J.J_Thomson

電子是如何發現的?(三)——發現電子的人

電子是如何發現的?(三)——發現電子的人

電子是如何發現的?(三)——發現電子的人

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。

克魯克斯管。圖片來源:維基共享資源 (Wikimedia Commons)

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。

陰極射線穿過狹縫才抵達下方的靜電計。圖片來源:Wikipedia

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。

湯姆森證實陰極射線會受電場偏折的儀器;此為卡文迪許實驗室於1920年做的複製品。
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:

  1. https://en.wikipedia.org/wiki/J._J._Thomson
  2. https://plato.stanford.edu/entries/physics-experiment/app7.html

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