1897年，英国科学家汤姆逊在与德国科学家们关于阴极射线本性的论战中确认它是一种带负电荷的“粒子”——电子，而不是“波”，颠覆了长期以来被公认的“原子不可分割”的理论。但是，30年后他儿子和另一位美国科学家戴维逊却又证明电子是“波”。那么你从这电子“波粒二象性”发现的曲折过程中能获得什么启示？

1803年，道尔顿通过大量化学实验事实提出的原子论，使人类对物质的结构从古希腊时代的哲学臆测飞越到科学认识水平。特别是门捷列夫1869年发现的元素周期律，更使科学家们认识到宇宙间万物都是由不同种类元素的原子组成的。

顾名思义，原子就是“原始的”、不可分割的最小的粒子。但是到了19世纪末，这种被公认的科学理论受到了严峻的挑战，而充当先锋角色的就是新发现的电子……

阴极射线为何物　 欧洲科坛起争端

1855年，轰动世界的万国博览会在法国巴黎开幕了。

这当中有这么一个镜头：当观众们正在品尝各国名酒，特别是对有“粘土中白银”之称的精美铝制品赞叹不已时，有几位科学家却对一种高压线圈（可以把低压直流电变成几千伏特的高电压）产生了极大兴趣。这种新展品很快打入了德国市场。

就在这年，德国一位玻璃工人盖斯勒利用托里拆利真空原理发明了水银真空泵。他把一根玻璃管两端都封上了白金丝，并用真空泵把玻璃管中的空气抽掉，然后在两端的白金丝上通上那种感应线圈产生的高压电。

由于管中还存有残余的气体，玻璃管便发出紫红的辉光。其实，这是一个低压气体放电管，也叫做盖斯勒放电管。1858年德国物理学家普吕克又在放电管对着阴极的管壁上看到了绿色荧光。1876年德国物理学家哥尔德斯坦用各种材料做成各种形状、大小的阴极进行实验，进一步证实荧光都来自从阴极表面垂直发出的一种射线。他把这种射线命名为“阴极射线”。哥尔德斯坦还认为，阴极射线是类似于紫外光线的“以太”波（当时认为光必须依靠宇宙中的“以太”传播）。

他曾做过一个实验：把阴极做得很大，而在阴极与阳极之间放置的障碍物又很小，结果发现管壁上出现了障碍物边缘模糊的阴影。由此，他认为辉光似乎是阴极射线的光的散射效应。这样就形成了关于阴极射线本性的“以太”说，赞成这种学说的人大多数是德国科学家。特别是赫兹做了一系列实验研究阴极射线，目的就是要支持“以太”观点。他在阴极射线管中加上垂直于阴极射线的电场，结果没有能观察到阴极射线的偏转，他就以此作为阴极射线不带电的证据。

另外，赫兹还注意到阴极射线可以透过某些金属薄片。这使他想到阴极射线具有类似光透过物质那样的性质，所以赫兹把它看成是“以太”的振动。

但是，远在千里之外、隔着北海的英国科学家们对阴极射线本性的认识却完全不同。其中的代表人物是伦敦大学化学教授克鲁克斯。他首先把当时的新发明——能抽成高真空的水银泵装在气体放电管上并通上高压电，气体越抽越少时管中开始发光了，继续抽下去，一个新奇的现象出现了：阴极附近出现了一段不发光的黑暗区域，原来连续的光柱断开了，仍旧发光的一段光柱也像鱼鳞一样闪烁不定。再抽下去，黑暗的区域越来越长，好像由阴极伸出来一股暗流把发光区域越压越短，最后暗区被压到阳极上，整个光柱就全部消失了。

这时候，放电管已被抽成百万分之一大气压的高真空度，虽然没有明亮的气体发光，但整个管子似是处在一种闪烁状态。在阴极对面的玻璃壁上，荧光则非常清楚。也就是说，管中由阴极发射出了强烈的射线。

1879年8月22日，克鲁克斯在一次科学报告会上作现场表演并解释这种现象：在盖斯勒管中的是低压气体在发光，不论管子什么形状，在高压电作用下，充满整个管子的低压气体都会发出明亮的辉光。但是，在高真空放电管中的只有阴极射线，阴极射线是走直线的，并且不为肉眼所见，我们能看见的只是由阴极射线被打在玻璃管壁上所引起的荧光。

接着，助手在管中树立起一个十字形的云母片，在玻璃壁上立即出现了黑影。克鲁克斯指出，云母片是透明的。这就表明阴极射线并不是光线。

一个长长的放电管被搬上来了。这管子制作得十分巧妙，中间平行地安放着两根玻璃棒，就像火车的两根轨道，而在玻璃轨道上则又安放着一个云母片做的小风车。通电以后，小风车开始转动，离开阴极向阳极跑去。把电极互换以后，原来的阴极变成阳极、原来的阳极变成阴极，小风车又往回转动。克鲁克斯告诉大家，由阴极发出来的射线实际上是微小的粒子流，它们被打在小风车一侧的翼上，就会使风车转动。

最使人惊叹不已的是这样一个放电管：阴极被做成了凹面镜形，所以发出的阴极射线就全部聚焦在一个小点上。如果在管中装上一个可以转动的风车，在风车和阴极之间立一块挡板，这样通电以后，阴极射线射在挡板上，风车便静止不动。

这时候，克鲁克斯把一块磁铁挂在放电管上面，在磁场的作用下阴极射线往上偏转了，通过挡板上方射在风车的翼上，于是风车就飞快地转动起来。他又把磁铁转了180度，磁场方向也跟着变了180度，阴极射线反过来向下偏转了，通过挡板下方射在风车翼上，于是风车就反方向转动起来了。

克鲁克斯反复地转动着磁铁，风车就一会儿正转，一会儿反转。风车上画了清晰的螺旋线，所以看螺旋线是展开的还是收缩的，便可以知道风车旋转的方向了。

“啊！真是妙极了。”人们惊呼着。克鲁克斯进一步告诉大家，光线是不能被磁场弯曲的，而阴极射线却能被磁场弯曲，这说明阴极射线不仅是一种粒子流，而且是带电的粒子流。

最后，克鲁克斯对实验作了总结。他指出：阴极射线这种带电的粒子流，以很高的速度离开阴极。由于同性相斥，因而它带的显然是负电荷。德国科学家们并不甘示弱。

1893年，勤纳德把阴极射线管壁的玻璃去掉一部分，再用极薄的金属铝片密封好。实验发现，阴极射线可以穿过铝片，并在空气中传播几个厘米。由于克鲁克斯受到原子不可分割传统理论的束缚，把带电的粒子错误地理解为“电原子”，因而被德国科学家们抓住“小辫子”，并反击说它应该和铝片的原子尺寸相同，为什么通过铝片时没有留下孔洞呢？

法国物理学家佩兰决定助英国科学家一臂之力。

1895年，他让阴极射线从阴极射出，经过小孔进入阳极内的金属筒。这个金属筒就是一个电荷接收器，然后可以用静电计检测电量及其正负。检测结果表明阴极射线是带负电的。由此，佩兰发表论文支持阴极射线是“带电粒子流”的观点。

但是，坚持阴极射线是“以太振动”的德国物理学家并不认为这个实验具有判决性，因为这还无法说明静电计上所检测到的负电荷就一定是阴极射线本身。他们提出，这些负电荷也可能是伴随阴极射线所出现的物质，而佩兰实验并没有证据表明它们同阴极射线有相同的运行路径。所以，他们认为这些带电粒子与阴极射线之间的关系，充其量就像从枪口飞出的子弹与开枪时的闪光一样。

就这样，阴极射线的本性究竟是什么，德国科学家与英、法两国科学家之间争论了20多年，仍旧没有明确答案。

荷质比证据确凿　 汤姆逊一锤定音

1897年，英国科学家汤姆逊对佩兰的实验进行了改进。

他把放电管和金属筒（即电荷接收器）分开放置，并且均与一个玻璃泡相连。实验时，从阴极发出的阴极射线经缝隙进入玻璃泡，在它没有受到磁场作用时，没有电荷进入接收器；用磁场偏转阴极射线，当其强度达到某一量值时，电荷接收器上接收到的负电荷猛增。

汤姆逊总结这个实验时说，这就表明不管我们怎样用磁力扭曲和偏转阴极射线，负电荷总是和阴极射线走同一条路线。因此，这种负电性与阴极射线是牢不可分的。这应该说是对“带电粒子流”观点的有力支持，也是对“以太振动”观点的回击。但是，由于赫兹当年在实验中未能观察到阴极射线被电场偏转的现象，因而反对“负电微粒说”的人就把这一点作为“最后阵地”。

于是，汤姆逊重复了赫兹的实验。

起初，他也得到与赫兹同样的结果。但是，他没有放弃努力，最终查明原因在于当年使用的放电管的真空度不高，阴极射线就成了电离剂，它使放电管内的残留气体电离而具有了导电性，就像金属罩把验电器“屏蔽”那样。他在实验室技师的帮助下，提高了放电管的真空度，终于实现了阴极射线在电场下的偏转。

这两个关键性实验的成功，使得关于阴极射线本性的争论有了重大突破。但是，汤姆逊并没有停止思考和研究，他在后来发表的著名论文中写道：“由此而产生一个新问题，便是这种粒子是什么：是原子？分子？还是可再分成更小层次上的物质？为使这一点明确起来，我进行了一系列有关这种粒子的质量（m）与其所带电荷（e）之比的测量。”

具体表现为“三步曲”：一是让阴极射线通过一条狭缝进入阴极内的金属筒，利用静电计测量一定时间内金属筒获得的电量。二是插入热电锅，经过同样的时间后，根据温度的升高，测出进入金属筒内微粒由于碰撞而全部转化成的热能。三是加上一定强度的磁场使射线偏转，并测定微粒运动轨道的曲率半径。

结果汤姆逊发现，这种微粒的“荷质比”（e/m）要比当时公认的最大的氢离子荷质比还要大得多。这有几种可能，或者是m小，或者是e大，或者两者兼而有之。如果要符合前述勤纳德实验结果，应该m特别小，才能穿过“铝窗”而不打出“孔洞”。

汤姆逊运用“云雾室”进行鉴定。

这是他学生威尔逊的发明。我们知道，水蒸汽遇冷凝结成雾时必需有凝结核心（空气中的尘埃或离子）。云雾室就是利用了这一原理。它的主要部分是一个大玻璃筒，下面有一个底盘与验电器相连接。筒内充满潮湿空气后将筒上的活塞突然向上提，水蒸气就迅速膨胀而处于过饱和状态。这时进入云雾室的阴极射线的带电粒子可使气体电离而形成凝结核心，水滴就开始慢慢地落到底盘上。根据水滴下降的速度可以求得其大小，再根据其大小和水蒸气总量求出水滴总数。把验电器收到的总电量除以水滴总数，就可求出每个水滴上的电荷值（e）。由于e/m是已知数，因而很容易算出m值。汤姆逊测定，e值与已知的1个氢离子电荷值相同，但m值却比一个氢离子质量小得多，只有它的1/1840。

汤姆逊进一步用金、银、铜、镍等各种金属做阴极，又把不同的气体——氢气、氧气、氦气……充到管内，阴极上射出的带电粒子的荷质比都是相同的。这就充分表明，各种物质中都含有这种质量远比氢原子质量小的微粒。1897年10月，汤姆逊正式命名这种微粒为“电子”。

电子是人类认识的第一种基本粒子。这一重大发现颠覆了原子是不可分割的最小粒子的传统观点，打开了原子世界的大门，具有划时代的意义。1906年，汤姆逊荣获诺贝尔物理学奖。那么，汤姆逊对电子本性的认识是否已达到完美境界了呢？

父说粒子儿曰波　 同获诺奖传佳话

1925年的一天，美国西方电气公司戴维逊与他的助手革末用电子去轰击镍靶时，忽然一声巨响，一只盛放液态空气的瓶子倒地炸裂。戴维逊是长期研究新型真空三极管的。这下可糟了，镍靶是置于真空条件下的，现在液态空气立即蒸发，弥漫全室，钻进了真空系统，那块镍靶立即被氧化。

为了净化镍靶表面，他俩只好自认倒霉，长时间地进行热处理，并灌以氢气再装回真空管中。两个月后实验重新启动。

“见鬼了，今天怎么连电子也学会与我绕弯子？”戴维逊惊呼说，“革末，再将镍靶转个角度。”

“先生，您发现了什么？”

“请你自己过来看，难道是我的眼睛出现了毛病？”

“先生”，助手也感到奇怪，“电子束怎么不稳定了呢？”原来，随着镍靶的取向变化，电子束的强度也在改变。这种现象很像一束波绕过障碍物时发生了“衍射”。但是，科学家们已经公认汤姆逊的发现：电子是一种带负电的微粒，怎么现在又变成了“波”呢？

两人感到困惑……

1926年夏天，戴维逊陪伴夫人横渡大西洋，回英国探亲。他随姻兄理查森参加了一些科学活动，并结识了著名物理学家波恩。波恩对他介绍说，1924年法国科学家德布罗意提出了一种“物质波”理论，包括电子在内的一切微观粒子既有波动性又有粒子性，概括为“波粒二象性”，并列出了换算公式。波恩分析，这个“意外”实验结果，很可能是由于镍的晶格引起电子的衍射而引起的。也是确认物质波存在的第一个证据。

戴维逊深受启迪，回国后立即重新开始实验。他和助手回忆那次事故后，将管子切开，在一位显微镜专家帮助下，发现本是极光滑的镍表面，经过加热处理后，原子已经重新排列，变成了单晶体。1927年1月，戴维逊与革末终于从单晶镍的电子衍射中获得数据，计算出的波长与德布罗意预言的电子波波长基本一致。

几乎与此同时，英国汤姆逊的儿子小汤姆逊用一束窄的阴极射线，穿过厚度约为10厘米的一片金属薄膜，并垂直于射线的方向，然后在金属膜后面放一张照相底片。底片显影之后所得到的环状图案，很容易使人们联想起肥皂泡上由于阳光干涉产生的彩色花纹。显然，这也是一种干涉现象。

可以想象，阴极射线中的电子伴随着电子波在前进中遇到金属薄膜中的原子，原子对电子波散射，形成一个个被散射的子波。由于金属的每个小晶体中的原子是规则排列的，在某一特定方向上被散射的子波的位相彼此有一种特定关系。在某些方向中，它们将同相，建立强散射波，其他一些方向中出现反相，彼此相消。这种现象正如光栅衍射光束一样，晶格相当于立体空间光栅，电子射束就相当于光束。

对比戴维逊和小汤姆逊两人的实验，虽然思路、方法和操作细节并不相同，但异曲同工，殊途同归，都证明了电子波的存在，从而进一步确认了德布罗意“物质波”理论——电子的“波粒二象性”。1937年，戴维逊和小汤姆逊共享诺贝尔物理学奖。老爸发现了电子，儿子又证实了电子还是“波”。

父子二人在物理学上的这种“接力赛”，特别是反映在100多年来诺奖获得者的长长名单上迄今尚属首列，在科学史上被传为佳话。更给广大读者深刻启示的是，从原子的“不可分割”到电子“波粒二象性”发现的曲折过程又一次证明了：

任何一条被公认的科学原理都不是“绝对真理”。

科学发展无顶峰！

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