陰極射線本質(zhì)問題的爭論

●盧雨生

一、引言

20世紀(jì)是科學(xué)技術(shù)革命的世紀(jì)，發(fā)端于世紀(jì)交替時(shí)期的物理學(xué)革命，是19世紀(jì)末物理學(xué)危機(jī)的必然產(chǎn)物，它改變了人類的自然觀，特別是人對(duì)物理世界的認(rèn)識(shí)，也為人類文明的發(fā)展開辟了新的紀(jì)元。這次革命前后持續(xù)了30多年，開始是1895年至1897年接連不斷、且內(nèi)部有直接聯(lián)系的物理學(xué)三大發(fā)現(xiàn)——X射線、放射性和電子的發(fā)現(xiàn)。這是對(duì)原子物理學(xué)的開拓，也為其發(fā)展做好了鋪墊。X射線發(fā)現(xiàn)最早來源于陰極射線的研究，陰極射線是在研究真空管放電時(shí)意外發(fā)現(xiàn)的。這些成了19世紀(jì)后半葉各國物理學(xué)家普遍感興趣的一個(gè)中心議題。因此為了更清晰地了解陰極射線的本質(zhì)，對(duì)早期氣體放電的研究必不可少。

二、氣體放電的早期研究

早在19世紀(jì)30年代，法拉第就曾研究過真空放電現(xiàn)象，他發(fā)現(xiàn)在稀薄氣體放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生輝光，但由于他得不到級(jí)別更高的真空狀態(tài)，無法有更多發(fā)現(xiàn)。1855年，德國波恩大學(xué)科學(xué)儀器技工蓋斯勒制做了簡易水銀管泵，將真空度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，并成功地把金屬電極封進(jìn)玻璃管內(nèi)。

1858—1859年間，德國數(shù)學(xué)兼物理學(xué)家普呂克用蓋斯勒管進(jìn)行了低氣壓高真空放電實(shí)驗(yàn)，當(dāng)玻璃管的空氣幾乎被抽盡時(shí)，他發(fā)現(xiàn)有熒斑出現(xiàn)在陰極附近的玻璃管上，而且熒斑的位置不根據(jù)陽極的位置變化而進(jìn)行改變，熒斑看起來只是從陰極發(fā)出，穿過接近真空狀態(tài)后打到了玻璃管上。因此，普呂克認(rèn)為熒斑是由陰極發(fā)出的電流產(chǎn)生的，并且磁鐵能使熒光移動(dòng)，可以改變熒光在玻璃管上的位置和分布。10年后普呂克的學(xué)生希托夫驗(yàn)證了普呂克的結(jié)論：放電起源于陰極，并以直線運(yùn)動(dòng)。希托夫在陽極處放置了小障礙物，發(fā)現(xiàn)玻璃管壁上投下一邊界陰影，他由此推斷熒光是陰極通電產(chǎn)生的射線撞擊玻璃管產(chǎn)生的。1876年，德國物理學(xué)家哥爾德施泰因把這種射線稱為陰極射線。據(jù)此哥爾德施泰因、普呂克、希托夫總結(jié)道陰極射線的本質(zhì)是某種光物質(zhì)，是以太形式的震動(dòng)。德國的物理學(xué)家也都傾向于陰極射線是一種類光物質(zhì)的觀點(diǎn)，而英國一方卻有著不同的觀點(diǎn)。1871年，瓦利注意到磁鐵可以使陰極射線偏轉(zhuǎn)這一現(xiàn)象，他認(rèn)為為了更好地研究陰極射線的本質(zhì)，可以假設(shè)陰極射線是由帶負(fù)電的粒子組成。1879年，英國物理學(xué)家克魯克斯進(jìn)對(duì)真空泵進(jìn)行了升級(jí)，根據(jù)歷史的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，克魯克斯認(rèn)為陰極發(fā)射的不是光，而是高速粒子流。由陰極射線的偏轉(zhuǎn)方向可以確定高速粒子是帶負(fù)電的粒子。但在當(dāng)時(shí)的物理學(xué)中持有一種傳統(tǒng)觀點(diǎn)，即原子是不可分的，是物質(zhì)組成中的最小單位，結(jié)果克魯克斯提出一個(gè)很容易被人否定的假說，即陰極射線是由陰極發(fā)射出的帶有負(fù)電荷的原子。

三、英德有關(guān)陰極射線本質(zhì)問題的爭論

克魯克斯批評(píng)陰極射線是類光物質(zhì)并依靠以太擾動(dòng)的學(xué)說，立即招來了德國物理學(xué)家的集體攻擊。關(guān)于陰極射線到底是什么的問題引起了國際大討論，而有趣的是意見不同的兩大陣營竟然是按照國別區(qū)分的，德國一方認(rèn)為陰極射線應(yīng)該是一種波，英國一方則認(rèn)為陰極射線就是粒子。

哥爾德施泰因第一個(gè)對(duì)克魯克斯進(jìn)行批判，1880年他將陰極射線管抽空到相對(duì)真空狀態(tài)下測(cè)得射線可以行進(jìn)90cm左右，在同種實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下普通分子也就能行進(jìn)0.6cm。由此可以證明克魯克斯的分子流或者電原子流的說法是不正確的，因?yàn)檫@無法解釋陰極射線在陰極遠(yuǎn)端還能留下清晰陰影的現(xiàn)象。哥爾德施泰因還重新做了泰特的光譜實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)光源發(fā)出分子的速度遠(yuǎn)比克魯克斯假設(shè)的小，因此他判斷陰極射線不可能是分子流或者電原子流，似乎把陰極射線看成是電磁波更符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果。哥爾德施泰因的實(shí)驗(yàn)是具有說服力的，因?yàn)楝F(xiàn)在我們都清楚陰極射線就是電子，而不是分子流或電原子流?？唆斂怂勾藭r(shí)只是找到了一個(gè)正確的方向、卻提出了錯(cuò)誤的觀點(diǎn)，反而給對(duì)手提供了充實(shí)的材料。接下來赫茲對(duì)粒子說也進(jìn)行了批評(píng)，1892年赫茲公開說陰極射線不可能是粒子，而僅有可能是一種以太波，幾乎所有德國物理學(xué)家都同意這個(gè)觀點(diǎn)。但以克魯克斯為代表的英國物理學(xué)家卻不認(rèn)同，堅(jiān)持認(rèn)為陰極射線是一種帶電的粒子流。1894年赫茲的學(xué)生勒納德，也是德國實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家在放電管的玻璃壁上開了一個(gè)薄鋁窗，成功地使陰極射線射出管外，他和赫茲認(rèn)為陰極射線是一種以太波。這顯然對(duì)粒子說十分不利，因?yàn)殡姶挪ù┻^固體是很正常的現(xiàn)象，但把陰極射線看成是粒子，穿過固體物質(zhì)將是十分困難的。雖然這么多的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象似乎可以證明陰極射線是一種電磁波，但是這種以太學(xué)說也存在著致命缺陷：如果陰極射線真的是某種波，那么波怎么能在磁場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)呢？支持以太說的物理學(xué)家從認(rèn)識(shí)論的角度進(jìn)行詭辯，或許是光的性質(zhì)還沒有被完全了解，所以波在磁場(chǎng)中會(huì)偏轉(zhuǎn)也不是沒有可能。反觀粒子學(xué)說，由于對(duì)原子不可分的傳統(tǒng)觀點(diǎn)過分保守固執(zhí)，因此想找到有利于自己觀點(diǎn)的證據(jù)是很艱難的。由于表面上以太說的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯易懂且在理論上只要找不到缺陷就無法證明其有錯(cuò)誤，而粒子學(xué)說由于傳統(tǒng)的束縛給自己埋了一個(gè)陷阱無法自拔，一時(shí)間以太說明顯占了上風(fēng)。但在正式發(fā)現(xiàn)電子之前，粒子說物理學(xué)家也為自己的觀點(diǎn)做了幾個(gè)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)。

英國物理學(xué)家舒斯特堅(jiān)持粒子說，但不同意克魯克斯的觀點(diǎn)。他認(rèn)為組成陰極射線的是高速帶負(fù)電粒子，是放電管內(nèi)陰極附近的氣體分子離解而產(chǎn)生的帶負(fù)電粒子，它們受陰極的排斥而飛離陰極。到1890年，舒斯特宣稱可利用磁場(chǎng)使陰極射線偏轉(zhuǎn)求出陰極射線粒子的荷質(zhì)比e/m：e/m=v/Hr(H是磁場(chǎng)強(qiáng)度，v是粒子速度，r為粒子的偏轉(zhuǎn)半徑)由于當(dāng)時(shí)只能測(cè)得磁場(chǎng)強(qiáng)度H和偏轉(zhuǎn)半徑r，無法測(cè)得粒子速度v，所以無法得到精確的荷質(zhì)比。為了證明陰極射線是粒子的觀點(diǎn)，舒斯特利用平均和極限的方法測(cè)得了陰極射線荷質(zhì)比的范圍，又通過實(shí)驗(yàn)測(cè)出了氫離子的荷質(zhì)比正好在這個(gè)范圍內(nèi)。這樣支持粒子說的物理學(xué)家完全有理由相信陰極射線是粒子這種觀點(diǎn)站得住。由于采用了平均和極限的方法給測(cè)量和實(shí)驗(yàn)帶來了不確定性，舒斯特最終也沒有發(fā)現(xiàn)電子，但對(duì)于陰極射線本質(zhì)的研究和粒子說的穩(wěn)定有著極大的意義。

德國科學(xué)家認(rèn)為陰極射線是某種波，是因?yàn)榇蠖鄶?shù)德國物理學(xué)家確信麥克斯韋理論無誤。麥克斯韋曾認(rèn)為電流是電磁以太的一種特殊振動(dòng)，這被德國物理學(xué)當(dāng)成內(nèi)部基本定理傳承下來，因此德國物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中只讀取對(duì)自己有意義的證據(jù)，粒子說一派的內(nèi)部傳統(tǒng)原子論束縛的缺陷也會(huì)給德國物理學(xué)家一種似乎掌握了陰極射線本質(zhì)的感覺。但德國人忘了科學(xué)不是依靠權(quán)威，科學(xué)是要不斷超越。

反觀英國物理學(xué)家，對(duì)于本國前輩的理論并沒有一味地追捧，似乎也讓我們感受到英倫紳士的辯證風(fēng)采。英國物理學(xué)家沒有像德國物理學(xué)家一樣迷信權(quán)威，而對(duì)符合自己觀點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更重視。英國人覺得克魯克斯的實(shí)驗(yàn)太具有說服了，因此也就不能生搬硬套麥克斯韋的電磁理論來解釋陰極射線的本質(zhì)問題。

歐洲大陸不少的物理學(xué)家、化學(xué)家、哲學(xué)家也參加了19世紀(jì)末反對(duì)原子理論的活動(dòng)，其主要代表人物有德國的化學(xué)家奧斯特瓦耳德、德國物理學(xué)家赫耳姆等，他們的論據(jù)主要來自實(shí)證主義的哲學(xué)，他們認(rèn)為知識(shí)只能來自經(jīng)驗(yàn)，不能直接經(jīng)驗(yàn)到的東西都屬于形而上學(xué)的范疇。在物理學(xué)中，他們偏愛熱力學(xué)這類現(xiàn)象學(xué)的理論，反對(duì)任何本體論的解釋。奧斯特瓦耳德在1895年提出“唯能論”，把能量作為世界最終的實(shí)在。他認(rèn)為唯能論改造后的后的化學(xué)理論，可以全部推導(dǎo)出本來只有原子論才能解釋的那些定律，因此原子假說成為不必要的了。德國物理學(xué)家深信陰極射線以太說與德國傳統(tǒng)反對(duì)原子論密切相關(guān)。從根本上看英德有關(guān)陰極射線本質(zhì)問題的爭論是跟傳統(tǒng)因素的傳承相關(guān)的。換個(gè)角度說爭論的本質(zhì)從這兩個(gè)國家來看是唯能論等反對(duì)原子存在的理論與原子論之間矛盾。最有趣的是，英國雖然支持原子存在的理論但在實(shí)際中仍被原子不可分這種觀點(diǎn)束縛。

四、湯姆遜電子的發(fā)現(xiàn)

1894年，湯姆遜測(cè)得陰極射線的速度v=200km/s，并不等于光速c。湯姆遜特別激動(dòng)，他認(rèn)為從根本上否定了陰極射線以太說的觀點(diǎn)。但由于自己太過于匆忙，后來他的實(shí)驗(yàn)被指出有測(cè)定方法上的錯(cuò)誤，他也只好放棄這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1895年，法國物理學(xué)家佩蘭利用法拉第籠接收陰極射線，證明了陰極射線確實(shí)是帶有負(fù)電荷的。當(dāng)時(shí)有人對(duì)佩蘭的實(shí)驗(yàn)提出了質(zhì)疑，因?yàn)樗麤]有證明從陰極發(fā)出的帶負(fù)電的微粒同陰極射線路徑相同，湯姆遜也認(rèn)為佩蘭的實(shí)驗(yàn)給以太說留下了太多話題可做文章。1897年，在佩蘭工作的基礎(chǔ)上，并且吸收X射線研究的成果，英國物理學(xué)家湯姆遜對(duì)陰極射線做了定性和定量的分析。湯姆遜認(rèn)為如果陰極射線是一種帶電的微粒，那么它不僅能在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，也應(yīng)該在電場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)，他還認(rèn)為最重要的是應(yīng)該測(cè)出陰極射線作為微粒的質(zhì)量。因此湯姆遜做了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)：（1）直接測(cè)量陰極射線所攜帶的電荷；（2）使陰極射線受靜電偏轉(zhuǎn)；（3）湯姆遜不僅使陰極射線在磁場(chǎng)中發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，而且還使它在電場(chǎng)中發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，又從這兩種偏轉(zhuǎn)的量度推算出陰極射線粒子的質(zhì)量與電荷的比值，其數(shù)值大約是氫離子的千分之一。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，湯姆遜得出結(jié)論陰極射線粒子比原子小，并認(rèn)為這種粒子一定是建造一切化學(xué)元素的最小物質(zhì)。1897年4月30日，湯姆遜向英國皇家研究所報(bào)告了自己的工作后，又以《論陰極射線》為題發(fā)表了論文。他指出陰極射線粒子的荷質(zhì)比比電解的氫離子的荷質(zhì)比大得多，有可能是陰極射線粒子的質(zhì)量比氫離子的小得多，還有可能即使陰極射線粒子的電荷比氫離子的電荷大得多，或者兩者都有一些成分，結(jié)合勒納德的薄鋁窗實(shí)驗(yàn)，陰極射線粒子的質(zhì)量應(yīng)該很小，比普通分子小得多，才能解釋陰極射線能過透過鋁窗的現(xiàn)象。1898年，湯姆遜測(cè)定陰極射線粒子的電荷和電解中氫離子所帶的電荷是同一數(shù)量級(jí)，這也就證明了陰極射線粒子的質(zhì)量只有氫離子的千分之一。1899年湯姆遜首次闡述了電子的發(fā)現(xiàn)，1900年起電子的存在才基本得到了人們的承認(rèn)，至此有關(guān)陰極射線本質(zhì)的問題的爭論畫上了句號(hào)。1906年，湯姆遜獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

五、結(jié)語

電子的發(fā)現(xiàn)終結(jié)了有關(guān)陰極射線本質(zhì)的問題的討論，這是19世紀(jì)末物理學(xué)上的一項(xiàng)重大成就，也同X射線和放射性的發(fā)現(xiàn)并稱為物理學(xué)三大發(fā)現(xiàn)。其實(shí)物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)都與陰極射線和早期的真空放電研究密不可分，X射線的研究來自對(duì)陰極射線的探索，X射線的出現(xiàn)也同時(shí)促進(jìn)了電子的發(fā)現(xiàn)。而電子發(fā)現(xiàn)的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出它結(jié)束陰極射線本質(zhì)問題的范圍，可以說這是科學(xué)史上的革命性發(fā)現(xiàn)：（1）標(biāo)志著人類對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)進(jìn)入了新的層次，對(duì)于原子物理學(xué)的發(fā)展有極大的促進(jìn)作用。物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最小單位已不再是原子，同樣在今天看來電子也早已不是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最小單位，是不是沒有最小只有更小這種科學(xué)態(tài)度值得我們學(xué)習(xí)。（2）電子的發(fā)現(xiàn)打開了現(xiàn)代物理學(xué)研究領(lǐng)域之門，在電子發(fā)現(xiàn)之前牛頓經(jīng)典力學(xué)理論倡導(dǎo)研究物理學(xué)中的低速宏觀運(yùn)動(dòng)，之后的研究領(lǐng)域逐漸轉(zhuǎn)向高速微觀。經(jīng)過幾世紀(jì)建立起來的經(jīng)典力學(xué)理論認(rèn)為物體的質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)沒有關(guān)系，這種觀點(diǎn)受到現(xiàn)代物理的挑戰(zhàn)。電子不只具有傳統(tǒng)意義的力學(xué)質(zhì)量，還具有自身的電磁質(zhì)量，也就是說當(dāng)電子以非?？斓乃俣龋ń咏馑伲┻\(yùn)動(dòng)，電子的質(zhì)量也是會(huì)發(fā)生變化的。后來提出的電子波粒二象性也在實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)，傳統(tǒng)意義矛盾的兩種性質(zhì)在現(xiàn)代物理學(xué)中還是得以共存，這也發(fā)展了微觀的量子力學(xué)理論。無論從哪種角度來說，對(duì)于陰極射線本質(zhì)問題的研究和電子發(fā)現(xiàn)的探索意義都是重大的。