新的眼界

现在我们转到真正的物理学和能够使我们理解原子结构的那些工作上去。因为有这四项伟大的发现：X射线，电子，塞曼效应和放射性，所以从1895年到1897年是决定性的几年。尽管按年代顺序来说，电子的发现最晚，一直到1897年在测量了它的荷质比后这项发现才算完成，但因为它是十九世纪物理学家长期以来所关心的“真空”管内放电现象的成果的一部分，所以我将首先谈论它。

在关于气体放电的早期研究（1833年）中，迈克尔·法拉第发现“空气的稀薄极其有利于辉光现象”（“电的实验研究”）。他检验了几种不同的气体在低气压下的辉光，但没有能把它“分为可见的基本间歇放电”。他描述了辉光的美，对阳极附近的现在以他的名字命名的暗区进行了观察。虽然他知道“尽可能使真空达到完备”时也还远不是绝对真空，可是他所达到的真空度之低远远超过了他自己的想象。

1858年，朱利叶斯·普鲁克（Julius Plücker）想到将磁铁靠近“真空”管，看看放电会发生什么情况。普鲁克（1801～1868）是一位德国数学家，拓扑学家，在他的后期生涯中成为波恩大学的一位物理学教授。他对磁与气体放电间的关系发生了兴趣。（我们必须记住：这个时期，一位科学家研究几个领域是完全正常的：高斯既是数学家又是物理学家；亥姆霍兹是生理学家，物理学家，同时又是哲学家；克希霍夫是一名化学家同时又是一名理论物理学教授。）当普鲁克将磁铁放近他的真空管时，他注意到放电的一些偏转。下一年，他报道说在玻璃管中靠近阴极的地方看见了亮绿色磷光，可以用磁铁使磷光斑改变位置。然而，因为他的真空度太低而不能作进一步的研究。

1869年，普鲁克的学生约翰·希托夫（Johann Hittorf，1824～1914）取得了更大的成就。在这期间的几年里，第一个水银真空泵已经投入使用，他能够使他的管子的真空度比他的前人所能获得的真空度要稍微高一些。他看到了由放在阴极前的物体所形成的阴影，这是一个说明放电源是阴极的迹象。“阴极射线”这个名字是在1876年由E.戈尔德施泰因（E.Goldstein，1859～1930）提出的。1879年，威廉·克鲁克斯对由他自己设计的经过改进的真空泵抽真空的管子内的阴极射线进行了系统性的研究。仔细地读一读克鲁克斯论文中的那篇关于他确信他有一个特别好的真空的论文，可以说明这一点。在他的管中的压力是40×10-3毫米汞柱，比现代大型加速器中的压力高一百万倍。我不知道他究竟测量得如何。

今天，我们知道阴极射线是快速运动的电子，但是那时没有人知道电子的存在。关于阴极射线的已知事实是：它们产生于高度抽空了的管子的阴极；撞击对面一端的管壁，使它产生荧光；因为它对通路上的物体投射出清晰的阴影，所以，它显然是沿直线行进的；虽然无人能肯定，但大概它还能被磁铁偏转。(https://www.daowen.com)

围绕阴极射线的性质出现了一场大争论。它们是什么？有的说，它们是粒子，从阴极发射出来的颗粒；其他的则相信：它们是波。奇怪的是，意见是按国界划分的。1892年，赫兹声称实验证明阴极射线不可能是粒子，所以它们一定是波。古斯塔夫·海因里希·维德曼（Gustav Heinrich Wiedemann，1826～1899），戈尔德施泰因和所有的德国物理学家都同意这一说法。但是在英国，克鲁克斯坚持认为这些射线是带电粒子（克鲁克斯称它们是“辐射物质”）；在英国的物理学家——开耳芬，J.J.汤姆逊和其他的人是一致的，支持“粒子”说。

最后，1895年在法国，让·巴蒂斯特·佩兰（Jean Baptiste Perrin，1870～1942）找到了实质性的证据：阴极射线是带负电的粒子。在一个充分抽空的放电管内产生阴极射线之后，他把这些射线送入法拉第笼，证明它们带有负电。它们能被磁铁偏转；引入和引出法拉第笼，视磁铁怎样移动而定。这些是打开通向继续进步道路的重要实验。

让·佩兰是一位杰出的法国物理学家，在巴黎高等师范学校受过教育。他也是另一位重要的物理学家弗朗西斯·佩兰（Francis Perrin）的父亲，因此，是杰出的法国科学家庭王朝之一的奠基人。（其他主要的科学世家是贝克勒耳，居里和布里渊（Brillouin）家族，其中一些我们在后面会谈到。）在第一次世界大战前，让·佩兰做了许多巧妙的关于布朗（Brown）运动的实验，他用杜仲胶的胶质球作这些实验，这些胶质球代表巨分子。根据这些实验，他间接地断定了电子的电荷。在他的后期生活中，他作为一名积极的左翼人士活跃在法国的政治舞台上。在逃离被占领了的法国之后，死于纽约。

在佩兰的工作和与其直接相关的J.J.汤姆逊的工作之间，人们用光谱技术在束缚电子方面做了某些重要的工作；然而，它是与电子的普遍问题有关的。所有这些活动在时间上是重迭的，毫无疑问，各种各样的科学家翻阅科学杂志从而了解到不同实验室的工作。现在我们来谈谈荷兰的皮特尔·塞曼。