作用。至此，已經證明了陰極射線是帶負電的粒子無誤。

但湯姆森的雄心不僅於此。他進一步調整磁場與電場強度大小，測量所造成陰極射線偏折的距離，算出陰極射線的電荷與質量的比值（荷質比）竟然超過氫離子的荷質比一千倍，表示陰極射線這種粒子的質量非常小。而且他換了不同金屬材料作為電極，也改變真空管內的氣體種類，結果荷質比都是同樣的數值，跟陰極材料、氣體種類完全無關。湯姆森相信陰極射線就是所有物質都共同具有的帶電粒子，他將它稱為微粒（corpuscles），也就是後來所稱的電子。

就這樣，湯姆森因為發現電子而獲的1906年的諾貝爾物理獎。而且他同時證明了原子並不是最基本的粒子，因為原子是電中性，代表裏頭除了電子之外，還有帶正電的物質。只是湯姆森想像的原子模型是電子均勻分佈在正電荷之海，就像梅子鑲嵌於布丁之中一樣。後來他的學生拉塞福發現原子核後，才證明他這個模型是錯誤的。

有趣的是，湯姆森用實驗證明電子是粒子，他的兒子喬治·湯姆森（G.P. Thomson）後來卻是用實驗證明電子是波，也於1937年獲得諾貝爾物理獎。除了父子倆人都獲得諾貝爾物理獎而在科學史上傳為佳話，湯姆森的學生與兒子都做出與他相左的研究，更是體現了科學只求真理的精神。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。