發現電子的J.J.湯木生

發現電子的那一天～1897年4月30日

1897年4月30日，J.J.湯木生(Joseph John Thomson，1856~1940) 在英國皇家科學院的星期五討論會發表一篇題為《陰極射線》的論文，他宣稱“陰極射線是高速運動著的負電粒子，這些粒子的尺寸比原子和分子小得多”。從這一天起，陰極射線便被認為是由一種粒子組成，也就是我們現在所稱的『電子』。

電子是科學史上發現的第一種「基本粒子」，打破了「原子不可分割」的概念，原子的內部結構於是一步一步被揭開。

湯木生(Joseph John Thomson，1856~1940) ，英國物理學家。他於1897年『發現』了電子。

電子這個小東西，怎麼一直到1897年才被發現？是因為它太小了？還是.......

J.J.湯木生是怎麼發現它的？

電子的發現地～卡文迪西實驗室

為什麼我們習慣在湯木生前面加上J.J.呢？

在1897年之前，人們是怎麼想像『電荷』、『電流』？那時候的『原子』、『分子』、『離子』的圖像是如何？

湯木生有哪些貢獻？

延伸學習：

• 陰極射線及陰極射線管實驗

• 原子模型的演變

• 電子究竟是粒子還是波？

J.J.湯木生(Joseph John Thomson，1856~1940)

他和牛頓及馬克斯威爾(James Clerk Maxwell,1831～1879)一樣，都是劍橋大學三一學院的畢業生，也都在劍橋大學擔任教職。

1883年J.J.湯木生被聘為三一學院的講師，第二年又被聘為卡文迪西實驗室的物理學教授並接任實驗室主任職務，當時他才28歲，他領導實驗室近長達35年之久，培養出許多人才。在他任職期間所培養的科學家，有55人成為世界各大學的教授，7人先後獲得了諾貝爾獎。他自己由於發現電子、對氣體放電理論和實驗做出了重大貢獻獲得1906年的諾貝爾物理獎。

(1871年馬克斯威爾受聘為劍橋大學物理學教授，並負責籌建該校第一所物理實驗室─卡文迪西實驗室，且於1874年開始擔任第一任主任。卡文迪西實驗室被稱為諾貝爾搖籃，是聞名全球的學術中心之一，這個實驗室培養出26位諾貝爾講得主，創造了科學界的一個奇蹟。)

1916~1920年湯木生被選為英國皇家皇家科學院學會會長，虎克和牛頓都擔任過這個職務。

湯木生的貢獻

• 1897年，湯木生發現電子，開啟了原子內部的世界。

• 1906年，湯木生因為發現電子、對氣體放電理論和實驗做出了重大貢獻獲得諾貝爾物理獎。

• 湯木生也是第一位發現元素具有同位素的人，並成功地從氖-20中分離出氖-22。後來他的學生亞斯頓（F.W.Aston）受到鼓勵，致力於研究同位素，更因此在1919年發明了「質譜儀」。

• 第一個原子模型，也就是聞名的「葡萄乾布丁模型」是湯木生提出的。他繪出原子為一球形，充滿了正電荷，同時也有相同數目的負電荷(電子)。後來大家沒有採用這種模型。今天大家所承認，以原子核為中心的原子模型，是由他的學生拉塞福及波耳導出來的。

J.J.湯木生於1856年12月18日出生於英國曼徹斯特。

他自小聰明勤奮，14歲就進入曼徹斯特的歐文斯學院，學習工程學，後來對物理學發生興趣。1876年，他靠獎學金進入了劍橋大學三一學院，於1880年獲得學士學位。畢業時，他的數學成績在全校名列第二，並且還是第二個得到史密斯獎學金的人。

畢業後，湯木生接著成為三一學院的研究生。1883年被聘為三一學院的講師，第二年又被聘為卡文迪西實驗室的物理學教授，這一年，28歲的他被選為第三任的卡文迪西實驗室主任，領導實驗室長達35年之久。

陰極射線

在1858年，德國的物理學家普立卡(Plucker,1801~1868)在觀察放電管中的放電現象時發現正對陰極的管壁有綠色的螢光。

1876年，德國科學家哥爾特斯坦(Goldstein,1850~1930)認為這是從放電管裡的陰極射出來的，就把它命名為陰極射線。

當時，學術界分為兩派，即把陰極射線當作電磁波和當作粒子等兩派，爭論不休。德國學派大都主張是電磁波(當時稱為以太波)，像1887年發現電磁波的赫茲(Hertz,1857~1894,德)，而英國學派則認為是微粒，二方人馬紛紛努力尋找證據。

1890年起，湯木生帶領他的學生開始研究陰極射線。

1895年，法國物理學家佩蘭(Perrin,1870~1942)為演示陰極射線的帶電情形，重複赫茲的陰極射線管實驗，提出陰極射線是帶負電的射束，卻被質疑認為負電不一定來自陰極射線。

湯木生將佩蘭的實驗裝置做了改進，實驗解決人們對佩蘭實驗的質疑，證明陰極射線確實是帶負電的，並測量出陰極射線粒子之電荷和質量的比值(荷質比)。

湯木生利用陰極射線管做實驗，射線由陰極射出，穿過接地的陽極狹縫，成為陰極射線細束，再從一組平行的鋁板中通過，射到管端的螢光屏上。當管內抽到高真空時，屏上會出現一道輪廓清晰的狹縫形螢光。平行的鋁板上板接負極，下板接正極時，射線就會向下偏。

湯木生於是得出結論：「陰極射線也是粒子」。他為了判明陰極射線粒子是否屬於同一種粒子，就利用鉛、鐵等不同的金屬材料作為電極，進行一系列的實驗，測得陰極射線粒子的荷質比與管內氣體、電極材料都無關，斷定這種粒子是所有物質都共同具有的帶電物質粒子；湯木生將他叫做「微粒（corpusle）」。

1897年4月30日，J.J.湯木生(Joseph John Thomson，1856~1940) 在英國皇家科學院的星期五討論會發表一篇題為《陰極射線》的論文，他宣稱“陰極射線是高速運動著的負電粒子，這些粒子的尺寸比原子和分子小得多”。

1899 年，湯木生採用electron來稱呼他所發現的微粒。

原子模型的演變

道耳吞的原子說，認為原子是不可分割的，所以當阿瑞尼士提出解離說時，當時許多人認為原子既然不可分割，怎麼能帶電？

直到1897年，英國物理學家湯木生（Joseph John Thomson,1856～1940）發現了帶負電的電子，且證實電子是原子的一部分。當時湯木生提出「葡萄乾布丁模型」，認為原子為一球形，充滿了正電荷，同時也有相同數目的負電荷(電子)。

後來他的學生拉塞福發現「葡萄乾布丁模型」有問題 (什麼問題？)，提出「太陽系模型」，原子是由帶正電的原子核與核外的電子構成的。

現在我們所採用的是「波耳模型」，這是波耳針對拉塞福的模型所做的修正 (為什麼需要修正？)。

電子是粒子還是波？

1925年，德布羅意提出了一個大膽的假設：把光的波粒二象性推廣到粒子，特別是電子上去，從而誕生了物質波的概念。

1927年，戴維森等人用低速電子繞射實驗，J.J. 湯木生的兒子G. P. 湯木生用高速電子繞射實驗，分別證明了物質波的存在，觀察到了電子的波動性。結果戴維森和G. P. 湯木生因此獲得了1937年的諾貝爾物理學獎。

有趣的是，J.J. 湯木生和G. P. 湯木生父子倆，父親發現了電子是粒子，兒子證明了電子是波，並都為此獲得了諾貝爾獎，實在是科學史上的一段佳話。

1940年8月30日湯木生在倫敦逝世，享年84歲。世人將其安葬在西敏寺中，在牛頓、達爾文等傑出科學家的墓旁，永受世人崇拜。

BACK to 物語悟理的『前人的足跡』