我劈開了原子！

量子英雄傳說 第一季: 第九篇

約瑟夫·湯木生爵士，（Sir Joseph John Thomson，1856年12月18日－1940年8月30日）

前兩回我們都在討論氫原子的光譜線，雖然科學家們找到了描述這些光譜線的精確數學式，但是卻完全不能參透這些數學式背後的意義，主要的原因在於當時雖然知道各種不同的元素對應到不同的原子，但是原子本身是電中性的，而且當時科學家都相信原子是無法再分解的最小物理單位，它們如何能夠發出特定頻率的電磁波？打通這個難題任督二脈的高手，正是這一回的主角，湯木生爵士!

湯木生於1856年出生於英格蘭的曼徹斯特附近。在階級界限分明的英國社會中，古董店的兒子踏進學界的機會本是微乎其微，但是小湯木生的天資聰穎，很快就脫穎而出，1870年，他就讀曼徹斯特的歐文學院（後來的曼徹斯特維多利亞大學），1876年他繼續到劍橋大學三一學院深造。1880年畢業時在著名的劍橋畢業考（俗稱Tripos）以第二名畢業，僅次於後來成為盧卡斯教授的拉莫爾。令人吃驚的是，1884年12月22日，他被任命成為劍橋大學卡文迪希物理學教授，即卡文迪希實驗室主任，接替著名的物理學家，瑞利勳爵! 年僅二十八歲的理論物理學家居然華麗轉身，成為卡文迪希實驗室主任，但是更大的驚奇還在後頭。

湯木生早期的工作包括驗證馬克士威的電磁理論，他也對化學，特別是化學鍵以及元素的特性，都非常感興趣。但是隨著1895年倫琴發現X射線，科學家對各式各樣的射線都趨之若騖，其中最引人注目的，應該要算是陰極射線。任何管子只要在兩端裝上陰陽兩極，然後把裡面的空氣抽掉後，加熱陰極，就會產生陰極射線。當時的科學界分成兩大陣營，一邊主張陰極射線是帶電的微小粒子，另一邊則主張是電磁波。湯木生當然也對陰極射線的本質，感到好奇。1897年4月30日，他發現陰極射線在磁場下會產生偏折，而且他還小心地更換管中氣體的種類，也嘗試用不同的陽極材料，但是他發現陰極射線的偏折程度都相同，這說明了陰極射線是帶著負電的物質，徹底攻破主張陰極射線是以太波的陣營。接著他嘗試改用電場來讓陰極射線偏折。一開始都不成功，直到他有效地讓管中氣體密度低到一定程度，才大功告成。

利用電偏折與磁偏折，湯木生得到陰極射線的電荷與質量的比遠比從電解實驗推估的來的小。所以他認定陰極射線必定是某種過去未知的帶電微粒，湯木生將它稱為「corpuscles」，然而後來的學界多使用「electron」稱呼，我們把它翻譯成「電子」，這個詞由喬治·斯托尼於1891年提出。1895年，湯木生利用紫外光撞擊氣體，讓氣體放電，他發現放電產生正電的「離子」的質荷比遠大於帶負電的「離子」，所以他主張原子是由質量遠大於電子，帶正電的粒子與數個電子所組成的電中性系統。

其實，早在1815年，英國學者威廉·普勞特（William Prout, 1785-1850）就曾假設所有原子都是由氫原子構成，這是因為他注意到各種氣體的密度大約為氫氣密度的整數倍數。物理學者後來完成許多更精確的實驗，證實了普勞特的假設是不正確的。到了1886年，德國物理學家歐根·戈爾德斯坦發現陽極射線（anode ray），他證明了它們是由氣體產生的帶正電粒子所形成。但是，因為從不同氣體產生的粒子擁有不同的荷質比，所以它們不能被歸根為單獨一種粒子。但是湯木生發現陰極射線的荷質比與氣體種類無關，與陰極板材料也無關，這是一個決定性的差異。另一件重要的事是湯木生知道，陰極射線的荷質比遠比一般化學電解反應得到的各種離子的荷質比要大上至少千倍，這件事對湯木生在建構原子模型，也非常重要，請讀者千萬不要忘記了！

一般大家都把湯木生的歷史定位說成「電子的發現者」，但是他真正影響最大的，其實卻是他的「葡萄乾布丁原子模型」，理由是當時許多人並不相信組成陰極射線的粒子就是原子的組成粒子。但是湯木生從一開始就認定，不同元素的原子，它們化學性質的差異，就是因為它們包含不同數目的電子!這個想法後來又得到強力的佐證，就是在1900年，發現鈾鹽會放出貝他射線（β ray）的法國科學家貝克勒以湯木生用來研究陰極射線及辨識電子的方法成功地測量了β射線的荷質比（e/m）。他發現得到的值和湯木生所發現的電子的荷質比相同，因此他認為β粒子就是電子。特定原子會自發性地發出電子，這當然讓湯木生更加有信心了。不過事實上，貝它射線的電子是從原子核裡的核子產生貝它衰變產生的，這可不是湯木生在當時想像得到的了。

湯木生在1904年發表了一篇文章闡述他的原子模型。他設想一個帶著+Ne 的正電荷的球狀粒子，裡頭”藏著”N顆電子。他發現當N個電子排成一個環，每個電子都間隔相同時，靠著電子之間的排斥力與電子與正電球的吸引力，他可以讓整個粒子受力為零，系統保持平衡。他甚至算了這種情況下，電子受到微小擾動後的振動頻率。這個時候，湯木生發現，當N=4的時候，電子環無法形成穩定的平衡，某些方向的擾動會讓系統瓦解，這時，他讓電子環繞著球心旋轉，而且轉速要夠快，才能保持系統在穩定平衡的狀態。

但是當電子數高於6時，湯木生發現，電子環再怎麼轉都無法維持穩定平衡，奇怪的是只要他需要把一顆電子擺在正電球的球心，就可以繼續維持穩定平衡。到了N=9的時候，需要放兩顆。為了避免兩顆電子排斥力破壞平衡，湯木生只能將電子環拆成兩個，這個安排讓湯木生找到將電子環排列與周期表元素的化學性質相結合的一個管道! 元素的性質就跟最外層電子環的電子數有關，一個環，兩個環，三個環，擁有不同數目的電子環，只要最外一個環的電子數相同，化學性質就會相雷同。這個絕妙的主意可以說是後來電子殼層的鼻祖了。只是湯木生數學上當時只能處理同在一個平面上的電子環，在這個條件下，他發現電子振動的頻率與元素的光譜線頻率，完全兜不起來。這個缺憾讓他認為必須將電子環放在不同平面上，甚至取消環狀結構，用幾何的對稱性來決定電子排列的形狀。他也嘗試利用某些情況，電子環必須轉得夠快，才能穩定，來解釋有些原子會失去角動量，而失去穩定平衡，造成電子飛出正電球! 雖然湯木生的模型，後來被證實並不正確，但是他的努力，像是將周期表與原子中的電子配置狀態聯結在一起，企圖用電子振動來解釋元素的特徵光譜線，卻都是導向量子革命很重要的一環，這是我特別要強調的！

在湯木生的領導下，卡文迪希實驗室逐漸成了發展質譜儀的中心。1912年，在他和他的研究助理弗朗西斯·阿斯頓讓氖離子流經過磁場和電場，並且藉著在路徑上放置感光板測量離子流的偏轉程度。他們觀察到感光板上有兩條曝光的痕跡，可見氖離子流是由兩個不同原子量的原子（分別是氖-20和氖-22）所組成的，也就是說這兩種不同的原子，帶著相同電荷，但是質量不同。這稱為同位素。這個實驗首次證實天然穩定的元素也存在同位素。阿斯頓後來還得了諾貝爾化學獎呢。

湯木生在1906年因為「對氣體的電傳導理論和實驗研究」而得到諾貝爾物理獎，有趣的是，他的兒子喬治·湯木生在1937年，因「他們有關電子被晶體繞射的現象的實驗發現」而得到諾貝爾物理獎。雖然諾貝爾物理獎有四對父子檔，但是爸爸因為發現電子是粒子而得獎，兒子因為發現電子有波動現象而得獎，這可是難得的美談。我們在量子英雄傳說會再提到他的兒子，敬請期待！

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