情人节的时候，物理界的一对明星“情侣”电子和正电子，向单身的小伙伴们撒了一把狗粮，那没有情侣之前的电子又是怎么生活的呢？
上过初中的人都知道，原子是由带正电的质子、不带电的中子和带负电的电子构成。然而，在140年前，人们一直以为原子就像一个小得不能再小的玻璃实心球。后来，有科学家提出异议，并引发了一场关于原子物理的讨论。20年后，一位科学家发现了比原子更小的单位——电子，从而结束了这场讨论，打开了人类通往原子科学的大门……
从阴极射线说起
“阴极射线是由带电的原子构成的吗？可是，原子应该不带电呀。”公元1886年夏季的一天深夜，英国剑桥大学东边的一栋小楼里，灯依然亮着。一位邋里邋遢的年轻人手拄实验桌，认真观察着实验。
他叫约瑟夫·约翰·汤姆逊，年仅29岁。他研究的这个关于阴极射线的实验，著名科学家赫兹在10年前已经做过。汤姆逊很清楚，阴极射线只有28年历史，与自己的年龄差不多。公元1858年，德国科学家普吕克把一个玻璃试管中的空气抽得非常稀薄后，再在试管两头装上电极板；当极板上加入几千伏的电压时，阴极对面的试管壁上闪烁着绿色的辉光。“阴极没有任何东西发射出来。这辉光是怎么来的，又由什么组成的呢？”普吕克一直没找到答案。
公元1876年冬，德国科学家戈尔兹坦认真研究普吕克的实验后，提出“玻璃壁上的辉光是由阴极产生的某种射线所引起的”的观点，他把这种射线命名为阴极射线。阴极射线是由什么组成的呢？有的科学家说是电磁波，有的科学家说是由带电的原子，有的则认为是带阴电的微粒组成。一时间，欧洲的科学家们众说纷纭，并通过开展讨论活动或发表文章来证明自己的观点。
德国科学家赫兹深入研究后，做了一个实验：他将一块涂有硫化锌的小玻璃片，放在阴极射线所经过的路径上，结果硫化锌闪光。这充分说明硫化锌能显示出阴极射线的“径迹”。遗憾的是，赫兹只简单而错误地得出以下结论：阴极射线是不带电的。许多科学家们知道这个实验，但没有人关注。只有汤姆逊例外。
事实上，汤姆逊关注这个关于阴极射线本质的讨论已经有些时间了。他于1870年进欧文学院学习，受到老师奥斯本雷诺兹的悉心指导，并在那里养成了独立思考的习惯。后来，他进入剑桥大学三一学院学习攻读研究生课程。1884年，他被聘为剑桥大学卡文迪许实验室物理学教授。作为优秀的留校毕业生，汤姆逊在学校站住脚跟后，便雄心勃勃地发誓，要通过自己的实验来结束这场争论。
结束讨论真不容易
可是，当汤姆逊沉下心来研究阴极射线时，才发现要在这方面有所建树很不容易。一方面，人们当时对电学、磁学的认识不足，可供参考的资料和实验记录不多；另一方面，当时科学界一致认为，物体是由原子构成的，原子就像一个小得不能再小的玻璃实心球，无法打开。这便是“原子不能分割”的思想。
“很显然，阴极射线不是分子，也不是原子，它好像是生在原子内部或依附原子外面。它没产生磁力，似乎也不是电磁波。”汤姆逊陷入沉思中。
从此，这位踏上工作岗位两年不到的年轻人，沉醉于阴极射线的研究中。找资料、做实验、写报告；再找资料、做实验、写报告……和所有科学家一样，在科学攀登的路上，日复一日，年复一年，不知疲倦！
石破天惊的小实验
转眼到了1897年9月上旬，年过40的汤姆逊在剑桥大学东边的同一栋小楼的同一个实验室里，正紧张是做着一个他认为是此生最重要的实验。
之所以说最重要，是因为在四个月前，他在皇家学会的演讲中介绍了自己10多年来研究和试验的结果：“在气体中的电荷载体，一定比普通的原子和分子要小。”一石激起千层浪，当同行们问他，这种载体到底比原子小多少，到底带不带电，有何实验报告时，他彻底无语了。最后，他当众表态，在半年内做出一个实验，解答他们提出的问题。
会后，汤姆逊夜以继日地开始实验。经过反复考虑，他决定还是从赫兹那个实验入手。于是，他同样将一块涂有硫化锌的小玻璃片放在阴极射线所经过的路径上，也发现硫化锌闪光。接着，通过实验，他发现在一般情况下，阴极射线是直线行进的，但在射击线管的外面加上电场后，或用蹄形磁铁跨放在射线管的外面，阴极射线将发生了偏折。根据其偏折的方向，不难判断出其带电的性质。
“既然这些射线是由带负电的物质粒子构成，那这些粒子到底是什么呢？怎么才能测出它比原子小多少呢？”想到这里，他决定做更精细的实验：首先，单独的电场或磁场都能使带电体偏转，而磁场对粒子施加的力是与粒子的速度相关，然后他对粒子同时施加一个电场和磁场，并调节到电场和磁场所造成的粒子的偏转互相抵消，让粒子仍作直线运动。这样，从电场和磁场的强度比值就能算出粒子运动速度；速度找到后，靠磁偏转或者电偏转就可以测出粒子的电荷与质量的比值。经过多次实验，汤姆逊终于测出粒子电荷与质量的比值，并推测出这种粒子的质量是氢原子的质量的二千分之一。
同年9月下旬，汤姆逊再次站在皇家学会的讲台上，向同行们详细介绍了自己的实验，并宣读了题为《阴极射线》的实验报告。后来，大量的物理学成果反复证明，汤姆逊关于比原子小的“粒子”的假说是完全正确的。几年后，根据著名物理学家斯托尼的提议，科学家们将汤姆逊发现的“粒子”称为电子。
电子的发现，不但终结了持续20年的关于阴极射线本质的讨论，还开辟了原子物理学的崭新研究领域。在后代科学家的努力下，原子物理学已成为研究原子的结构、运动规律及相互作用的物理学分支，其主要研究内容有原子的电子结构、原子光谱、原子之间或与其他物质的碰撞过程等。后来，不少研究原子物理学的科学家都获得了诺贝尔物理学奖。
而汤姆逊本人，因为发现电子，获得1906年诺贝尔物理奖；两年后，为表彰他在气体放电的理论和实验研究方面所作的贡献，英国皇室授予他爵士头衔。
人物小档案：
约瑟夫·约翰·汤姆逊（1856年—1940年），英国物理学家，电子的发现者。1856年12月18日生于英国曼彻斯特。第三任卡文迪许实验室主任，以其对电子和同位素的实验著称。1940年8月30日，汤姆逊逝世于剑桥。他的骨灰被安葬在西敏寺的中央，与牛顿、达尔文、开尔文等伟大科学家的骨灰放在一起。
参考资料：
1、《影响世界的100项发明》，学林出版社出版的图书，2010年。
2、《影响世界的大科学家》，2008年北方妇女儿童出版社出版。
