揭开原子秘密的新起点

 

　

 

    现代生活中，人们对“电”这个名称并不陌生。一切现代工业、农业和科学技术都离不开电，它已经成为人们最常用的能源。然而，对电的本质和特性的了解，还是在1897年发现“电子”以后才得以实现的。

 

    早在十八世纪时，人们就从电性质的研究中发现，电不仅能在导体中传递，还能促使物质产生重大变化。1832年，英国物理学家法拉第在研究电流通过导电溶液时，发现液体中的不同原子或原子团能朝相反方向移动，并分别在电极上析出，这一过程被称作电解。

 

    后来，法拉第又定量地分析了许多元素的电解过程，并总结为法拉第电解定律，即一定量的电总是能析出同样多的原子数目，而某些元素析出的原子数恰好是电量数的一半或三分之一。于是科学家们就推测在电解过程中，不同元素的原子，它们从电极上析出时所吸收的电量是不一样的，而电量本身是由许多“电单元”组成的。人们发现以此来解释法拉第的电解定律可得到圆满的结果。

 

    但是电单元毕竟是一种看不见、摸不着的带电微小单元，因此研究起来要比物质的原子单元要困难得多，所以最初人们对它的性质知道得很少。不过到了1891年，为了对电解现象能有更深的理解，爱尔兰物理学家斯托尼提出了把电单元命名为“电子”，以它的电量作为电量的最基本单位。从此以后，电子这个名字一直沿用到现在。

 

    后来，人们在有关电性质的研究中，又进一步发现电流不仅能在导电材料所构成的闭合回路中流动。而且即使电路上有一不太宽的缺口，只要电压足够高，电流仍能跳过缺口继续流动。与此同时，由于电流与缺口处的空气分子相互作用，以及空气被迅速加热，能产生光亮的电火花和霹啪的爆裂声。光和声都不是电，而在缺口处那些暂时离开导线的电流，在同空气分子作用后，仍能传到另一端的导线中，在闭合回路中流动。如果缺口太大，那么电流就中止(即断路)。

 

    科学家们为了能对电进行单独探测，就设法让电通过一个空无一物的空间，即把导线封入空气被抽掉的玻璃管中。当时，要做到这一点也是很不容易的。直到1854年，由于电真空技术的发展，德国的吹玻璃工匠兼发明家盖斯勒制成了第一根这样的玻璃管，并取名为“盖斯勒管”或阴极射线管。

 

    然而，世界上第一个研究阴极射线管的是德国物理学家普吕克尔。他在1858年发现，当电流经过真空管时，在阴极对面的玻璃壁上出现了带绿色的辉光。许多科学家曾对这种辉光产生的原因进行了广泛探索，后来由另一位德国物理学家戈德斯坦在1876年断定，产生辉光的原因是从阳极上发射出了某种射线(即阴极射线)，落在面对阴极的管壁上所致。

 

    由于真空管中基本不存在其它物质，所以阴极射线很可能是电流本身。因为在管中有电流流过，而电流本身是由金属导线运载的，这样阴极射线只能来自金属导线。如果这种预测是正确的话，那末一旦确定了阴极射线的本质后，就能在很大程度上揭示出电流的本质。于是人们就进一步想像，阴极射线会不会是由某种细小的波所组成的类似于光的东西，或是一束具有质量的粒子流。

 

    由于在实验中看到了光，所以上述两种看法都曾得到了某些物理学家的赞同。到了1885年，英国物理学家克鲁克斯在真空管内巧妙地安上一个小叶轮，并让阴极射线打在小叶轮的一侧，结果发现小叶轮转动了起来。这就表明阴极射线是有质量的微粒子流，而不是没有质量的光束。

 

    同时，克鲁克斯还发现磁铁能使阴极射线向一旁偏转。这就进一步说明，阴极射线既不同于光，也不同于中性原子，它是带有电荷的粒子流。实际上这已经到达了发现电子的意境。

 

    整个十九世纪后期，关于阴极射线特性的研究已成为科学家们广泛争论的课题。其中有一位英国物理学家汤姆逊，他也支持阴极射线是由带电粒子流构成的观点。汤姆逊在仔细观察阴极射线管玻璃壁上所产生的荧光时，又反复思考阴极射线移动的情况，他想阴极上的“电”是怎样移动到对面管壁上去的。

 

    为了证明管中的电是直线传播的某种射线，汤姆逊在玻璃管中间安上一个小物体。这样一来，小物体能阻挡住部分射线，在管壁上投射出清晰的阴影，这就证明了管内的射线确是直线传播的。

 

    为了进一步弄清管中射线的性质，汤姆逊又在玻璃管旁射线所经过的地方放上一根磁棒，磁棒的一极靠近真空管。由于磁场的作用，本来直线传播的射线发生了弯曲现象，结果再次证明射线决不可能是光线，因为光线的路径在磁场中决不会发生弯曲。

 

    那末它到底是由什么东西组成的呢？汤姆逊不愧是一位杰出的物理学家，他把实验结果总结成两点想法：1、通过真空管的不是什么射线，而是实体的微粒流；2、如果真是微粒流，那末这些微粒一定是带电的。

 

    汤姆逊为了用实验来验证自己的想法，又在直空管中另加一电场。这样当射线从两块带电的金属板间通过时，微粒流发生了同用磁场做试验时相同的弯曲。这就充分证明了，微粒流确是由带电的微粒所组成，因为不带电的微粒流在电场作用下是不会被排斥而产生弯曲的。此外，从微粒流在电场中所产生的偏转方向上，可以看出构成阴极射线的微粒流是带负电荷的。

 

    至此，已有充分理由认为：真空管中的阴极射线是由带负电荷的粒子流所组成的。而且它和阴极材料和放电气体无关，即粒子流的质量和电荷量均不会改变。但它们的发射速率和数量因阴极材料的不同而异。

 

    接着，汤姆逊进一步断定，微粒子所带的电荷，就是法拉第在研究电解液中所提到的电单元，并直接用斯托尼给电单元所起的名字“电子”来称呼这些带负电荷的粒子。1897年，汤姆逊在英国“科学知识普及会”上报告了他在发现电子方面所作的实验工作，但当时都遭到很多极有声望的物理学家们的怀疑，所以电子的发现一时未能引起足够重视。即使这样，汤姆逊仍坚持自己的论点，并在以后的实验工作中，利用其它方法找到了和阴极射线性质完全相同的粒子。

 

    例如，汤姆逊发现当紫外线照射在某些金属上时，它能使金属发射出带负电荷的微粒子，这就是“光电效应”。另外，灼热的金属丝或炭丝也能发射出这种粒子，被称为“热离子效应”。上面所发射的这些粒子，都带有等是的负电荷，现今都称为“电子”。

 

    汤姆逊为了对电子的性质能有更深的了解，又对电子的质量和电荷量进行了测量。按照电磁学的一般原理，电子在磁场或电场中运动时，其弯曲程度跟它的电荷数和质量有一定的关系。一般说来，带电粒子愈重愈不易被偏转，磁场愈强带电粒子被弯曲得愈厉害。就这样，汤姆逊根据电子在磁场中被弯曲所需磁力的大小，间接测得了电子的质量，并进一步求得电子所带的电荷，最后获得两者的比值，即荷质比。

 

    在此同时，汤姆逊又利用带电的氢原子和电子进行比较来研究电子的特性。由于氢原子是自然界中质量最小的原子，所以认为氢原子所带电荷和电子相同。但在实验中发现，在电磁场中电子要比带电的氢原子容易偏转得多。由此可知，电子的质量远比氢原子小得多。而今天我们已经精确测出氢原子和电子的质量比值为1837.15。

 

    就这样，汤姆逊经过坚持不懈、百折不挠的努力，最地后终于证明了电子是客观存在于自然界的微小实体。他的这段艰辛而又光辉的历程，被记录在发表于1903年的着作《电在气体中的传导》一书中。为了表彰他在气体放电现象方面的理论和实验研究中所创建的伟大功勋，汤姆逊荣获了1906年的诺贝尔物理奖。对此他曾写下了这样一段话：“……这对我的研究成果无疑是一项有力的证据，这证据来自那些素昧平生的外国人，而他们也没有受到任何个人的因素所影响……”。

 

    至此，人们已知道了两种具有质量的粒子，一种是构成物质的原子；另一种是组成电流的电子。另外，电子的客观存在也就否定了道尔顿所提出的原子是组成物质的最基本单元的学说，否定了原子是坚不可摧的，不能被破碎成更小粒子的假说。人们相信在原子中至少存在一种比它小得多、轻得多的粒子，即电子。这样一来，物理学家们就开始对如何正确理解原子内部的结构产生了浓厚的兴趣。

 

    实际上，在汤姆逊发现电子以前，已有不少科学家对原子内部结构进行过研究，其中包括1895年伦琴发现 X射线；1896年贝克勒尔从铀盐中发现放射性；居里夫妇和卢瑟福等又从镭、钋等放射性元素的射线中发现了α、β和γ射线等等。他们的发现都证明了原子是在不断变化的。

 

    汤姆逊根据已有的实验事实，加上自己对“光电效应”和“热离子效应”研究的结果，在1898年大胆地提出了原子构造的第一个模型。他设想，在原子里一般都包含着正负相反的两种电荷。由于构成物质的原子通常是中性的，故认为原子中的正负电量是相等的。而多数原子不能放出带正电的粒子，所以把原子中带正电的部分看成是原子的主体结构，一般不能移动。相反，原子中很轻的电子是能较容易离开原子的。

 

    为此汤姆逊把原子的主体结构看成是个带正电荷的实体球，在原子中的电子被均匀分布在整个球体中，有人把此种原子结构模型形象地叫做“西瓜模型”。原子好像是西瓜一样的实心球体，瓜瓤是带正电荷的，而瓜子就好比是带负电荷的电子被均布在西瓜瓤中。

 

    汤姆逊的原子模型虽简单，但能用来解释原子的某些特性。例如，它能方便地解释原子是电中性的。另外对阴极发射、光电效应和热离子效应也能解释。即原子中的电子由于受到正电云吸引，所以其运动受到阻滞，需在电、光或热等外界条件作用下，才能发射电子。显然如果外界作用不够大时，就不能冲破正电云的束缚，故也不能发射电子。而电子所得能量只能以热辐射或光辐射的形式释放，通常所见的电加热或电发光就是这种效应。

 

    当然，汤姆逊的原子模型还存在着他自己也意识到的不足之处，如对原子质量的解释。由于单个电子的质量即使同最轻的氢原子相比也要小很多，而其它原子和电子相比就显得更重，这样就难以想象原子的质量全部由电子所组成。

 

    数以千计的电子怎么能容纳在原子里呢？事实上，从气体发光和 X射线特性的实验中，已证明原子中的电子数目不可能很多，所以原子的质量势必只能由带正电的部分来决定。另外，在电子辐射发光时，必然要消耗能量，这样电子就要减速，在一瞬间它们将会陷进带正电的云雾中。

 

    由于当时和原子结构模型直接有关的实验依据很少，所以汤姆逊未能对上述这些问题作出回答。至于原子结构模型的正确描述，有待于他的最优秀的学生—卢瑟福来完成。

 

    即使这样，汤姆逊仍然不愧是研究原子结构的启蒙者，他引导人们对原子的质量和电荷进行更广泛的研究，而电子的发现也就成为揭开原子结构秘密的新起点。