原子到底是什么? 它是否确实存在? 自从古希腊唯物主义哲学家德漠克利特最早提出这个概念以来,一直是物理学家争论不休的问题．伊萨克·牛顿设想原子为某种微小台球的东西,目的为了说明他的由运动中的质量组成机械宇宙．他在1704年写道: “在我看来,可能是上帝最初把物质造成紧密、有质量、坚硬、不可分的活动粒子,其大小、形状和其他性质,以及它们对空间的比例都最符合于制造它们的目的．”量子论的创始人马克斯·普朗克则根本怀疑原子的存在．牛津大学名誉校长,出任过三次英国首相,四次外相的索尔兹伯里侯爵(1830－1903)1894年还说道: “每种元素的原子是什么,是不是一种运动,或一件东西,或一个旋涡,或一个具有惰性的点,它的可分是否有限度,如果有,限度是怎样造成的,元素的长串名单是否是最后的,它们之中的一些是否有共同的起源,所有这些问题都一直像过去那样深深地笼罩在黑暗之中”．然而这一切,随着X 射线和放射性的发现,原子的秘密即将揭开,20 世纪上半叶,基本科学的巨大惊人事件将在物理学中发生。

英国剑桥大学有个卡文迪许实验室,是为了纪念1810年去世的著名科学家卡文迪许而建立的,它创建于1874年．第一任实验室主任就是伟大的物理学家麦克斯韦,他创建了电磁理论,并指出光是电磁波．第二任主任是瑞利,他和拉姆赛一起发现了空气中的惰性气体．1884年,汤姆生作了第三任实验室主任,在获悉伦琴、贝克勒尔等人的发现后他立即着手研究阴极射线。

卡文迪许实验室有各种精密的物理学仪器,有研究电磁学的光荣传统．汤姆生在研究了普吕克、希托夫、古德斯坦以及克鲁克斯的工作以后,他想: 既然阴极射线是带电的粒子,又能够被磁场和电场偏转,那么就可以利用这个特点来测定阴极射线的速度、质量和电荷。

汤姆生设计了一个阴极射线管,在管子一端装上阴极和阳极,在阳极上开了一条细缝,这样一来,通电后阴极射出的阴极射线就穿过阳极的细缝成为细细的一束,一直射到玻璃管的另一端．这一端的管壁上涂有荧光物质,或者装上照相底片。

在射线管的中部装有两个电极板,通上电压以后就产生电场．电场越强,阴极射线通过电场后偏转就越大．电场强度和偏转程度都可以测量出来．这时候在射线管外面又加上一个磁场,这个磁场能使阴极射线向相反的方向偏转．调节电场和磁场的强度可以使它们对阴极射线的作用正好相互抵消,结果阴极射线不发生偏转。

汤姆生测量了在这种情况下的电场和磁场的强度,利用物理学定律计算出了阴极射线的速度．这速度非常快,大约是每秒三万公里(相当于光速的1／10)。

接着他又测量了组成阴极射线的带电粒子的电荷和质量的比值,发现这种带电粒子的质量非常小,大约是氢原子的质量的1／2000。

汤姆生作了许多实验．他用金、银、铜、镍等各种金属作阴极,他测量了不同阴极上射出的带电粒子,发现它们的电荷和质量的比值都是一样的．他又把不同的气体: 氢气、氧气、氮气……充到管内,阴极上射出的带电粒子的电荷和质量的比值还是一样的。

这就说明了一个非常重要的问题: 不管阴极的射线是由由电极产生的还是由管内气体产生的,结果都一佯．也就是说,在各种物质中都有一种质量约为氢原子质量的1／2000 的带阴电的粒子．这个实验是1897年10月完成的。

1897年4月30 日,汤姆生在英国皇家学会讲演的时候曾经指出: 阴极射线是从阴极烧热而放出的带负电的粒子,并被吸至阳极．这些粒子能被电场所偏移,并能被磁场弯折成曲线轨道．它们远比氢原子轻,并且如果将管内充入气体,它们也都相同而“不管放射通过什么气体”．由于它们比已知的最轻的物质还要轻,而且不管是从什么物质产生的都一样,因此它们一定是物质的某种基本组成部分,如果它们只是一部分,那么就必定有一个整体．真实的物质电子意味着真实的物质原子,这就第一次用物理实验具有说服力的证实了物质的粒子学说．在卡文迪许的年度宴会上,他们歌唱J·J·汤姆生的成功:

粒子现在获胜了,而且自由跑掉了,变成阴极射线了。

有了电子这个武器,并且从别的实验知道,当一个原子剃掉了其电子时,剩余物是一个质量很大并带正电的东西,汤姆生在下一个10年里着手研究一种原子模型,后来被称为“葡萄干布丁”模型．汤姆生的原子,“若干带负电的粒子包含在一个带均匀正电的球内”,像葡萄干在布丁里,它是一个混合体,包括粒子形的电子和弥漫着的其他物质．这个模型的有益之处是可以用数学方法证明电子在原子内能排列成稳定的结构,而这种数学上的稳定安排可以说明化学元素的相似性和规律性,如同元素周期表所显示出来的那样．开始了解到元素间的化学亲合力是电子造成的,化学最终是电作用．关于电,从18 世纪以来,许多科学家都在研究．他们认为电也有一种最小的粒子,并且起名叫做电子．如今,汤姆生真的发现了这个电的小微粒——电子。

阴极射线实际就是高速的电子流．后来人们又发现,炽热的电灯丝也会发射电子,光照在某些物质上也会发出电子,电子在各种物质中都有,它是原子的组成部分．后来人们更精密地测定了电子的质量,它是氢原子质量的1／1837。

现在大家都公认,是汤姆生在1897年正式发现了电子．这是19 世纪末最伟大的发现之一．20 世纪是电子时代,是原子时代．电子的发现撩开了原子神密的面纱,为人类打开了这个新时代的大门。

要知道,汤姆生的实验装置实际上就是电视显像管的前身．尽管电视显像管十分复杂,但基本原理却是一样的．在今天,你可以在放映电视的时候作一下汤姆生的实验,只要拿一块磁铁放在显像管旁边,就会看到电视的映像变了形状．这是因为磁场对显像管中的电子束起了偏转作用。