6 汤姆逊的巧妙实验

短暂的航行之后，沿着我们来时的路线，我们再次停靠在电子港的海湾内。尽管之前喋喋不休的向导已经给我们上了一课，但是我们在原子之地的短暂停留告诉我们，在前往原子之地的内陆之前，我们还需要来自这里的更多答案。我们停船靠港后，一边分头寻找线索，一边暗暗希望不要碰见上次的向导。以下是我们所获得的信息。

电子是第一个被发现的亚原子粒子，这种微小的粒子最初是在所谓的阴极射线中被观测到的。阴极射线是一种金属在被加热时所放射出的奇特辐射。有些人认为这个射线是由粒子组成的，而有些人认为这个射线其实是以太里的波。在阴极射线被发现20年之后，1897年，英国剑桥的J.J．汤姆逊解决了这个问题，他确认阴极射线是由粒子组成的。

粒子都有明确的质量和明确的电荷。所以，粒子的质量和电荷的比值也是一个明确的数值。要想证明阴极射线确实是由粒子组成的，汤姆逊需要做的一件事就是证明无论使用什么材料产生的阴极射线，射线中物质的质量和电荷的比值也是不变的。只要阴极射线的这项比值不变，它就能被称作“粒子”。

第一个重要证据是阴极射线在电磁场中会偏转方向，就像一束带有电荷的粒子一样。因为在当时所知的波中，没有任何一种携带电荷，所以这个现象可以被视作支持粒子说的强有力的间接证据。

汤姆逊在阴极射线穿越真空区域时，对其施加了电场和磁场，并且精妙地平衡了它们。通过这个实验，他获得了支持粒子说的第二个证据。他成功的调试使得来自两种场的力量完全相互抵消，整体总受力为零。由此，光束的速度能被计算出来。

最后，一旦速度被知道，磁场就可以被关闭了。接下来，射线在电场中偏转方向的程度能够完全确定电荷与质量的比值。汤姆逊观察到，电子的这项比值差不多比氢离子的比值要高2000倍。氢离子就是一个单独的质子——当时已知的最轻粒子。这意味着，要么电子携带的电荷比质子的电荷要大得多，要么电子的质量比质子要小得多。

我们可以通过许多方法来推断出这两个情况中哪一个是对的。最烦人的方法或许就是，设法把带电的小球悬浮在电力场中。而假如我们刚刚没有成功避开上次的向导大哥，他这会儿可能正要热情地向我们演示这套操作。作用于小球的静电场力同时取决于电场的强度和小球碰巧所携带的电荷量，如果小球处于静止状态——既没有下落也没有上升，则静电场力必须刚好抵消掉重力，而重力又取决于小球的质量。所以，如果电场的强度以及小球的质量是已知的，那么小球携带的电荷是能够被计算出来的。用不同的小球重复多次同样的计算，我们将会发现得出的电荷量一直是一个极小单位数量的倍数，我们将这个单位数量称为e。小球所携带的电荷可能是e，也可能是e的2倍或3倍，又或许是e的100倍，但绝不可能是e的一半，或者任何比e小的数量。数值e就是一个电子所携带的电荷量。

综合以上所有证据得出的结论就是，阴极射线中存在一种极小粒子——电子，且它有确定的质量和确定的电荷。因为电子比原子要小很多，所以人们合理地猜想：电子在被单独分开形成阴极射线之前是存在于原子内部某处的。

此刻，我们才真正做好了回到原子之地的准备，下一步将开始更深入的探索。