英国物理学家汤姆逊

汤姆逊出生在英国的曼彻斯特市近郊，父亲是经营书店的。他从孩童时代就广泛接触过到他家来访的众多学者，学者们活跃的科学思想、广博的知识对他的成长产生了深远的影响。他从小喜欢思索，上小学时，就仔细地观察过他卧室中悬挂的秋千的摆动，写下了他的第一篇小论文。在柏西中学学习时，他用父亲送给他的工具制作各种各样的船模。使他最高兴的是，在稍长的亲密朋友法伦的帮助下，他制作了一艘潜艇模型，成功地操纵它在拜伦塘潜行 1 英里多。船模制作锻炼了他的手工技巧，展示了他的创造才能，学到了使他终生受益的工程学和机械学知识，享受到发明创造的喜悦，增加了他对科学研究和航海的兴趣。14 岁时，他以论文《蒸汽代替帆对海战的影响》获得海军协会的年度奖。就是这一年，在他父亲的朋友建议下去了欧文斯学院学习。不幸的是，他父亲在他上学的第二年就去世了。由于家中经济发生困难，他只好中断深造。但他仍坚持刻苦自学。在 19 岁时，他以优秀的成绩考进英国著名的剑桥大学三一学院攻读数学，并靠自己的优异成绩连续获得奖学金，一直到大学毕业。23 岁时，他参加了剑桥大学的学位考试，又以优异的成绩获得数学和自然科学学士学位。毕业后，他在卡文迪什实验室研究放电管中正射线产生的原子团，同时研究飞机迂回飞行时的隐定性问题。25 岁被提升为讲师。

汤姆逊科学的研究才能得到当时的著名物理学家卡文迪什实验室主任瑞利的发现和赏识。这位英国的“伯乐”，出乎众人意料之外，让年仅 27 岁的数学家汤姆逊继任他的物理学实验教授和卡文迪什实验室主任的职务。尽管当时许多科学家持怀疑态度，但实践证明，汤姆逊完全能胜任这项工作。

从 19 世纪 70 年代起，物理学界对阴极射线的本质形成了两种针锋相对的看法。一派以英国科学家克鲁克斯和法国物理学家佩兰为代表，认为阴极射线是一种带负电的粒子流。另一派以德国著名物理学家赫芝和戈尔茨坦为代表，认为阴极射线是一种电磁辐射。两种观点争论剧烈，时间长达 20 多年， 但是谁也没有把对方驳倒。

1897 年，汤姆逊在卡文迪什实验室用实验的方法测定了阴极射线微粒流的速度和它的电荷与质量之比（即现在称为电子的荷质比 e/m）是一个恒定值；还发现这些值与真空管内所含气体和阴极由什么材料制成无关。这个实验结果是一个伟大的发现，证实了电子的存在。当时，他把这种微粒流叫做“阴极微粒”。汤姆逊证明阴极微粒（即现称的电子）是带有一定电荷和具有一定质量的粒子。

汤姆逊之所以比他同时代人较早地发现电子，一方面是他能根据实验事实，敢于冲破陈旧的传统物理观念，大胆宣布世界上存在着比原子还小的粒子——即电子。另一方面是与他扎实的理论物理和实验物理的渊博知识分不开的。他的伟大功勋被人们誉为“电子之父”。

在这 20 多年的时间里，汤姆逊花费了很多精力研究当电子通过真空管时发出绿光的问题。根据其他科学家实验的结果和他自己做的实验证明，阴极射线是直线传播的，阴极射线在磁场中会发生弯曲，所以它们不是光线。这样，汤姆逊在头脑中开始形成这不是什么射线，而是“微粒流”。为了证明这些“微粒流”是带有电荷的，他做了一个实验。在真空管里安装有两块金属板的电容器，电容器两个电极连接到直流高压电源，让这些微粒通过电容

器中的静电场时，微粒流也发生弯曲，这个实验证明这些微粒是带有电荷的， 并进一步明确是带负电荷的微粒。为了搞清阴极射线的本质是什么？就必须测定阴极射线的某些基本物理量。汤姆逊在卡文迪什实验室设计了一种实验仪器进行实验，他将测得的微粒流的荷质比和已知的氢离子的荷质比作比较，发现微粒流的荷质比约为氢离子的荷质比的 2000 倍，而汤姆逊通过实验测定的这些微粒的电荷跟氢离子的电荷近似相等。因此他证明了这些“微粒” 的质量约为氢原子质量的二千分之一（精确测定约为 1/1837）。汤姆逊最终用实验的方式证明了电子的存在。他对各国科学家花了几十年时间研究的问题作了结论。汤姆逊还推论出这些“微粒”就是洛伦兹电子论中的电子，并且认为电子是任何原子的基本组成部分之一，提出了原子不再是不可分的物质的最小单位。

汤姆逊在发现电子的几年之后，根据大量实验结果和理论上的分析，又提出了著名的汤姆逊原子结构模型——人们称为“葡萄干布丁”。由于这个原子模型能解释许多实验结果，又把许多理论包括进去，因此在 7～8 年内得到了大家承认。后来，由于在解释电子在金属箔上的散射实验上发生了困难， 这个理论才逐渐被他的学生——新西兰物理学家卢瑟福提出的原子行星模型所取代。

汤姆逊是一个讲求实际、勤奋工作的人。他能迅速认清工作的意义，快速做出决定，立即付诸行动，工作中不畏困难艰险，正是这种实际精神和敢于面对困难的勇气，使他能充分利用机遇，发挥才能，做出突出的贡献。