1906年，美國籍物理學家約瑟夫· 約翰·湯姆遜獲得第六屆諾貝爾物理和化學獎，得獎理由是表彰他在「氣體導電方面的理論和實驗研究」。
氣體導電方面，有沒有搞錯？這個理由湯姆遜本人很不感冒。雖然他是在研究關於氣體導電及電離現象，但是他覺得與通過對電離現象的研究證實「陰極射線是由電子構成」這個理論相比，實在不值一提。
電子？這個名字不但拉開了原子物理學研究的序幕，其理論還促使雷射、半導體等現代科學技術的誕生。時至今日，「電子」設備充盈於我們周圍，比如電子表、電子琴、電子計算機等。
湯姆遜發現電子的故事，要從他28歲那年說起。
1884年夏，英國著名學術研究中心——劍橋大學卡文迪許實驗室公布了一則消息：聘請實驗員湯姆遜為實驗室主任！
很多英國人都不能接受。卡文迪許實驗室前兩任主任分別是電磁學大師麥克斯韋和泰鬥級人物瑞利勳爵（後來獲1904年諾貝爾物理學獎），才畢業四年的湯姆遜算哪根蔥？可是，有前主任瑞利勳爵和劍橋大學前輩開爾文爵士、小達爾文等大咖聯合舉薦，不服不行！
劍橋大學卡文迪許實驗室(來源：百度)
話雖如此，但年輕的湯姆遜內心還是有些忐忑。出入卡文迪許實驗室者都是科學家或著名學者，沒點真東西人家怎會服你？新官上任三把火，他第一把火「燒」向陰極射線。當時研究陰極射線的物理學家分成兩派：一派認為它是由許多微粒子構成的，另一派認為它是一種像光一樣的電磁波。兩派為此爭論多年，沒有定論。湯姆遜暗想，如果能把陰極射線的本質弄清楚，那自然穩坐主任的寶座。
「如果說陰極射線是粒子流的話，那它經過電場和磁場時就會改變運動方向，否則它就是電磁波。」封閉的實驗室裡，湯姆遜一邊準備著真空管，一邊喃喃自語。
可是，湯姆遜試了好幾次，發現陰極射線經過電場和磁場時運動方向只是輕微改變，很難測量出來。經過反覆思考，他知道是真空管裡真空程度不夠，影響實驗的結果。後來，花幾年時間改良真空管，才使其準確度達到要求。
射線管（來源：百度）
接著，他用一種新方法測量出陰極射線在真空管中的傳播速度，其結果是（1.9×10的7次方）釐米／秒。這個速度遠低於光速，陰極射線不可能是電磁波。
雖然證明陰極射線不是電磁波，但也不能說明它就是微粒子流！湯姆遜分析後，決定測試陰極射線在電場和磁場中的運動路徑。通過實驗，他發現在磁場和電場的作用下，陰極射線和負電荷都有相同的運動路徑。於是，大膽推斷：陰極射線是由帶負電荷的粒子流組成的。
陰極射線裡到底是哪種微粒子呢？湯姆遜決定用更直接的證據來證明它是一種未知粒子，這個證據就是粒子質量和電荷的準確值。
測量陰極射線的粒子質量和電荷？這可是個高難度工作，因為像鉛筆尖大小的陰極射線裡就有上千億個高速運動的微粒子。湯姆遜充分發揮自己導師的優勢，根據學生萊納德所測陰極射線在大氣中射程約半釐米的結果，推斷出未知粒子的質量比氫離子小得多，甚至不足千分之一；又改進另一位學生湯森德所做測試氣體離子電荷的實驗，測出了未知粒子的電荷量。
實驗中的湯姆遜(來源：尚書坊)
1897年，早已不再是「新官」的湯姆遜在卡文迪什實驗室裡，用先進的科學方法測出了未知粒子的電荷與質量的比值。為了記錄的方便，他最先把陰極射線粒子稱為「陰極微粒」，後來又受物理學家斯託尼繼稱電荷最小單位為電子的啟發，把陰極微粒稱為「電子」。從精益求精的角度出發，湯姆遜再次測算出電子的質量，其結果與目前所知單個電子質量（9.109×10的-31次方千克）相差不遠。
電子！多麼貼切的名字。經過一系列準備，湯姆遜對外公布:電子帶負電，是任何原子的基本組成部分之一，原子不再是物質的最小單位。電子的存在，不但終結了各國科學家關於「陰極射線到底是微粒還是電磁波」的大討論，還引導科學家們對原子構成及電子運動等進行深層次的研究，從而打開了原子物理學的大門。現在，學過高中理科的人都知道，原子由原子核和電子構成，原子核帶正電，電子帶負電，電子按規律分布在原子核的外面。電子總是在高速運動，最高速度可達2000公裡每秒。導體和絕緣體的區別在於價電子，導體能導電是因為價電子脫離原子核成為自由電子，絕緣體則沒有自由電子。這些理論的基礎，都跟湯姆遜發現的電子有關。鑑於這個偉大的發現，後人稱他為「電子之父」。
氫原子模型(來源：搜狐網)
與電子的發現相比，湯姆遜對卡文迪許實驗室的貢獻毫不遜色。他從上任伊始，便想法購置新的設備，引進先進的實驗方法。一個個科學新發現噴湧而出：電子、雲霧室、同位素……20世紀末，卡文迪許實驗室成為當時最大的科研中心，上百位科學家在此接受訓練。在八位獲得諾貝爾獎的學生中，有七位曾在他的指導下工作，這裡也包括他的獨生子喬治·湯姆遜。這些學生的名字為後人所熟知，永載史冊。
湯姆遜父子(左，約瑟夫·約翰·湯姆遜；右，喬治·湯姆遜。來源：搜狐網)
鑑於他的傑出貢獻，卡文迪許實驗室把湯姆遜研究陰極射線管的肖像掛在麥克斯韋講演廳的牆壁上，供來賓們瞻仰和懷念。
湯姆遜的貢獻，大家都看在眼裡，諾貝爾物理和化學獎委員會豈會不知？然而，委員會1906年給他頒獎時，獲獎原因卻是「氣體導電方面的理論和實驗研究」，對他證實電子存在和發現電子這一功績隻字不提。不是不提，是不敢提，畢竟西方科學界對「原子是物體構成的最小單位，就像實心玻璃球一樣」的理論深信了兩千多年，電子理論太過先進，委員會沒膽量也沒必要冒這個風險。由此可知在當時，一個新觀點甚至一個新的科學理論要讓人們接受並非易事。
參考資料：
1、圖書《諾貝爾物理學獎一百年》，2002年上海科學普及出版社出版，作者是郭奕玲、沈慧君。
2、 論文《20世紀物理學的偉大縮影》，作者清華大學郭奕玲，《物理研究》2009年第2期。3、 論文《紀念湯姆遜發現電子一百周年》，作者林鴻溢等，《今日電子》1997年12期。
蝌蚪五線譜原創文章/轉載註明來源
責編/小西途說
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