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2017年08月

他敲开了基本粒子大门

来源:科普中国   作者:邵松松
  
  物理是一个很有意思的学科,大到无边无际的宇宙,小到肉眼不可见的原子,这世间的一切都被物理笼络包含进去。对于宏观物理来说,发展的历史就是地球、太阳系、银河系和我们的宇宙,一级一级扩大我们对世界的认知;对于微观物理来说,恰恰相反,细胞,细胞核,原子核。很长一段时间以来,人们都以为原子是最基本的粒子,无法再进行分割。这个观点一直持续到1897年,英国科学家汤姆逊打破了僵局和原子最小的神话。
  约瑟夫·约翰·汤姆逊
  汤姆逊全名,约瑟夫·约翰·汤姆逊,简称JJ·汤姆逊,1856年冬天降生在英国的曼彻斯特。他可是一个天才级人物,在14岁就进入曼彻斯特大学。古今中外从来都不乏天才儿童,但大多数在他们成年之后,才华渐渐湮灭,沦为平庸大众。但是汤姆逊却一路高歌猛进,21岁就被保送进剑桥大学三一学院深造。三一学院是英国本土乃至全世界的高等学府,一直被莘莘学子殷切向往。1880年汤姆逊参加了剑桥大学的学位考试,以第二名的优异成绩取得学位。他不仅在学业上成绩斐然,运气也非常好。1884年,瑞利安辞去卡文迪许教授职务,汤姆逊并没有经过认真的考虑就申请了这个职位,他自己根本没想到能从众多竞争者中脱颖而出,顺利当选了卡文迪许实验室物理教授。他那年才28岁,教学经验聊胜于无。当时很多人对他当选都不信服,觉得汤姆逊资历不够,还有一些人甚至等着看汤姆逊的笑话。
  汤姆逊用自己的实力回击了这些人,而他回击的武器就是电子。
  这里有一个很好玩的事情,那就是汤姆逊发现电子要追溯到1897年,但事实上,1881年爱尔兰物理学家斯通尼就发明了“电子”这个名词,用来定义一个电的基本单位。所以说电子是由汤姆逊发现的,但电子这个单词却不是由他创造的。
  要说发现电子的事情,还要从1859年德国科学家普吕克尔利用盖斯勒管进行放电实验说起,他观察到正对着阴极的玻璃管壁上泛出的绿色辉光。这一现象引起了很多科学家的注意,纷纷对此探索研究。1876年,德国科学家戈尔兹坦提出,玻璃壁上的辉光是由阴极产生的某种射线所引起的,因此将这种射线命名为阴极射线。
  一时间,关于阴极射线形成的本质成了众多科学家争相研究的命题。有人说阴极射线是电磁波,也有说是由带阴电的微粒组成,但这些说法都只是一家之言,没有得到科学界权威的承认。持续时间越长,人们对这个问题的关注度就越高,整个物理学界都盯着揭开阴极射线面纱的人。
  汤姆逊测量阴极射线荷质比实验装置示意图
  1890年,同样是曼彻斯特大学教授的舒斯特在氢气放电管中,通过对阴极射线偏离情况的测量,计算出阴极射线微粒的荷质比是氢离子的一千多倍,但他认为这种粒子跟原子大小相同而错过了发现电子的机会。就在他之后的1897年,法国科学家考夫曼也做了相同的实验,并且得出更加精确的荷质比,但是这个科学家更悲催,他不敢相信自己的计算结果,以为自己计算错误所以没有发表出来。
  同年,汤姆逊也向这个经典的问题发起了挑战。
  在实验过程中,汤姆逊将一块涂有硫化锌的玻璃片覆盖在阴极射线的必经之路上,对此进行观察。通过实验,他发现如果不进行任何干扰,阴极射线会沿着直线行进,但如果在射击线管的外面加上电场或者磁场,阴极射线就会不可避免地发生偏折。根据其偏折的方向,汤姆逊轻而易举就判断出带电粒子的性质。
  “这些粒子到底是什么呢?它们是原子还是分子,还是处在更精细的平衡状态中的物质?”汤姆逊不断地反问自己,他知道如果想要知道问题的答案就需要作更进一步的实验。为了方便称呼,汤姆逊假定这是一种被电离的原子,即带负电的“离子”。虽然无法直接测量出这种粒子的性质,但是可以测量出它的质量,也就是前文所提到的荷质比。汤姆逊匠心独运采用横向双聚焦补偿法来测量阴极射线粒子的荷质比。所谓双聚焦补偿法就是对粒子同时施加一个电场和磁场,并调节到电场和磁场所造成的粒子的偏转互相抵消,让粒子保持直线运动,以此测算出粒子运动速度。当速度确定之后,单靠磁偏转或者电偏转就可以测出粒子的电荷与质量的比值。汤姆逊用这种巧妙的方法测定出这种带负电的“离子”的荷质比。结果非常惊人,这个比值比电解质中氢离子的比值还要大得多。显而易见,这种粒子的质量比氢原子的质量要小得多(当时,人们普遍认为氢原子就是最轻的粒子)。经过计算,汤姆逊发现前者大约是后者的1/2000。经过后代人不断努力,这个比值精确到1/1837。
文章转载自科普中国