6 湯姆遜的巧妙實(shí)驗(yàn)

短暫的航行之后，沿著我們來(lái)時(shí)的路線，我們?cè)俅瓮？吭陔娮痈鄣暮硟?nèi)。盡管之前喋喋不休的向?qū)б呀?jīng)給我們上了一課，但是我們?cè)谠又氐亩虝和Ａ舾嬖V我們，在前往原子之地的內(nèi)陸之前，我們還需要來(lái)自這里的更多答案。我們停船靠港后，一邊分頭尋找線索，一邊暗暗希望不要碰見(jiàn)上次的向?qū)?。以下是我們所獲得的信息。

電子是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的亞原子粒子，這種微小的粒子最初是在所謂的陰極射線中被觀測(cè)到的。陰極射線是一種金屬在被加熱時(shí)所放射出的奇特輻射。有些人認(rèn)為這個(gè)射線是由粒子組成的，而有些人認(rèn)為這個(gè)射線其實(shí)是以太里的波。在陰極射線被發(fā)現(xiàn)20年之后，1897年，英國(guó)劍橋的J.J．湯姆遜解決了這個(gè)問(wèn)題，他確認(rèn)陰極射線是由粒子組成的。

粒子都有明確的質(zhì)量和明確的電荷。所以，粒子的質(zhì)量和電荷的比值也是一個(gè)明確的數(shù)值。要想證明陰極射線確實(shí)是由粒子組成的，湯姆遜需要做的一件事就是證明無(wú)論使用什么材料產(chǎn)生的陰極射線，射線中物質(zhì)的質(zhì)量和電荷的比值也是不變的。只要陰極射線的這項(xiàng)比值不變，它就能被稱作“粒子”。

第一個(gè)重要證據(jù)是陰極射線在電磁場(chǎng)中會(huì)偏轉(zhuǎn)方向，就像一束帶有電荷的粒子一樣。因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)所知的波中，沒(méi)有任何一種攜帶電荷，所以這個(gè)現(xiàn)象可以被視作支持粒子說(shuō)的強(qiáng)有力的間接證據(jù)。

湯姆遜在陰極射線穿越真空區(qū)域時(shí)，對(duì)其施加了電場(chǎng)和磁場(chǎng)，并且精妙地平衡了它們。通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，他獲得了支持粒子說(shuō)的第二個(gè)證據(jù)。他成功的調(diào)試使得來(lái)自兩種場(chǎng)的力量完全相互抵消，整體總受力為零。由此，光束的速度能被計(jì)算出來(lái)。

最后，一旦速度被知道，磁場(chǎng)就可以被關(guān)閉了。接下來(lái)，射線在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)方向的程度能夠完全確定電荷與質(zhì)量的比值。湯姆遜觀察到，電子的這項(xiàng)比值差不多比氫離子的比值要高2000倍。氫離子就是一個(gè)單獨(dú)的質(zhì)子——當(dāng)時(shí)已知的最輕粒子。這意味著，要么電子攜帶的電荷比質(zhì)子的電荷要大得多，要么電子的質(zhì)量比質(zhì)子要小得多。

我們可以通過(guò)許多方法來(lái)推斷出這兩個(gè)情況中哪一個(gè)是對(duì)的。最煩人的方法或許就是，設(shè)法把帶電的小球懸浮在電力場(chǎng)中。而假如我們剛剛沒(méi)有成功避開(kāi)上次的向?qū)Т蟾?，他這會(huì)兒可能正要熱情地向我們演示這套操作。作用于小球的靜電場(chǎng)力同時(shí)取決于電場(chǎng)的強(qiáng)度和小球碰巧所攜帶的電荷量，如果小球處于靜止?fàn)顟B(tài)——既沒(méi)有下落也沒(méi)有上升，則靜電場(chǎng)力必須剛好抵消掉重力，而重力又取決于小球的質(zhì)量。所以，如果電場(chǎng)的強(qiáng)度以及小球的質(zhì)量是已知的，那么小球攜帶的電荷是能夠被計(jì)算出來(lái)的。用不同的小球重復(fù)多次同樣的計(jì)算，我們將會(huì)發(fā)現(xiàn)得出的電荷量一直是一個(gè)極小單位數(shù)量的倍數(shù)，我們將這個(gè)單位數(shù)量稱為e。小球所攜帶的電荷可能是e，也可能是e的2倍或3倍，又或許是e的100倍，但絕不可能是e的一半，或者任何比e小的數(shù)量。數(shù)值e就是一個(gè)電子所攜帶的電荷量。

綜合以上所有證據(jù)得出的結(jié)論就是，陰極射線中存在一種極小粒子——電子，且它有確定的質(zhì)量和確定的電荷。因?yàn)殡娮颖仍右『芏啵匀藗兒侠淼夭孪耄弘娮釉诒粏为?dú)分開(kāi)形成陰極射線之前是存在于原子內(nèi)部某處的。

此刻，我們才真正做好了回到原子之地的準(zhǔn)備，下一步將開(kāi)始更深入的探索。