电子的发现及其重要意义—《五堂极简科学史课》

人们常说，19世纪末的三大发现（X射线、放射性、电子）揭开了现代科学的序幕，并且把德国人伦琴（Wilhelmk.Röntgen，1845—1923）发现X射线的1895年看做现代科学革命的起点。在这三大发现中以电子的发现最为重要，因为比原子小的东西的存在意味着原子的分裂及其组成，对不久后原子模型的提出准备了实验的基础。

1895年12月，伦琴在用带窗口的勒纳德阴射线管实验时，意外地发现了一种能穿透人体和使手骨感光的奇异辐射，这个戏剧性的发现震惊了世界，并因此使他在1901年获得第一次颁发的诺贝尔物理奖。1896年法国的贝克勒（An-toine H.Becquerel，1852—1903）从铀盐中又意外发现了铀的放射性，揭示了放射性物质的新性质。但是，只有在1897年由英国科学家J.J.汤姆孙（J.J.Thomson，1856—1940）发现的电子对于整个物质的结构具有普遍的根本意义，它关系到人类对宇宙万物的组成和变化的根本原因问题的认识，全面地和在根本上关系到经典的物质理论的正确与否，特别是对原子论关系到是否从基本上要予以冲破和修改，因而使得所有科学家，不论是物理学、化学、生物学，还是天文家方面的科学家都要从根本上改变观念和理论的大事。关于电子的发现及其意义，下面将着重予以介绍和说明：

图1.1　汤姆孙（Joseph John Thomson，1856—1940）

（1）沿着什么思路才导致电子的发现

前面谈到，关于物质嬗变和原子是否有内部组成的探索有着长达2000多年的漫长历史，从牛顿时代以后也有200多年，一直停留在哲学上的思辨和科学上的假说阶段。那时，科学理论还不完善，实验条件达不到发现原子甚至分子的程度，怎能发现比原子还小1800倍的电子呢？没有足够的理论和实验条件，没有适当和可遵循的研究思路，以及没有敢于对占统治地位的经典原子论进行批评的大无畏精神和实践毅力，要做出这样大的突破简直就是痴心妄想。发现电子的思路大致是这样的：

第一步：前人对经典原子论怀疑和初步探索的启示

从牛顿的粒子说占据统治地位之后，牛顿的祖国——英国的科学界由粒子说的传统占据统治地位，也就是说物质的组成是以一个个层次的粒子形式展开的。但是在欧洲大陆，特别是法、德两国却有着笛卡儿的以太旋涡说传统，他们相信以太才是万物的本原，即使有几位德国物理学家做了与汤姆孙同样的实验，也认为他们发现的不是电子，而是以太。以太是由古希腊人设想的，宇宙间到处充满着的看不见、摸不着、无限微小的物质，它以波动传递光和辐射。在这种思想指导下不可能发现电子。例如，德国实验物理学家勒纳德（P.E.A.Lenard，1862—1947）就是用以太解释他的发现，而失去了发现电子的机会，后来却埋怨英国强盛和影响大而占有了电子发现权，这种情况在发现原子核的过程中又重演了一遍，他后来走上了狭隘的民族主义道路，而堕落成纳粹主义在科学上的帮凶。汤姆孙在1936年发表的《回顾与反思》一书中颇有感慨地说：“德国物理学家除去亥姆霍兹之外，都把阴极射线看作波，而英国人我想毫无例外，都认为它们是带负电的原子或分子。这两种观点以很大的精力进行竞争”。显然，汤姆孙确实是沿着克鲁克斯的阴极射线由带电的微粒组成的思路，才在解释他的实验时发现了电子。由此可见，对于一个科学家来说，没有正确的思路是很难做出重要的科学发现的。

第二步：选择了原子可变和无机元素发生论的研究路线

在物种不变和经典原子论与物质嬗变和原子有内部组成的两条研究路线的争论之中，汤姆孙不仅坚持了粒子说，而且基本上相信原子有内部组成和小于原子的粒子存在。他是沿着克鲁克斯和洛奇尔的研究路线，并采用了前者的实验方法，吸取了国内外这种实验的经验和教训，才取得发现电子的成就。所以，在具体科研的路线和方法上选择是否正确，对于取得成果是很重要的。

第三步：扎实的实验作风和非传统的原子论观点

汤姆孙不仅沿袭了英国的实验哲学和实验归纳的传统，而且作为剑桥大学卡文迪什物理实验室的主任，运用当时比较先进和精密的电磁仪器去做发现电子的实验。他长于电磁理论和善于构思实验，但是手脚笨拙，为此他依靠擅长电磁仪器制作和操作的研究生卢瑟福（E.Rutherford，1871—1937），制造了一系列有关的电磁仪器，从而实现了发现电子的预想。显然，没有这种扎实的实验精神和组织能力电子是不可能发现的。(www.xing528.com)

（2）电子是怎样发现的

由于发现电子的实验和实验方法比较复杂，要在如此短的篇幅详细地介绍是有困难的，这里只能就他发现电子的简单过程做必要的介绍：

第一步：从气体放电研究转向阴极射线的性质和组成

汤姆孙从1884年他27岁时破格当选剑桥大学卡文迪什实验物理教授之后，就在前两任电磁理论权威麦克斯韦（J.C.Maxwell，1831—1879）和瑞利男爵（Lord Rayleigh，1842—1919）在固体电磁理论和实验上臻于完善之外，开拓了气体的电磁学实验研究，这就是测定气体通电后气体分子解离与电流和电压的关系，从而成为气体放电理论的国际权威。X射线是伦琴研究阴极射线时的意外发现。汤姆孙是第一批得到伦琴通知的六位著名科学家之一。由于这种射线性质奇特，引起他和全室人员的极大兴趣，并立即投入实验证实，特别着重于它的组成实质。在这项研究中，他的气体放电知识帮了很大的忙。

第二步：批判地接受和改进别人的类似实验

他的实验采用了克鲁克斯阴极射线管、舒斯特（A.Schuster，1851—1934）和佩兰（J.B.Perrin，1870—1942）发现阴极射线由带负电的粒子组成所用的方法、舒斯特测量阴极射线在磁场中径迹偏转程度所反映的质荷比（粒子质量与其电荷之比）与氢粒子质荷比的比较等方法。在肯定了阴极射线粒子带负电之后，他发现舒斯特测出的粒子质荷比与氢分子是同数量级的，也就是错误认为阴极射线由分子或原子组成的，与他的实验结果不符，而他测出的却是比氢原子的质量小1000倍左右。他为了使测量数值可靠，还设计了将阴极射线打到热电偶上，热电偶是一种可以将电转化为热的材料，从测量产生的热量可以算出阴极射线粒子带的动能，由这个动能再算出粒子的质量和电荷之比。此外，他还采用阴极射线通过相互垂直的磁场和电场，通过调整这两个场中阴极射线偏转角相等计算阴极射线粒子的质荷比。在这三种实验测出的质荷比一致的情况下，他得出阴极射线粒子的质荷比m/e约为氢原子的1000倍，从而得出阴极射线由小于氢原子质量1000倍的粒子组成，后来又经过仔细的测量校正为1800倍[1]，也就是说氢原子的质量为电子质量的1800倍，从而发现了电子是比原子小得多的带负电粒子。

（3）发现电子的重大意义

电子是人类几千年来梦寐以求的比原子还要小的第一个基本粒子，尽管它不是用人工打破原子的方法发现的，但是它比原子小这个事实本身就说明它是人类用间接的方法发现的理应是组成原子的粒子。它的发现说明原子在强电场和磁场作用下被打破了，放出了电子。

电子既是组成原子的粒子，原子就应当是由电子构成的，在当时尚不了解原子还有其他粒子组成的条件下，汤姆孙在几年内认为电子是构成各种元素的原子的基本单位，可以由此构思原子由电子组成的模型。但是，直到电子被发现之后的10年内，科学家们还没有发现过原子，尽管这期间有很多科学家相信原子应该是存在的，可是仍有一些深深受到传统的经典原子论影响的科学家，拒绝接受分子和原子的存在。例如，许多化学家不但相信道尔顿的化学原子论，而且认为它在说明所有化学现象时是很有用的和正确的，而道尔顿化学原子论又是以原子是构成元素的基本单位，并且是建筑在原子内无组成的结构和无更小的粒子上的，所以他们坚决反对或至少怀疑原子由更小的粒子组成，甚至与卢瑟福一起发现放射性元素的原子自发衰变的英国化学家索迪（F.Soddy，1877—1956）在1903年，曾经率领加拿大的化学家在加拿大科学家大会上公开反对和批评卢瑟福提出的存在小于原子的粒子，原子由更小粒子组成的观点，他们的根据便是道尔顿的化学原子论。被称为19世纪最伟大的物理学家之一的开尔文勋爵，甚至在1906年的英国科学促进协会的年会上反对卢瑟福根据实验得出的原子由更小粒子组成的观点，而且在会上和杂志上进行争论，甚至以发现镭而著名的居里夫人在开始时也反对放射性元素的原子衰变和分裂，不过她很快就改变了自己的看法。以主张相对运动和批评牛顿的绝对时间和空间观点而著名的德国物理学家和科学哲学家马赫（E.Mach，1838—1916），从19世纪60年代至20世纪头10年，不但反对原子论而且还坚决反对原子和分子的存在，原因是他相信经验论和实证论，说凡是人感觉到的才是真实的，否则都是假设的和不存在的，所以他认为分子和原子都是个假设。据记载，他到1903年看到α粒子在闪烁器的屏幕上出现的径迹时才说出“现在我相信原子存在了”，但此后他又改了口，至原子核都被发现了的1913年，这位老先生还不承认原子呢！他在这一年写的《物理光学的原理》一书中是这样写的，“我必须像我今天抵制原子信仰那样，断然地否认我是相对论的先驱”。这位以提出一切运动都是相对的而被爱因斯坦说成相对论的先驱者，不但坚持反对原子论，而且还反对起相对论来了，而成为科学史上一大趣闻。此外，还有一位国际上闻名的德国化学家奥斯特瓦尔德（P.W.Ostwald，1853—1932），以主张唯能论和反对原子论而十分著称，他从19世纪90年代就反对原子论，并且在1896年举行的德国医生和科学家联合大会上纠集了一些科学家群起反对原子论学派，结果在争论中失败了。但是，在会后仍大肆活动，直到1908年有的科学家用实验证实了原子和分子的存在之后，他才在1909年为其著作《普通化学基础》的第4版导言中承认，“以今天说的物质原子的实验证据证明大多数谨慎的科学家是有道理的。这样，原子假设就上升为一个科学上十分有根据的理论……”从上面举出的这些例子可以看出，在那时甚至发现电子、分子和原子之后，原子论和原子的存在还受到这样多国际上科学权威的激烈反对，可见要打破经典原子论的框架和束缚，建立以原子有内部组成和是可分与可变的新原子论物质观是何等的不易啊！