失去尺度的粒子——电子的发现

早在古希腊时期，也就是大约公元前600年的时候，古希腊的米利都人最早注意到摩擦过的琥珀能吸引轻小物体的现象。在我国的东汉时代，一个叫王充（公元27～100）的人也记载了琥珀被摩擦后吸引轻小物体的现象，他还把这种现象和磁石吸铁现象并列在了一起。

近代关于电的研究可以说是从英国王室的御医和物理学家吉耳伯特（1544～1603）开始的。他通过实验发现，不仅琥珀经过摩擦后能够吸引轻小物体，而且还有许多物质如金刚石、水晶、硫黄、玻璃、松香等在摩擦后也有“琥珀之力”。于是，吉耳伯特就根据希腊文“琥珀”一词创造了“电”这个名称。但是，这都是通过摩擦的方法获得的电，并且这些电也没有办法大量地存储起来。所以，一直到了荷兰莱顿大学的物理学教授彼德·穆森布罗克（1692～1761）发明了储存电荷的“莱顿瓶”，人类才能够继续进一步地研究电的问题。

1800年，意大利人伏打（1745～1827）发明的“伏打电堆”（也叫“伏打电池”）解决了电源的问题，这个电源可以长时间提供持续平稳的电流，因此，“伏打电堆”使得电学进入了一个新的时期。后来，英国物理学家法拉第（1791～1867）又研制出了发电原理，使得长时间维持大量电流变得更加容易。人们也就可以进一步研究电的奥秘问题了。

我们现在都知道，电流是电荷都向一个方向运动时形成的，而在一般的金属导体中，能够自由移动的电荷就是自由电子。电子是比原子更小的粒子，甚至于它的发现打破了人们对最小物质结构的认识。下面，我们就简单地回顾一下这段发现的过程吧！

人们之所以能够发现电子，这是因为研究阴极射线的缘故。人们研究阴极射线，又是因为对放电现象的研究。19世纪50年代，德国人在一支空气含量万分之一的玻璃管两端装上两根白金丝，当在两电极之间通上了高压电时，就看到了辉光。这其实是一种放电现象。后来，德国物理学家尤金·戈尔德斯坦（1850～1930）把不同的气体稀释充入真空管，并且用不同的金属材料，制作成了各种形状和大小的电极，但都得到同样的实验结果。于是，他认为，这种辉光放电现象与电流本身有关，而且都是从阴极表面发出的，所以就把它命名为“阴极射线”。可是阴极射线到底是什么呢？然而，要进行进一步的研究却需要真空度更高的真空管才行。

阴极射线管

在1878年，英国人威廉·克鲁克斯（1832～1919）利用一种水银真空泵，制造出了气体含量更少的真空管，被人们称为“克鲁克斯管”。这种真空管的出现，使得人们对阴极射线的研究有了更新的进展。通过对这些新发现的研究，英国物理学家逐渐认识到阴极射线也许是一种带电粒子流。

1895年，法国科学家佩兰（1870～1942）发现阴极射线能够使真空管中的金属物体带上负电荷，这一发现支持了克鲁克斯关于阴极射线是带电粒子流的理论。而早在1893年，德国物理学家赫兹（1857～1894）曾经试图利用静电场使阴极射线发生偏转，但是没有取得成功。1897年，剑桥大学卡文迪什实验室的汤姆逊重新进行了赫兹的实验，他发现赫兹失败的原因是因为真空管的真空度不够高。于是，他使用了真空度更高的真空管和更强的电场，终于观察到了阴极射线的偏转，还计算出了阴极射线粒子（电子）的质量与电荷的比值，因此获得了1906年的诺贝尔物理学奖。汤姆逊采用1891年乔治·斯托尼（1826～1911）所起的名字——电子来称呼这种粒子。汤姆逊还认为，它是各种原子的组成部分。就这样，电子作为人类发现的第一个比原子更小的粒子被发现了，它的发现深化了人们对最小物质结构的认识。不仅如此，它还似乎给人们一种暗示，是不是我们还可以在寻找最小物质的道路上走得更远一些！

电子的发现者汤姆逊

汤姆逊是英国物理学家，1856年12月18日出生于英国的曼彻斯特。父亲是一个专印大学课本的商人，由于业务的关系，父亲结识了一些大学教授。汤姆逊从小学习就很认真，14岁便进入了曼彻斯特一所专科学校。在大学学习期间，他刻苦钻研，学习成绩很好。1876年，21岁的汤姆逊进剑桥大学三一学院学习，1880年，他以第二名的优异成绩取得学位，两年后又被任命为大学讲师。(www.xing528.com)

1884年，28岁的汤姆逊担任了卡文迪什实验室物理学教授。1897年，汤姆逊在研究稀薄气体放电的实验中，证明了电子的存在。1905年，他被任命为英国皇家学院的教授；1906年荣获诺贝尔物理学奖，1916年任皇家学会主席。1940年8月30日，汤姆逊逝世于剑桥。终年84岁。

汤姆逊证明了电子的存在之后，电子所带的电荷量到底是多少，还未确定下来。

汤姆逊的学生威耳逊（1869～1959）运用云室中的空气电离的方法，以求出电子所带的电荷量。威耳逊进行了11组测量，但是由于实验的方法尚有缺陷，所得到的结果并不理想。

密立根像

1907年秋，美国物理学家密立根（1868～1953）和他的学生一起重复了威耳逊的实验。为了使云雾能够悬浮在空中不下落，他们使用了10 000伏的蓄电池组，电流所形成的电场，使云雾立即发散开来，只留下了少数几个孤立的水滴。他们很快发现这些单个的水滴更适合测量，恰好使向下的重力与作用在电荷上的电场力相平衡，于是形成了“平衡液滴法”，这是一个很重要的进步。电场突然撤去后，有些水滴缓慢下降，他由下降速度得出水滴的电量。密立根发现，所有测量值都是某一电量的整数倍。由于水的蒸发经常使水滴的质量发生变化，所以，密立根改用过酒精和一种特殊处理过的机油，但问题始终未能解决。1909年8月，他在英国参加一个会议后，在返回芝加哥的途中，望着车窗外的原野，他突然自言自语地说：“用这种粗糙的方式消除水滴的蒸发是多么愚蠢！人们为了获得极难蒸发的润滑油以改善钟表油已经付出了整整300年的时间！”为此，他改用了钟表油喷雾法，用望远镜观察油滴下落速度。他将两个直径约22厘米的圆形黄铜片，使之保持16毫米的间距，通过喷出的油滴落到两板之间。当加上和去掉电场时，他可以连续几小时测量油滴的速度变化。

油滴实验原理图

1912年，密立根收集到了大量数据；1913年，他发表了电子的电量值约为1.591×10-10库仑。密立根认识到，电子本身既不是一个假想的，也不是不确定的，而是一个“我们这一代人第一次看到的事实”。他在诺贝尔奖获奖讲演中强调了他的工作的两条基本结论，即“电子电荷总是基本电荷的确定的整数倍而不是分数倍”和“这一实验的观察者几乎可以认为是看到了电子”。

密立根有一位中国学生，名叫李耀邦。他的研究工作是测量电子电荷。他选用了不同的材料，甚至是固体的细小颗粒。李耀邦的成功证明了电子电量是一个固定值，不因材料的不同而受影响。李耀邦也因此获得了博士学位。