关于原子世界的研究

来源：中科院高能所

1808年，道尔顿（John Dalton）在他的《化学哲学新体系》中提出了近代原子论，认为化学元素由大量微小的、不可再分的原子组成 [1]，原子论在当时很好地解释了化学元素有固定质量比的难题。但直到19世纪末，一百年过去了，原子的观念非但没有被广泛接受，还成了科学家们争论不休的核心。马赫等科学家认为不能把从未被直接观测到的原子写入理论中。玻尔兹曼（Ludwig Edward Boltzmann）利用原子假说建立热现象的理论，结果遭到了马赫追随者的激烈抨击。普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck）在《科学自传》中回忆：“人们对原子论不仅冷淡，在某种意义上甚至是抱着敌对的态度。”[2]

然而，19世纪末的三大发现，一下子改变了这一切。通过电子、X射线和放射性的发现，人们不但承认物质是由原子构成，甚至还动摇了原子不可分割的旧观念，原子内部的秘密被这三大发现撕开了一道口子。

汤姆逊发现电子

英国剑桥大学有一个卡文迪许实验室（Cavendish Laboratory），于1871年由当时剑桥大学校长威廉·卡文迪许捐赠建立，是世界上最著名的实验室之一。这个实验室有多牛呢，我们来看看。卡文迪许实验室的第一任主任是麦克斯韦（James Clerk Maxwell），他建立的电磁理论是经典物理的重要支柱，也是19世纪最光辉的成果，使我们从蒸汽文明的时代，跨入了现代电气文明的时代。当我们在使用电脑、微波炉、5G手机、听着电视新闻的时候，都要感谢麦克斯韦的方程组。围绕麦克斯韦方程的争论，还导致了狭义相对论的产生。

图1 左：卡文迪许实验室[3]；中：麦克斯韦（sciencephoto.com）；右：瑞利[3]

第二任主任是瑞利男爵三世（John Strutt, 3rd Baron Rayleigh），瑞利曾和拉姆赛一起发现了空气中的惰性气体，获得1904年诺贝尔奖。著名的“瑞利散射（Rayleigh scattering）”解释了晴朗的天空为何是蓝色的。

第三任主任就是汤姆逊（Thomson,Joseph John）。在他担任实验室主任期间，卡文迪许实验室蓬勃发展起来，大量优秀的年轻人来到实验室，并做出了很多伟大的科学发现。汤姆逊本人因为发现电子获得1906年诺贝尔奖。他还有个很有名的学生，叫卢瑟福（Ernest Rutherford），因为发现原子核、质子，以及其它放射性方面的贡献而获得1908年诺贝尔奖，被人们称为原子核物理之父。后来，查德威克（James Chadwick）发现中子获得了1935年的诺贝尔奖，这样原子的全部组分都是在卡文迪许实验室找到的。从1904年至1989年的85年间，卡文迪许实验室共产生了29位诺贝尔奖得主，占剑桥大学诺奖总数的三分之一，硕果累累的卡文迪许实验室对近代物理的发展做出了巨大的贡献。

实际上在汤姆逊发现电子的实验之前，“电子”的概念就已经提出来了。1881年斯通尼（George Johnstone Stoney）在研究法拉第电解定律时发现：1摩尔任何原子的单价离子带电量相同，这个电量被称为法拉第常数F。但1摩尔原子的数目也是常数——阿佛加德罗常数NA，两个常数相除，得到的就是每个单价离子的电荷量，它也是一个常数，这岂不就意味着存在一个“最小的基本电荷单位”—— e=F/NA。斯通尼把这个电荷的最小单位命名为“电子”[4,5]。最后，是汤姆逊从实验上证明了电子确实存在。

图2 汤姆逊1897年实验中使用的阴极射线管示意图[4,6]

1897年，汤姆逊自己设计了一个阴极射线管（图2），在管子一头装上阴极和阳极，阳极上开一条细缝。通电后从阴极发出的射线穿过细缝A、B成为细细的一束，直射到玻璃管的另一端。这一端的管壁上再涂上荧光物质，或者装上照相底片。这套设备就能用来精确测定打到荧光屏上的阴极射线的位置。在射线管的中部装有两个电极板C、D，加上电压以后产生电场E。汤姆逊在实验中发现，阴极射线在电场作用下从荧光屏的P1偏到了P2，说明阴极射线带的是负电（我们在这里把阴极射线粒子的电量写为e）。

汤姆逊还在管外加了一个与纸面垂直的磁场，磁感应强度为B。调节电场和磁场的强度，使电力和磁力正好相互抵消eE = evB，阴极射线又从P2又回到P1，不再偏转。因为电场E和磁场B都是已知的，这样汤姆逊就测出了阴极射线的速度 v = E/B[4,7]。

当时汤姆逊得到的阴极射线速度大约为3万公里/秒，相当于光速的1/10[7]。然后汤姆逊去掉电场或磁场，根据阴极射线偏转量可测出阴极射线粒子质量与电荷的比值。汤姆逊测得的质荷比均值约为1.3×10-11千克/库，而现代的值是0.56856×10-11千克/库[5-8]。

汤姆逊又做了很多实验，看看不同材料的阴极或者不同的气体会不会产生不同的实验结果。他用金、银、铜、镍等各种金属作阴极，测量了不同阴极上射出的射线，又把不同的气体——空气、氢气、氧气、氮气等充到管内，阴极上射出的带电粒子的质荷比都是一样的[5,7]。这就说明了一个非常重要的问题：不管阴极射线是由哪里产生的——是由电极产生的还是由管内气体产生的，结果都一样。这意味着，在各种物质中都有一种质量约为氢原子质量的1／2000（实际上是约1/1837）的带负电的粒子，它就是电子。

人们对阴极射线管的研究也有几十年了，汤姆逊的实验看起来也并不是太难，为什么直到汤姆逊才得以实现呢？最大的原因要归功于真空技术的进步。19世纪30年代法拉第做稀薄气体放电实验时，真空管中的气压为100托（1托=1毫米汞柱，一个标准大气压=760托）。到盖斯勒改进他的水银真空泵时，气压可以达到0.1托，而到汤姆逊做电子实验时，真空泵的改进已经可以达到10-6托的气压[5,7]。赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）之前曾经做过类似实验，但因为真空度不够没有观察到阴极射线有任何偏转。

1899年，汤姆逊使用他的学生威尔逊（C.T.R.Wilson）发明的云室（Cloud Chamber），测量了电子的电荷和质量。威尔逊的云室，是在一个密闭容器里制造出大的温度差（图3），上板热，下板冷，用酒精之类的蒸汽充满容器，热蒸汽下降时突然遇到下板的低温环境，变成过饱和蒸汽。这时若有高能带电粒子通过，会和空气分子碰撞，使空气分子电离。入射粒子的运动路径上生成大量的正负离子对，过饱和的水蒸气就会以这些正负离子为核心凝成雾珠，雾珠我们是能看到的，这样高能粒子的前进轨迹就显现出来了。根据径迹的长短、浓淡以及在磁场中弯曲的情况，就可分辨粒子的种类和性质了。

 图3 左：云室原理[3]；右：一小块铀矿石在云室中（图片来源：网络）

汤姆逊和威尔逊测到的电子的电荷是1×10-19库，质量在10-31千克量级。今天测到的电子电荷约为1.602 176 634×10-19库，质量9.109 383 7015(28)×10-31千克[8]。

图4 左：密立根[3]； 右上：密立根油滴实验示意图[9]；右下：密立根油滴实验设备[3]

电子电荷的精确测定是在1910年由密立根（Robert Andrews Millikan）完成的，就是著名的“密立根油滴实验”。密立根的方法是汤姆逊和威尔逊方法的改进与发展，他不观察雾，而是观察单个液滴。他所使用装置如图4所示。仪器上层，用喷雾器喷出小液滴，一些小液滴通过小孔落入下层两块水平金属板之间的空间。一开始金属板之间不加电压。落入的小液滴一方面受到重力作用加速下落，同时受到空气的摩擦阻力，根据斯托克斯定理（Stokes' law），球形液滴受到的空气摩擦力和速度成正比，最终摩擦力等于重力，液滴匀速下落。如果知道空气的粘滞系数、液滴密度，通过测量无电场时液滴的末速度，可以得到液滴质量。然后密立根给两块金属板加上电压，形成一个均匀的电场，用X射线照射金属板之间的空气使部分空气电离，小液滴因此附着上带电粒子而带上电荷。通过观察带电液滴在电场中上升和下落，可以计算出液滴携带电荷的大小。