這篇有點拖太久了，前一篇〈電子是如何發現的？（二）——認證幽靈及陰極射線的人〉是一個月前發的文，大家應該都忘得差不多了，就先來個前情提要吧。
話說德國物理學家蓋斯勒 (Heinrich Geissler) 在1850 年代發明「蓋斯勒管」，玻璃管內的氣體被真空幫浦抽到只剩千分之一大氣壓，通電後玻璃管泛著柔和的輝光，也就是現代霓虹燈管的前身。二十年後，英國物理學家克魯克斯 (William Crookes) 改良真空裝置，做出低於百萬分之一大氣壓的「克魯克斯管」，結果通電後玻璃管不再發光，只有陽極那端的玻璃管壁發出綠色磷光。
大家都同意這個光是來自陰極的某種射線造成的，問題是陰極射線是什麼？克魯克斯本人認為是一種帶電的微粒，但赫茲等人則主張是類似電磁輻射的「以太波」(aether wave)。兩派人馬爭論不休卻始終沒有定論，如果簡化成口頭辯論，大概會是這樣。
以太派：「都已經證明光是電磁波，這螢光當然也是一種波。」
微粒派：「螢光只出現在陽極這一端，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：「可是靜電計明明有偵測到帶負電的粒子。」
以太派：「那可能是殘餘氣體受到以太波衝擊，而產生的負電荷，並不是陰極射線本身。」
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：「粒子能穿透鋁箔嗎？這只有波才辦得到。」
……（雙方繼續各執一詞）
這場爭辯持續二十年，最後才終於由湯姆森 (Joseph John Thomson) 於1897年釐清真相。
湯姆森於1856年12月18日出生在英國的曼徹斯特，他自小展露科學天分，14歲就進大學。原本父親安排他大學畢業就到一家汽車廠當工程師，但大三時父親突然過世，打亂了原有計畫，最後他在1876年轉往劍橋大學三一學院就讀數學系，七年後取得碩士學位。隔年他即接任卡文迪許 (Cavendish) 物理學教授這個極具榮譽的教職，前兩任馬克士威和瑞利男爵都是在四十歲左右獲聘，湯姆森才28歲就獲此殊榮，足見其過人之處。
1897年，湯姆森決定進行陰極射線的實驗，希望一舉解決多年來的爭論。他先將陰極射線管內的靜電計用金屬圓柱包圍起來，只露出一道狹縫讓陰極射線可以通過。然後他從外部施加磁場讓陰極射線產生偏移，結果靜電計就毫無反應，證明負電荷與陰極射線兩者是一體的，而不是來自管內的氣體。
接著他設法讓陰極射線管內更接近真空，再施加電場，果然陰極射線就會受電場影響而偏折。原來以前的實驗之所以沒有偏折，是因為真空管內的氣體被陰極射線擊中而帶電，阻隔了外加電場的作用。
圖片來源：筆者於2023年10月12日在德意志博物館拍攝。
現在湯姆森已經證明了陰極射線是帶負電的粒子無誤，但這究竟是什麼粒子？原子、分子，或是未知的元素？湯姆森想要進一步量化陰極射線的特性，他藉由控制磁場與電場的強度，測量不同強度下陰極射線偏折的距離，進而算出陰極射線的電荷與質量的比值（荷質比），沒想到得出的數字竟然比氫離子的荷質比大一千倍。陰極射線的粒子所攜帶的電荷不大可能比氫離子大一千倍，而這就意謂著有比氫還小的粒子！
湯姆森試著更換不同金屬材料作為電極，也改變真空管內的氣體種類，結果所測到陰極射線的荷質比仍都是同樣的數值。既然無論什麼物質所產生的陰極射線都具有一模一樣的荷質比，表示所有物質都具有相同的帶電粒子，而且質量比氫原子小一千倍以上。湯姆森將這帶負電的粒子稱為微粒(corpuscles)，但後來大家稱之為電子(electron)，源自琥珀的古希臘文 ”ēlektron”，呼應了人類最早發現靜電的來源。
湯姆森的實驗證明原子並非不可切割的基本粒子，在原子內部還有更小的電子。他於1904 年進一步提出原子模型，主張構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。1906年，湯姆森因為發現電子而獲頒諾貝爾物理獎。
湯姆森的原子模型很快在1909年被證明是錯的，推翻他的理論的人正是他的學生拉塞福。拉塞福在實驗中發現α粒子被薄薄的金箔反彈回來，代表正電荷集中在一處——也就是原子核，而提出電子繞著原子核轉，猶如行星繞太陽運行的原子模型（四年之後，換拉塞福的學生波耳以量子理論修正了拉塞福的原子模型）。
除了拉塞福，湯姆森還有許多學生後來也榮獲諾貝爾獎，包括：
——發明雲霧室的威爾遜(Charles Wilson)、
——以X光繞射研究晶體結構的的布拉格(William Henry Bragg)、
——發現電離層的阿普爾頓（Sir Edward Appleton）、
——研究熱離子的理查森 (Sir Owen Richardson)。
此外，發現同位素的阿斯頓(Francis Aston)、發現X光散射現象的巴克拉（Charles Barkla）、開創量子力學的玻恩和波耳，這幾位諾貝爾獎得主也都曾到卡文迪許實驗室接受湯姆森的指導。
就連湯姆森的兒子喬治·湯姆森(G.P. Thomson)也是其中之一，他於1937年獲頒諾貝爾物理獎。有趣的是，J. J. 湯姆森證實陰極射線是帶電粒子，否決了波動說，但喬治·湯姆森卻又證實物質波的存在，電子其實也是波。
按：我曾在【科學史上的今天】以及《工業材料》雜誌介紹過湯姆森，本文是結合這兩篇修改而成。
參考資料：
