电子是如何被发现的？28岁系主任约瑟夫·约翰·汤姆逊改写历史

1856年的12月18日，在英国曼彻斯特旁边有一个叫做切瑟姆的小镇，这里边儿出生了一位即将改变历史的人，他叫做约瑟夫约翰汤姆逊，那年刚好是意大利化学家，阿福加乐罗去世的那一年。汤姆逊的父亲是一位书商和出版商，他自己有一个小书店，但是他的书店里面基本上都是一些年代比较久远的书籍，应该都比较珍贵，所以很多什么作家呀，教授啊，都喜欢来到父亲的书店里淘书，久而久之汤姆生的父亲就结识了很多知名的学者。

约瑟夫约翰汤姆逊

小的时候有一天汤姆逊去书店玩，看见父亲正和一个大胡子在那唠嗑，他父亲就和他说，儿子来我给你介绍一下，这位是焦耳先生，你看啊，所以打小的汤姆逊就在这帮名人眼底下留下好眼缘儿了，14岁的时候，汤姆逊就进入了欧文斯学院学习工程学，但是到了汤姆逊16岁的时候，他父亲不幸病逝了，家里经济条件又不是那么好，母亲就一再劝说汤姆逊还是坚持完成了学业，1876年20岁的汤姆逊以优异的学习成绩，又被保送到了剑桥大学三一学院继续深造，学习的是数学，而剑桥大学可不是一般家庭能去的，这学费很高的啊，但是汤姆逊拿到了全额奖学金，她很高兴啊，四年之后顺利毕业了，留在剑桥大学这个卡

焦耳

文迪许实验室开始研究物理，这个卡文迪许实验室，咱们之前介绍过第一位主任，那就是大名鼎鼎的麦克斯伟，汤姆逊去的时候已经是第二任主任了，不过依旧是物理学界的泰斗级人物，瑞利勋爵，瑞利就很喜欢汤姆逊，他就觉得小伙子踏实肯干，还聪明伶俐，给点赞好评。汤姆逊在卡文迪许实验室呆了四年，1884年的时候，瑞利突然要退休了，这咋办呢？就需要找人接替呀，这件事啊，你别说是他们实验室，就在当时那是整个英国人民都是很关心的，就是谁来接替瑞利呢？瑞利去和大伙说，我已经有人选了，就是JJ汤姆逊那小伙子，这立马很多人就不干了，这一个大学刚毕业四年，28岁的小伙子，你这不是砸卡文迪许实验室的招牌吗？

剑桥大学

而且，这个职位那是很多人盯着，稍稍有点儿成就的人，谁不想当个实验室主任，于是剑桥大学就想了一个办法，找三位杰出的科学家组成一个评审小组，让他们来决定吧，公开公平公正。三位是谁呢？第一位啊，就是开尔文，这是热力学的权威，当时选第二任主任的时候，剑桥大学就好几次找了开尔文说您过来当吧，不过都被他拒绝了。第二位是斯托克斯，这位在流体力学当中也有不小的建树。提出了斯托克斯方程，第三位叫做乔治达尔文，这位建立了潮汐摩擦理论，他对天体力学有重大贡献，不是大家经常听的那个进化论的老达尔文，不过这位是老达尔文的儿子，经过这三位的一致投票，还是同意了瑞的推荐。

瑞利

汤姆逊成功当选，就连他自己都蒙了，就没敢想啊，自己居然一毕业就成了著名的卡文迪许实验室的主任了，上任之后研究的第一个问题，就是阴极射线管，那个时候谁又说不会摆了个阴极射线管，那简直都不是搞物理的人，但是这个阴极射线，它到底是啥还没人能说清，而且这个英国人和德国人还为此争论了好长时间，汤姆逊研究的就是这个事儿，咱们先说啥是阴极射线管，这得从长计议啊，说法拉第发现了这个电磁感应之后，很多人就开始研究电磁现象，发明了不少东西。

阴极射线管

在1855年法国第二届这个世博会上，有一个商品缠满了漆包线，大伙儿都没见过，上面写着感应线圈，能把低电压直流电变成几千伏的高电压，落款是巴黎工程师鲁姆克夫，1851年发明。这个鲁姆克夫也是一位发明家，不过感应线圈具体是谁发明的这说法就很多了，因为只要稍稍长得不一样，你就可以申请个专利。但是这位，肯定是第一个把感应线圈商品化的人，就是当成商品拿出来卖了。不太了解这段历史的朋友可能要问了，不是特斯拉吗？这里没有特斯拉呢？1855年阿特斯拉还没出生呢，特斯拉是1856年出生的，和咱们故事的主人公jj汤姆森同岁，鲁姆克夫这个感应线圈让大伙儿大吃一惊，这东西居然可以变压，物理学家高兴坏了，因为一般在实验室做个实验，想弄一个高电压，就需要好多电池串联起来，所以那个时候要做实验，那是要花费很多钱的，这东西一出来你解决大问题了呀，我买多少钱都得买。

感应线圈

那个时候还没有交流电，大家都是用直流电做实验，因为电压高，这个鲁姆克夫线圈一通电就噼里啪啦打火花。在这次世博会上，那是赚足了眼球，也就向世界各地流行开来，一个德国人叫做盖斯勒，他就对这个电火花比较感兴趣，他为了研究电火花，想了一个办法，怎么办呢？他就把这个线圈的正负两极用两根儿铂丝给倒线连出来，然后在中间给它加一个玻璃管，这样，这个火花不就打在玻璃管儿里边儿了吗？那就方便看，然后就进行各种各样的实验。比如说把玻璃管给抽成真空，看看能啥样，他就发现到这个玻璃管里的气体很稀薄的时候，残留下来的气体会发光，这东西很神奇呀，他就把这个东西给它起了个名叫做低压气体放电管，您可别小瞧这根管子啊，他就是咱们现在，日光灯，霓虹灯，电视显像管的鼻祖。

晶体管

人们为了纪念这个盖斯勒，就把这个管子叫做盖斯勒管，后来物理学家又发现了，当这个盖斯勒管的气体这个气压再低一点儿的时候，那气体它就不发光了，比如说这边是阴极。这边是阳极，中间的气体就不发光了，但是在阳极这边的玻璃上就会出现一块明显的荧光，就像是又有一束你看不见的光从阴极射了出来，然后打在玻璃上看见了，但是如果他要是光的话，为啥中间这段儿我看不见呢？于是人们就给这个不知道是啥的这个射线啊，起了个名叫做阴极射线，是从阴极射出来的吗？所以啊，这个改良之后的盖斯勒管儿就叫做阴极射线管，就是这么个东西，让英国人和德国人是吵得不可开交。

射线管

德国人一般认为这是电磁波，类似于紫外线的电磁波，当时人们认为电磁波就是波，没有质量的，动质量，那是之后的事儿了，英国人则认为呢，应该是带电粒子，啥粒子呢？那个时候人们认为最小的粒子就是原子啊，所以可能是带电的，原子数。德国的代表人物就是赫兹，赫兹发现这个阴极射线，你给它加一个磁场，然后它就会发生偏转，但是呢，在电场下就不偏转，而我们都知道，如果要是带电粒子在磁场和电场那都得偏转啊，赫兹说肯定不是带电粒子，有可能是未知的东西，德国人还有一位叫莱纳德，这莱纳德比较有想法，他把阴极射线阳极这边的玻璃给开了个小口，然后换成了铝薄，就是很薄很薄的铝片儿，他发现这束射线。

电子束

可以穿透铝箔打出去了，他就说这怎么可能是粒子呢？只要是粒子的话，肯定就反弹回来了，只有射线才能够穿过去，于是德国这边就断定，就算它不是射线，那也肯定不是粒子没跑了，这位莱纳德也因为对于阴极射线管的研究，因此获得了1905年的诺贝尔物理学奖，英国人这边儿的代表人物叫做克鲁克斯，他的证据就是首先这个射线，它在磁场下能够偏转的，这就证明了它不是电磁波，电磁波不带电的，这就像是把一束光给放到磁场下边，也不会偏转。然后这老哥也做了一个实验，把一个小风车放到玻璃管里，然后这个阴极射线打在小风车上，居然这个风车就能转，他还给别人看，这个电磁波怎么可能有这么高的能量呢？所以肯定是带电粒子。

石墨电子结构

根据这个磁场下偏转方向来看，还得是带负电的粒子束，就这么着啊，英国人和德国人就争论了好久，一场不平凡的争论注定得由一个天才摆平。1895年，汤姆逊也加入了这场战争，但都很快啊，发现了这个问题所在，果然是没有辜负瑞利的期望。又为啥阴极射线在电场下不偏转呢？就是因为受到这个稀薄气体导电性的影响，说白了你这个阴极射线管里的气体抽的不干净，真空程度还不够。这事说起来简单，可做起来没那么容易，当时的真空泵还达不到要求，就只能抽成那样了，所以汤姆森又花了很长时间改良这个真空泵，终于在1897年让人们看到了阴极射线，是可以电偏转的。

粒子

德国物理学家刚一听说就一拍大腿，这回实验结果摆明了这阴极射线就是带负电的粒子束啊。不过新的问题又来了，你可以证明是这个带电粒子束了，可是它是什么粒子呢？分子还是原子？ 汤姆逊根据实验结果，进行了测算，算一算这个粒子的质量啊，看看和谁接近不就得了吗？当时人们知道最轻的原子就是氢原子，这一算不好了，这个神秘的带电粒子的质量，居然大约是氢原子质量的1/2000，这汤姆逊就大胆猜测，人们一直认为这个原子是不可再分的最小单位，这个结论它并不正确，因为他发现了更小的粒子，这也很好的解释了为什么阴极射线可以穿过铝箔呀？因为它小啊，后来人们把这种带电粒子就叫做电子。

氢原子模型

两年之后，也就是1899年，汤姆森又重新测算了电子的质量和电量。当时他给出的数据是质量三乘以10的-31次方千克变量是二乘以10的-19次方库仑，这个数据虽然不够精确，但是数量级却是对的啊，我们现在知道，电子的质量是9.109×10的-31次方千克，电量是1.602，乘以10的-19次方库仑，没差多少，这个电子小到什么程度呢？把5万亿个电子排成一排，大概也就是一厘米那么长，这是人类历史上发现的第一个基本粒子，就是真的不能再分了，至少到目前来说是这样。汤姆森也因此获得了1906年的诺贝尔物理学奖，这也改变了人类几千年以来，对于原子是不可再分的看法。

这无疑是整个科学史上最浓重的一笔，那下个基本粒子又是啥呢？下期接着聊。