j·j·汤姆森发现了电子吗?

“我们要叫物理学家J.J.汤姆森(J.J. Thomson)在一次会议上宣布在皇家学会演讲1897年4月30日在伦敦。“普通元素的原子是由微粒和空穴组成的，空穴占主导地位，”他继续说道。汤姆逊描述了他用阴极射线进行的实验，以证实这些亚原子微粒的存在。这种原子模型后来被称为“葡萄干布丁”模型，以英国流行的甜点命名。在汤姆森的类比中，带负电的微粒就像葡萄干悬在带正电的蛋糕上，形成一个中性原子。这个模型也被称为汤姆逊模型，尽管它的主要支持者是威廉·汤姆逊(开尔文勋爵)，而不是J.J.汤姆逊，他只是赞同这个想法。

微粒和布丁不是我们今天对原子结构的看法。微粒是电子，而葡萄干布丁模型在1911年让位于欧内斯特·卢瑟福的核模型。然而，J.J.汤姆森(J.J. Thomson)常常因为125年前的那次演讲而被誉为电子的发现者。

---

当然，历史总是比这更混乱。在本月的专栏中，我知道我想写关于电子发现125周年的文章，为了简单起见，我把它和汤姆森的讲座联系在一起。当时的挑战是找到一件能记录这一发现的博物馆文物。博朗真空管看起来是个不错的选择，因为它的发明者，卡尔·费迪南德·布劳恩汤姆逊在他的实验中使用了类似的仪器。

但当我深入研究汤姆森和布劳恩的历史时，我发现他们的故事是两个平行的故事，涉及许多相同的参与者和相似的结果(两人都获得了诺贝尔物理学奖)，但几乎没有其他共同点。事实上，许多人对发现电子的某些方面都有合理的主张。我研究得越多，就越想发现什么东西。

阴极射线，真空管，原子理论的诞生

整整125年前，英国物理学家J.J.汤姆森做了一个讲座，详细介绍了他和其他人在阴极射线管内进行的高能光束实验。通用图片组/盖蒂图片组

19世纪即将结束时，许多杰出的思想家认为科学上所有伟大的发现都已经完成了。电被驯服了，热力学的理论被联合起来解释蒸汽机的工作原理。科学家们几乎不知道原子理论即将颠覆科学并改变我们对物质的基本理解。J.J.汤姆逊是建立物理学新方向的关键人物。

1876年，汤姆森获得了剑桥大学三一学院的奖学金，四年后，他毕业并获得了数学学位。1884年，他被任命为卡文迪什实验物理学教授，开始了他毕生的电磁学研究。汤姆逊的大部分研究都致力于了解阴极射线的性质。我们现在知道这些射线是从真空管的阴极(或负极)发出的电子流。但经过许多参与者数十年的调查，这些知识来之不易。

纯粹的科学问题——阴极射线是什么?——也被国家认同所包裹。许多德国物理学家认为，可见的阴极射线是与以太相互作用的结果——以太是一种包裹着整个空间的无色、失重的物质。以太是历史学家所说的古典世界观的一部分，古典世界观是19世纪物理学的综合，起源于亚里士多德和牛顿。与此同时，法国和英国的科学家开始认为阴极射线是带电的亚原子粒子。这并不完全符合古典世界观，古典世界观认为一切都是由不变的、不可分割的原子组成的。

在原子的“葡萄干布丁”模型中，带负电的微粒就像悬浮在带正电的蛋糕中的葡萄干，形成一个中性原子。

在他的实验中，汤姆逊依靠一种被称为克鲁克斯管的专用真空管(稍后将详细介绍克鲁克斯和他的真空管)，他在其中观察并拍摄了各种现象，包括磁力对高压下放电的影响。他还比较了阴极射线在管内外携带电荷的实验。

汤姆逊在探索阴极射线之前，已经用低真空球和真空管进行了200多年的论证和实验。早期的实验者，比如弗朗西斯Hauksbee我们只是想弄清楚管子里发生了什么，被它们能发出的不同颜色的光迷住了。19世纪50年代，事情变得更加严重，波恩大学的物理学家和数学家Julius plicker和他的吹玻璃的同事Heinrich Geissler观察到高真空管玻璃上的绿色磷光是磁性的。当他们在阴极附近放置一块磁铁时，光以类似于磁铁周围的铁屑的模式扩散。

plicker的学生Johann Wilhelm Hittorf展示了放置在阴极前面的物体会在阴极对面的壁上投下阴影。希托夫的“辉光”开启了对方向性的一系列研究，尤金·戈尔茨坦在19世纪70年代的实验中发现，阴极射线可以使用凹阴极聚焦。

似乎每个新玩家都对这些管子做了轻微的修改。然后是威廉•克鲁克斯．他设计了一系列用于研究阴极射线的真空管，并用他的真空管做了漂亮的演示，普及了它们在实验室的使用，并使公众了解了这项研究。汤姆森在4月30日的演讲中开始了他的研究，他用的是克鲁克斯试管。

卡尔·费迪南德·布劳恩是如何发明示波器的

德国物理学家卡尔·费迪南德·布劳恩(Karl Ferdinand Braun)发明了一种真空管，成为20世纪用于电视机和电脑显示器的crt的基础。除

在汤姆森演讲之前的几年里，盖斯勒管、普勒克尔管、希托夫管和克鲁克斯管充斥着实验室和演讲厅。它们大多是用来显示阴极射线在不同磷光表面上放电的彩色效果，没有明确的实际应用。

然后威廉伦琴注意到有些不寻常。尽管他使用的克鲁克斯电子管是用黑色硬纸板包着的，但房间对面的一个荧光屏开始发光。这导致他在1895年宣布他发现了x射线。这一发现掀起了阴极射线实验的新浪潮。

一位受到Röntgen工作启发的科学家是卡尔·费迪南德·布劳恩．布劳恩于1872年在柏林大学获得博士学位，研究弦和弹性杆的振动，在接下来的20年里，他在马尔堡大学、卡尔斯鲁厄大学和宾根大学担任过各种职位。发现Röntgen时，布劳恩是斯特拉斯堡物理研究所的主任。根据历史学家George Shiers 1974年的一篇文章费迪南德·布劳恩和阴极射线管,“科学美国人布劳恩与许多Röntgen爱好者不同的是，他对x射线的来源比对辐射的应用更感兴趣。

布劳恩寻求一种新型的仪器，一种可以直观地捕捉电路中的振荡和瞬变现象的仪器。简而言之，他想绘制交流电的分布图，这就是后来示波器的前身。他指示他的乐器制造商弗朗茨·米勒(Franz m ller)通过在克鲁克斯管的中间添加一个限制性隔膜来改进克鲁克斯管。膜片聚焦阴极射线的细束。一块涂有磷的云母片充当了显示屏。管外的线圈使阴极射线束与磁场成直角偏转。由于光束对电压或电流的变化几乎立即作出反应，因此它可以用来在屏幕上追踪这些图案。布劳恩发表了一篇关于他的电子管的描述，包括一张图表《物理学年鉴1897年2月，汤姆森演讲前10周。

在卡尔·费迪南德·布劳恩的阴极射线管显示器中，在阳极(A)和阴极(K)上施加电压，使阴极发射出带负电荷的光束。膜片(C)聚焦光束，然后击中另一端涂有磷的屏幕(D)。琳达·霍尔科学、工程与技术图书馆

如果汤姆逊在4月30日演讲时知道布劳恩的工作，他却只字不提。汤姆森也没有选择用一个已经在使用的名字来称呼他的亚原子粒子:电子。1874年，爱尔兰物理学家乔治·约翰斯通·斯通尼提出了electrine对于未知的亚原子粒子，稍后将其改为电子在1891年。斯通尼还估计了电子的电荷(结果非常接近现代的值)，他对此感到沮丧赫尔曼·冯·亥姆霍兹不断获得赞誉因为这个发现。

除此之外，汤姆逊在追踪阴极射线实验的历史和命名为他的工作提供基础的科学家和仪器制造商方面做得很好。(汤姆森演讲的文本刊登于1897年5月21日的电工)。直到讲座的最后，他才提出了微粒假说，并描述了他测量微粒质量与电荷之比的实验。但是他并没有对电子的发现给出一个明确的结论。相反，他最后简单地指出，这个比率与荷兰物理学家Pieter塞曼这是他在前一年对钠光磁场的实验中得出的结论。

塞曼发现，当一种元素在强磁场下燃烧时，光谱线会分裂成规则的模式。今天我们把“塞曼效应”理解为电子自旋的结果，但电子还没有被发现。然而，塞曼的导师亨德里克·洛伦兹已经提出了原子可能由带电粒子组成的理论。塞曼和洛伦兹因此获得了1902年的诺贝尔奖。

不同的发现理论

然后是谁发现了电子?布劳恩的发明和汤姆逊的发现都是建立在许多科学家和仪器制造商几十年的工作基础上的，所以把功劳归于一个人似乎是不公平的。不过，确实，布劳恩从未为他的发明申请过专利，他也没有做太多的推广工作。1897年底，他放弃了阴极射线的研究，转而研究无线电报。1909年，他与古列尔莫·马可尼(Guglielmo Marconi)共同获得诺贝尔物理学奖。布劳恩的crt在他的一生中并没有看到太多的应用，但在20世纪下半叶，改良版的crt在电视机和电脑显示器上占据了主导地位，布劳恩被誉为crt的发明者。

与此同时，汤姆逊对他的微粒理论进行了进一步的研究，并于1906年获得了诺贝尔奖。而且，尽管他倡导的葡萄干布丁模型在几年后就失败了，但汤姆森在125年后被公认为是电子的发现者。

在历史学家、哲学家、科学家和教科书作者之间，关于发现和谁应该获得荣誉的问题争论不休，他们通常对这个问题有不同的看法，特别是当通往最终结果的道路很长，有许多不同的参与者时。在她的书中J.J.汤姆逊和电子的发现他是数学和科学历史学家伊泽贝尔驯鹰人反对关于阴极射线本质的传统民族主义辩论(相当有说服力)。她指出，汤姆逊直到1896年才对它们产生兴趣，即使在那时，他的微粒与当时被称为电子的东西也没有什么共同之处。在他的文章中重新思考电子的“发现””,历史学家西奥多Arabatzis提出了发现一个不可观察实体的分类方法。哲学家伊恩·哈金在他1983年的书中，代表与介入一旦科学家找到了操纵实体的方法，就意味着发现了什么。但也许发现应该从某样东西被展示、发表或命名时算起。或者，对发现的承认应该只是回顾一下，一旦对实体的各种特征的现代概念建立起来——以电子为例，这将是它的质量、电荷、自旋和粒子波的性质。

我意识到，提出这些哲学问题会扼杀基于一个顿悟时刻的叙述的乐趣。当发现的历史有清晰的边缘，有有限的迷人人物，也许有一些困难和挫折需要克服，最后有一个令人振奋的、决定性的成功时，我们的大脑会更容易接受。这是好莱坞传记片版的《发现》。它不一定是错的，但事实更混乱、更丰富、更不确定。

部分持续的系列看看那些历史文物的照片，它们蕴含着技术的无限潜力。

本文的删节版以“电子的诞生”为题刊登在2022年5月的印刷版上。