湯姆遜的陰極射線是“愚弄”人嗎？

《陰極射線》是湯姆遜于1897年10月發表在英國《哲學雜志》上的一篇著名論文。在這篇論文中，湯姆遜介紹了他發現的電子，打破了原子不可分割的傳統觀念，使人們進入了原子世界，具有劃時代的重要意義。

1859年，德國物理學家普魯克爾發現，當電流經過蓋斯勒真空管時，管中的陰極對面出現了帶綠色的輝光。1869年，普魯克爾的學生希托夫發現從陰極上飛出的東西是沿直線方向前進的，如果在它的通道上放一塊小物體，就會在陽極方面的玻璃上出現這個物體的陰影。1876年，德國物理學家戈爾茨坦斷定，這種綠色的輝光是由于從陰極上發出某種射線射到玻璃上而引起的，他把這種射線叫“陰極射線”。

這種陰極射線究竟是什么？當時有兩種針鋒相對的觀點：一種以德國物理學家赫茲為代表，認為陰極射線是一種類似光的電磁波；另一種以英國物理學家克魯克斯為代表，認為陰極射線是一種高速帶電的粒子流，J·J·湯姆遜也持這種觀點。

1894年，湯姆遜做了一個實驗，似乎有利于粒子說的觀點。如果陰極射線是電磁波，那么它的飛行速度就應該是光在真空中的速度c=108米/秒。但湯姆遜用旋轉鏡實驗測得陰極射線的速度是1.9×107厘米/秒（只有c的1/1500）。這一測量，使湯姆遜更加相信陰極射線不是電磁波。

湯姆遜猜想，陰極射線也許是由比原子小得多的帶電粒子組成的。1897年4月30日，在英國倫敦皇家學會會議上，湯姆遜第一次正式提出了自己的猜想，但沒有什么人相信，有人甚至說湯姆遜在“愚弄”他們。

當然，這不是事實，但湯姆遜一時也拿不出實驗證明。為了證明自己的猜想是正確的，不是在“愚弄”人，湯姆遜想到只有用更精密的實驗作出證明，此外別無選擇。

首先，他必須用實驗證明，陰極射線可以在電場中偏轉。他猜想，赫茲之所以沒有能讓陰極射線在電場偏轉，可能是因為氣體放電管中真空程度不夠，結果殘留在平行板電容器中的氣體，在陰極射線電離的作用下成了導體，使陰極射線不能偏轉。根據這一猜想，湯姆遜用更好的真空泵，使氣體放電管中真空程度增加。結果，陰極射線真的偏轉了！這樣，陰極射線是帶電粒子流的假說就被證實了。偉大的赫茲沒想到自己犯了一個大錯誤。

第二步，得用實驗證實陰極射線是比原子小得多的帶電粒子。湯姆遜利用正交的電磁場（使電場和磁場相互垂直），可以測定帶電粒子的質荷比m/e（即粒子質量m和所帶電荷e的比值）。他在實驗中發現：①質荷比與制造陰極的材料以及放電管中氣體種類無關，這說明這種帶電粒子與元素原子種類無關，是每種原子中都共有的一種成分；②陰極射線的m/e比氫離子（H+）的m/e大得多，這說明陰極射線是質量很小的帶電粒子，只有氫離子的1/1000左右。

這兩步實驗，使湯姆遜確信：比原子小得多的帶負電的粒子是存在的，它是構成物質的普遍成分。1897年10月，他的著名論文《陰極射線》發表在英國《哲學雜志》上。

1899年，湯姆遜同意斯通尼（1821～1911）的意見，把這個帶負電的基本粒子叫做“電子”。就這樣，電子被湯姆遜發現了！

電子的發現具有劃時代的意義，它打破了原子是不可分割的最小微粒的傳統觀念，把人們領進了原子世界，科學開始了向原子更深的層次即原子核與基本粒子進軍。