电子理论

阴极射线是尤利乌斯·普吕克[6]在1859年首次发现的。这一发现自然地提出了关于这种射线的本质问题，它们是电荷的载体，还是像光线一样是波动的？X射线不能因施加在其上的磁铁而产生偏转的事实，似乎指向的是它的电学特性。但赫兹却偏好于与之相反的观点[7]。这个结论是在他进行了无数的实验之后才得出的。[8]在这些实验中，他将阴极射线施加在一根磁针之上，发现在每一次实验中，磁针都会保持在平衡位置上。据此，赫兹倾向于使用光-以太的波来定义阴极射线。而所谓的光-以太波，正是长久以来科学家们一直努力去发现却未能如愿的。如果赫兹在这方面是正确的，他的理论就会填补理论物理学结构中这些棘手的空白。

但是，与赫兹的假设正相反，种种迹象表明阴极射线是微粒，而且是电荷的载体。随着实验方法的进步，科学家们越来越相信，阴极射线最终会被发现是负电荷的载体。当威廉·维恩[9]发现了射线中的电荷、埃米尔·维舍特[10]发现了射线的速度之后，种种迹象就明确地指向了这个方向。而正是这些研究和发现，奠定了电子理论的基础。

这个案例显示出一个非常有趣的现象，即理论和实验这两者的携手合作。它们一个引领着当下，另一个引领着未来。实验会首先起到引领作用，这一点尤其体现在菲利普·莱纳德[11]身上。在1892年，他证明阴极射线可以穿过非常薄的金属箔片，并成功地在产生阴极射线的管子外获得了阴极射线。后来在实验的推动下，一个神奇且出人意料的结果产生了。在1895年，伦琴在研究阴极射线时发现了X射线[12]，这个爆炸式的结果打开了物理学的新王国。同时，他的发现给当时的理论物理学提出了一个全新的任务。它也间接导致了法国物理学家亨利·贝克勒尔[13]发现了铀射线。卢瑟福和索迪[14]在同一个实验领域的进一步发展，最终导致了放射性物质的发现以及放射性理论的建立。

人们对阴极射线、X射线和放射性各种现象的性质进行了全方位的实验研究。其中要解决的特殊问题是它们的起源问题以及放射性活动的本质问题。但是长久以来，所有试图在伦琴射线上进行的定量研究全都失败了。在实验早期阶段，人们轻易地接受了X射线本质上是电磁性的观点，其依据是下述事实：当我们把一个金属片正对着阴极放置在管子里——即放在反阴极上——电子流就会从反阴极射出。但是，对X射线的波长的测量长久以来都几乎不可能产生一个令人满意的结果。发展到此，冯·劳厄[15]教授这位理论物理学家的工作为下一个关键性阶段开辟了道路。

1912年，冯·劳厄和实验物理学家弗里德里希[16]与基平[17]合作，依靠让X射线通过晶体介质产生干涉现象，成功地确定了X射线的波长。人们发现用这个方法是有可能测量波长的，但这种实验方法只适用于均匀的伦琴射线，因为在其他情况下相互重叠的各种干涉位置上会出现混淆。

冯·劳厄的发现被证明在原子物理学领域中具有和它在光学领域中一样的价值。它使物理学家能够通过不同的放射性物质而从电动力学上将伦琴射线和伽马射线加以明确分类。另一方面，阴极射线的载体——也就是自由电子——其质量相对较小，对物理学而言，被证明是全新的事物。正是电子的引入，让我们得以有可能去理解迄今为止一直停留于神秘之境的众多物理学现象。

早在1881年，亥姆霍兹在他著名的法拉第演讲中就指出，从化学原子学的观点来看，只有像为物质那样，为电现象也赋予一种原子学结构，才能解释从电流作用的经验中推导出的化学分解定律。亥姆霍兹所假定的“电原子”第一次出现了在从所有物质中解放并脱离出来的阴极射线中，而后再被确定存在于放射性物质产生的β射线中。与化学原子不同的是，所有的“电原子”都是一样的，只是在速度上有所差异。对电子的发现并将其引入科学的宇宙图景中，使人们对于金属导电现象的本质有了新的认识。众所周知，一股电流在流经金属导体（比如一股普通的铜线）时，并不会引起化学变化。一旦我们知道了电子的存在，那么将这些自由电子看作通过金属的电流的载体，就是一件很自然的事情。这个从前曾被威廉·韦伯[18]提出过的观点，现在在里克[19]和保罗·德鲁德[20]手中得到了复兴并取得了进一步的发展。

一旦自由电子被物理学接纳为自然中真实存在的要素，就有人开始尝试证明这些电子同样会存在于一种“被束缚的”状态下。这项尝试使研究者们开始去研究一种物质在物理和化学上的一系列全新性质。保罗·德鲁德通过将物质的光学色散和化学价现象与原子中的电子联系起来，对这两种现象进行了解释。出于这个目的，他区分了紧束缚电子和松束缚电子。前者导致了光的色散，而后者解释了化学价的性质。随后，洛伦兹将整个电子理论表述为一个完整而独立的理论综合体。他特别努力研究的问题是，一种物质的所有材料常数是否可以通过其所包含的原子和电子的排列和相互作用来解释；如果可以，那么解释的程度又是怎样的。

通过目前得到的结果连同在放射性领域所进行的工作，在过去五十年中，所有致力于发现物质内部结构的研究的最终结论是：所有物质都是由两个原始元素组成的——正电与负电。它们两者都是由均匀的微小粒子构成的，带有各自一致但彼此相反的电荷。正电粒子的质量较重，被称为质子，而负电粒子质量较轻，被称为电子。每一个电中性的化学原子都是由紧紧结合在一起的一定数量的质子和同等数量的电子所构成的。这些电子中，有些与质子束缚在一起，共同形成了原子核，而另一些电子——即自由电子——在围绕原子核的轨道上运动。后者被称为自由电子或轨道电子，其数目给出了每一种化学元素的原子序数。不同元素的所有化学性质正是取决于原子序数。