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现在都说不能让孩子输在起跑线上，但每个人机缘不同，不是说人人家里条件都能那么优渥，科学家也一样。比如说电学大师法拉第家里很穷，父亲不过是一个铁匠，也懂得让孩子受到良好的教育，但即便如此没有雄厚的财力也是不行的，法拉第最后还是到印刷厂去当学徒，不过法拉第是有个有心人，最后因祸得福，印刷厂有个好处就是看书不要钱，印刷出来的书堆积如山，法拉第一头就扎进去了，抱着大英百科全书不撒手，尤其是电学部分爱不释手，后来得到当时的科学家戴维的垂青，被戴维收为入室弟子。而这次要提到的这位条件比法拉第优越的多了，法拉第是出版商家里的学徒，但这个孩子他老爹就是出版社老板，而且出版社业有专攻，别的书不出，专出大学课本，一来二去就跟大学教授混的特别熟，教授到他家一看就觉得这孩子太聪明了，这么小的孩子连大学课本都能啃，各个教授都喜欢这孩子。而这孩子也很争气，14岁就考上了曼彻斯特大学，放现在就是天才啊。1876年他就保送到了剑桥大学三一学院，那一年他才21岁，1880年在剑桥大学获得学位，然后就留校任教了。剑桥大学的卡文迪许实验室那是大大有名，首任卡文迪许物理学教授就是一代宗师麦克斯韦，麦克斯韦1879年英年早逝，去世的时候仅仅48岁，而第二任物理学教授就是前文提到的瑞利勋爵，瑞利勋爵说我也不多干，先干个5年，5年后就辞职。到1884年瑞利勋爵一甩手不干了，你们自己选。 J.J.汤姆逊 于是大家热闹开了，分头去物色人选，有人找了大名鼎鼎的开尔文勋爵，开尔文勋爵拒绝了。又去德国找了著名物理学家冯·亥姆霍兹，他也拒绝了。这下尴尬了，剑桥大学卡文迪许实验室物理学教授这个职位不能空着啊，大家就在抓瞎。这时候年仅28岁的年轻人毛遂自荐，你们不干我来干，瑞利勋爵一看很好，那就你来吧。有了瑞利勋爵的支持，这个28岁的小伙子就出乎意料的当选了第三任卡文迪许物理学教授，他叫约瑟夫·约翰·汤姆逊。他一接手这个职位立刻就显示出与众不同。汤姆逊对自己学生要求非常严，他要求自己的学生在实验开始之前必须学会所有的实验技术，实验要用的仪器全部自己做。他认为大学应该是培养会思考的，有独立工作能力的人才，而不是用现成的机器去造个现成的东西，因此他坚持不让学生使用现成的仪器。他要求学生不仅仅是实验的观察者，还是做实验的创造者。 那年头最流行的实验就是阴极射线管，这个前面都讲过，汤姆逊就自己搞这个阴极射线管。德国跟英国掐架嘛，德国说是以太波，英国人说是微粒，汤姆逊就决定自己设计个实验来解决这个问题。他找到了一种荧光粉叫硫化锌，硫化锌的荧光是绿色的，他想办法做了个荧光屏给封在了阴极射线管里，他尽量让阴极射线擦着荧光屏划过，这样荧光屏就会留下一道直线，他把强磁场往边上一放，结果直线立马就被搞弯了。磁场可以使阴极射线拐弯，那电场行不行呢？那好办啊，放两个基板把电压加上面，一看这阴极射线的轨迹又被掰弯了。汤姆逊一看，这阴极射线必定是带电粒子而不是以太波，换句话说不是电磁波。过去也发现过啊，阴极射线在磁场里是会拐弯的，但在电场里并不拐弯，所以以前千试万试就没试出来。汤姆逊说你们粗心害死人啊，你们的管子都没抽到真空，残余气体会干扰粒子，所以汤姆逊成了第一个阴极射线会在电场里发生偏转的人。他拼命改进抽真空技术，使得管子里的残余气体大幅度减少。早在1890年就有人粗略的计算过阴极射线的荷质比，也就是电荷和质量的比值。他发现阴极射线粒子荷质比是氢离子的500倍，氢离子的荷质比是靠法拉第的电解定律搞出来的。那时候又没互联网论坛啥的，他做了这个实验谁都不知道，汤姆逊是不知道有这么个实验。一直在7年以后就是1897年汤姆逊才发现原来这个已经有人搞过了。不过法拉第测量是比较粗糙，而汤姆逊比较精细，他最后计算出来阴极射线粒子的荷质比是氢离子的1000-3000倍，但其实这个值也比较粗糙，不是那么准。汤姆逊是不会去走别人走过的重复的道路，他打算重新设计一个实验来计算荷质比。他就做了个新仪器，新仪器顶上有个荧光屏，阴极射线粒子就在荧光屏上打出一个光点。给它施加一个磁场，光斑就偏移了，然后他在反过来施加一个电场，想办法跟磁场相互抵消，调整电场的强度，使得光斑的偏移逐渐减小直到偏移完全被抵消。通过磁场强度和电场强度，就可以算出阴极射线粒子的速度了。接着撤掉磁场只剩电场，根据偏移就可以算出荷质比。他计算了一下，荷质比起码比氢离子大了600-1000倍，这时候他又发现一个奇怪的现象，因为他可以把电子加速到光速的7%-10%，但他发现速度越快就越不对劲，这怎么回事啊？他当时要是知道怎么回事就好了，这个问题要留给爱因斯坦回答比较合适。汤姆逊那时候是无论如何也回答不出这个问题，这个问题需要狭义相对论来回答。不管怎么样汤姆逊这个实验在低速状态下是比较准的，这个东西的荷质比非常大，他就想这是某种离子还是什么玩意儿，他就有意在阴极射线管里剩余了一点点气体来看看对荷质比有什么影响。不过发现，这东西跟气体成分没关系，那这气体带电是不是气体被电离了导致它带电呢？那行啊，换不同的阴极材料试试，看是不是不同的金属会发出不同的东西啊？后来换成不同材料发现也没有关系，荷质比几乎就是固定的，而且荷质比非常大，说明这东西要么电荷非常强，远远超过氢离子，要么它电量跟氢离子差不多但质量非常小，要么就是两者兼有。汤姆逊就猜这东西好像是个质量非常小的微粒，但也只是猜，没有证据。这是1897年的发现了。汤姆逊管这种东西叫电子，这个词是1891年叫斯托尼发明的。 汤姆逊的实验 汤姆逊是很严谨的，他对很久以前老前辈赫兹发现的光电效应做了研究，光电效应这事非常复杂，以后还要说。他就研究光电效应看看里面有什么奥妙，比方说一块锌板做阴极，然后找阳极跟它平行，两者之间加电场，电场有了但电流是没有的，因为这俩没接通没形成回路，然后拿紫外线对锌板一照，这俩板子没挨着居然也有电流通过，这电流是怎么穿过空气流过去的？汤姆逊说不要紧啊我来做实验，他说依他看电子就是通过空气流过去的，就跟阴极射线的电子是一模一样的，那么如果有电子流过去了，那在磁场中就一定能拐弯，那好办，那加磁场就行了。有了磁场电子从阴极飞出来就不会直接飞向阳极了而是拐着弯的飞，但要是磁场足够强呢，电子干脆就会绕个圈回到出发点。那好，汤姆逊说干就干，他一点一点加强磁场，电子真如他猜想的那样就拐弯了，不过本来电子再怎么拐弯都会打到阳极上的，但磁场强到一定程度，电子就飞回了出发点，再也打不到阳极板上了，结果电流突然之间就断了。根据这个汤姆逊就可以测出荷质比，测了一下发现跟他用阴极射线管测的结果差不多，因此他就知道了光电流其实也是电子，是一回事，用光就可以激发出电子。光可以，那热行不行呢？当然可以了，这个现象是发明大王爱迪生发现的，他为了改进电灯泡，突发奇想往里面加根导线，这根导线跟灯丝不挨着，结果加上电场居然有电流跑出来，爱迪生丈二和尚摸不着头脑，搞不清怎么没挨着也有电流，但爱迪生满脑子都是改进灯泡赚钱，搞专利，他不想这么多，但这个效应就被人知道了。汤姆逊就没放过这个，他也对爱迪生效应做了测量，发现这东西也是电子，是一回事，热也可以使电子跑出来。那么看来电子这个东西是普遍存在的，哪都有。这时候汤姆逊又想起一件事，电子有穿透性，能从极薄的铝箔后面透出来，这东西就是电子，那么想来这东西比原子分子要小吧，否则怎么能钻过来呢？ 这汤姆逊不是一个人在战斗，在他主持下，卡文迪许实验室已经成了年轻人才大本营，过去有个学生叫威尔逊，威尔逊有一阵子去了英国第一高峰叫本内维斯峰，在峰上有个天文台，他就去了那个天文台，他看到山顶上云遮雾绕的都在自己脚底下这太阳一照太漂亮了，但他的思路就是不一样，他就想一定要在实验室把云雾给造出来。到了1895年他就设计了一套设备，可以使得水蒸气冷凝生成云雾，当时人们认为要使水蒸气凝结必须要有一个尘埃做核心，叫做凝结核。结果威尔逊仔仔细细把云室打扫干净，一个尘埃都没有，就看它凝结不凝结。结果他发现不需要尘埃，拿X射线一照这云室，云雾一下就出来了，搞半天这现象是以离子为中心出现的，因为X射线会使得气体电离。这就奇怪了，怎么X光照射也能引发蒸汽凝结啊，这下好了，射线所到之处云雾立即凝结，那就形成了一连串的轨迹，他看的清清楚楚，威尔逊后来因为这个获得了诺贝尔物理学奖。卡文迪许实验室后来也成了诺贝尔奖大本营，汤姆逊的学生里有9个拿了诺贝尔奖。汤姆逊知道了这东西之后开心的跳，他就想能不能通过云室来测量电子的质量，后来他测出来电子的电荷大概3x10^-10静电单位，静电知道了那荷质比大概算一下也就知道了。当然这些测量精度都不太让人满意，最后精确的高精度测量要到后续讲到密立根的油滴实验才能解决。 威尔逊云室看到的α射线和β射线轨迹 阴极射线的问题解决的差不多了，但是电子到底是个啥玩意儿，它跟原子又是啥关系呢？原子是不是可分呢？在当时还没有一个确切答案，包括原子本身存不存在都还在争议之中，原子论和唯能论的争吵持续了10年之久，搞的一位大科学家身心憔悴，最后竟然想自杀，不过这是后话这里先不说，反正这会那个大科学家还不想自杀呢，那是德国奥地利的事了。 就在1895年，那阵子基本就是科学成果大爆发，而在遥远的岛国新西兰，有一个年轻的学生正在农场里挖土豆，结果这时候他接到一封通知书，是英国剑桥大学给他发的，通知他被录取了，这名年轻人锄头一扔说了句这是我这辈子挖的最后一个土豆。这个发誓永远不再挖土豆的年轻人叫欧内斯特·卢瑟福，他创造了一个诺贝尔奖幼儿园，跟他沾边的人有11个人获得了诺贝尔奖，从这点上讲他是超过了他的老师汤姆逊。卢瑟福师从汤姆逊，把功夫学到家了，不仅仅学术上，在培养人才上也是颇得老师真传，而且继续发扬光大。当时剑桥大学刚刚通过新规定，别的大学毕业生可以到剑桥大学来读研究生，卢瑟福就幸运地考上了。他本来对无线电感兴趣，毕竟隔着老远就能通信多好玩啊。后来汤姆逊因为是他老师就喊着一起研究X射线电离气体的问题，他也相当感兴趣。他去英国读书那阵子正好赶上贝克勒尔名声大噪，铀射线的研究掀起一股热潮，贝克勒尔觉得这东西跟X射线应该是类似的东西。卢瑟福就开始研究铀射线的电离作用，前面刚研究过X射线的电离作用，然后他就开始闷头搞研究。这时候居里夫妇正在家里折腾铀矿石，那是1898年的事。 就在这会，卢瑟福突然找老师辞职不干了，他非要去加拿大，老师汤姆逊怎么拦都拦不住，这是怎么回事呢？请看下回分解。 |
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