一百多年前，手藝高超的德國玻璃工人會制造一種能發(fā)出綠光的管子，有錢人家將它懸掛在客廳里做裝飾品，以炫耀他們的富有。這種管子曾引起過很多科學家的興趣，一位英國皇家學會會員化學家兼物理學家威廉·克魯克斯(William.Crookes)(左圖)對這種能發(fā)光的管子著了迷，很想弄清楚這些光線究竟是什么，他做了一根兩端封有電極的玻璃管，將管內的空氣抽出，使管內的空氣十分稀薄，然后將高壓加到兩塊電極上，這時在兩極中間出現(xiàn)一束跳動的光線，這就是很多科學家潛心研究的稀薄氣體中的放電現(xiàn)象。玻璃管內的空氣越稀薄，越容易產生自激放電現(xiàn)象。但是，當玻璃管內的空氣稀薄到一定程度時，管內的光線反而漸漸消失，而在陰極的對面玻璃管壁上出現(xiàn)了綠色熒光。這種陰極發(fā)射出來的射線，肉眼看不見，但能在玻璃管壁上產生輝光或熒光?？茖W家們稱這個神秘的綠色熒光叫“陰極射線”，稱這些發(fā)光的管子叫“陰極射線管”，又稱“克魯克斯管”（右圖）。

克魯克斯為了搞清楚陰極射線究竟是什么，他制作了各種形狀的陰極射線管，并進行了很多實驗，其中有一個現(xiàn)象使他異常激動。他在1879年英國的一次物理學討論會上演示了他的這一最新發(fā)現(xiàn)（右圖是他的陰極射線管的示意圖）。玻璃管中是高度稀薄的空氣，帶負電的陰極產生陰極射線，一個用薄云母片制成的十字放在射線的途中，射線在陰極對面的玻璃管壁上出現(xiàn)了形狀清晰的十字形，這是十字形云母片投下的影子。影子的形狀證明了熒光是由于陰極沿直線發(fā)射出的某種東西引起的，而薄云母片把它們擋住了。這些都是在場的物理學家們早就知道的。就在這時，克魯克斯爵士拿起一塊馬蹄形磁鐵跨置在管子的中部，奇跡出現(xiàn)了，十字形的陰影發(fā)生了偏移！克魯克斯爵士得意地說：“由此可見，陰極射線根本不是光線，而是一種帶電的原子。否則，它們怎么會受到磁場的影響呢? ”陰極射線不是光線而是帶電粒子!在座的科學家們都震驚了。很多人將信將疑。

由此，對陰極射線的本質有了兩種完全不同的概念，德國物理學家認為陰極射線像普通的光線一樣是以太中的波動，以克魯克斯為代表的在英國物理學家中流行另一種觀點，認為陰極射線是由陰極發(fā)射的帶負電的粒子所組成。

要判斷兩種理論究竟哪種正確，需要更多的實驗研究，然而實驗遇到了很大的困難。在那時，人們只限于觀察玻璃管內的現(xiàn)象，因為陰極射線到達管壁就被停止了。若能將陰極射線引出放電管外，就可以更方便地進行觀察和測量，進一步研究在放電管內無法進行的實驗。

1889年德國物理學家勒納（Philipp Lenard）（左圖）做到了這一點。勒納的老師、著名的物理學家赫茲(Heinrich Hertz )（右圖）曾經觀察到過這樣一個現(xiàn)象：陰極射線能夠穿過置于放電管內的金屬筒。在赫茲教授的啟發(fā)下，勒納做了一個特制的玻璃放電管，在管子的末端用一個很薄的鋁片封口，他發(fā)現(xiàn)陰極射線能夠穿過鋁片繼續(xù)在管外的空氣中行進（右下圖）。實驗表明，從鋁窗發(fā)出的射線和放電管內的射線具有相同的性質，即它們都能激發(fā)熒光，都可被磁鐵偏轉等等。

這個發(fā)現(xiàn)使勒納取得了一系列豐碩的實驗成果。他進一步證明了陰極射線有某些化學效應，例如使照相底片感光、使空氣變成臭氧、使氣體電離導電等等。還發(fā)現(xiàn)射線在氣體中散射，散射隨氣體的密度而增加；射線對不同物體的穿透本領不同，吸收率和物體密度有直接的關系。勒納證明了陰極射線即使在真空中也帶負電，還發(fā)現(xiàn)陰極射線有不同的類型，它們在磁場中偏轉的程度不同。

勒納對陰極射線的研究成果，不僅增加了人們對這些現(xiàn)象的了解，而且在許多方面都成為以后電子論發(fā)展的基礎。尤其是勒納關于陰極射線可存在于放電管外的這一發(fā)現(xiàn)，開辟了物理學研究的新領域，它促進了對其它遠未弄清的類似射線源的研究。鑒于勒納的研究工作的科學價值和它的開創(chuàng)性意義，瑞典皇家科學院決定授予他1905年的諾貝爾物理學獎。

有關陰極射線的謎引起了著名的卡文迪什試驗室主任湯姆遜（Joseph John Thomson，1856-1940）（左圖）的濃厚興趣。他思索著用什么方法可以解開這個謎呢?要是真像克魯克斯所說的那樣，陰極射線是一種帶電的原子，那么它不僅能在磁場中偏轉，也應該在電場中偏轉。湯姆遜認為更重要的是應該設法測出陰極射線中那些原子的質量。

人們都知道，原子是非常非常輕的東西，在湯姆遜那個時代，世界上還沒有人發(fā)明出一種可以稱原子質量的“秤”，沒有人知道該怎樣測量出如此微小的質量。年輕的湯姆遜憑著他頑強的探索精神和扎實的實驗技巧，一次又一次地改進自己的裝置，克服重重困難，最后終于實現(xiàn)了自己的目標。（右圖為湯姆遜和他的陰極射線管）

湯姆遜特制了一只克魯克斯陰極射線管（左下圖，右下圖為示意圖），在管子的中間添了一對金屬電極D和E，在管子端部的管壁上貼了一張標有刻度的標尺。當克魯克斯管接通電源后，從陰極C發(fā)出的陰極射線穿過兩個狹縫A和B，使陰極射線成為細束，然后穿過金屬板D和E之間的空間，最后打在管壁標尺的中心，并發(fā)出熒光。然后，他在中間的那對電極D和E上加上一定的電壓，于是，和克魯克斯的實驗一樣，看到了同樣奇妙的現(xiàn)象：陰極射線被電場推向一邊，不再到達標尺的中心。如果將D和E板上的電壓反向，發(fā)現(xiàn)陰極射線就偏離中點到達另一邊，從偏轉的方向清楚地表明：陰極射線是帶負電的。

克魯克斯實驗觀察的是陰極射線在磁場中的偏轉，湯姆遜的實驗觀察到了陰極射線在電場中的偏轉。這再一次證實了克魯克斯的觀點：陰極射線是帶電的“原子流”，而不是什么光線，因為光線通過電場時是不會發(fā)生偏轉的。

湯姆遜巧妙地將電場和磁場結合起來，首先測出了陰極射線的速度，并進一步測量出了陰極射線中帶負電的“原子”所攜帶的電荷量和它的質量的比值，稱為“荷質比”。

湯姆遜發(fā)現(xiàn)，不論射線是怎樣產生的，對于射線中的粒子來說，都具有相同的荷質比值。例如，改變放電管的形狀和管內氣體的壓力，可使粒子的速度發(fā)生很大的變化，但荷質比值不變。荷質比值不僅與速度無關，更令人驚奇的是，它與使用的陰極物質種類無關，也與管內氣體的種類無關。陰極射線中的粒子應該來自電極或者來自管中的氣體，但湯姆遜的實驗證明，用任何一種物質作電極，用任何氣體充入放電管中，測得的荷質比值不變。而且，測得的陰極射線粒子的荷質比值比以前已知的任何系統(tǒng)的荷質比都大得多，它比帶電氫原子的荷質比值大1700倍。

這么大的差別十分令人驚奇。原因何在呢?不是陰極射線粒子的質量與氫原子相比很小，就是它的電荷比氫原子的電荷大得多。湯姆遜又采用英國物理學家威爾遜（Charles Thomson Rees Wilson）（左圖）發(fā)明的云室，即帶電粒子可以作為一個核心使它周圍的水蒸汽凝成小水滴的方法（右圖），測量了陰極射線粒子所帶的電荷值，發(fā)現(xiàn)它與稀溶液電解中一個氫原子所攜帶的電荷是相等的。這樣，最后確定了陰極射線粒子——人們給它起了一個名字叫“電子”。

電子的質量僅僅是氫原子質量的1/1700，而且不管什么來源得到的電子，都具有相同的性質。湯姆遜由此得出了明確的結論：原子并不是物質可分性的最后極限，從原子中可以進一步分出電子。從此，人們打開了神秘的原子世界的大門，物理學進入了微觀世界的新紀元。湯姆遜教授的業(yè)績受到了人們的稱頌，瑞典皇家科學院決定授予他1906年的諾貝爾物理學獎。

湯姆遜的實驗設計得很巧妙，然而其物理思想其實很簡單：如果射線是帶負電的，它們不僅能被磁鐵偏轉，也應該在電場中偏轉。為什么當時很多著名的物理學家想不到呢?事實上，當時有很多人想到了，還做了許多實驗。著名科學家，電磁波的發(fā)現(xiàn)者赫茲就曾做過類似的實驗，但他在實驗中沒有觀察到陰極射線在電場中的偏轉，因而得出了陰極射線是不帶電的錯誤結論。

湯姆遜是從重復赫茲的實驗開始的，他制作了一個類似于赫茲實驗用的克魯克斯管，把偏轉金屬板放在放電管內，金屬板上加一個電壓形成電場，當陰極射線通過電場時，沒有觀察到任何持續(xù)而穩(wěn)定的偏轉。但細心的湯姆遜沒有放過實驗中出現(xiàn)的非常細微的異?，F(xiàn)象。他發(fā)現(xiàn)在金屬板上外加電壓的瞬間陰極射線出現(xiàn)短暫的偏轉，然后很快地回到管壁標尺的中點。

湯姆遜抓住這瞬間的異常，分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的可能原因。他認為，克魯克斯的實驗是正確的話?在電場中也應該觀察到陰極射線的偏轉。而現(xiàn)在的裝置中沒有觀察到持續(xù)而穩(wěn)定的偏轉很可能是由于放電管內氣體的存在。他認為，當陰極射線穿過氣體時會使氣體變成導電體，射線將被導電體包圍起來，屏蔽了電的作用力，就像金屬罩把驗電器屏蔽起來一樣，使它不受外部的電作用。由此，他給自己的實驗提出了新的要求，實驗必須在更高的真空中進行。

湯姆遜利用了當時最先進的真空技術，將放電管內的空氣一直抽到只剩下極小量的空氣時，終于排除了電離氣體的屏蔽作用，使陰極射線在電場中發(fā)生了穩(wěn)定的電偏轉，偏轉的方向表明射線帶的是負電荷，取得了前人沒有得到的新的物理測量結果。（上圖）由此可見，物理實驗的成果常常是和新的技術發(fā)展分不開的。沒有當時高真空技術的發(fā)展，也許湯姆遜無法確定電子的存在。

從1869年德國科學家希托夫（Johann Wilhelm Hittorf，1824－1914）（右一）發(fā)現(xiàn)陰極射線以后，很多科學家，如克魯克斯、赫茲、勒納、湯姆遜等一大批人研究了陰極射線，歷時二十余年。在許多科學家的實驗成果的基礎上，湯姆遜最終發(fā)現(xiàn)了電子的存在。湯姆遜成為最先打開通向基本粒子物理學大門的偉人。

（高能所科研處制作 內容來自郁忠強編著的《從原子到夸克》）