图：Bain News Service / 美国国会图书馆（公有领域）

J. J. 汤姆孙

Joseph John Thomson

1856–1940 · 生于英格兰曼彻斯特奇塔姆山 · 英国

原子与核物理电磁学

发现了第一个比原子还小的东西，从此原子不再是「不可分」

诺贝尔物理学奖 1906 对气体导电的理论与实验研究

「我看不出还有什么办法能回避这个结论——它们就是被物质微粒携带着的负电荷。」
—— 《阴极射线》，《哲学杂志》1897 年（据英文原文意译）

十九世纪结束时，「原子」这个词还保留着它的希腊文本义：不可切分。1897 年，剑桥的一间实验室里，J. J. 汤姆孙从原子里揪出了一块碎片——比原子轻两千倍的碎片。物质从此有了内部结构。

那束不听话的射线

真空玻璃管两端加上高压，会有一束看不见的东西从阴极射向阳极，撞在玻璃上发出荧光。这就是阴极射线。它是什么，欧洲吵了二十年：德国学派认为是以太中的某种波，英国学派认为是带电粒子。

关键的判决实验是电场偏转。赫兹做过，没看到偏转，于是支持了波动说。汤姆孙怀疑问题出在真空度上——管里残余的气体被射线电离后会屏蔽掉电场。他把真空抽到前所未有的程度，再加电场：射线偏了。

一个大得离谱的比值

接着他做了那个漂亮的组合测量：同时加上电场和磁场，调节到两者的作用恰好抵消、射线不偏，就能定出粒子的速度；再撤掉磁场，由偏转量算出荷质比 e/m。

结果让他自己也吃惊：这个比值比氢离子（当时已知最大的荷质比）还要大一千多倍。只有两种解释——要么这粒子带的电荷特别大，要么它的质量特别小。汤姆孙选了后者，并且做了一个更大胆的推断：不管阴极用什么金属、管里充什么气体，测出的比值都一样。这说明它不是某种元素的碎片，而是一切原子的共同组分。

1897 年 4 月 30 日，他在皇家研究院宣布了这个结果。据说台下不少人以为他在开玩笑。

布丁与它的反例

既然原子里有带负电的微粒，而原子整体是中性的，正电荷在哪里？汤姆孙 1904 年给出的答案是「葡萄干布丁」：电子像葡萄干一样嵌在一团均匀的正电荷里。

这个模型撑了七年。1911 年，他的学生卢瑟福用 α 粒子轰击金箔，发现极少数粒子被反弹回来——正电荷不是弥散的布丁，而是集中在一个极小的核里。老师的模型被学生推翻，这在卡文迪什是家常便饭。

一间实验室，七个诺贝尔奖

汤姆孙 1884 年二十七岁就接掌卡文迪什实验室，一干三十五年。同来竞争这个教席的人里，有他十几岁在曼彻斯特欧文斯学院读工程时的老师奥斯本·雷诺；落选的雷诺写信祝贺他。他带出的学生里有七位后来获得诺贝尔奖，包括卢瑟福、阿斯顿、威尔逊、玻恩（曾短期从学）。他自己的儿子 G. P. 汤姆孙在 1937 年因为证明电子的波动性得了诺贝尔奖——父亲证明电子是粒子，儿子证明电子是波，两人都对。

1940 年他葬入威斯敏斯特教堂，墓就在牛顿旁边。