就跟著電子一起流動探索原子的小小宇宙

文／余海峯｜馬克斯．普朗克地外物理研究所博士後研究員

牛頓曾說過，他之所以有如此科學成就，是因為他站在巨人的肩上。

1906 年的諾貝爾物理獎頒給量度出電子電荷、證明電子是比原子更細小的次原子粒子的約瑟．湯姆森（Joseph Thomson）。上次我們討論過 1905 年的得奬者萊納證明了陰極射線是由電子所構成的，但仍未能量度出電子的電荷和質量。一路回看科學的發展史，就能夠讓我們了解每個重大發現是如何環相扣，互相影響。

湯姆森的諾貝爾獎官方照片。圖／nobelprize.org

當時大部分科學家測量電荷數值都是靠氣體動力學的幫助。略去實驗細節，其原理就是首先產生出一個足夠大、能夠被直接測量的總電荷，然後想辦法計算出粒子（電子或原子）的數量。把總電荷除以粒子數量，就得到每個粒子的電荷大小了。這個方法不但迂迴，誤差也很大。

湯姆森則利用一個當時已知的現象：電荷會吸引空氣中的水蒸汽。他利用 X 光產生出許多電子，並放出水蒸汽。這些電子就會各自吸引水蒸汽，形成可見的水蒸汽粒子。湯姆森通過測量這些水蒸汽粒子受重力影響而下降的速度，就能計算出每個水蒸汽粒子的大小。由於湯姆森知道空氣中有多少水蒸汽，他就能算出有多少個水蒸汽粒子。

最後，因為湯姆森知道實驗中的總電荷，假設每個水蒸汽粒子裡只有一個電子，他就可以計算出一個電子的電荷了。

湯姆森在1934年時拍攝了一支講解他如何發現電子的影片，可以到諾貝爾獎官網觀賞。

湯姆森的計算發現電子的電荷為 -1.1×10^-19 C，與用氣體動力學算出的範圍吻合。現代的測量數值為 -1.602×10＾-19 C，比湯姆森的數值大 30％左右。現在看來，雖然湯姆森的實驗結果並不非常準確，他仍把當時的大範圍誤差收窄到允許進一步發展理論的程度。

然而，湯姆森的研究並未停止於此。得到了電子的電荷，他繼續測量電子的質量。原來，就是湯姆森發明了我們在初中科學學過的質譜分析法（mass spectrometry）。利用電場加速電子然後再用磁場使其偏轉，就能得出電子的質荷比（mass-to- charge ratio）。由於湯姆森已經算出電子的電荷大小，他就得出電子的質量小於原子質量千分之一的結論。

因此，湯姆森證明了電子是比原子更小的次原子粒子。他更發展了原子與電子的理論模型，認為電流的成因是電中性的原子失去了帶負電的電子，剩下了帶有同樣數值正電荷的原子核。換句話說，湯姆森證明電流的負電荷的流動而非正電荷。事實上，早於18世紀，著名的班傑明．富蘭克林（Benjamin Franklin）已經提出過這個理論，但一直要等到百多年後才被湯姆森證實。科學發展，就是如此耐人尋味。