著:姚荏富

1897年,JJ湯木生(Joseph John Thomson,1856~1940) 在英國發表了一篇題為《陰極射線》的論文,這篇論文不只終止了科學界多年的爭吵,還發現了一種全新的亞原子粒子,他就是我們現在說的電子。

19世紀中後期,電磁學的應用逐漸發展成熟,各式電的應用開始出現,電報、發電機……的電力裝置開始被發明出來。雖然科學家們對於電流的特性已有相當程度的掌握,但是對於「電」的本質可說是沒有太多的了解。

這個時代科學界正流行起一個神奇的電力裝置——陰極射線管。1858年,德國物理學家普呂克在一根真空管(接近真空,大約10^-3pa)兩端放上陰極以及陽極(就是兩塊金屬板),並給予強大的電位差(電壓),藉以觀察真空管中氣體的放電過程,這時有趣的現象發生了,當打開開關給予電壓後真空管開始發出光芒,並且出現明顯的光束軌跡,科學界對此一放電現象十分感興趣,這個光是怎麼來的?還有這道軌跡究竟是代表什麼呢?

又由於這束光是由陰極射向陽極(光芒從陰極附近發出,而且在正對陰極的方向上會出現螢光),所以當時科學家們將這道“從陰極射出的光束”稱之為「陰極射線」。這根通了電壓會發光的管子在之後的幾十年內引發了科學界許多的討論與相關研究,在20世紀前後許多科學界的重要發現都與他有相當程度的關係。

隨著科學家的對於陰極射線的來源研究不斷,對於陰極射線本質到底是波還是粒子產生了極大的爭論。為了證實自己的假設正確,科學家們做了大量的實驗來證實自己的論點,其中以主張陰極射線是波的德國學派、以及主張陰極射線是粒子的英國學派最為有名。兩方人馬紛紛努力找尋支持自己論點的證據,在這段時間裡他們發現了許多現象

而這些實驗提出來的觀點我們能推論出,這種射線是由陰極射出的,所以應該是陰極內所含有的東西,而這個東西好像有一些波的性質、也有一些粒子的性質,而且還帶磁性。從上面的條件我們大概能推出這樣的結論,但對當時兩派科學家來說,他們並不接受既是波又是粒子的存在(但事實上將來還是證明了波動與粒子的雙重性質),所以現在只求一個一錘定音的關鍵實驗,來平息科學界的爭論,而就在此時,我們的主角出現了,他是JJ湯木生。

JJ湯木生,1856年12月18日出生於英國曼徹斯特,他的父親老湯是個書商,老湯因為了解缺乏知識的痛苦,所以對孩子的教育十分注重,再加上平時工作就是在為大學印製課本,往來的多半是附近大學的教授,因此家中總是充滿書香氣息。而小湯就在這樣的環境薰陶下,果不其然,學業表現十分突出,14歲便進入曼徹斯特大學就讀,21歲保送進英國菁英必去的三一學院就讀,28歲就接下當時學術界最有名的卡文迪西實驗室的主任,成為科學界的一顆超級新星。

19世紀末,「陰極射線究竟是波還是粒子」這個議題自陰極射線管被發明以來,已經吵了將近三十年,1896年,在英國科學會的請託下,正值40歲的湯木生,正式加入了這場世紀論戰。在接受這個任務後,湯木生開始著眼於過去實驗的成果,物理系出身的他擁有電磁學方面的札實基礎,仔細回顧後他發現,

「如果這種射線帶磁又帶電,那我只要能證明他有質量,那不就可以證明陰極射線就是粒子了嗎?」

不過用想的當然容易些,要真的能捕捉到這種射線的質量也不是這麼容易的。到底要怎麼捕捉我們連看都看不到的粒子呢?擁有高超實驗技術的湯木生,帶領著他實驗室的學生們一起研究陰極管射線,並作了以下三個關鍵的實驗

實驗一.湯木生想實驗看看是否能將射線和電荷分開(陰極射線帶負電)

湯木生做了一隻陰極管並在裡面放了一個有狹縫的金屬圈,在確定射線的方向後,在狹縫後方設置測量電量的裝置,並在陰極管外面施加磁場。實驗結果發現,湯木生將射線藉由磁場彎曲後(看見的光線彎曲),若射線沒射過狹縫便檢測不出電荷,但若射過狹縫後射線的落點處便顯示有電荷。此一現象,湯木生得到負電荷無法與射線分開的結論。

實驗二.湯木生想確定射線是否真的不受電場影響

在陰極管外面加電場其實前人已經做過了,但是當時得到的結論是,陰極射線並不受電場影響。但湯木生認為可能是當時陰極管的真空程度不夠高,所以導致實驗結果沒有反應,於是他聯合當時最強的工匠當他製作出當時真空度最高的陰極管(10^-6pa)來進行實驗,實驗結果發現,射線真如湯木生假設的因為電場的作用而偏轉了,而且會偏正極偏轉(帶負電)。

實驗三.湯木生想藉由磁場和電場對射線的影響來測得此射線的荷質比

前兩個實驗得知,陰極射線會因為電場以及磁場偏折,於是湯木生分別用電場與磁場使射線偏折出一樣的角度,接著用電場與磁場的參數去換算出陰極射線的荷質比(電量/質量),除此之外湯木生也利用陽極的溫度變化來換算出荷質比,兩種測法得到的數字雖略有不同但數量級卻幾乎相同(大約10^11庫侖/千克),所以可以確定的是,陰極射線確實是帶負電的粒子。

藉由上述實驗湯木生成功將陰極射線究竟是波還是粒子的世紀論戰給了決定性的一錘,但湯木生對這個神奇的負電粒子的見解還不只這些,他認為陰極會射出帶負電的粒子,為了確定這些負電粒子是否與陰極有關,他更換陰極的金屬重複原本的實驗,發現不管陰極怎麼換,這些負電粒子的荷質比竟然都一樣,於是得到「所有物質應該都擁有這種負電粒子」的結論。除此之外,湯木生將此負電粒子與當時已知最小的原子——氫離子,進行了荷質比的比較,結果發現此負電粒子的荷質比竟然大過氫離子數千倍,(q/m)要不是負電非常大(q很大),就是質量非常小(m很小),為此湯木生特別量測該粒子的單位帶電量(就是一顆粒子帶多少電),結果發現,這個負電粒子與氫離子兩者的單位帶電量相同(意即一顆氫離子和一顆負電粒子擁有相同的電量),這便得到最後的關鍵結論——這是一種存在於原子中的超小粒子(亞原子)。

1897年,湯木生發表了一篇名為《陰極射線》的論文,其中寫道:

「陰極射線的電荷粒子比起電解的氫離子,e/m值大得多。e/m大的原因可能是m小,也可能是e大。我想,陰極射線的電荷粒子要比普通分子小。這可從射線穿過薄鋁片的實驗得知。」

這份論文對科學界開了關鍵性的一槍,除了把爭論多年的陰極射線究竟是波還是粒子的問題解決完之外,更重要的是,湯木生發現了一種比原子還小的粒子,這種粒子十分微小,存在於原子之中。而這個結論也意味著——原子是能夠被切割的鐵則被打破了。在這篇論文被提出時,湯木生將這些負電粒子稱作「微粒」,直到1899年,他採用科學家斯坦尼所發明的「電子」一詞,來稱呼這種微粒,而「電子」的發現也讓湯木生得到了1906年的諾貝爾物理獎。

電子的出現被稱為十九世紀末的大發現,這個世界上最輕的粒子,讓科學家們更接近了電的本質,而成了近代工業中動力的來源。此外,電子的發現也讓科學界對物質的本質有了更深一層的認識,他解出了物質帶電的秘密,在過去人們知道物質可以帶電是因為電荷的分布所造成,卻不曉得這些電荷究竟從哪來的,而電子的發現代表了物質內部所擁有最小單位的電荷。不過對於人們影響最深遠的應該是,打破百年前道爾吞原子說的鐵則——原子不能分割。發現電子存在於原子之中後,人們開始思考,既然原子不是最小的粒子,那原子裡面還有哪些粒子呢?原子內有帶負電的電子,應該會有其他不同電性的粒子吧?如果我們找到這些比原子還小的的粒子的話,那原子裡面又是什麼樣的光景呢?

第一個比原子還小的基本單位被發現,使湯木生被譽為「打開物質基本粒子大門的偉人」,電子的發現並不僅限於發現了一個事實,更重要的是他為人們帶出了,更多對物質內部的想像,這些想像給了科學家們更多的方向,去探討這些我們眼睛所無法直接觀察到的超微小世界,在這些超微小的世界裡,又有著什麼樣的規則、什麼樣的粒子、什麼樣的秘密等我們去發掘呢?一個偉大的發現不一定會對我們的物質生活有多快、多直接的影響,但真正偉大的發現勢必提供我們一個看待世界的新觀點。