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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。 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…

我們之前在課本學過，J. J. 湯姆森 (Joseph John Thomson) 用陰極射線管發現了電子。不過陰極射線管並非湯姆森所發明，那麼，這個關鍵儀器是怎麼誕生的？這得從玻璃工匠蓋斯勒 (Heinrich Geißler) 說起。 將玻璃棒加熱至麥芽糖般的柔軟膏狀，再吹製成各種造型的吹玻璃工藝很早就有了，而這門近乎藝術的手工業往往也都是由家族成員世代相傳。1814年出生於德國中部一個小鎮的蓋斯勒，便是因此自小就參與家中的吹製玻璃工作。 隨著近代化學逐漸蓬勃發展，越來越多的化學實驗需要特製的玻璃器具，蓋斯勒18歲開始便代表父親至各地出差，承接各大學實驗室的客製化訂單。1852年，蓋斯勒到波昂 (Bonn) 為波昂大學承製實驗器材，決定在此定居下來，並在兩年後開設自己的工坊。 1857年，波昂大學的物理教授普呂克 (Julius Plücker) 問蓋斯勒能否做出更接近真空的玻璃管。原來法拉第在1838年曾做過一項實驗，他在玻璃管兩端置入金屬片，分別做為陰極與陽極，再將管內的氣體抽出，然後通上高壓電，結果出現一道明亮的光弧橫跨兩極之間，不過靠近陰極處卻是暗的（後來便稱為「法拉第暗區」） 沒有人可以解釋這奇特現象，而受限於當時的真空技術，也沒辦法做更進一步的實驗，只能就此不了了之。如今事隔近二十年後，普呂克見到蓋斯勒高超的玻璃工藝，讓他燃起破解氣體放電的希望。蓋斯勒不負所望，利用托里切利（Evangelista Torricelli）水銀真空的原理，開發出真空幫浦，不但讓玻璃管內的氣體只剩千分之一大氣壓，還可注入不同氣體。 普呂克用這些真空程度甚於以往三百倍的「蓋斯勒管」進行實驗，結果通電後出現的不再是一道光弧，而是泛著柔和的輝光。普呂克發現不同氣體會產生不同顏色的光，後來的人便利用這個特點將蓋斯勒管改成五顏六色的霓虹燈管。此外德國化學家本生 (Robert Bunsen) 和克希荷夫 (Gustav Kirchhoff) 於1859年發表光譜分析的論文後，普呂克和弟子希托夫（Johann Hittorf）也利用蓋斯勒管來觀測不同氣體的譜線，比用火焰燃燒還穩定。 普呂克還發現磁鐵會使輝光偏折，代表它會受到磁場影響。希托夫受此啟發，等到蓋斯勒的真空幫浦改良至可使真空程度小於萬分之一大氣壓，以及產生更高電壓的設備問世後，於1869年繼續進行實驗。他在玻璃管中間放置金屬片，結果輝光被阻隔在陰極與金屬片之間，而且金屬片的影子投射在陽極那端的玻璃上，代表輝光是由陰極射向陽極，而且是以直線行進；希托夫還特地用L型的蓋斯勒管加以證實。幾年之後，大家便都以「陰極射線」稱之。 希托夫雖然仍無法解釋陰極射線如何產生，至少已掀開了神祕面紗的一角，再來將由英國的物理學家克魯克斯（William Crookes）接棒探索。克魯克斯這個人相當特別，他不但篤信幽靈的存在，還積極參與降靈會，下一篇就來講他的故事。 參考資料：