科學家的時空背景

  19世紀末的歐洲,科學似乎發展到了巔峰。在生物學的領域裡,對於細胞的研究,讓人們找到了引起疾病的細菌、找到了對抗細菌的抗生素,讓成千上萬的人免於感染;人們研發出疫苗、找到物種演化的原因、透過解剖與生理學的研究讓外科手術成功率越來越高。在化學領域,幾乎所有的自然元素都已經被找到,人們開始靈活的運用各種化學物質。像是藥品、染料、防腐劑等等。

  在技術發展上,工業革命的正向影響開始浮現。大量地商品被製造出來,對於機械的設計也越來越成熟,人們製造了可以對抗海上風暴的輪船、一條又一條的鐵路在世界各地鋪設、透過機械讓農業的產量大增等等。人類的生活水平在歐洲達到了歷史的高峰。

  而最新的技術「電」,則讓未來充滿一片「光明」。1889年,巴黎艾菲爾鐵塔落成,這座為了世界博覽會與法國大革命100年而建造的鐵塔,成了人類工業成就的象徵。法國人特別請愛迪生在巴黎鐵塔上與世界博覽會的會場上懸掛了白熾燈泡,在理應是漆黑的晚上,用人類的知識與技術照亮了整座城市。

  電的技術更讓科學家多出了很多方法來做實驗,如電解、導電度測量等等,都提供了科學家許多嶄新的分析技術。馬克士威(James Clerk Maxwell,1831- 1879)對於電磁理論的整合,讓科學界對於電磁的本質有了更新一步的理解。他透過數學計算出電磁波的傳遞速度,發現與光速幾乎相等,進一步推論光是一種電磁波,成功統合了光學、波動、電與磁等眾多物理學領域,很大程度增加了物理學的完整性。

  19世紀末,歐洲社會對一切都非常樂觀。物理學領域,統合了牛頓力學、電磁學、光學等等的理論,人類好似已經摸清楚世界運行的規律。道爾吞的原子說說明了組成世界的基本單位,這些不可再分割的原子,用不同排列組合的方式組成了這一個世界。門德烈夫提出週期表的概念後,科學家開始透過週期表來判斷元素的特性,甚至預測不存在的元素。越來越精確的原子量測量也讓科學家們對元素的掌握越來越多。雖然還沒有辦法直接觀察到原子,但對當時的物理學家而言,這只是技術上遲早會發生的突破而已。

  當時依舊年輕的德國物理學家普朗克(Max Planck,1858- 1947,1919年獲得諾貝爾物理學獎)向他的老師表示要獻身於物理學研究時,老師勸他說:「年輕人,物理學是一門已經完成了的科學,不會再有多大的發展了,將一生獻給這門學科,太可惜了。」

  少數物理學未解的問題只剩下:黑體、乙太、原子的直接證據,電的本質。此時,物理學家們自信的認為,在20世紀開始前,人們就會解決完所有問題。人類正在前所未有的巔峰。

科學家的經歷

  1856年,喬瑟夫.約翰.湯姆森(Joseph John Thomson,1856- 1940)出生於英格蘭曼徹斯特附近,父親原本希望他成為一名機械工程師,但由於湯姆森當時在曼徹斯特找不到學徒工作,因此他先進入了曼徹斯特大學就讀。這個對當時的湯姆森來說似乎是意外的小插曲,卻大大改變了19世紀末的物理學研究。

  由於在校內的優異表現,他被推薦前往劍橋歷史悠久的三一學院,並在未成年的情況下進入劍橋就讀。1880年,他在劍橋獲得數學文學學士學位(以第二名畢業並獲得劍橋每年頒發給數學主科生的亞當斯獎),並在1883年以優異的成果獲得三一學院院士資格,並開始在學院教授物理學。

圖二、湯姆森照片

  1882年,他發表論文〈關於渦環運動〉,其中用非常優異的數學解釋了原子模型。1884年,湯姆森擊敗其他候選者,被選為由劍橋大學時任校長卡文迪許所成立的頂尖物理實驗室「卡文迪許實驗室」的實驗室主任。無論是卡文迪許或是湯姆森,都不知道在未來的五十年內,這個嶄新的實驗室將會促成物理學研究的巨大改變。

  1890年左右,湯姆森帶著卡文迪許實驗室,開始研究當時物理學最新的領域-放射線。他開始研究陰極射線。有關陰極射線的最早可以追溯到17世紀時對氣體通電的實驗。到了1857年,德國科學家蓋斯勒(Heinrich Geißler,1814- 1879)吹製了可以將內部氣壓抽成10-3atm的真空管,他發現當在兩端通上夠高的電壓後,在管內除了非常靠近電源負極處外的地方,其他位置開始出現輝光(管內的氣體開始發光),隨著人們開始製作出可耐受更高壓的玻璃,用以製造可以抽成更低壓的真空管,對陰極射線的研究也越來越多。1869德國的科學家希托夫(Johann Wilhelm Hittorf,1824- 1914)在陰極射線管中放入了雲母片,發現正極方向出現了雲母片的陰影。1876年德國物理學者戈爾德斯坦(Eugen Goldstein,1850- 1930)更進一步發現這一射線並不會像四面八方散射,而是由陰極(接著電源負極)處單向往電源正極前進,他將此種射線取名為「陰極射線」。

圖四、各種不同形式的蓋勒斯管(類似於霓虹燈)

  1879年,英國克魯克斯(William Crookes,1832- 1919)嘗試做出可以達到10-5atm低氣壓的真空管,而在此陰極射線管中放入金屬薄片做成的風車後,風車開始緩慢的旋轉。雖然克魯克斯並沒有解釋為何風車會旋轉,但他猜測,陰極射線是由原子流組成,因此可以推動風車。同時期的德國的物理學家們紛紛提出證據來反對這一個推論,透過測量真空管內稀薄氣體的溫度,風車轉動的原因被認為是由於管內稀薄氣體的熱對流。

圖、克魯斯管中的風車

此時,德國知名物理學家赫茲(Heinrich Hertz,1857- 1894)則做了一系列的實驗試圖說明陰極射線是屬於波動的一種。他首先嘗試用靜電力影響陰極射線,而在陰極射線通過時並沒有偏轉,他用這一實驗來說明陰極射線並不帶電荷。1891年,他用陰極射線來穿透鋁箔,發現陰極射線並不會被鋁箔擋住,這提供了他非常強力的證據。當時普遍認為,只有波動可以穿透過實體物質。

圖五、克魯克斯管與陰極射線產生的陰影

  由克魯克斯為首的英、法科學家則大多支持粒子說,如讓.佩蘭(Jean Perrin,1870- 1942)在1895年就做了一系列實驗,他讓陰極射線照射到靜電瓶上,證明陰極射線的確帶有負電荷。這一個爭論在19世紀的最後20年,隨著對放射線的研究越來越多,逐漸成為了科學家們爭論的重點。兩派的科學家,紛紛提出各種證據來反對對方的說法,支持自己的理論。同樣屬於「粒子派」的湯姆森則在卡文迪許實驗室中,藉由實驗室充沛的技術資源與資金,帶領研究夥伴們嘗試找出陰極射線為粒子的關鍵證據。

  湯姆森猜測,帶有負電荷的陰極射線沒辦法被靜電力影響而裡偏轉的原因,是因為在赫茲的實驗中,陰極射線管中的空氣影響到實驗結果。藉由卡文迪許實驗室技師的幫助,湯姆森團隊製造出了細長、並且可以耐高壓的玻璃管,他將陰極射線管內抽到接近真空後,終於觀察到了陰極射線的偏轉,證明了陰極射線是由帶負電的粒子組成。他開始好奇,那這又是什麼粒子呢?

圖六、湯姆森的實驗裝置簡圖。

科學家發現的問題

  觀察到陰極射線的偏轉後,湯姆森成功證明了陰極射線是由粒子組成,他很快的就透過實驗數據計算出陰極射線的質量。在他計算出組成陰極射線的粒子質量後,湯姆森發現陰極射線粒子的質量只有氫原子的兩千分之一,質量與週期表上所有原子的質量都差太多了。因為從道爾吞以來,科學家們就相信原子是組成物質的最小單位。隨著實驗技術的進步,科學家們計算出越來越精確的原子量,這些不同元素的原子質量大約介於輕原子的1~200倍左右。而湯姆森找到的這一個粒子,卻只有氫原子的兩千分之一,明顯與其他原子質量相差甚遠。

科學家的聯想

  湯姆森用「微粒」來稱呼這種神祕的粒子,想要找出這種神祕的粒子到底是什麼的湯姆森聯想到在實驗中,無論是更換陰極電極的金屬材料(圖七C處),將產生陰極射線的電極間內填充的稀薄氣體換成純氧、氮氣、碳酸、還是一般的大氣組成(圖七C、B之間的氣體),陰極射線在電磁場底下所產生的偏轉都保持一樣,代表無論使用任何材料,陰極射線的粒子就攜帶相同的電荷、擁有相同的質量。

圖七、C為陰極板、A為陽極板,AC間的電場可讓陰極射線加速。B上有一狹縫,讓陰極射線直線並平行穿越DE間的垂直電場。

  就像是人們可以從不同的化合物中找到相同的元素,因此推論這些元素會組成化合物,例如從水跟雙氧水中都可以找到氧,代表氧元素是組成水跟雙氧水的成份。

科學家的假設

  湯姆森因此假設,這種質量只有原子的兩千分之一,組成陰極射線的粒子並不是原子,而是一種組成原子的更小單位。這種「微粒」的質量極輕,帶有負電,而且無論是任何材料裡面(也就是任何原子裡)都可以打出這種微粒,因此這種微粒明顯存在於所有的原子裡。

  湯姆森打破了「原子不能繼續切割」的想法,認為原子其實是由可以更細分出來的物質組成,這些被認為是原子成份之一的微粒,當然可以有比原子輕非常多的質量。

科學家的第二次發現

  找到這種「微粒」可能是什麼之後,湯姆森立刻發現原子內含有帶負電微粒的想法,不符合科學家觀察到大多數時候原子是不帶電的現象。因為如果原子內含有帶負電微粒的話,理論上原子應該都會帶有負電,而不是不帶電才對。

科學家的第二次聯想

  湯姆森聯想到在靜電學的研究中,正電荷與負電荷會相互抵銷。如果一個物體擁有相同的正負電荷量,在正負相消的情況下,電荷就會互相抵消而變成不帶電的狀態。這代表著如果有相對應的正電荷存在於原子內的話,就能夠讓原子保持不帶電。

科學家的第二次假設

  湯姆森因此認為,在一個原子中,除了微粒以外的其他部份,是帶有正電荷的物質。因此「微粒」帶的負電就會與原子內的正電相消,所以大部分的時候原子會是不帶電荷的狀況。

科學家的後續

  湯姆森持續用各種不同的陰極板、不同的填充氣體產生陰極射線,無論他用什麼材料,靜電力讓陰極射線偏轉的角度、計算出來的質量都相同。最後他將實驗結果與他自己的假想結合,提出了「葡萄乾布丁」原子模型。

  葡萄乾布丁原子模型:組成陰極射線的「微粒」,存在於所有不同的原子中。這種微粒帶有負電荷、質量是氫原子的1/2000,在一個原子裡面,微粒會平均散佈於球狀的原子裡,而原子的其他部分則是帶有正電荷的物質,讓整個原子保持電中性。就如同葡萄乾布丁裡面(台灣常用西瓜來比喻),葡萄乾會平均的散落在布丁中(西瓜籽會平均散落在西瓜果肉中)一樣。

圖八、湯姆森葡萄乾布丁模型

  在湯姆森發現這種比原子還小的「微粒」後,開啟了科學研究的一個巨大的門。科學家們發現這一個帶電的粒子,就是傳播電流的粒子;也將原本認為已經完備的古典物理學,跟19世紀最新的電學取得了連結,科學家們因此將湯姆森發現的微粒命名為「電子」。

  湯姆森與其他研究者試圖找出每一種原子內到底有多少電子,1910年,J. A. 克勞森透過散射實驗,猜測電子的總質量約為整個原子的千分之一左右,湯姆森也發現電子僅佔原子極小的質量,而原子中大部分的質量則還未知是什麼。他聯想到了原子其餘帶正電荷的物質,在原子內,除了電子應該就剩下這些帶正電荷的物質了,他也因此認為帶正電的物質佔據了原子大部分的質量。湯姆森的原子模型中,原子中的電子僅有千分之一質量,帶有負電荷,而原子中的電子則鑲嵌在帶有原子其餘幾乎所有質量的帶正電荷物質中。

  一直以來認為是組成物質最小單位的原子說,也因為湯姆森的發現,開啟了許多新問題:電子在原子內是隨機分布的嗎?電子與原子的吸引力有多大?原子內還有別的粒子嗎?等許許多多疑問出現在物理學間眼前。在19世紀末、20世紀初,這樣的發現振奮了科學界,代表著他們又朝著物質的基本組成這個問題又前進了一步,也代表著物理世界中其實還有許多未解的難題。

  湯姆森所領導的卡文迪許實驗室,在做完陰極射線的研究後,近一步開啟了許多影響世界的重要研究。像是對這種「射線」的放射線研究、原子組成的研究、測量帶電粒子荷質比的質譜儀發明,都陸續在這個實驗室裡面發生。對科學界而言,湯姆森最大的貢獻或許不是發現電子,而是在當時的卡文迪許實驗室內,聚集並教育出全英國最頂尖的科學家。除了湯姆森本人在1906年拿到了第六屆的諾貝爾物理學獎外,湯姆森的卡文迪許實驗室中,有六位他的研究助理都在往後幾年得到了諾貝爾物理學獎,包含了:用X射線分析晶體結構的威廉.布拉格(1915年)、因X射線的研究獲獎的查爾斯.巴克拉(1917年)、提出玻爾原子模型的尼爾斯.玻爾(1922年)、發明可以偵測粒子軌跡的威爾遜雲室的查爾斯.威爾遜(1927年)、研究熱電子發射的歐文.李察森(1928年)、研究波函數的馬克斯.伯恩(1954年)。兩位湯姆森的學生獲得了諾貝爾化學獎,其中一位是發現質子的設計質譜儀並發現許多非放射性同位素的弗朗西斯.阿斯頓(1922年)。他的兒子喬治.湯姆森也在1937年獲得諾貝爾物理學獎;有趣的是,湯姆森證明了電子是一種粒子而因此獲獎,喬治.湯姆森則是證明了電子具有與粒子完全相反的波動性質而得到物理學獎。

  最知名的則是在1908年獲得諾貝爾化學獎、被稱作核物理學之父、根湯姆森一樣培養了一大批影響後世的科學家、大英百科認為是法拉第後最偉大的實驗家的歐內斯特.拉塞福。拉塞福不但推翻了湯姆森的葡萄乾布丁模型,他更進一步的將科學家對原子的理解提高到下一個層次。

  這些物理學家們投入的基本研究,讓20世紀的物理學漸漸脫離了生活常識。無論是電子、放射線、原子結構等等,都不在一般人生活經驗之中。然而,這些研究前仆後繼的研究者們偉大之處,在於他們拓展人們的知識與想像力、試圖去滿足人類天生的好奇心,讓我們可以想像比細菌與生物、比顯微鏡底下還要更小的尺度。去鑽研一個亙古的問題:是什麼組成了世界?